Д.т.н. Осадчук В.С., д.т.н. Осадчук О.В., Деундяк В.П., Деундяк М. В.

Вінницький національний технічний університет

Проблематика сучасного стану розробки витратомірів рідини

Витрата – це кількість речовини, що протікає через даний перетин в одиницю часу [1]. Прилад, що вимірює витрату речовини, називається витратоміром. Кількість речовини вимірюється або в одиницях маси (кілограмах, тоннах, грамах), або в одиницях об'єму (кубічних метрах і кубічних сантиметрах). Відповідно витрату вимірюють в одиницях маси, що діляться на одиницю часу (кілограмах в секунду, кілограмах в годину і т. д.) або в одиницях об'єму, що також діляться на одиницю часу (кубічних метрах в секунду, кубічних метрах в годину і т. д.).

1.1 Значення приладів для виміру витрати і кількості рідини

Значення лічильників та витратомірів рідини дуже велике. Раніше лічильники води і газу використовувалися переважно в комунальному господарстві міст, але з розвитком промисловості і подорожчанням енргоресурсів все більшого значення набули витратоміри рідини [2]. Витратоміри необхідні перш за все для управління виробництвом. Без них не можливо забезпечити оптимальний режим технологічних процесів в енергетиці, металургії, в хімічній, нафтовій, целюлозно-паперовій і багатьох інших галузях промисловості. Ці прилади потрібні також для автоматизації виробництва і досягнення при цьому максимальної його ефективності. Витратоміри потрібні для управління літаками і космічними кораблями, для контролю роботи зрошувальних систем в сільському господарстві і в багатьох інших випадках. Крім того, вони необхідні для проведення лабораторних і дослідницьких робіт.

1.2 Сучасні вимоги до приладів для виміру витрати і кількості.

 В даний час до витратомірів пред'являється багато вимог, задовольнити які досить складно і не завжди можливо. Є дві групи вимог. До першої групи відносяться індивідуальні вимоги, що пред'являються до приладів для виміру витрати і кількості: висока точність, надійність, незалежність результатів виміру від зміни густини речовини, швидкодія і значний діапазон виміру. До другої групи відносяться вимоги, які характеризують всю групу витратомірів і лічильників: необхідність виміру витрати і кількості різної номенклатури речовини з різними властивостями, різних значень витрати від дуже малих до надзвичайно великих і при різних тисках і температурах.

1.3 Існуючі витратоміри рідини

В джерелі [3] розглядається обчислювач витрати. На об'єкті визначають контрольні точки – точки технологічного процесу, у яких потрібно визначати витрату продукції, для забезпечен­ня вимог, установлених алгоритмом контролю й керування технологічним процесом і (або) алгори­тмом обліку продукції, прийнятими на об'єкті. Для контрольних точок по характеру й особливостям протікання технологічного процесу в кожній з них визначають способи виміру витрати продукції й можливі типи датчиків для кожної точки, а по тех­нічних і вартісних характеристиках датчиків вибирають конкретні типи датчиків для кожної із точок, в якій необхідно вимірювати витрату.

Рис.1. Блок схема обчислювача витрати

Робота обчислювача витрати полягає у вико­нанні двох основних укрупнених функцій - функції збору вихідної інформації й формування на її ос­нові бази вихідних даних і функції власне розраху­нку поточної витрати - витрати від моменту попе­реднього розрахунку до сьогодення, наприклад за 1 секунду, і сумарних витрат по заданих контроль­них точках і за встановлені інтервали часу, напри­клад, за годину, добу, у кожній із заданих точок технологічного процесу, формування баз даних за результатами зазначених розрахунків, вивід інфо­рмації оперативному персоналу й передачу даних на верхні рівні керування технологічним процесом.

Привертає увагу пристрій розглянутий в літературному джерелі [4]. Структурна схема пристрою зображена на рис. 2.

