Автореферат Крикун ЯВ Обґрунтування і дослідження структури електронної системи вимірювання витрати питної води в напірних трубопроводах великого діаметру

  1. Факультет Комп'ютерних Інформаційних Технологій та Автоматики Кафедра Електронної Техніки
  2. Мета роботи, завдання
  3. Огляд методів та засобів вимірювання витрати та кількості води
  4. Висновок
  5. Важліво!

Факультет Комп'ютерних Інформаційних Технологій та Автоматики

Кафедра Електронної Техніки

Спеціальність: Електронні системи

Науковий керівник: к.т.н., доц. Коренев Валентин Дмитрович

Обгрунтування і дослідження структури електронної системи вимірювання витрати питної води в напірних трубопроводах великого діаметру

Вступ

Повсюдне нераціональне використання води, здавалося б, «невичерпного» ресурсу, призвело до невиправданого зростання потужностей очисних споруд і насосних станцій для забезпечення зростаючих потреб. Свою лепту вносять і втрати при транспортуванні води до споживача через зношеність трубопроводів. Результатом цього стало зростання нормативів споживання, що включає в себе компенсацію витоків в негерметичних трубопроводах і, як наслідок, зростання тарифів за спожиту воду, також компенсує ці витоку [1].

Основним інструментом заощадження такого важливого ресурсу для життєзабезпечення населених пунктів і підприємств як вода є широке впровадження приладового контролю розподілу і споживання [1]. Тому важливість проблеми метрологічного забезпечення та, зокрема, розробки і створення сучасних засобів вимірювальної техніки обліку і ефективного використання водних ресурсів очевидна і є досить актуальною.

Мета роботи, завдання

Мета магістерської роботи полягає в тому, щоб теоретично обґрунтувати та дослідити структуру електронної системи підвищення точності вимірювання витрати рідини в напірних трубопроводах великого діаметру. Для досягнення поставленої мети визначені наступні завдання, які необхідно вирішити в процесі написання роботи:

  • провести аналіз структури потоку рідини в напірних трубопроводах;
  • провести аналіз методів і засобів вимірювання витрати рідини в напірних трубопроводах великого діаметру;
  • провести аналіз методів і засобів вимірювання швидкості потоку рідини;
  • скласти математичну модель магнітогідродинамічної перетворювача з локальним магнітним полем;
  • досліджувати магнітне поле магнітогідродинамічної перетворювача з локальним магнітним полем;
  • дослідити вплив поперечного градієнта швидкості на характеристики магнітогідродинамічної витратоміра з локальним магнітним полем;
  • розробити структурну схему системи.

Огляд методів та засобів вимірювання витрати та кількості води

Розглядаючи прилади, що служать для вимірювання витрати рідини, і зокрема, води, представляється класифікувати їх за різними ознаками. Представляється доцільною така класифікація, яка відображала б основні принципи роботи найбільш поширених типів приладів, покладені в основу виміру і відображають фізику протікають при цьому явищ.

Тахометрические лічильники і витратоміри. розрізняють:

  • крильчасті;
  • турбінні;
  • гвинтові.

Крильчасті лічильники рідини відносяться до класу тахометрических перетворювачів з тангенціальною турбинкой (крильчаткою), тобто вісь обертання крильчатки перпендикулярна напрямку потоку рідини [2].

Відмінністю турбінних лічильників від крильчатих є те, що вісь обертається турбіни розташована вздовж напрямку руху потоку і те, що лопаті турбіни виконані гвинтовими [2].

Гвинтові лічильники води відрізняються від турбінних тільки більшою довжиною турбинки [2].

Вихрові лічильники і витратоміри. розрізняють:

  • з індуктивним перетворювачем сигналу;
  • з електромагнітним перетворювачем сигналу;
  • з ультразвуковим перетворювачем сигналу.

