Программные информационные системы для беспроводной диспетчеризации уровня воды на узлах контроля PROMODEM

 

 Измерение и контроль уровня воды комплектамиPROMODEM сопровождается автоматической отправкой архивов измерений и аварийных сообщений через сеть GSM или NB-IoT на ваш собственный сервер с развернутой на нем бесплатной информационной системой PROMODEM LOGGER, а  также на мобильные телефоны работников аварийной бригады по СМС. При отсутствии возможности или желания разворачивать свой сервер данные со всех узлов учета и контроля можно отправлять на облачный сервер в  дата-центре PROMODEM CLOUD. Доступ к графическим и табличным отчетам предоставляется через веб-интерфейс личного кабинета.

Демонстрационный вход в облачную ИС PROMODEM LOGGER доступен по ссылке: weblogger.promodem.ru.

В качестве альтернативных программных комплексов для формирования отчетов по произведенным гидрогеологическим исследованиям могут использоваться сторонние информационные системы,совместимые с  комплектами PROMODEM GSM :

- система веб-мониторинга ЕКС.рф и автономный комплекс ЕКС АТМ SCADA PORTABLE  500 компании ООО «АТМ», предназначенная для непрерывного контроля удаленных объектов энергетики и ЖКХ;

-система моделирования инженерных сетей ZuluGIS компании ООО «Политерм»;

- автоматизированная система управления сбытом услуг водоснабжения и водоотведения «1С: Предприятие 8. Управление водоканалом 2».

Если пользователю требуется визуализировать архивы измерений в своей собственной диспетчерской программе опроса (SCADA), то результаты измерений и аварийные события можно импортировать в нее из базы данных Microsoft SQL Server через OPC-сервер «PROMODEM OPC Logger» либо напрямую – через SQL-запросы.

 

Безжидкостная градуировака электромагнитных расходомеров с неоднородным магнитным полем

 

  Исследования безжидкостного метода градуировки электромагнитныхрасходомеров (ЭМР) с однородным полем [1], в основу которого положено электрическое моделирование электромагнитногопреобразователя расхода (ЭПР),позволили разработать техническую документацию,изготовить и аттестовать партию установок для безжидкостной градуировки электромагнитных расходомеров непосредственно на предприятиях,эксплуатирующих расходомеры класса 2,5.

   Анализ показывает возможность безжидкостной градуировки ЭМР более высокого класса точности при условии экспериментального определения с более высокой точностью коэффициента ЭПР.

  За  последнее время все большее распространение получают электромагнитные расходомеры  с неоднородным полем  возбуждения.В НИИТеплоприборе разработан ряд приборов с диаметрами условных проходов D_у от 100 до 1000 мм [3].Приступил к серийному изготовлению расходомеров с неоднородным полем Таллинский завод измерительных приборов.Одновременно намечается тенденция к увеличению числа ЭМР с неоднородным полем за счет изготовления расходомеров больших типоразмеров .Так,завод Ленводприбор приступил к выпуску расходомеров с D_у от 400 до 1000 мм.

  Возникла необходимость совершенствования безжидкостного метода применительно к ЭМР с неоднородным полем и распространения его на большие типоразмеры ЭПР.

  Как известно ,электрическая модель электромагнитногопреобразователя расхода  позволяет без гидравлических расходомерных установок воспроизводить электрическое напряжение ,равное разности потенциалов между измерительными электродами моделируемого объекта ,возникающей при соответствующих расходах жидкости.

  Электрическая модель ,приведенная на рис.1,состоит из трех основных элементов : собственно ЭПР 1 ;зонда 2 ,обеспечивающего преобразование индукции магнитного поля в электрический сигнал ,электрического преобразователя 3,преобразующего сигнал с зонда в выходное  напряжение.

 Очевидно,что зонд,применяемый для ЭМР с однородным полем,не может быть использован в электромагнитныхрасходомерах с неоднородным полем,поскольку он не позволяет получить полную информацию о достаточно сложной топографии в канале ЭПР.

