научная статья по теме РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ МАССЫ СЖИЖЕННОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ГАЗА В РЕЗЕРВУАРЕ Энергетика

Текст научной статьи на тему «РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ МАССЫ СЖИЖЕННОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ГАЗА В РЕЗЕРВУАРЕ»

Конструирование и производство

датчиков, приборов и систем

РАДИОЧАСТОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ МАССЫ СЖИЖЕННОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ГАЗА В РЕЗЕРВУАРЕ

А. С. Совлуков, В. И. Терешин

Описана разработанная система с радиочастотным датчиком для измерения массы сжиженного углеводородного газа (СУГ) в резервуаре, обеспечивающая текущий учет СУГ по массе с погрешностью не более ±0,5 % при реальных условиях хранения СУГ в резервуарах. Рассмотрен процесс измерения.

Ключевые слова: сжиженный углеводородный газ, масса, резервуар, измерение, датчик радиочастотный.

Плотность сжиженного углеводородного газа (СУГ) — смеси пропана и бутана, в которой в небольшом количестве присутствуют метан, этан и другие компоненты [1], зависит от температуры и от состава смеси. Из-за отсутствия достоверной информации о плотности СУГ традиционным методом измерения (по измерению уровня жидкости) не удается обеспечить точный учет СУГ по массе.

Традиционный метод измерения массы СУГ в резервуаре заключается в измерении уровня, определении по градуировочной таблице объема и вычислении массы как произведение объема на плотность. Поскольку точное значение плотности неизвестно, возникают дополнительные погрешности.

Рис. 1. Зависимости погрешности измерения массы СУГ от температуры:

1 — пропан; 2 — бутан; 3 — пропан с температурной коррекцией; 4 — бутан с температурной коррекцией

С ростом температуры плотность пропана и бутана снижается. На рис. 1 отражены результаты моделирования температурной погрешности измерения массы СУГ в измерительной системе с датчиком уровня, настроенной на измерение массы пропана: погрешности измерения массы пропана и массы бутана без температурной коррекции и с температурной коррекцией —0,26 % на 1 °С (коррекция по температуре для пропана). Как видно, массу пропана можно измерить с погрешностью около 1 %, а масса бутана будет занижена на 15 %.

Если выбрать усредненные для пропана и бутана настройки плотности и температурной коррекции, погрешности можно уменьшить, но при изменении состава СУГ даже при оптимальной температурной коррекции погрешность расчета плотности может изменяться при низких температурах от —6 до +6 %, а при высоких температурах — от —8 до +8 %.

Коэффициент температурной коррекции для вычислении плотности пропана — 0,26 % на 1 °С, поэтому требуется иметь точную информацию о температуре контролируемой среды.

РАДИОЧАСТОТНЫЙ ДАТЧИК ДЖС-7М

Для высокоточных измерений массы СУГ, содержащегося в резервуаре, разработаны радиочастотные метод и измерительные устройства [2—4], в том числе датчик типа ДЖС-7М (рис. 2).

Датчик содержит коаксиальный резонатор (цилиндрический конденсатор), заполняемый СУГ, а также шесть измерительных преобразователей температуры (ИПТ), равномерно расположенных по длине резонатора, и микропроцессорный электронный преобразователь. Резонансные частоты радиочастотного датчика 3. 5 МГц.

Рис. 2. Радиочастотный датчик типа ДЖС-7М

Рис. 3. Размещение в резервуаре радиочастотного датчика и измерительных преобразователей для определения температуры:

H — уровень СУГ; Ly — длина датчика; L — расстояние от края лючка до дна резервуара; Xq = L — Ly — расстояние от дна до нижнего конца датчика; Lq — уровень СУГ при заполнении на 100 % объема; h — уровень заполнения датчика контролируемой средой; ty—t, — точки расположения измерительных преобразователей для определения температуры

На рис. 3 показано размещение этого датчика в резервуаре. Каждый ИПТ соединен с электронным блоком своей линией связи (на рис. 3 они условно показаны в виде одной линии).

Радиочастотный метод измерения основан на измерении какого-либо информативного параметра датчика (отрезка длинной линии, конденсатора). Так, при реализации данного метода с применением датчиков в виде конденсатора (электрической емкости) в качестве информативного параметра датчика может быть резонансная частота электромагнитных колебаний f резонатора, содержащего такой датчик в качестве частото-задающего элемента автогенератора. При реализации же этого метода с применением отрезков длинной линии также в качестве информативного параметра может быть использована, в частности, f этого отрезка линии, являющегося резонатором с колебаниями ТЕМ-типа. Для схем с датчиками в виде электрической емкости

f = 1/2nJLC3 , где L — индуктивность, подсоединенная к датчику с эквивалентной емкостью Сэ. Для схем с датчиками в виде отрезков длинной линии зависимо-

сти от определяемых физических параметров описываются точными трансцендентными уравнениями в неявном виде или в явном виде приближенными соотношениями, которые, тем не менее, достаточно точны для решения задач технологических измерений [5].

Рассмотрим сущность метода применительно к его реализации с датчиками в виде электрической емкости. Полученные выводы полностью применимы и при реализации данного метода на основе отрезков длинной линии.

