Використання модернізованих ультразвукових витратомірів для підвищення точності обліку енергоносіїв

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Заклад вищої освіти «Подільський державний університет»

Використання модернізованих ультразвукових витратомірів для підвищення точності обліку енергоносіїв

Михайлова Людмила Миколаївна, кандидат технічних наук, професор,

в.о. декана факультету енергетики та інформаційних технологій

Семенишина Ірина Віталіївна, кандидат фізико-математичних наук, доцент, доцент кафедри математики, інформатики та академічного письма

Сікора Олексій Олександрович, асистент кафедри енергозберігаючих технологій та енергетичного менеджменту

Анотація

У багатьох галузях промисловості точне вимірювання швидкості потоку й мінімізація витрат відіграє важливу роль для економіки країни. Підвищення точності вимірювання потоку рідини й застосування нових технологій є однією з найважливіших тем досліджень, які широко використовуються в енергетичній промисловості. Один із найпоширеніших витратомірів -- ультразвуковий. Принцип дії ультразвукового витратоміра полягає у вимірюванні часу проходження акустичних коливань через потік рідини або газу, який залежить від швидкості потоку. Найважливішою особливістю ультразвукових витратомірів є те, що їх можна використовувати для великих діаметрів труб, зберігаючи при цьому точність результатів. Вони мають унікальні переваги порівняно з діафрагмовими, турбінними й вихровими витратомірами. Також вони включають відсутність рухомих частин, швидку реакцію і відсутність перепаду тиску в потоці газу. Проте, вимірювання витрати рідин за допомогою ультразвуку має багато наукових і технічних перешкод, починаючи від конструкції витратоміра, його елементів, і закінчуючи методами обробки сигналу.

Технології вимірювальних приладів постійно розвиваються. У статті досліджено три типи ультразвукових витратомірів. Перший витратомір з алгоритмами обробки сигналу методом найменших квадратів на основі консенсусу випадкової вибірки й медіанного відхилення. Ці методи мають більшу точність порівняно з традиційним методом найменших квадратів, зокрема за наявності інтерференційних шумів. Другий витратомір -- ультразвуковий. Використовує алгоритм перехресної кореляції, програмовану користувачем вентильну матрицю і вбудований мікропроцесор для підвищення ефективності роботи, який має високу точність, надійність і широкий діапазон застосування. Третій витратомір зі зменшеним діаметром труби для вимірювання малих витрат.

Ключові слова: енергозберігаючі технології, вимірювальний пристрій, ультразвуковий витратомір, підвищення точності вимірювання.

Mykhailova Lyudmyla Mykolaivna PhD in Technical Sciences, Professor Acting Dean of the Faculty of Energy and Information Technologies, Higher Education Institution «Podillia State University», Kamianets-Podilsky

Semenyshyna Iryna Vitalyivna PhD in Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Mathematics, Informatics and Academic Writing, Higher Education Institution «Podillia State University», Kamianets-Podilsky

Sikora Oleksii Oleksandrovych Assistant of the Department of Energy Saving Technologies and Energy Management, Higher Education Institution «Podillia State University», Kamianets-Podilsky

Application of modernized ultrasonic flowmeters to improve the accuracy of energy metering

Abstract

In many industries, accurate flow rate measurement and cost minimization plays an important role for a country's economy. Improving the accuracy of fluid flow measurement and applying new technologies is one of the most important research topics that are widely used in the energy industry. One of the most common flow meters for such applications is the ultrasonic flow meter. The principle of operation of an ultrasonic flow meter is to measure the transit time of acoustic vibrations through a liquid or gas flow, which is dependent on the flow rate. The most important feature of ultrasonic flowmeters is that they can be used for large pipe diameters while maintaining the accuracy of the results. They have unique advantages over orifice plate, turbine, and vortex flowmeters. These include no moving parts, fast response, and no pressure drop in the gas flow. However, measuring the flow of liquids using ultrasound has many scientific and technical obstacles, ranging from the flowmeter design, its elements, and signal processing methods.

The technologies of measuring devices are constantly evolving. In this paper, three types of ultrasonic flowmeters were considered. The first is a flowmeter with least-squares signal processing algorithms based on random sample consensus and based on median deviation. These methods are more accurate than the traditional least-squares method, particularly in the presence of interference noise. The second is the ultrasonic flowmeter, which uses a cross-correlation algorithm, a user- programmable valve array, and an embedded microprocessor to improve performance, and has high accuracy, reliability, and a wide range of applications. The third is a flow meter with a reduced pipe diameter for measuring small flow rates.

Keywords: energy-saving technologies, measuring device, ultrasonic flowmeter, improving measurement accuracy.

Вступ

Постановка проблеми. Із розвитком соціальної економіки вимірювання та облік енергоносіїв, таких як вода, газ і нафта, мають велике значення для повсякденного життя людей. На атомних електростанціях точне вимірювання потоку живильної води значно підвищить ефективність атомних електростанцій, що важливо під час транспортування газу і нафти на великі відстані. На багатьох підприємствах у технологічних процесах потрібен контроль і облік витрат рідини з досить високою точністю, адже необхідність контролю витрати рідких і газоподібних речовин пов'язана з постійним зростанням цін на енергетичні ресурси.

Отже, виникає необхідність застосовувати точні витратоміри. Це прилади, що вимірюють об'єм або масу речовини: рідини, газу або пари, які проходять через перетин трубопроводу за одиницю часу. Існують механічні, електромагнітні, вихрові й ультразвукові витратоміри. Ультразвукові витратоміри -- це витратоміри, принцип роботи яких заснований на проходженні ультразвукової хвилі через потік рідини або газу. На відміну від інших витратомірів, ультразвукові мають такі переваги: невисока вартість, відсутність рухомих і нерухомих частин у поперечному перерізі, середній динамічний діапазон вимірювань, а також можливість монтажу на трубопроводах великого діаметра (понад 10 метрів).