  Ниже кратко сформулированы основные требования ,которым должен отвечать зонд для ЭПР с неоднородным полем .Зонд должен быть достаточно легко

реализуем конструктивно,максимально унифицирован по типоразмерам ЭПР,пригоден для использования в ЭМР  с однородным и неоднородным полем возбуждения .

  Как известно ,разность потенциалов между измерительными электродами ЭМР с неоднородным полем выражается в виде

где τ- объем активной   зоны канала ЭПР;W^→- весовая функция ;G- функция Грина для краевой задачи второго рода с полюсами в точках расположения электродов (grad G характеризует вклад точки сечения в сигнал) ;v^→-скорость жидкости ;В^→- индукция магнитного поля.  

  Для электромагнитногорасходомера с неоднородным полем применим зонд,состоящий из определенной совокупности последовательно включенных катушек индуктивности,распределенных в рабочем объеме τ канала по закону

 

где N_i^→- суммарная площадь витков элементарной катушки ,расположенной в i-й точке рабочего объема.

  Суммарная площадь витков элементарной катушки рассматривается как векторная величина,причем витки ориентируются в плоскости расположения векторов v^→_i и W^→_i.

  Коэффициент k равен

где N₀- суммарная площадь витков катушки ,расположенной  в центре канала ;S- площадь поперечного сечения канала ;Q- объемный расход жидкости;W₀- значение grad G в центре канала.

  ЭДС ,индуктируемая в цепи  зонда ,определяется выражением

где j- мнимая единица ; w- угловая частота.

  При равенстве напряжений в компенсационной цепи электрической модели напряжение на его выходных клеммах находят по формуле

где R – безреактивное сопротивление ,М-взаимная индуктивность.

  Сопоставляя (1) и (5) ,определяют значение расхода

 

где α- коэффициент ЭПР.

 Изменяя параметр R модели , можно получить сигнал ,соответствующий любому заданному расходу жидкости.Выбор закона распределения катушек зонда в канале позволяет воспроизвести  практически любой профиль скорости потока.

  Погрешность определения  расхода при помощи электрической модели имеет две основные составляющие :

  σ_эм ,определяемую точностью изготовления элементов электрической модели и точностью оценки коэффициента ЭПР , и σ_д ,вызванную дискретностью расположения катушек зонда в канале расходомера.

Поскольку каждая из составляющих в (6) взаимонезависима  ,погрешность

σ_эм равна

 

  Погрешность электрической модели σ_эм в основном будет определяться точностью нахождения коэффициента ЭПР.

  Погрешность σ_д определяется степенью конечно-разностной аппроксимации (1) и может быть сведена к достаточно малой величине при сокращении шага разбиения :

  Если  пренебречь составляющими индукции B_x,B_z и считать,что поток имеет составляющую скорости v_z , то конструкция зонда существенно упрощается.

В этом случае витки катушек будут ориентированы параллельно плоскости,проходящей через ось канала ЭПР и ось электродов. Катушки можно выполнить с равным количеством витков и одинаковыми размерами и располагать их вдоль линий равного значения vW, изменяя соответствующим образом  шаг ( плотность распределения) на разных линиях.Можно предполагать ,что погрешность моделирования при этом увеличится  несущественно , поскольку составляющие B_x и B_z достаточно малы и интегральное значение их составляющих по объему активной зоны канала при симметричном исполнении магнитной системы стремится к нулю.Для предельного турбулентного режима (Re>100 000) линии равной плотности распределения катушек  совпадают с изолиниями W_z.

  На рис.2 изображены центральное сечение канала ЭПР и зонд,который соответствует указанным выше требованиям.Ось Y проходит через центры электродов 1 и 2 ЭПР ,ось Х перпендикулярна оси Y в плоскости центрального сечения;Z- ось канала ЭПР ,перпендикулярная осям X и Y.

  Зонд состоит из секций 3 с одинаковыми суммарными площадями витков .

Секции включены согласно и последовательно и расположены в центральном поперечном сечении канала ЭПР вдоль прямых линий ,пересекающихся в центре канала под углом 90°и имеющих угла наклона 45°к линии ,соединяющей электроды ЭПР. Витки каждой секции зонда расположены в плоскостях,параллельных плоскости,которая проходит через ось,соединяющую электроды ,и ось канала ЭПР.