Принцип дії вихрових витратомірів з тілом обтікання полягає в фіксації вихорів, що виникають за тілом, вміщеним в потік. Частота зриву вихорів (так звана «доріжка Кармана») пропорційна об'ємній витраті. Фіксація вихорів може здійснюватися різними методами [2].

Індуктивним, коли в тілі обтікання розташовуються дві котушки індуктивності, а в спеціальній порожнині між котушками знаходиться свободноразмещенная мембрана. Мембрана під дією вихорів переміщується від однієї котушки до іншої, і частота зміни індуктивності котушок пропорційна об'ємній витраті [2].

У разі застосування електромагнітного вузла знімання сигналу в тілі обтікання робиться отвір, і поблизу нього в тілі по перпендикулярним діаметрам розташовуються два постійних магніту і два електроди, електрично ізольовані від проточної частини отвору. По суті, датчик перетворення пульсацій являє собою маленький електромагнітний витратомір з постійними магнітами [2].

У разі використання ультразвукових датчиків потік просвічується за тілом обтікання і фіксуються вихреобразования. Електроніка у такого вихрового витратоміра виходить простіше, ніж у часопролітної ультразвукового витратоміра, тому прилади виходять більш дешеві [2].

Витратоміри змінного перепаду тиску

Принцип дії витратомірів заснований на вимірюванні перепаду тиску на гідравлічному опорі. Самий «стародавній» метод вимірювання витрати та до останнього часу найпоширеніший. Для цього методу розроблені стандартні «звужують пристрої» (діафрагми, сопла, сопла і труби Вентурі) характеристики яких можна визначити розрахунком. Вимірювання стандартизовані, є програми розрахунку на ЕОМ. Основний недолік методу полягає в невеликому діапазоні виміру: 1: 3 [2].

Витратоміри постійного перепаду тиску (ротаметри)

Принцип дії витратомірів постійного перепаду тиску заснований на переміщенні всередині конічної скляної трубки, що розширюється до верху, поплавка. Зміною ваги поплавця досягаються різні діапазони вимірювання по рідини і газу. Крім скляних ротаметрів, випускаються пневматичні та електричні ротаметри. У електричних ротаметрів вихідний сигнал - індуктивність від 1 до 10 мГн [2].

Акустичний метод. ультразвукові витратоміри

Основою акустичного методу вимірювань є той факт, що швидкість поширення звукової хвилі в рухомому середовищі визначається геометричній сумою швидкості звуку в даній нерухомому середовищі і власне швидкості руху самого середовища [1].

Найбільш часто використовують на практиці два способи, що розрізняються взаємним просторовим розташуванням напрямків вектора швидкості рідини і вектора поширення звукової хвилі [1].

Перший спосіб заснований на визначенні зносу рушійною середовищем ультразвукового променя, спрямованого під прямим кутом до вектора руху потоку, тобто вимірюється зменшення кількості акустичної енергії, що потрапляє на приймач, з ростом швидкості потоку [1].

Недоліком даного способу є низька чутливість, тому частіше застосовується різновид цього способу, яка полягає в тому, що промінь спрямовують під невеликим кутом відносно діаметру труби і приймають після багаторазового відбиття від стінок труби. Таким чином, домагаються збільшення відстані, яку проходить променем. Чутливість такої конструкції вище, ніж у основного різновиду способу, проте слід зазначити, що свідчення істотно залежать від ступеня корозії і забруднень поверхонь, що відбивають труби. Крім того, швидкість звуку в середовищі залежить від температури рідини, від її кінематичної в'язкості і ступеня її забруднення. Ця залежність призводить до зростання похибки при зміні фізико-хімічних властивостей вимірюваної рідини [1].

Для виключення впливу залежності швидкості звуку від різних факторів витрата (кількість) рідини визначають за різницею швидкості поширення звуку в напрямку руху потоку і проти нього. Ультразвуковий промінь при цьому прямує під деяким кутом до напрямку руху потоку. У цьому способі розрізняють кілька різновидів [1].