Рис. 2. Структурна схема пристрою

         Пристрій містить звужуючий елемент 1, на якому встановлені два датчики тиску з перетворювачами вимірюваного параметра в електричний сигнал 2, програмний перетворювач 3, сполучений з датчиками тиску 2 і блоком корекції нуля 4. Блок корекції нуля 4 через ключ 5 сполучені з внутрішнім резервним блоком живлення 6. Таймер 7 сполучений з внутрішнім резервним блоком живлення 6 і через ключ 8 з програмним перетворювачем 3.

         Програмний перетворювач 3 містить блок перетворення тиску у витрату 9, до виходів якого підключені дві логічні функціональні ланцюги. Перший з них містить послідовно підключені аналого-цифровий перетворювач 10, перший дешифратор 11, перший індикатор 12. Другий ланцюг містить послідовно підключені перетворювач напруга-частота 13, лічильник імпульсів 14, другий дешифратор 15 і другий індикатор 16.

В [5] розглядається спосіб вимірювання витрати на основі статистичних характеристик шуму вимірюваного середо­вища, що ґрунтується на перетворенні випадкових коливань, а саме шумів, за допомогою відповідно­го давача в неперервний електричний сигнал, ве­личина якого пропорційна до рівня шумів контро­льованого середовища (рис. 3). Причому для визначення величини витрати використо­вується зміна поточних статистичних характерис­тик випадкових сигналів – шумів, які генеруються вимірюваним середовищем внаслідок зміни швид­кості його переміщення, фізико-хімічних властиво­стей, температури, тиску тощо і є пропорційними до величини витрати вимірюваного середовища. Суть винаходу пояснюється визначенням ве­личини зміни поточних статистичних характерис­тик (дисперсії, ентропії, спектру тощо) випадкових сигналів (шумів), які генеруються вимірюваним середовищем в наслідок зміни швидкості його пе­реміщення, фізико-хімічних властивостей, темпе­ратури, тиску тощо, і є пропорційні до величини витрати вимірюваного середовища.

Рис. 3. Прилад для вимірювання витрати на основі статистичних характеристик шуму вимірюваного середо­вища

В [6] розглядається пристрій для виміру витрати рідини, який міс­тить вимірювальний блок і перетворювач. Вимірювальний блок 1 встановлюється в тру­бопроводі, що транспортує рідину, отвором 4 про­ти течії вимірюваного потоку рідини, а отвором 5 – за течією, на глибину L=0,12Двнутр, де L – відстань від внутрішньої стінки трубопроводу до осі отвору 4, Двнутр – внутрішній діаметр трубопровода. Виникаючий у камерах 2, 3 перепад тиску, надходить через штуцери 6, 7 і трубки 9 на перетворювач 8, що перетворює різницю тиску в електричний сиг­нал. З виходу перетворювача 8 через фільтр 10, сигнал надходить на перший аналоговий вхід мік­роконтролера 12, що перетворює його в цифру. По заданому алгоритму з виходу мікроконтролера 12, цифровий код надходить на цифровий 14 та світ­лодіодний 13 індикатори. Керування цифровим індикатором 14 здійснюється за допомогою мікро­контролера 12 через комутатор 16. Сигнал, що знімається з послідовно з'єднаних резисторів 17 і 18, надходить на другий аналоговий вхід мікрокон­тролера 12, що вимірює величину сигналу і порів­нює із заданою величиною.

Рис. 4. Пристрій для виміру витрати рідини

Привертає увагу пристрій розглянутий в літературному джерелі [7]. А саме, вихоровий витратомір, що містить давач з тілом обтікання, вмонтований в трубопровід і електронний блок, що фіксує витрату рідини по кількості електричних імпульсів, що виникають з утворенням вихорів навколо тіла обтікання. Причому електронний блок додатково містить блок частотної корекції сигналу, що відповідає значенню середньої витрати рідини до періоду припинення утворення вихорів.

На рис. 5 приведена схема витратоміру. Він складається з трубопроводу 1, в якому встановлений давач 2, сполучений з електронним блоком 3 і блоком корекції 4. Далі по ходу рідини встановлений контрольний прилад 5.

