Содержание к диссертации
Введение
1. Современные методы и средства контроля плотности жидких сред 9
1.1. Характеристика объекта контроля 9
1.2. Методы и средства для автоматизированного контроля плотности жидкости 18
1.3. Ультразвуковые методы измерения плотности жидкости 31
1.4. Методы измерения скорости распространения ультразвука в жидкости 46
2. Разработка метода определения плотности жидкости из класса со схожими физико-химическими свойствами 52
2.1. Исследование особенностей распространения ультразвуковых волн в углеводородах и их смесях 53
2.2. Разработка метода определения плотности нефти и нефтепродуктов 65
2.3. Исследование метрологических характеристик метода 92
3. Разработка системы автоматизированного контроля плотности нефтепродуктов 108
3.1. Разработка схемы контроля плотности 109
3.2. Разработка электронных схем и алгоритмов работы системы автоматизированного контроля плотности нефтепродуктов 124
3.3. Методика проведения калибровки и результаты испытаний системы 149
Заключение 164
Литература 168
Приложения
- Методы и средства для автоматизированного контроля плотности жидкости
- Методы измерения скорости распространения ультразвука в жидкости
- Разработка метода определения плотности нефти и нефтепродуктов
- Разработка электронных схем и алгоритмов работы системы автоматизированного контроля плотности нефтепродуктов
Введение к работе
1. Актуальность работы
Развитие современной техники характеризуется массовым внедрением систем автоматизированного управления и регулирования в различные отрасли промышленности. Это вызвано использованием микропроцессорной техники, применением цифрового способа представления и передачи информации и ее программной обработкой, что обуславливает уменьшение стоимости, повышение надежности и эффективности производственного процесса. Однако на предприятиях нефтяной промышленности внедрение подобных систем управления производится не достаточно интенсивно, вызывая тем самым необходимость содержания многочисленного персонала для обслуживания производства и его значительное функциональное усложнение. Измерительные приборы, применяемые в настоящее время на предприятиях нефтепереработки и нефте-продуктообеспечения, предназначены, в основном, для проведения дискретных или лабораторных измерений и, следовательно, их использование в автоматизированных системах сбора информации невозможно. Зарубежные средства измерения более полно удовлетворяют требованиям, предъявляемым к подобным системам, однако они не всегда доступны по цене для отечественного потребителя и их техническое обслуживание в отсутствие фирмы-изготовителя весьма затруднительно. Кроме того, необходимо учитывать жесткие климатические условия, в которых должны работать измерительные приборы, а также взрывоопасность нефтепродуктов как среды контроля.
Плотность следует считать универсальным и наиболее доступным для измерения качественным показателем нефти и нефтепродуктов. Ее автоматизированное измерение позволяет контролировать процесс переработки нефти, отслеживать выпуск некондиционной продукции, сортировать выпускаемые нефтепродукты, контролировать качество принимаемых и отпускаемых нефтепродуктов, вести массовый учет нефтепродуктов. Поэтому возникает необхо-
4 димость в разработке новых автоматизированных средств измерения плотности, обеспечивающих регламентированную точность, способных работать в сильно изменяющихся климатических условиях, удовлетворяющих требованиям взрывобезопасности и доступных по цене для отечественного потребителя.
Наиболее перспективным методом измерения плотности нефтепродуктов, удовлетворяющим вышеизложенным требованиям, следует считать ультразвуковой метод. Широкое распространение получили ультразвуковые плотномеры, основанные на измерении затухания ультразвуковых волн при прохождении через нефтепродукт. Метод измерения плотности, использующий непосредственное измерение скорости распространения ультразвуковых волн в нефтепродукте до настоящего момента не нашел широкого применения из-за посредственных метрологических характеристик. Тем не менее, с учетом предварительного установления вида контролируемого нефтепродукта и пересчетных зависимостей, применение данного метода позволяет существенно упростить конструкцию первичных преобразователей и электронной схемы, обеспечить регламентируемую точность измерения плотности, существенно повысить его чувствительность и выполнить требования взрывозащиты.