Час-імпульсний метод. Вимірюється час проходження імпульсу по потоку і проти нього. В даному методі залишається залежність від швидкості ультразвуку в середовищі, але існують можливості компенсації цієї залежності, наприклад, установкою додаткової пари резонаторів [1].

Частотно-імпульсний метод. У цьому методі кожен, хто прийде до приймача імпульс (пачка імпульсів) збуджує генерацію нового імпульсу. Вимірюючи частоту повторення імпульсів по потоку і проти нього, обчислюють витрата. Перевагою методу є незалежність характеристики від швидкості звуку [1].

Фазовий метод. У цьому методі вимірюється різниця фаз сигналу по потоку і проти нього. Метод заснований на тому, що при зміні швидкості потоку сигнал приходить до приймача з різному фазою. Залежність від швидкості звуку в рідині така ж, як і під час-імпульсному методі [1].

Існує ще один різновид ультразвукових витратомірів - доплеровские витратоміри. Доплеровский метод заснований на виникненні зсуву частот при відображенні звукового сигналу від рухомої частинки або неоднорідності потоку, наприклад, газового бульбашки. Недолік методу - вимога наявності таких неоднорідностей [1].

електромагнітні витратоміри

В даний час тверду позицію серед пристроїв вимірювання витрати рідких речовин (зокрема, води) займають електромагнітні витратоміри з поперечним полем. Частка таких витратомірів серед загального числа застосовуваних пристроїв становить понад 43% і з кожним роком продовжує швидко рости. Цей тип витратомірів найбільш повно задовольняє вимогам до витратомірам для рідких речовин. Він має досить високою точністю вимірювання, має широкий лінійний динамічний діапазон. Крім того, він не має механічних частин, що стикаються з рідиною, а значить, здатний легко відповідати санітарно-гігієнічним вимогам [3].

Робота електромагнітних лічильників витрат рідини заснована на законі Фарадея. У провіднику, що перетинає силові лінії поля, активується ЕРС, пропорційна швидкості руху провідника. При цьому напрямок струму, що виникає в провіднику, перпендикулярно до напрямку руху провідника і напрямку магнітного поля. Якщо замінити провідник потоком провідної рідини, яка тече між полюсами магніту, і вимірювати ЕРС, наведену в рідини за законом Фарадея, можна отримати принципову схему електромагнітного витратоміра, запропоновану ще самим Фарадеєм [4]. Конструкція класичного електромагнітного витратоміра показана на рис.1.

Малюнок 1 - Схема і принцип дії електромагнітного витратоміра з поперечним магнітним полем:
1 - трубопровід; 2 - полюса магніту; 3 - електроди для знімання ЕРС; 4 - електронний підсилювач; 5 - відлікова система; 6 - джерело живлення магніту
(GIF-анімація; об'єм: 51,5 кБ; кадрів: 6; інтервал часу між кадрами: 500 мс; кількість повторень: 6)

Индуцируемую різниця потенціалів Е на електродах 3 визначають за рівнянням електромагнітної індукції [4]:

E = - KBDvcp, (1)

де В - магнітна індукція в зазорі між полюсами магніту; vcp - середня швидкість потоку рідини; D - внутрішній діаметр трубопроводу; К - коефіцієнт, що залежить від виду магнітного поля.

Для випадку постійного магнітного поля К = 1. Якщо ж магнітне поле змінюється в часі t з частотою f, то K = sin2 πft [4].

Магнітне поле створюється джерелом живлення 6 магніту. ЕРС, що знімається з електродів, за допомогою електронного підсилювача 4 перетворять в посилений електричний сигнал, який реєструється відлікової системою 5 [4].

Висловлюючи в рівнянні (1) середню швидкість потоку через об'ємний витрата вимірюваного середовища, отримаємо рівняння вимірювань електромагнітних витратомірів [4]:

- для випадку постійного магнітного поля

E = - (4 B / πD) • Q, (2)

- для випадку змінного магнітного поля

E = - (4 B • sin πft / πD) • Q. (3)

Таким чином, електромагнітні витратоміри можуть бути виконані як з постійними, так і з електромагнітними, що живляться змінним струмом частотою f. Ці електромагнітні витратоміри мають свої переваги і недоліки, що визначають області їх застосування [4].