Рис. 5. Вихоровий витратомір

В [8] розглядається вихровий витратомір, що містить корпус з турбулізатором і електромагнітними  датчиками, підсилювач заряду, смуговий фільтр, плату АЦП і комп'ютер. Причому, турбулізатор, виконаний у вигляді трикутної призми, встановленої на поворотній вертикальній осі, взаємодіє з розташованими за ним на відстані, рівному величині зони вихроутворення, електромагнітними датчиками з мембранами, що мають резонанс на частоті, рівній власній частоті акустичного каналу, зв'язаними через підсилювач заряду, смуговий фільтр і плату АЦП з комп'ютером.

На рис. 6 показана схема витратоміру. Витратомір містить корпус 1 з фланцями 2 для закріплення на газових трубах. Усередині корпусу 1 на поворотній вертикальній осі 3 закріплений турбулізатор 4 у вигляді трикутної призми, від якого на відстані, рівному величині зони вихроутворення розташовані електромагнітні датчики 5 і 6 з мембранами 7 і 8, що мають резонанс, частоті, рівній власній частоті акустичного каналу. Датчики 5 і 6 сполучені з підсилювачем заряду 9 і через смуговий фільтр 10, плату АЦП 11 і комп'ютер 12 з пристроєм для ручного введення 13. Комп'ютер 12 сполучений з блоком результату спектрального аналізу 14, блоком визначення частоти зриву вихорів 15 і блоком визначення об'ємної витрати газу 16, а також з блоком обчислення масової витрати газу 17.

         У корпус витратоміру 1 вбудовані давачі тиску 18 і температури 19,   з’єднані з підсилювачем заряду 20, смуговим фільтром 21, платою АЦП 11, комп'ютером 12 і блоком обчислення густини газу 22. Витратомір має пристрій ручного управління 13 і пристрій автоматичного управління 23.

Рис. 6. Схема витратоміру

Привертає увагу пристрій для здійснення ультразвукового способу вимірювання витра­ти рідини в трубопроводі розглянутий в літературному джерелі [9]. Суть винаходу пояснюється більш де­тальним описом переважних прикладів здійснення з посиланням на креслення, на яких рис. 7 пред­ставляє структурну схему вимірювального пристрою згідно винаходу.

        

 

 

Рис. 7. Структурна схема вимірювального пристрою

В [10] розглядається ультразвуковий частотно-часовий витратомір, що містить два приймально-випромінюючих перетворювачі.

Робота ультразвукового частотно-тимчасового витратоміру заснована на вимірюванні різниці часів розповсюдження ультразвукового сигналу по потоку вимірюваного середовища і проти потоку.

Рис. 8. Ультразвуковий частотно-часовий витратомір

Прилад пояснюється рис. 8, на якому приведена блок-схема ультразвукового частотно-часового витратоміру. Цифрами позначені: 1, 2- приймально-випромінюючі перетворювачі; 3, 4- першого (3) і другого (4) комутаторів; 5 - підсилювач; 6 - амплітудний селектор; 7 - часовий селектор; 8, 9 - керовані генератори; 10 - третій комутатор; 11 - вимірник різниці;   12 -подільник частоти; 13 - обчислювальний пристрій; 14 - розподільник тактів; 15 - формувач зондуючого сигналу; 16 - формувач сигналу величини підстроювання; 17 - розподільник сигналу підстроювання; 18 - перша (18), друга (19), третя (20) і четверта (21) схеми управління; 22 - четвертий (22) і п'ятий (23) комутатори; 24 - регістр знаку підстроювання; 25 - схема збігу; 26 - блок регістрів зсуву.