2. Цель
Разработка ультразвукового метода автоматизированного контроля плотности нефтепродуктов и аппаратуры для его реализации.
3. Научная новизна
Найден и сформулирован новый критерий разделения нефтепродуктов по подгруппам на основании изотермической зависимости скорости распространения ультразвука от плотности;
Разработан новый способ определения плотности нефтепродуктов путем нахождения оптимальной функциональной зависимости скорости распространения ультразвука от плотности;
Разработан новый способ определения плотности нефтепродуктов путем построения пересчетной зависимости скорости распространения ультразвука в плотность в процессе проведения измерения;
Разработан оригинальный способ регистрации принимаемого ультразвукового сигнала.
4. Практическая ценность
Получены экспериментальные зависимости скорости распростране-* ния ультразвука от температуры и плотности для нефти, продуктов ее первичной переработки, товарных бензинов и некоторых органических жидкостей, которые могут быть положены в основу отраслевых стандартов и методик;
Разработана технологическая схема автоматизированного контроля плотности нефтепродуктов в обводной линии магистрального трубопровода;
Разработана принципиальная схема датчика плотности, позволяющая прибору сохранять свои параметры в широком диапазоне температур и удовлетворять требованиям взрывобезопасности;
Разработана стойкая к температурным перепадам конструкция ультразвукового измерительного преобразователя, способная работать в условиях повышенного давления агрессивной среды;
Разработаны алгоритмы получения и обработки первичной информации о скорости распространения ультразвука в нефтепродукте и его температуре в условиях повышенного уровня акустических помех в трубопроводе и температурного расширения материалов конструкции датчика плотности;
Разработаны алгоритмы пересчета скорости распространения ультразвука в нефтепродуктах в плотность.
На основании полученных результатов разработана система автоматизированного контроля плотности нефти и нефтепродуктов "Ультразонд-50", опыт- ные образцы которой используются для контроля качества выпускаемой продукции на Омском нефтеперерабатывающем заводе.
5. Тезисы, выносимые на защиту
Автор защищает следующие основные результаты проведенных исследований:
Способ и критерий выделения нефтепродуктов в подгруппы по схожим физико-химическим свойствам;
Способ определения плотности нефтепродуктов по оптимальной пересчетной зависимости скорости распространения ультразвука в плотность;
Способ определения плотности нефтепродуктов построением пересчетной зависимости скорости распространения ультразвука в плотность;
Способ регистрации принимаемого ультразвукового сигнала;
Стойкую к температурным ударам и некритичную к сборке конструкцию ультразвукового измерительного преобразователя;
Функциональную схему датчика плотности, алгоритм ее работы и схемотехнические решения отдельных ее узлов, в частности генератор и приемник ультразвуковых колебаний, измеритель температуры и арифметико-логическое устройство;
Систему автоматизированного контроля плотности нефтепродуктов и алгоритм ее работы.
6. Апробация работы
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
1. VIII международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии", г. Томск, 2002.
7 2. IX международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии", г. Томск, 2003.
По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ в центральных изданиях. Получено три положительных решения о выдаче патента на изобретение.
7. Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, изложенных на 182 страницах машинописного текста, содержит 83 рисунка, 12 таблиц. Список литературы включает 159 наименований.
В первой главе приведена характеристика нефти и нефтепродуктов, их углеводородного и химического составов как объектов контроля. Сформулированы требования к автоматическим приборам контроля плотности нефти и нефтепродуктов для систем автоматизированного управления технологическим процессом нефтепереработки и контролем качества при хранении и отпуске нефтепродуктов. Проведен обзор методов и известных приборов автоматизированного контроля плотности жидкости, а также подробный анализ разновидностей ультразвукового метода. Показано, что наиболее полно этим требованиям удовлетворяет ультразвуковой времяимпульсный метод. Определены задачи диссертационного исследования.