Електромагнітні витратоміри непридатні для вимірювання витрати газів, а також рідин з малою електропровідністю, наприклад легких нафтопродуктів, спиртів і т.п. Але застосування спеціальних пристроїв дозволить істотно знизити вимоги до електропровідності вимірюваного середовища і створити електромагнітні витратоміри для вимірювання витрати будь-яких рідин, в тому числі нафтопродуктів [5].

Істотним і основним недоліком індукційних електромагнітних витратомірів з постійним електромагнітом, що обмежує їх застосування для вимірювання витрати квазістаціонарних потоків, є поляризація вимірювальних електродів, що супроводжується зміною опору датчика, що спотворює показання приладу. Для зменшення поляризації застосовують електроди з платиновим або танталові покриттям, а також вугільні та каломелевого електроди [6].

При використанні змінного магнітного поля в режимі вимірювання середньої швидкості вплив поляризації електродів значно зменшується, так як е.р.с. поляризації протягом кожного напівперіоду струму, її викликає, приймає протилежні за знаком значення, наростає з часом і її середнє значення за період зміни магнітного поля близька до нуля. Крім того, індукована корисна е.р.с. виявляється знакозмінної в часі і точність її вимірювання на тлі існуючих перешкод значно підвищується [7]. p>

Однак в витратомірах зі змінним магнітним полем з'являються інші ефекти, що призводять до спотворення корисного сигналу.

По-перше, це трансформаторний ефект, коли на витку, утвореному рідиною, що знаходиться в трубопроводі, електродами, сполучними проводами і вторинними приладами, наводиться трансформаторна ЕРС, джерелом якої є первинна обмотка системи збудження магнітного поля. Трансформаторні перешкоди можуть досягати 20-30% корисного сигналу. Для їх компенсації в вимірювальну схему приладу вводять спеціальні додаткові пристрої [4].

По-друге, має місце ємнісний ефект, що виникає через велику різниці потенціалів між системою збудження магнітного поля і електродами та паразитної ємності між ними (з'єднувальні дроти і т. П.). Засобом боротьби з цим ефектом є ретельна екранування [4].

По-третє, може мати місце ефект впливу зміни частоти живлячої систему збудження магнітного поля струму. Компенсують цей ефект установкою спеціальних стабілізуючих пристроїв, що ускладнює вимірювальні схеми і зменшує надійність приладів [4].

Проте, електромагнітні витратоміри мають ряд переваг, які обумовлюють широке застосування цього класу приладів.

Важлива перевага електромагнітних витратомірів полягає в тому, що принцип їх роботи і реєстрація сигналу є електричними. Їх можна без додаткових перетворювачів під'єднати до електричних систем, призначеним для вимірювань і автоматичного регулювання. З цієї ж причини електромагнітні витратоміри застосовні для дистанційної реєстрації сигналу (хоча в разі поганої провідності рідини довжина провідників, що з'єднують витратомір з вимірювальним пристроєм, повинна бути обмежена) [8].

Електромагнітні витратоміри, оскільки в їх основі лежать електричні явища, малоїнерционни і дозволяють вивчати несталі течії навіть при дуже високих частотах зміни швидкості [8].

Універсальність електромагнітного методу вимірювання обумовлюється також і широкими функціональними можливостями, які дозволяють створити безінерційний вимірювач з лінійної градуйованою характеристикою, характер якої не залежить від фізико-хімічних властивостей вимірюваного середовища [9].