Привертає увагу ультразвуковий витратомір розглянутий в літературному джерелі [11]. На кресленні (рис. 9) зображена структурна схе­ма витратоміра, що пропонується. Витратомір містить вимірювальну кювету 1 у вигляді відрізку трубопроводу, на якій встановлені електроакустичні перетворювачі 2, 3. Перетворю­вачі підключені до комутатора 4. Вихід коммутатора 4 підклю-чений до послідовно з'єднаних формувача 5 та цифрового частотнофазового детектора 6. Другий вхід частотнофазового детектора 6 підклю­чений до формувача інтервалів часу 8, а вихід до мікропроцесора 7. Мікропроцесор 7 підключений до формувача інтервалів часу 8, комутатора 8, та цифрового керованого кодом генератора 9. Вихід генератора 9 з'єднаний з входом підсилювача по­тужності 10, вихід якого підключений до комутато­ра 4.

Рис. 9. Ультразвуковий витратомір

Література:

 

1.                    Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества веществ. – Санкт-Петербург: Политехника. – 2002. – С. 410.

2.                    Виглеб Г. Датчики. – М.: Мир. – 1989. – С. 186.

3.                    Пат. 80034 УКРАЇНА, МПК G 01 F 1/00. Обчислювач витрати / Д.О. Єгер, І.А. Гордієнко, В.В. Колодязний, Ю.В. Пономарьов, В.Б. Коток, І.І. Волчков, С.А. Бондарев, П.О. Лобов, О. М. Золотарьов, К.М. Грінченко, Є.М. Бантюков (УКРАЇНА). – 53568; Заявлено 11.10.2005; Опубл. 10.08.2007, Бюл. № 12.

4.                    Пат. 15381 УКРАЇНА, МПК G 01 F 1/00. Пристрій для вимірювання витрати і кількості рідин / Є.Ф. Лісіцин, О.В. Войцехівський (УКРАЇНА). –5437; Заявлено 22.12.95; Опубл. 30.06.97, Бюл. № 3.

5.                    Пат. 77083 УКРАЇНА, МПК G 01 F 1/66. Спосіб вимірювання витрати на основі статис­тичних характеристик шуму вимірюваного середо­вища / Мельничук С. І., Пашкевич О. П. (УКРАЇНА). – 09957; Заявлено 06.12.2004; Опубл. 16.10.2006, Бюл. № 10.

6.                    Пат. 81551 УКРАЇНА, МПК G 01 F 1/66. Пристрій для виміру витрати рідини / Лісовий Г. М., Чехлатий М. О., Мялковський В. Й., Корсун В. А., Демченко М. П., Пилипенко Д. М. (УКРАЇНА). – 200605127; Заявлено 10.05.2006; Опубл. 10.01.2008.

7.                    А.с.  СССР, МПК G 01 F 1/32. Вихоровий витратомір / Осадчий І. Ф., Шапурін О. В., Полєщук В. М., Харахулах В. С. (СССР). – 95083780; Заявлено 11.08.95; Опубл. 30.09.96, Бюл. № 3.

8.                    Пат. 14793 УКРАЇНА, МПК G 01 F 1/32. Вихровий витратомір / Ігуменцев Є. О. (УКРАЇНА). – 96010150; Заявлено 15.01.96; Опубл. 18.02.97.

9.                    Пат. 78597 УКРАЇНА, МПК G 01 F 1/66. Ультразвуковий спосіб вимірювання витра­ти рідини в трубопроводі та пристрій для його здійснення / Гришанова І. А., Покрас С. Й., Покрас О. Й., Третяк І. В., Османов М. Я. (УКРАЇНА). – 200503007; Заявлено 01.04.2005; Опубл. 10.04.2007, Бюл. № 4.

10.               Пат. 20196 УКРАЇНА, МПК G 01 F 1/66. Ультразвуковий частотно-часовий витратомір / Романов А. Ф., Шєстаков Л. В., Мухарскій О. М. (БІЛОРУСІЯ). – 95062762; Заявлено 14.06.95; Опубл. 25.12.97, Бюл. № 6.

11.               Пат. 50429 УКРАЇНА, МПК G 01 F 1/66. Ультразвуковий витратомір / Плескач Г. Г., Тиховод О. Ф. (УКРАЇНА). – 2002010247; Заявлено 10.01.2002; Опубл. 15.10.2002, Бюл. № 10.