Разработанная измерительная система СУ-5Д с датчиком типа ДЖС-7М обеспечивает учет СУГ в вертикальном цилиндрическом резервуаре по массе с погрешностью не более ±1 % при следующих условиях:

— диапазон изменения плотности СУГ от 470 до 640 кг/м3;

— диапазон изменения температуры от —50 до +60 °С;

— градиент температуры в резервуаре может достигать ± 5 °С.

Измерительная система выдает в ПЭВМ и на индикаторы общую массу СУГ в резервуаре и температуру в шести точках на разных уровнях заполнения.

ИЗМЕРЕНИЯ МАССЫ, ИНВАРИАНТНЫЕ К СОСТАВУ СУГ

Электрическая емкость датчика (приращение емкости) пропорциональна уровню его заполнения СУГ и диэлектрической проницаемости жидкой фазы СУГ. Паровая фаза СУГ тоже дает приращение электрической емкости датчика, пропорциональное плотности паровой фазы СУГ и длине части датчика, находящейся в паре. Кроме электрической емкости датчика измеряется температура контролируемой среды в 6 точках.

СУГ являются диэлектриками, их диэлектрическая проницаемость зависит от состава и температуры. Диэлектрическая проницаемость СУГ пропорциональна их плотности [2]. Следовательно, электрическая емкость датчика пропорциональна произведению уровня на плотность, так что радиочастотный датчик фактически является устройством для измерения массы СУГ.

Диэлектрическая проницаемость пропана и бутана падает с ростом температуры. На рис. 4 приведены результаты моделирования температурной погрешности измерения массы СУГ в измерительной системе с радиочастотным датчиком, настроенным на измерение массы пропана: погрешности измерения массы пропана и массы бутана без температурной коррекции; погрешности измерения массы пропана и массы бутана с температурной коррекцией +0,06 % на 1 °С (коррекция по температуре для пропана).

Для построения графиков рис. 4 диэлектрические проницаемости промасштабированы (приведены к значению плотности пропана при температуре 0 °С) умножением на коэффициент К, который пересчитывает диэлектрическую проницаемость в плотность и используется при необходимости для подстройки максимума:

Sensors & Systems • № 12.2012

Рис. 4. Зависимости погрешности измерения массы СУГ в измерительной системе с датчиком, настроенным на измерение пропана, от температуры:

1 — пропан; 2 — бутан; 3 — пропан с температурной коррекцией; 4 — бутан с температурной коррекцией

где ржо = 0,5297 г/см3 — плотность пропана при 0 °С; ежо = 1,7148 — диэлектрическая проницаемость пропана при 0 °С; по умолчанию К = 0,7410.

Погрешность измерения массы для каждой температуры вычислена как разность между промасштабиро-ванными значениями приращений диэлектрической проницаемости (плотность по датчику) и фактической плотностью (справочные данные), эта разность поделена на ржо = 0,5297 г/см3 (плотность пропана при 0 °С) и умножена на 100 %.

Такая измерительная система может с погрешностью не более ±0,5 % измерять массу пропана и с погрешностью не более ±1 % — массу бутана (при настройке на измерение пропана, без учета погрешностей от неточного пересчета градуировочной таблицы).

Коэффициент температурной коррекции для плотности равен +0,06 % на 1 °С, при погрешности измерения температуры или градиент температур в резервуаре до 2—4 °С это приведет к дополнительной погрешности расчета плотности 0,12—0,24 %.

Приращение емкости резонатора связано с параметрами СУГ следующим соотношением:

С = С [(еж - 1)к + (ег - 1)(Ь - к)],

стройка под сорт СУГ), по умолчанию ро = 0,5297 г/см3 (плотность пропана при температуре 0 °С), этот параметр может периодически меняться, вводиться с ПЭВМ как подстройка под сорт СУГ (можно этого не делать, это дополнительная опция); Хо — высота подвеса (расстояние от дна резервуара до нижнего конца резонатора), мм; Ьо — уровень при заполнении по объему на 100 % (максимальный уровень), мм; К — настроечный коэффициент.

Параметр Б имеет размерность уровня (мм) и может отличаться от истинного значения уровня на несколько процентов (пропорционально отношению истинного значения плотности к ро).

По градуировочной таблице вычисляется объем V СУГ как функция параметра Б:

а масса М СУГ вычисляется по формуле: М = Vр0.

Выходной параметр датчика Б [мм]:

Б = К(Ьо - Хо) С(1 + ГЛ)/( С ро) + Хо, (3)

где Т5 — коэффициент температурной коррекции плотности, Т5 = 0,0006 для СУГ; — температура (°С) СУГ (по умолчанию используется температура г^); ро — плотность жидкой фазы СУГ при температуре 0 °С (под-

Точки измерения температуры располагаются на уровнях СУГ, соответствующих 5; 23; 41; 59; 77 и 95 % от максимального значения (если нет других требований по расположению точек измерения температуры).

Это позволяет иметь точную достоверную информацию о температуре паровой и жидкой фаз СУГ. Измерительные преобразователи, расположенные ниже текущего уровня заполнения резервуара, определяют температуру жидкости. Измерительные преобразователи, распол

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.