Більшість електромагнітних витратомірів має канали, що забезпечують безперешкодне протягом рідини. В електромагнітних витратомірах відсутні дренажні або інші отвори, в яких могло б накопичитися тверда речовина, що призвело б до додаткових труднощів, пов'язаних з очищенням. У витратомірах круглого перетину з поперечним магнітним полем концентричне відкладення твердої фази на стінках не впливає па показання приладу, якщо тільки тверда речовина і рідина мають однакову електропровідність [8].

Зазначені переваги і забезпечили досить широке поширення електромагнітних витратомірів, незважаючи на їх відносну конструктивну складність і необхідність ретельного щоденного технічного догляду (подрегуліровкі нуля, поднастройкі і т.п.) [4].

Слід мати на увазі, что Підвищення точності вимірювання вітратомірів з поперечним магнітнім полем обмежена через низку причин. У Першу Черга на точність вимірювання значний впліває вид розподілу швидкости потоку в перерізі трубопроводу вітратоміра. Створення спеціального розподілу магнітного поля виробляти до значного ускладнення конструкції вітратоміра, Збільшення габаритних Розмірів и Підвищення рінкової собівартості пристрою. Магнітна система витратоміра повинна мати значні розміри для виключення впливу кінцевих ефектів. Конструкція витратоміра з поперечним полем повинна бути виконана з високою точністю, так як такі дефекти як еліптичність каналу можуть призводити до значних похибок. Іншим важливим моментом є точність установки вимірювальних електродів, яка також визначає стабільність і точність показань всього пристрою. Такий принцип вимірювання вимагає застосування спеціальних немагнітних струмонепровідних матеріалів для трубопроводу витратоміра [3].

Для великих діаметрів труб розроблені витратоміри з електромагнітними перетворювачами швидкості [10]. Вони мають високі метрологічними характеристиками і малою вартістю в порівнянні з традиційними електромагнітними витратомірами, що стає помітнішою в міру збільшення діаметра труби, витрата в якій вимірюється; вони не мають рухомих механічних частин, чим обумовлюється висока надійність приладу.

В трубопровід в місці знаходження середньої швидкості вводиться пустотілий обтічник, в якому розміщені обмотки збудження магнітного поля і електроди [10]. При використанні одного зонда виміряється локальна швидкість потоку в точці 0,777 R0, в якій швидкість дорівнює середній по перетину туби. При використанні трьох зондів швидкість вимірюється за методом «площа-швидкість-градієнт» і досягаються менші показники похибки витратоміра. Похибка зондових перетворень зазвичай знаходиться в межах ± (1,5-4,0)%.

Висновок

Через війну проведеного огляду основних засобів і методів вимірювання витрати та кількості води можна зробити наступні висновки:

1. Наявність рухомих частин, що рухаються в тахометрических витратомірах - основний недолік, який зумовлює їх обмежений ресурс.

2. Вихрові витратоміри створюють перешкоду на шляху потоку і значне падіння тиску, мають підвищену чутливість до спотворень епюри швидкостей потоку.

3. Недоліки приладів зі змінним перепадом тиску - інерційність показань приладу через наявність з'єднувальних ліній, порушення цілісності трубопроводів при установці в них звужують пристроїв [11], незворотні втрати тиску на пристрої звуження потоку, залежність показань витратоміра від епюри швидкостей потоку [12]. Недоліками ротаметрів є необхідність їх установки на вертикальних трубопроводах, непридатність для вимірювання витрати середовищ з високим тиском, необхідність розриву трубопроводу для установки конічної трубки [11], низька надійність у зв'язку з виходом з ладу окремих частин ротаметрів [12].

4. Недоліки ультразвукових витратомірів (необхідність індивідуального градуювання, залежність від профілю швидкостей, який змінюється зі зміною витрати, вплив на показання змін фізико-хімічних властивостей речовини і його температури, від яких залежить швидкість ультразвуку [11]) обумовлюють похибка цих витратомірів на рівні 3 -4% при відсутності корекції на зміну швидкості звуку.

