АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 6
1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ 8
1.1 Анализ технического задания 8
1.2 Обзор аналогов и патентный поиск 8
1.2.1 Ультразвуковой расходомер UFM 3030 8
1.2.2 Портативный ультразвуковой расходомер жидкости Flexim
FLUXUS F601 10
1.3 Принцип работы ультразвукового расходомера 11
1.4 Выбор принципиальной схемы расходомера 13
1.5 Выбор чувствительного элемента 16
1.6 Дифракция ультразвуковых волн 18
1.7 Анализ схем передачи полезного сигнала 19
1.8 Особенности обработки частотно-импульсного сигала 23
1.9 Схема Обработки сигнала вспомогательного ультразвукового канала .. 24
2 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ РАСХОДОМЕРА 27
2.1 Определение вязкости измеряемого вещества по формуле Вальтера 27
2.2 Определение плотности измеряемого вещества 29
2.3 Исследование потока жидкости 31
2.3.1 Определение параметров потока 31
2.3.2 Проверка диапазона измерений через гидравлическое
сопротивление нефтепровода 33
2.3.3 Определение максимальной добротности расходомера 34
2.3.4 Учёт профиля скоростей потока 35
2.4 Расчёт скорости ультразвука в измеряемом веществе 37
2.5 Расчёт прохождения центральных ультразвуковых лучей 39
2.6 Затухание ультразвука 41
2.7 Расчёт чувствительного элемента 42
2.8 Вывод зависимости массового расхода от полезного сигнала для
различных схем передачи сигнала 46
2.8.1 Фазовая схема передачи сигнала
2.8.2 Времяимпульсная схема передачи сигнала 48
2.8.3 Частотно-импульсная схема передачи сигнала 50
2.9 Расчёт влияние изменения параметров измеряемой жидкости на
точность передачи сигнала 51
2.10 Расчёт вспомогательного ультразвукового канала 56
2.11 Расчет параметров спроектированного расходомера 58
2.11.1 Расчёт параметров пьезоприёмника 58
2.11.2 Показания основного ультразвукового канала прибора 59
2.11.3 Показания вспомогательного ультразвукового канала прибора. .. 60
2.11.4 Реверберационные помехи 65
3 КОНСТРУИРОВАНИЕ РАСХОДОМЕРА 67
3.1 Основание акустической камеры 67
3.2 Согласующий трансформатор 71
3.3 Корпус излучателя 72
3.4 Выбор и обоснование материала деталей 74
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 76
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 77
ПРИЛОЖЕНИЕ А Расчёт вязкости нефти по формуле Вальтера в программе
Mathcad 15 80
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Модули расчёта амплитуды отражённых и преломлённых акустических лучей на границе раздела сред в программе Mathcad 15 81
ПРИЛОЖЕНИЕ В Спецификация, сборочный чертеж, чертежи деталей .... 84
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 3D компоновка ультразвуковых каналов акустического
ультразвукового расходомера 99
Ультразвуковые расходомеры - одни из самых перспективных устройств измерения расхода. Ранее их использование было затратным, но с развитием микроэлектроники снижалась стоимость изготовления данных приборов и повышалась надежность электронного модуля.
Точные и надежные расходомеры необходимы в тяжелой промышленности, такой как: нефтяная, химическая, энергетическая, газовая, и другие.
Возникает задача точного измерения количества полезных ископаемых, поставляемых на продажу. Одна из проблем, которая стоит наиболее остро - измерение и учёт объёма сырой нефти поставляемой за рубеж.
Эта проблема не может быть решена существующими методами контроля расхода, основанными в большинстве случаев на измерении перепада давления с помощью сужающих устройств, создаваемых на трубопроводе со сквозным отверстием.
Акустическими называются расходомеры, в основе которого лежит прохождение ультразвуковых волн через течение потока жидкости или газа [1]. УЗР мгновенно реагируют на изменение расхода и могут обеспечивать измерения в широком диапазоне расходов.
Очень часто УЗ расходомеры применяются для измерения объемного расхода, но если использовать преобразователь, реагирующего на плотность вещества, то можно измерить массовый расход.
В данной работе рассмотрен ультразвуковой метод (УЗ) измерения расхода. Приведено обоснование целесообразности использования этого метода. Приведена классификация разновидностей методов УЗ измерения. Выявлены их «слабые» и «сильные» стороны.
Целью работы является разработка ультразвукового канала акустического расходомера.
Задачи выпускной квалификационной работы:
1) Выбор принципиальной схемы расходомера.
2) Выбрать чувствительный элемент преобразователя.
3) Рассчитать параметров расходомера.
4) Рассчитать влияние изменения параметров измеряемой жидкости на
точность передачи сигнала.
5) Разработать конструкторскую документацию.
В результате выпускной квалификационной работы был спроектирован узел ультразвукового канала акустического расходомера массового расхода.
Произведен анализ различных схем обработки полезного сигнала.
Выведены формулы зависимостей массового расхода от полезного сигнала, для различных схем передачи сигнала, снимаемых с чувствительных элементов. Рассчитаны параметры вспомогательного УЗ канала. .Согласно полученным результатам в ходе исследования потока ИВ, было выяснено, что параметры, такие как вязкость, плотность, скорость являются функциями от температуры. Следовательно, точность передачи сигнала зависит только от температуры ИВ.
В качестве схемы обработки сигнала, была выбрана частотно-импульсная обработки сигнала, так как изменения температуры ИВ сильнее всего действует на показания расходомеров с фазовой и времяимпульсной схемами передачи полезного сигнала, соответственно погрешность показаний достигает -1,007% при минимальном массовом расходе и 0,977% при максимальном массовом расходе.
Выполнена компоновка расходомера в программе SolidWorks. Разработан комплект конструкторской документации.
В настоящее время ультразвуковые расходомеры совершенствуются для обеспечения высоких метрологических характеристик. Они обладают высокой точностью измерения в различных интервалах расходов, также являются быстродействующими. Являются очень надежными благодаря неподвижной конструкции. А также не прекращают работать при изменении направления потока жидкости или газа. Использование данного расходомера, несомненно, позволит расширить диапазон применения датчиков этого типа.