Вторая глава посвящена разработке нового ультразвукового метода определения плотности нефтепродуктов. Исследованы особенности распространения ультразвука в углеводородах и углеводородных смесях как основных составляющих нефти и нефтепродуктов, выявлены основные закономерности и правомерность применения известного закона аддитивности. Проведены экспериментальные исследования температурных зависимостей скорости ультразвука и плотности различных нефтепродуктов и некоторых органических жидкостей, разработан способ группировки нефтепродуктов в семейства по изотермическим зависимостям скорости распространения ультразвука от плот-
8 ности. Разработаны алгоритмы поиска функциональной зависимости скорости распространения ультразвука от плотности и построения пересчетной зависимости путем измерения скорости ультразвука и температуры. Проведен анализ погрешностей разработанного метода, выявлены источники их возникновения и возможные варианты их уменьшения. Доказано, что в случае соблюдения необходимых требований при разработке и эксплуатации аппаратуры, реализующей разработанный метод, возможно измерение плотности нефтепродуктов с технологической и коммерческой точностью.
В третьей главе изложены результаты разработки системы автоматизированного контроля плотности нефтепродуктов. Описан вариант монтажа плотномера во фланцевом соединении магистрального трубопровода обводной линии, предложена некритичная к температурным ударам конструкция ультразвукового измерительного преобразователя. Приведены результаты разработки функциональных узлов плотномера и алгоритм его работы. Описаны методики проведения калибровки, проведены лабораторные и промышленные испытания системы измерения плотности, оценены погрешности измерения температуры, скорости распространения ультразвука и плотности.
В заключении сформулированы основные результаты работы и выводы, отвечающие целям проведенных исследований.
Приложения содержат экспериментально установленные температурные зависимости плотности и скорости распространения ультразвука в нефтепродуктах и некоторых органических жидкостях, акт сверки показаний, измеренных датчиками плотности, с лабораторными данными, акты внедрения результатов диссертационной работы в ОАО "Сибнефть - Омский НПЗ" (г. Омск), ООО "Системы контроля" (г. Томск).
9 1. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ПЛОТНОСТИ ЖИДКИХ СРЕД
Измерение текущей плотности нефти и нефтепродуктов является важнейшим звеном при их количественном учете в нефтяной промышленности. Вычисление плотности, приведенной к 20С, позволяет вести качественный контроль над технологическим процессом, приемом и отпуском нефтепродуктов. Основной проблемой получения достоверной информации о массовом количестве и качестве нефтепродуктов является недостаток точных и надежных автоматических измерителей плотности, способных работать в жестких климатических условиях во взрывоопасных агрессивных средах.
Анализу современных методов и средств измерения плотности жидкости как неотьемлимой части массового и качественного учета нефтепродуктов, посвящена первая глава.
Методы и средства для автоматизированного контроля плотности жидкости
Плотностью вещества называется физическая величина, определяемая отношением массы вещества к занимаемому им объему [38]: где р - плотность однородного вещества или средняя плотность неоднородного вещества, тиУ- соответственно масса и объем вещества.
Единицей плотности в международной системе является килограмм на кубический метр (кг/м ). Так как плотность жидкости зависит от температуры, то при обозначении указывают температуру, при которой она измерена. Плотность, как правило, уменьшается с ростом температуры и увеличивается с по 19 вышением давления. В России принято плотность веществ указывать при нормальной температуре 20С, однако для некоторых технологических процессов (например, учет нефтепродуктов по массе) необходимо измерение плотности при температуре протекания процесса.
Все методы измерения плотности жидкости могут быть разделены на прямые и косвенные. К прямым методам следует отнести методы, основанные на законах механики жидкости, косвенными методами являются такие, которые основаны на зависимости между плотностью и различными физическими свойствами жидкости [63]. Однако разделение методов на прямые и косвенные носит явно условный характер, так как, если говорить о физической стороне дела, не существует "прямых" методов измерения плотности жидкостей. Плотность жидкой среды - физический параметр, поэтому любой метод измерения данного параметра всегда базируется на каком-либо физическом законе, обеспечивающем функциональную связь того или иного физического параметра с плотностью [98].