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Дослідження аспектів провадження інноваційних технологій у сфері енергетики, пошук альтернативних способів підвищення ефективності ведення господарської діяльності провели К. Редько, Л. Денищенко, О. Добровольська, Н. Лук'яненко, та Ю. Кириллова [1]. Питання щодо підйому економіки також висвітлили у своїй статті І. Рябов та Т. Рябова [2]. Тему застосування звукових коливань розкрито в праці В. Семенець, О. Авруніна, Л. Михайлової, Н. Косуліна та О. Черенкова [3]. Розробці нових ультразвукових витратомірів присвячено наукові праці вітчизняних дослідників. Наприклад, Й. Білинський і В. Бурдейний [4] створили математичну модель фазо-частотного ультразвукового вимірювального пристрою. Експериментальним шляхом доведено перспективність практичного застосування цього витратоміра. К. Коломієць та І. Гришанова [5] розробили програмне забезпечення для автоматизованого проєктування витратомірів змінного перепаду тиску. Створене програмне забезпечення дало змогу зручно вводити вхідні параметри й у результаті отримувати відповідне схематичне зображення первинного перетворювача витрат. У зазначених наукових дослідженнях не враховано особливості обробки ультразвукового сигналу й не розглянуто способи модернізації ультразвукових витратомірів різних типів.

Мета статті -- дослідити особливості функціонування модернізованих ультразвукових витратомірів залежно від їх конструкції та методів вимірювання.

Виклад основного матеріалу

Ультразвукові витратоміри широко використовуються у водопостачанні, електроенергетиці, нафтовій і хімічній промисловостях завдяки зручному монтажу, широкому діапазону й високій точності вимірювання, навіть у пульсуючому потоці. До важливих характеристик цих витратомірів належить можливість безконтактного вимірювання, відсутність додаткових втрат тиску й обмежень на діаметр труби. Ультразвукові витратоміри працюють у діапазоні частот від 20 кГц до 1000 МГц. Для проходження хвилі та її інтерпретації необхідні приймач і передавач із п'єзоелектричним ефектом. Цей ефект мають такі матеріали: кварц, турмалін, тартрат калію, сульфат літію, титанат барію, цирконат титанату свинцю. П'єзоелектричний кристал, розміщений в електричному полі, зазнає пружної деформації. Це призводить до зменшення або збільшення його довжини відповідно до величини й напрямку полярності поля. Під дією механічного впливу п'єзокерамічний елемент генерує електричний струм, через це їх використовують як випромінювачі й приймачі сигналу.

Проходження ультразвуку, спрямованого за потоком і проти нього, характеризується швидкістю проходження необхідної відстані й часом, витраченим на його проходження. Різниця в часі, що виникає внаслідок проходження сигналу вимірювальним каналом, прямо пропорційна середній швидкості потоку рідини. На підставі цієї часової різниці на основі акустичних законів розраховується об'ємна витрата вимірюваної рідини або газу. Є кілька методів вимірювання цього значення:

1) фазовий, при якому вимірюється різниця фазових зсувів акустичних коливань, спрямованих за потоком і проти нього;

2) часоімпульсний, при якому безпосередньо вимірюється різниця часу проходження коротких імпульсів за потоком і проти нього;

3) частотний, при якому вимірюється різниця частот повторення імпульсів або акустичних коливань, спрямованих за потоком і проти нього [6].

Існують одноканальні, двоканальні й багатоканальні ультразвукові витратоміри відповідно до кількості акустичних шляхів. Перший містить два п'єзоелементи, кожен з яких по черзі виконує випромінювання і приймання. До їх переваг належить відсутність просторової асиметрії акустичних каналів, що залежать від відмінності їхніх геометричних розмірів, а також відмінності температур і концентрації потоку в них. Другий тип має два випромінювачі два приймачі. Вони утворюють два незалежні акустичні канали, що розташовані паралельно або перехрещуються один з одним. Багатоканальний тип застосовується для вимірювання витрат у деформованих потоках або для підвищення точності. Порівняно з одноканальними й двоканальними ультразвуковими витратомірами, багатоканальні мають кращу адаптивність до змін у розподілі потоку, вищу точність вимірювання, зокрема для труб великого діаметра й складних розподілів потоку. Точні результати вимірювання можна отримати, якщо відомий профіль швидкості потоку. Цю інформацію забезпечує алгоритм потоку, що охоплює влаштування звукового каналу, визначення вагового коефіцієнта і розрахунок потоку через виміряну лінійну швидкість [7].

Алгоритм потоку має велике значення в забезпеченні точності вимірювання. Зазвичай використовується метод найменших квадратів, який є простим й ефективним. Проте на процес вимірювання неминуче впливають інтерференційні шуми, спричинені самим витратоміром або перешкодами в полі потоку. Результати застосування класичного методу найменших квадратів можуть бути недостовірними. У зв'язку із цим створено багатоканальний ультразвуковий витратомір, заснований на алгоритмах найменших квадратів на основі консенсусу з випадковою вибіркою та на основі медіанного відхилення. Ці два алгоритми можуть ефективно запобігти виникненню грубих помилок. Алгоритми оптимізації на основі методу випадково-послідовної дискретизації мають вищу точність і стійкість, ніж традиційні (Таблиці 1, 2).

Таблиця 1.

Статистичні показники точності традиційного й модернізованих способів вимірювання (без інтерференційного шуму) [8]