  Одновременно с разработкой зонда усовершенствован электрический преобразователь,применявшийся для электромагнитных расходомеров с однородным магнитным полем [1] и имеющий ряд недостатков.Одним из них была недостаточная защищенность от электрических помех,вызываемых источником питания.

  На рис.3 приведена принципиальная схема усовершенствованной электрической модели электромагнитного преобразователя расхода [4].В цепь уравновешивания модели включен измерительный трансформатор 2,имеющие две одинаковые первичные обмотки,соединенные последовательно с зондом 1 и катушкой индуктивности 3 симметрично и согласно; вторичная обмотка трансформатора подключена ко входу нуль-индикатора 7.Между автономным регулируемым источником питания 6,при помощи которого создается уравновешивающий ток ,и цепью вторичной обмотки катушки 3 с безреактивным сопротивлением 5 включен промежуточный трансформатор тока 4.Вторичная обмотка этого трансформатора выполнена в виде двух одинаковых секций,включенных последовательно с безреактивным сопротивлением и вторичной обмоткой катушки взаимной индуктивности .

Промежуточный трансформатор тока  позволил заземлить одну из клемм регулируемого источника питания 6.Эти меры практически полностью устранили в схеме помехи по цепи питания.

  Экспериментальная проверка показала,что электрический преобразователь,выполненный в соответствии со схемой рис.3 ,имеет высокую стабильность передаточного коэффициента ,более высокую чувствительность,удобнее в работе.

  Для повышения точности безжидкостной градуировки электромагнитных расходомеров  разработан также усовершенствованный измеритель площади поперечного канала,через который проходит контролируемый поток жидкости.Он создан на базе распространенных стандартных измерительных средств (вертикального катетометра типа КМ-6 и образцовых отливных стеклянных колб 1 –го разряда) и имеет погрешность ±0,1 – 0,2% в зависимости от диаметра канала и точности обработки внутренней поверхности.

  Предварительные результаты показывают ,что с использованием описанных устройств возможная безжидкостная градуировка электромагнитных расходомеров с неоднородным полем  класса 2,5.

Анализ ультразвукового метода измерения расхода веществ

 

 Упрощенные уравнения расхода Q для одноканальных частотно-импульсного Q_f импульсно-временного  Q_t и фазового  Q_ϕ ультразвуковых расходомеров ,основанных на ультразвуковом (УЗ)методе измерения расхода ,в котором УЗ сигналы направлены по направлению движения потока и против него ,соответственно имеют вид

 

где D- внутренний диаметр преобразователя расходомера ; с- скорость  ультразвука в потоке ;τ=τ_тр+τ_зв+τ_эл- время задержки УЗ сигналов в трубе преобразователярасходомера τ_тр ,в звукопроводах τ_зв и время задержки сигнала в электронной схеме и электрических кабелях расходомера τ_эл ;

α- угол между направлением распространения УЗ волн в потоке и осью трубы ;К-поправка на распределение скоростей потока ; w-угловая частота УЗ сигнала ;∆f,∆t и ∆ϕ – разность частот ,времен и фаз выходных сигналов соответственно.

 Предельная относительная погрешность измерения S_Ψ функции Ψ(x,y) может быть выражена

 

где S_x и S_y-предельные относительные погрешности некоррелированных параметров x и y функции Ψ(x,y).

  На основании уравнения (4) из уравнений (1)-(3) с учетом реверберации

УЗ волн в преобразователе расходомера и погрешности электронной схемы расходомера получим выражение предельных относительных погрешностей измерения расхода частотно-импульсного S_f ,импульсно-временного  S_t и фазового  S_ϕ ультразвуковых расходомеров

где S_D,S_c,S_τ,S_α,S_k,S_w,S_r,S_сх,S_∆f,S_∆t,S_∆ϕ- предельные относительные погрешности измерения расхода вследствие вариаций :диаметра трубы преобразователя расходомера D, скорости УЗ с, времени задержки сигналов τ, угла излучения-приема УЗ волн α,поправки на распределение скоростей потока К,угловой частоты УЗ сигнала w , реверберации УЗ волн в преобразователе расходомера r, погрешности электронной схемы расходомера S_сх и предельных относительных погрешностей измерения разности частот ∆f,разности времен ∆t и разности фаз ∆ϕ выходных сигналов расходомеров.

