Научные разработки и технические решения для учета расхода энергоресурсов

 Основой современных систем управления технологическими процессами являются эффективность, точность и безопасность. Все эти параметры связаны между собой. Повышая точность измерения технологического процесса, можно увеличить эффективность управления, уменьшить вероятность возникновения нештатных ситуаций. Наиболее совершенными и точными методами измерения расхода являются вихревой, кориолисовый и ультразвуковой. В данной статье предложено сравнение перечисленных методов измерения.

Вихревой принцип измерения расхода известен достаточно давно. Основными достоинствами этого метода являются его универсальность – возможность измерения жидкостных и газовых сред, включая насыщенный и перегретый пар, а также высокая точность измерения расхода 0,5%, работа в широком диапазоне давлений (до 25 МПа) и температур (до 460°С).

Ключевой особенностью вихревого расходомера ЭМИС-ВИХРЬ 200 производства ЗАО «ЭМИС» – лидирующего отечественного производителя, является собственная электроника с цифровой обработкой на основе анализа спектра сигнала сенсора (рис. 1). Отличительная черта цифровой электроники – применение мощного высокопроизводительного процессора, способного обрабатывать сигнал от сенсора расходомера, используя математические методы спектрального анализа (быстрое преобразование Фурье) в режиме реального времени, что позволяет добиваться превосходной точности измерений.

Частота составляющей спектра с наибольшей амплитудой считается частотой полезного сигнала.

Более точного и стабильного вычисления частоты вихреобразования можно достичь с помощью комбинации прямого и обратного преобразования. Для этого выбранная часть спектра и ближайший к ней «лепесток» из ненулевых составляющих, полученных посредством прямого преобразования Фурье, преобразуются во временную область с помощью обратного преобразования Фурье (ОБПФ). Полученный выходной сигнал имеет вид, приближенный к синусоиде, и может быть обработан с помощью подсчета периода времени между переходами сигнала через пороговое значение.

Следует отметить, что в силу своей конструкции вихревой расходомер может воспринимать вибрацию как одну из гармоник сигнала сенсора. Критичным в этом случае являются вибрации с амплитудой более 0,5g и частотой более 100 Гц.

Повысить точность измерения позволяют настраиваемые цифровые фильтры. В электронике расходомера ЭМИС-ВИХРЬ 200 (рис. 2) предусмотрены: четыре полосовых настраиваемых фильтра, один фильтр для отключения наводок из сети (50 Гц), а также медианный фильтр для устранения быстро меняющихся случайных воздействий.

Для обеспечения безопасности технологического процесса предусмотрен механизм самодиагностики электронного блока. В случае возникновения нештатной ситуации (низкое напряжение токовой петли, неисправность АЦП, выход параметров процесса за метрологические значения) появляются соответствующие сообщения на экране, которые дублируются на индикаторе. Возможна также передача диагностических сообщений в SCADA систему.

В 2017 г. компания «ЭМИС» выводит на рынок расходомер ЭМИС–ВИХРЬ 200 (рис. 3) с вихреакустическим съемом сигнала. Электронный блок вихреакустического расходомера обрабатывает сигнал с пьезоприемника, но регистрирует не пульсации потока, а разницу фаз сигнала опорного генератора и сигнала, отраженного от вихревой дорожки Кармана. Такое техническое решение позволяет обеспечить требуемую виброустойчивость. Прибор обладает расширенным динамическим диапазоном (1:100) и высокой чувствительностью к значениям расхода, находящимся в начале диапазона.

В расходомере реализована функция автоматической регулировки усиления сигнала для компенсации снижения чувствительности датчиков в течение всего срока эксплуатации.

Особенностью преобразователя расходомера ЭМИС- ВИХРЬ 200 является модульная конструкция электронного блока с возможностью комбинирования различных выходных сигналов. Благодаря конструктивному решению расходомера обеспечивается лояльная ценовая политика. Единственным ограничением для данного прибора является содержание газовых включений в измеряемой среде.

Кориолисовый принцип измерения расхода является одним из самых точных методов измерения массового и объемного расхода жидкостей. Погрешность измерения составляет ±0,1% при значении среднеквадратического отклонения 0,02%. Особенностями кориолисового метода являются возможность измерения двухкомпонентных сред и широкий динамический диапазон. Производство массовых расходомеров представляет собой технологическую сложность, из-за чего предложение на внутреннем рынке РФ приборов отечественного производства невелико.