По уровню автоматизации все методы измерения плотности жидкости можно разделить на методы дискретного измерения плотности жидкости (лабораторные плотномеры) и методы непрерывного измерения плотности (автоматические плотномеры). Лабораторные приборы предназначены главным образом для выполнения высокоточных анализов и их применение связано с необходимостью периодического отбора пробы, что, естественно, не дает возможности осуществлять непрерывный контроль. При осуществлении целого ряда производственных процессов возникает необходимость вести непрерывные измерения плотности непосредственно в технологической линии. Автоматические плотномеры - приборы, предназначенные именно для таких измерений.
Действие плотномеров, чувствительным элементом которых служит поплавок, основано на принципе ареометра. Если в плотномере измеряется перемещение поплавка, зависящее от искомой плотности, то такие плотномеры называются поплавковыми и оснащаются механическим [6] или магнитным [105, 109, 115] преобразователем положения поплавка. Если же измеряется выталкивающая сила, действующая на поплавок, то подобные плотномеры называются поплавково-весовыми. К этой же подгруппе относятся и приборы компенсационного типа, где поплавок все время остается в нейтральном положении, а выталкивающая сила уравновешивается противоположно направленным усилием [28, 29, 85, 125]. В [63, 107, ПО, 133] описаны конструкции импульсных плотномеров, измеряющих время возврата поплавка или груза в исходное состояние после сообщения ему импульса известной амплитуды. В зависимости от поло 21 жения поплавка относительно границы раздела жидкость - газовая фаза, различают плотномеры с плавающим и погруженным поплавком.
Поплавковые плотномеры обладают высокой чувствительностью. Они предназначены для измерения плотности гомогенных сравнительно чистых жидкостей, а также тонких суспензий. Соответствующей конструкцией поплавка переменной вместимости [81], применением двух поплавков, помещенных в эталонную и контролируемую жидкости [84, 113], можно обеспечить автоматическую температурную компенсацию. Основные недостатки плотномеров с плавающим поплавком: громоздкость, зависимость показаний от капиллярных свойств жидкости и скорости потока, необходимость применения открытого корпуса прибора. В плотномерах с погруженным поплавком может быть сведено к минимуму влияние капиллярных свойств жидкости, однако в этом случае плотномер, устанавливаемый в потоке жидкости, должен быть оборудован успокоителем.
Принцип действия весовых плотномеров основан на том, что масса вещества при неизменном его объеме прямо пропорциональна плотности. Наибольшее развитие и распространение получили весовые плотномеры, в которых чувствительным элементом служит подвижный прямой или петлеобразный измерительный участок трубы, соединенный с неподвижным технологическим трубопроводом при помощи эластичных элементов. Изменение массы измерительного участка вызывает его перемещение, которое фиксируется соответствующим датчиком, в качестве которого может выступать дифференциально-трансформаторный [60, 129], индуктивный [136] или манометрический датчик [121].
Основные преимущества весовых плотномеров: возможность применения для пульп, суспензий, загрязненных, вязких и летучих жидкостей; независимость показаний от свойств жидкости; возможность измерения при повышенном давлении жидкости; высокая чувствительность; отсутствие местных гидравлических сопротивлений потоку жидкости. Ограничение области применения связано с недопустимостью включений неоднородностей в жидкости, загрязнением поверхностей трубопровода, возникновением центробежной силы в петлеобразных трубках, скоростным напором потока жидкости, температурной и временной нестабильностью коэффициентов жесткости эластичных элементов [41] и измерителя массы [94].