  Рассмотрим каждую составляющую погрешности ультразвукового расходомера.

  Погрешность ,обусловленную вариациями диаметра трубопровода D за счет изменения температуры и давления потока ,можно выразить

 

Расчеты показали ,что при изменении температуры измеряемого потока Т=15±5°С, давления р от 0 до 1МПа S_D<5*10^-5.

Погрешность Sc вследствие вариаций скорости УЗ зависит от изменений температуры ,давления и состава потока. В работах [1,2] получено значение этой погрешности Sc= (1,8..4,8)*10-2.

 Погрешность Sτ обусловлена вариациями времени задержки τ за счет изменений температуры и напряжения питания в электронной схеме  расходомера .Ее значением пренебрегаем,поскольку Sτ <<Sc.

   В частотно-импульсном расходомере происходит автоматическая компенсация изменений скорости УЗ с.Действительно,погрешность частотно-импульсного расходомера S_cf за счет вариаций скорости УЗ с в уравнении (5) имеет вид

 

При параметрах расходомера τ=0,5 мкс,с=1450 м/с, D=0,2м, α=45° имеем

S_cf < 2,4*10^-4.

  В уравнениях (6) и (7) соответственно погрешности за счет изменений скорости УЗ с в импульсно-временном S_st и фазовом S_cϕ расходомерах выражены S_st= S_cϕ=2S_c.Подставив S_c, получим S_st= S_cϕ=(3,6..9,6)*10^-2,т.е. очень большие погрешности.Поэтому при создании импульсно-временных или фазовых ультразвуковых расходомеров необходимо в электронной схеме  расходомера либо  в уравнении расхода  исключить зависимость от скорости УЗ с , либо в резуьтаты измерения расхода вводить поправку на изменение скорости УЗ с.При этом погрешность может быть уменьшена до значения

S_st= S_cϕ<1*10^-4.

  Погрешность S_α за счет изменения угла излучения – приема УЗ волн α, обусловленная вариацией температуры потока ,пренебежимо мала в случае выполнения преобразователя расходомера без преломления УЗ волн. Преобразователи расхода с преломлением УЗ волн не  позволяют получить высокую точность измерения расхода ,поскольку погрешность S_α при их применении имеет порядок 1*10^-1 и исключается автоматическая компенсация изменений скорости УЗ с в частотно-импульсном расходомере [3].

 Поправка на распределение скоростей потока К определяется гидродинамическими параметрами потока .Вариации гидродинамических параметров турбулентного потока ,обусловленные изменениями температуры ,давления и состава потока ,и определяют погрешность S_k,которая по [2] составляет (1,5-6,4)*10^-4. Более того ,измерения возможны либо только в турбулентном ,либо только в ламинарном режиме течения потока и невозможны в переходной области течения .При переходе режима течения из турбулетного в ламинарный поправка К,а отсюда и показания расходомеров с угловым преобразователем ,увеличиваются на 23% ,а с осевым на 59%[4].В случае применения в расходомере гидродинамического способа измерения расхода Филатова ,согласно которому  в измерительной части преобразователя расходомера создается поле  равных скоростей потока, поправка К постоянна и равна 1 .При этом погрешность S_k =0, и измерения возможны в любом режиме течения потока.

  В фазовом расходомере стабилизацией частоты генератора нетрудно получить S_w<1*10^-5.

  Реверберация УЗ сигнала может быть источником больших погрешностей S_r

расходомеров .На частотно-импульсные и фазовые ультразвуковые раходомеры особенно сильное влияние могут оказывать многократно отраженные сигналы.Влияние других видов реверберации ,как прохождение УЗ сигнала по трубе  преобразователя  расхода,реверберация сигналов в звукопроводах и т.п. ,может быть полностью устранено или значительно ослаблено конструктивными и схемными решениями.