Учитывая потребности заказчиков, ГК «ЭМИС» модернизирует выпускаемые приборы, улучшая качество и технические характеристики. В 2017 г. планируется выпуск массового расходомера ЭМИС-МАСС 260 с улучшенным конструктивом электромагнитной системы первичного преобразователя и электронным блоком новой версии (рис. 4). Новое конструктивное решение электромагнитной системы позволяет расширить динамический диапазон измерения расхода, повысить точность измерения и чувствительность на нижних и верхних границах диапазона.

Электроника нового поколения обеспечивает обработку сигналов первичного преобразователя в реальном времени (рис. 5). Электронный блок обеспечивает возможность контроля всех параметров работы расходомера:
амплитуды сигнала генераторной и приемных катушек, фазового сдвига, дисперсии сигнала и вычисляемых параметров, позволяющих проводить качественную оценку сигнала сенсора. В новой версии электроники поддерживается ведение журнала событий, таких как изменения параметров расхода, метрологически значимых переменных. Модульная архитектура электронного блока обеспечивает поддержку большого количества выходных интерфейсов: RS-485 (протоколы Modbus RTU, Modbus ASCII), USB (Modbus RTU), Ethernet (Modbus TCP), наличие выхода расширения для подключения внешних модулей (например, GSM/GPRS модемов). Выходные сигналы расходомера и фирменное ПО «ЭМИС-Интегратор» позволяют считывать параметры расходомера и обеспечивают интеграцию прибора в существующие системы АСУТП, в том числе реализованные на технологии HART протокола.

Для обеспечения безопасности управления технологическими процессами предусмотрена самодиагностика электронного блока. Дискретный выход может быть настроен на сигнализацию о выходе рабочих параметров (расход, плотность) за границы рабочего диапазона.

Широкий температурный диапазон, наличие взрывозащиты, компактное конструктивное исполнение и отсутствие требований к необходимости прямых участков позволяют эксплуатировать расходомер в любых условиях.

Массовые расходомеры по сравнению с другими приборами учета являются самыми точными средствами измерения жидкостных сред, но не допускают высокое содержание газовых включений в измеряемой среде. Кроме того, их стоимость высока.

Для точного измерения газовых сред применяются ультразвуковые расходомеры (рис. 6). Ультразвуковой расходомер основан на измерении разности времени прохождения ультразвуковых лучей в потоке. Ультразвуковые расходомеры обладают точностью измерения до 0,3 %.

Компанией «ЭМИС» ведется разработка высокоточного ультразвукового расходомера газа. В настоящий момент проводятся испытания двух- и четырехлучевой системы измерения расхода. Особенностью расходомера является подключение датчика температуры и давления непосредственно к электронному блоку.

Говоря об эффективности систем АСУ ТП, не следует забывать и об удобстве эксплуатации оборудования. Современные системы АСУ ТП включают большое число разнообразных датчиков и преобразователей, изготавливаемых разными производителями. В связи с этим широкое распространение получили цифровые промышленные протоколы передачи данных. К таким протоколам, в первую очередь, относятся Modbus, HART, Foundation Fieldbus, Profibus. В России наибольшее распространение получили протоколы Modbus и HART.

Компания «ЭМИС» стремится к унификации используемых в приборах расхода протоколов. В рамках стратегии развития производства в октябре 2016 г. компания стала членом FieldComm Group – международной организации, обеспечивающей поддержку и содействующей распространению применения стандартов протокола HART Communication.

Внедрение протокола HART в расходомеры торговой марки «ЭМИС» позволит не только считывать параметры приборов и производить дистанционную конфигурацию, но и свободно внедрять расходомеры в существующие на предприятиях заказчика системы АСУТП, реализованные на технологии HART протокола.

В заключение необходимо еще раз отметить, что каждый из методов измерения должен выбираться в зависимости от параметров процесса и условий применения. Зачастую приборы могут применяться одновременно в целях более точных измерений и экономии денежных средств. Такие решения находят применение в составе АГЗУ, где могут применяться одновременно массовый и вихревой расходомеры.