К вибрационным плотномерам относят приборы, принцип действия которых основан на зависимости между параметрами упругих колебаний, сообщаемых сосуду с исследуемой жидкостью, с одной стороны, и плотностью жидкости - с другой. Вибрационные плотномеры разделяются на амплитудные, в которых мерой плотности служит амплитуда колебаний резонатора при постоянной его резонансной частоте, и частотные, в которых измеряют функционально связанную с плотностью вещества частоту собственных колебаний резонатора, образующего вместе с системой возбуждения электромеханический генератор [67]. Частотные плотномеры обладают в сравнении с амплитудными более высокими метрологическими характеристиками, ввиду того, что измеряемая частота зависит только от параметров резонатора. Среди основных достоинств, обусловивших растущее распространение частотных плотномеров, необходимо отметить довольно высокую точность, чувствительность и надежность, непосредственное преобразование искомой плотности в частотный выходной сигнал, возможность применения при высоких давлениях для широкой номенклатуры контролируемых жидкостей; независимость показаний плотномера от вязкости среды [35]. Вместе с тем подобные плотномеры обладают и недостатками, к которым относятся ограниченность допускаемого расхода вещества, нелинейность шкалы, необходимость специальных мер для компенсации влияния температуры и давления на параметры резонатора [58, 59]; возможные конденсация влаги на резонаторе и отложения на внутренней его поверхности. Наиболее распространенные виды отделенных от основного трубопровода гибкими сильфонами резонаторов - камертон, U-образная трубка, цилиндрический, трубчатый и пластинчатый резонаторы [120].
Методы измерения скорости распространения ультразвука в жидкости
К прямым методам относится разносторонне разрабатываемый в последнее время импульсный метод; к косвенным - интерферометрический метод, при котором длина звуковой волны в жидкости определяется оптическим путем.
Классическим вариантом измерения скорости распространения ультразвука в жидкости является импульсный метод, приведенный на (Рис. 1.12). Генератор 4 по команде измерителя времени 6 возбуждает ультразвуковой излучатель 1, формирующий ультразвуковую волну в жидкости 3. Одновременно с излучением волны в измерителе времени 6 формируется начало временного интервала (Рис. 1.13). По прошествии времени t, необходимого для прохождения ультразвуком акустической базы Ъ, импульс из жидкости поступает в приемник 2, сигнал с которого через усилитель 5 проходит в измеритель времени 6 и формирует окончание временного интервала.
Регистрация времени прихода импульса обычно производится по началу первого полупериода колебаний сигнала на приемнике. Иногда с целью повышения точности регистрация времени выполняется по импульсу, имеющему максимальную амплитуду в цуге [33]. При невозможности двустороннего расположения излучателя и приемника применяют один совмещенный преобразователь и отражатель, однако в этом случае на него накладываются серьезные ограничения по демпфированию колебаний при малых акустических базах, а также значительно усложняется электронная часть измерителя времени. В качестве индикатора выхода ультразвукового импульса в жидкость может использоваться импульс, отраженный от границы преобразователь-жидкость [76]. В [77] рассмотрен измеритель скорости распространения ультразвука в жидкости с применением ступенчатого двухуровневого отражателя, который может компенсировать погрешность, вызванную задержкой распространения ультразвука по защитной поверхности совмещенного преобразователя в торцевой его части.
В случае применения совмещенного ультразвукового преобразователя в качестве информативного параметра может использоваться временной интервал между двумя последовательно принимаемыми сигналами [78]. Формируемый в этом случае временной интервал уравновешивается периодом, кратным периоду частоты управляемого генератора. В качестве управляемого генератора, как правило, используются LC-генераторы с варикапами в частотно-задающих контурах [123], однако подобные схемные решения обладают весьма нестабильными температурными и временными характеристиками.
Суть интерферометрического метода измерения скорости распространения ультразвука заключается в следующем: если поставить перед излучающим преобразователем плоский отражатель, расположив его так, чтобы между ним и излучающей поверхностью установилась стоячая волна, то при перемещении отражателя воздействие отраженной волны на излучатель будет меняться. Всякий раз, когда расстояние от излучателя до отражателя оказывается равным целому числу полуволн, интенсивность стоячей волны достигает максимума.