  При выполнении условия [5]

 

в расходомере полностью отсутствует наложение двухкратноотраженного,а значит, и всех видов  многократноотраженных сигналов на основной сигнал ,при этом S_v=0.В выражении (9) τ_с- длительность сигнала;v_max- максимальная скорость потока .Выполнение условия (9)  возможно только в частотно-импульсном и импульсно-временном ультразвуковых расходомерах.Выполнение условия (9) в частно-импульном расходомере возможно за счет уменьшения τ_с- излучения коротких УЗ сигналов на возможно более высокой частоте либо за счет небольшого увеличения длительности задержки сигнала τ.Значительное увеличение длительности τ приводит к ухудшению одного из главных достоинств частотно-импульсного расходомера – появлению зависимости результатов измерений от скорости УЗ с.

   В импульcно-временном расходомере условие (9) просто выполняется увеличением периода излучения за счет увеличения τ.

  В фазовом расходомере условие(9) невыполнимо .При невыполнении условия (9)или при излучении длительного гармонического сигнала ,что имеет место в фазовом расходомере ,происходит наложение многократноотраженных сигналов на основной сигнал ,которое приводит к модуляции градуировочной характеристики  расходомера многотраженными сигналами ,являющейся систематической погрешностью расходомера .Эта относительная погрешность будет равна S_ϕ= (ϕ-ϕ_с)/ϕ_с, где

 

Здесь А_с и ϕ_с- соответственно амплитуда и фаза основного сигнала ,а А₁ и ϕ₁ двукратноотраженного .Реiая уравнение(10) ,видим ,что только при ϕ_с=ϕ₁

ϕ= ϕ₂ ,но во всех других случаях ϕ≠ϕ_с. Это и обусловливает большую в несколько процентов систематическую погрешность фазового ультразвукового расходомера ,что является его неустранимым недостатком.

  Цифровые частотомеры и фазометры позволяют получить S_∆f<1*10^-6,S_∆t<1*10^-6,S_∆ϕ<1*10^-5. Погрешность электронной схемы S_сх частотно-импульсного расходомера зависит от выбора схемного способа измерения расхода потока .Так,при выборе  попеременной коммутации УЗ сигналов по направлению движения потока и затем против него ,погрешность S_сх =0,01..0,015 .Она обусловлена устройствами запоминания частот раздельных автоциркуляций УЗ сигналов по направлению движения потока и против него устройствами выделения разности этих частот.В случае применения ультразвукового способа измерения расхода Филатова проводится одновременная автоциркуляция УЗ сигналов как по потоку ,так и против него .В этом случае нет устройств запоминания частот автоциркуляций УЗ сигналов и устройств выделения разности частот.,что уменьшает погрешность электронной схемы расходомера до значений S_сх=(2..5)*10^-4.Например,при исследовании [4] расходомера УРФ-1 с усовершенствованной электронной схемой в разных точках диапазона измерений при установившемся потоке повторялись все четыре цифры результатов двух или трех последовательно проводимых измерений расхода,что соответствует S_сх<2*10^-4.

  В импульсно-временном  расходомере погрешность электронной схемы S_сх в основном определяется примененным методом расширения очень малых (порядка от 1 до сотых долей микросекунды) интервалов времени.

Так, при использовании время-амплитуда-время метода преобразования погрешность схемы S_сх<5*10^-3.Лучший результат получен в работе [6],где в электронной схеме применен метод фазового расширения малых интервалов времени .Погрешность составила S_сх<1*10^-3.

  В фазовом расходомере погрешность S_сх пренебрежимо мала по сравнению с доминирующей погрешностью S_r за счет реверберации УЗ волн ,значение которой может составлять несколько процентов.

  Подставляя полученные данные в формулы (5)-(7) и анализируя приведенные данные ,видим,что наименьшую предельную погрешность измерения расхода порядка 5*10^-4 имеет частотно-импульсный расходомер ;

импульсно-временной расходомер может обладать предельной  погрешностью измерения расхода порядка 2*10^-3, фазовый расходомер имеет большую предельную погрешность измерения расхода порядка нескольких процентов.