Наиболее простым в реализации является интерференционный акустооп-тический метод измерения скорости ультразвука как разновидность интерферометрического метода, пригодный, однако, только для контроля оптически прозрачных жидкостей Он основан на наблюдении интерференции двух или нескольких звуковых волн: одной волны - отраженной от поверхности жидкости, другой - прошедшей в нее и отразившейся от ее задней границы и вновь вышедшей из нее. Для наблюдения интерференции акустических волн через жидкости поперек распространения ультразвука пропускается лазерный луч и наблюдается дифракция света на звуковых волнах. Блок-схема метода приведена на (Рис. 1.14). На излучатель 4 подаются высокочастотные прямоугольные импульсы от ВЧ генератора 2; их частота измеряется частотомером 8. Возбужденные в исследуемой жидкости 6 ультразвуковые колебания регистрируются по дифракции света в буфере 5 при помощи фотоумножителя 7 и лазера 3. Сигнал с ФЭУ поступает на один из входов осциллографа 9, на другой вход которого подается сигнал генератора импульсов 1. В результате на экране наблюдается интерференционная картина, по которой рассчитывается скорость ультразвука. Недостатком подобной реализации метода является неоправданное усложнение и удорожание приборной части, связанное с применением источника монохроматического излучения (лазера) и его регистратора (ФЭУ), а также необходимостью точного и стабильного измерения частоты.
Таким образом, для измерения скорости распространения ультразвука в жидкости следует применять более надежный и простой в реализации импульсный метод, основанный на точном измерении акустической базы и времени распространения ультразвука. Применение в качестве излучателя и приемника ультразвука отдельных измерительных преобразователей позволяет смягчить предъявляемые к ним требования высокой температурной и временной надежности и низкой стоимости. 1. Необходимость проведения постоянного контроля качества технологических процессов на предприятиях нефтепереработки и нефтепродуктообеспечения обусловливает выполнение непрерывных измерений плотности нефтепродуктов как их обобщенного качественного показателя. 2. Оперативное автоматизированное измерение плотности нефтепродуктов в трубопроводе позволяет вести непрерывный контроль над технологическим процессом, а измерение плотности с погрешностью, не превышающей 1,5 кг/м , позволяет проводить массовый учет отпуска и приема нефтепродуктов с применением автоматических измерителей объема. 3. Анализ известных современных средств автоматизированного измерения плотности жидкости показывает, что к настоящему времени не существует надежных приборов, способных работать в жестких климатических услови 51 ях, обеспечивающих необходимую точность и оперативность измерения и доступных по цене для отечественного потребителя. 4. Сравнение различных методов измерения плотности показывает, что ультразвуковые методы наиболее полно отвечают требованиям автоматизации, регламентированной точности измерения, экологической и взрывобезопас-ности, простоты изготовления и надежности. 5. Применение прямого метода измерения скорости распространения ультразвука в жидкости для контроля ее плотности позволяет повысить надежность прибора, значительно упростить конструкцию первичных преобразователей и электронную часть, а также уменьшить влияние мешающих факторов. 6. Непосредственное применение известного скоростного ультразвукового метода для измерения плотности нефтепродуктов невозможно из-за относительно низкой точности, что требует проведения теоретических и экспериментальных исследований с целью повышения его метрологических характеристик. При этом необходимо: 6.1.Теоретически исследовать распространение ультразвука в углеводородах, входящих в состав нефтепродуктов, и их смесях; 6.2.Разработать более точный способ пересчета скорости распространения ультразвука в нефтепродукте к его плотности; 6.3.Получить экспериментальное подтверждение теоретических предпосылок; 6.4.Оценить возможные погрешности измерения и метрологические характеристики разработанного способа контроля плотности; 6.5.Разработать систему автоматизированного контроля плотности нефтепродуктов с учетом предъявляемых требований, реализующую способ.
Разработка метода определения плотности нефти и нефтепродуктов
Подобное обстоятельство обуславливает правомерность применения закона аддитивности для нефти и нефтепродуктов. Для подтверждения теоретических предпосылок, уточнения известных зависимостей, получения новых эмпирических данных и разработки нового алгоритма расчета плотности непосредственно нефти и нефтепродуктов возникает необходимость провести подробные экспериментальные исследования температурных зависимостей плотности и скорости распространения ультразвука в нефти и различных технологических и товарных нефтепродуктах.
Достоверность экспериментальных исследований должна быть обеспечена применением измерительных приборов необходимого класса точности и наиболее полно охватывающие изучаемый класс жидкостей объекты исследования, а именно нефть и различные нефтепродукты. Как видно из (табл. 1.1), наиболее важным в технологии нефтепереработки следует считать процессы первичной переработки нефти, так как именно они определяют качество исходных продуктов для получения товарных нефтепродуктов в процессе вторичной переработки. Кроме того, именно на этой стадии технологического процесса происходит разделение нефти на фракции путем температурной разгонки, что позволяет подробно исследовать вопрос распространения ультразвука и плотности простых смесей, рассмотренных в предыдущем параграфе. Тем не менее, плотность различных марок товарных бензинов, используемых в двигателях внутреннего сгорания, так же подлежит обязательному контролю с регламентированной периодичностью и точностью. Поэтому, с учетом вышеприведенных требований, необходимо исследовать нефть, получаемые из нее продукты первичной переработки, товарные бензины (А-80, А-92, А-95) и некоторые органические жидкости. Нефть и получаемые из нее на установке АВТ-10 нефтепродукты первичной переработки предоставлены ОАО "Сибнефть - Омский нефтеперерабатывающий завод"; образцы товарных бензинов отобраны на автозаправочных комплексах города Томска; в качестве органических жидкостей выбраны охлаждающая жидкость тосол-А40 ms (г. Новосибирск), тормозная жидкость "Томь" (г. Кемерово) и минеральное моторное масло Лукойл-Стандарт SAE 10W30 (г. Пермь).
Необходимые условия и температуры испытаний нефтепродуктов, известные из [52], приведены в (табл. 2.3), из которой следует, что для обеспечения указанного температурного диапазона необходима климатическая камера, в которую помещается емкость с испытуемым образцом. Емкость выполнена в виде короткого участка магистрального трубопровода диаметром 50мм с термоизоляцией и разборным фланцевым соединением (Рис. 2.8), в которое помещается измеритель скорости ультразвука (Рис. 2.9), описанный в [140, 141]. Цифровой
сигнал с измерителя передается в персональный компьютер, где происходит обработка и отображение информации на экране.
Полученные в результате обработки аппроксимирующие функции представлены в (табл. 2.5), зависимость скорости распространения ультразвука от плотности представлена в удобном для вычисления плотности виде, температура выражена в К [147]. Все экспериментальные зависимости довольно точно аппроксимируются линейными функциями, что подтверждает приведенные в предыдущем параграфе утверждения об обратно пропорциональной линейной зависимости скорости ультразвука и плотности от температуры.
На (Рис. 2.10) изображены зависимости скорости распространения ультразвука от плотности при температуре 20С (293К) для всех исследуемых жидкостей (данные взяты из табл. 2.5). Анализ графика обнаруживает три явно выраженных линейных зависимости: 1 - продукты первичной переработки нефти; 2 - нефть, мазут и гудрон; 3 - бензины А-80, А-92 и А-95. Подобное разделение объясняется тем, что продукты первичной переработки нефти (от самой легкой фракции НК-62 до самого тяжелого 5-го нефтяного погона) получаются исключительно путем температурной разгонки исходного сырья (нефти) и не содержат в своем составе компонентов, кроме углеводородов; исследуемая нефть, мазут и гудрон имеют черный цвет (так называемые "черные" нефтепродукты), обусловленный наличием в них тяжелых нефтяных фракций (асфальтенов и т.д.), примесей и взвешенных частиц; все товарные бензины получаются в результате вторичной переработки нефти и могут содержать в своем составе различные присадки, улучшающие их эксплуатационные свойства. Группировка жидкостей по изотермическим зависимостям скорости ультразвука от плотности позволяет выделять семейства (классы) со схожими физико-химическими свойствами. Не принадлежащие обнаруженным семействам тосол, тормозная жидкость и моторное масло образуют другие семейства, не исследуемые в данной работе. Действительно, тосол и тормозная жидкость вообще не являются нефтепродуктами, а моторное масло, как и товарные бензины, получается в ходе сложного технологического процесса и содержит различные специальные добавки. Обнаруженный способ разделения нефтепродуктов может являться критерием принадлежности нефтепродукта к какому-либо семейству и использоваться при разработке алгоритмов вычисления его плотности.
Разработка электронных схем и алгоритмов работы системы автоматизированного контроля плотности нефтепродуктов
Удаленность объектов контроля плотности друг от друга и от места сбора информации (операторской) обусловливает разделение системы на два функциональных блока [139]:
1. Устанавливаемые непосредственно на объектах контроля датчики, выполняющие необходимые для определения плотности нефтепродукта измерения скорости распространения в нем ультразвуковых колебаний и температуры нефтепродукта;
2. Располагающийся в операторской пульт управления, осуществляющий включение и выключение датчиков, прием и обработку первичной информации, расчет текущей и приведенной плотностей, а также отображение данных о плотности и (при необходимости) их передачу в управляющую АСУ ТП (Рис.3.8).
В операторской находится центральный пульт управления, который поочередно включает установленные в трубопроводах датчики плотности, принимает данные измерения, обрабатывает их по описанному выше методу и выдает значения плотности на встроенном электронном табло. При необходимости данные передаются в автоматизированную систему управления технологическим процессом. Датчик плотности (Рис. 3.9) устанавливается непосредственно в трубопроводе или в обводной линии диаметром 50 мм во фланцевом соединении. Датчики соединяются с пультом управления последовательно магистральным кабелем. Электропитание датчиков выполняет блок питания пульта управления, удовлетворяющий требованиям взрывобезопасно-сти по классу "искробезопасная электрическая цепь" согласно [54].
Возложенные на датчик плотности функциональные обязанности подразумевают наличие двух измерительных каналов — скорости распространения ультразвука посредством описанных в предыдущем параграфе измерительных преобразователей и температуры нефтепродукта.
В основу описанных в первой главе импульсных методов измерения скорости распространения ультразвука в жидкости положено формирование и последующее измерение временного интервала, равного времени распространения ультразвука. Механизм формирования этого интервала определяется схемой контроля и конструкцией измерительных преобразователей. Наиболее точное измерение длительности временного интервала производится подсчетом
заполняющих его импульсов, формируемых генератором известной частоты (Рис. 3.10). Скорость распространения ультразвука в данном случае вычисляется по выражению (1.22).
Таким образом, схема измерения времени распространения ультразвука, представленная на (Рис. 3.11), состоит из генератора и приемника колебаний, включающих измерительные преобразователи, формирователя временных интервалов, генератора тактовых импульсов, счетчика и арифметического устройства, функции которого выполняет микроконтроллер [142].
Для обеспечения высокой точности измерения времени распространения акустических колебаний все функциональные узлы должны удовлетворять требованиям температурной и временной стабильности. Цифровая часть схемы -формирователь временных интервалов (пороговое устройство - RS-триггер) -счетчик - генератор тактовых импульсов (кварцевый генератор EPSON SG-531РН - 48 MHz) - микроконтроллер, обеспечивают довольно высокий уровень стабильности. В аналоговой части - генераторе и приемнике колебаний, могут возникнуть различные температурные и временные флуктуации, связанные со временем прохождения сигнала по электронным компонентам, скоростью на растания его фронта и т.д. Поэтому необходимо применение ряда мер для устранения или компенсации возможных отклонений.
Для этого конденсатор С1 предварительно заряжается от источника напряжения El = 12 В черед открытый диод VD1 (Рис. 3.13). Момент запуска импульса обусловлен появлением сигнала высокого уровня на входах логических элементов DD1.1, DD1.2, являющихся компонентами одной интегральной схемы. По прошествии времени, связанного с задержкой перехода выхода логического элемента в нулевое состояние, накопленное на конденсаторе С1 напряжение через открытый ключ логического элемента прикладывается к пьезоэлементу BQ1, преобразующему его в упругие колебания. Одновременно меняется состояние выхода второго логического элемента, сигнал с которого подается на RS-триггер формирователя временных интервалов. В качестве ключевых элементов выбраны логические элементы одной интегральной схемы, обладающие практически одинаковыми стабильными временными параметрами, что позволяет точно синхронизировать момент излучения ультразвукового импульса и начало формирования эквивалентного ему временного интервала.