5. Традиційні електромагнітні перетворювачі великих калібрів вельми громіздкі - вага вимірювального перетворювача витрати діаметром 2,4 м досягає 2000 кг; вони мають високу вартістю і великою енергоємністю. Точність описаних приладів великих калібрів порядку 2-3%. Тому застосування електромагнітних витратомірів з однорідним поперечним магнітним полем для вимірювання витрати в трубопроводах великих діаметрів не завжди є економічно доцільним і зручним для використання. Практика показує, що завдання вимірювання витрати виникає і для трубопроводів з діаметрами, істотно перевищують 1000 мм, але при цьому вага і габарити традиційних електромагнітних витратомірів зростають настільки, що їх практичне використання стає проблематичним. В цілому ряді випадків це є непереборною перешкодою для застосування цих приладів [13].

Таким чином, досить перспективним є створення компактних, малометаллоемкіх електромагнітних витратомірів з низьким енергоспоживанням, що забезпечують вимірювання витрати з нормованими погрішностями в заповнених трубопроводах великих діаметрів, що базуються на вимірюванні витрати методом «площа-швидкість», заснованому на визначенні об'ємної витрати рідини за швидкістю потоку в одній точці (точці середньої швидкості) поперечного перерізу трубопроводу і площі останнього, згідно ІСО 7145 і ГОСТ 8.361-79 [13].

У плані створення таких засобів вимірювальної техніки найкращим є використання зондових електромагнітних перетворювачів з локальним магнітним полем, тобто полем, створюваним магнітною системою перетворювача в деякій області вимірюваного потоку. Ці засоби вимірювальної техніки, поряд з усіма перевагами традиційних електромагнітних витратомірів, мають ряд переваг: вони технологічність, мають малими металлоемкостью, енергоспоживанням і вартістю, монтаж здійснюється без переривання подачі води, можливість роботи в автономному режимі, не залежать від діаметра труби. [13]

література

1. Ромада В. Промислові лічильники води. Огляд // Будівельний інжиніринг. - 2007. - №9. [Електронний ресурс] - Режим доступу: http://www.teplocom.msk.ru/data/support/articles/psv_1.pdf

2. ТОВ «Компанія ТЕХНОЛАЙН». Витратоміри і лічильники кількості рідини. [Електронний ресурс] - Режим доступу: http://www.technoline.ru/articles/view/4

3. Пугач Е.Е. Розробка високоточного електромагнітного витратоміра рідин для сільськогосподарського виробництва: Автореф. дис. канд. техн. наук. - М., 1997. [Електронний ресурс] - Режим доступу: http://www.rgazu.ru/db/avtoref/pugach.htm

4. Хансуваров К.І., Цейтлін В.Г. Техніка вимірювання тиску, витрати, кількості і рівня рідини, газу та пара: Навчальний посібник для технікумів. - М .: Видавництво стандартів, 1990. - 287 с.

5. Корсунський Л.М. Електромагнітні гідрометричні прилади. - М .: Стандартгіз, 1964. - 180с.

6. В.І. Монахов. Вимірювання витрати та кількості рідини, газу та пара. - М.-Л .: Госенергоіздат, 1962. - 128 с.

7. Зорі А.А., Коренєв В.Д., Хламов М.Г. Методи і засоби підвищення точності електронних вимірювальних систем. - Донецьк: РВА ДонНТУ, 2004. - 140 з.

8. Дж. Шеркліф. Теорія електромагнітного вимірювання витрати. - М .: Світ, 1965. - 268 с.

9. Марфенко І.В. Електромагнітний витратомір для трубопроводів великих діаметрів: Автореф. дис. канд. техн. наук. - Харків: ХГПИ, 2000. - 20 с.

10. Кремлівський П.П. Витратоміри і лічильники кількості речовин: Довідник: Кн. 2 / Під. заг. ред. Е.А. Шорникова. - [5-е изд.] - СПб .: Політехніка, 2004. - 412 с.

11. ТОВ «Ротаметр». Прилади для вимірювання витрати газу і рідини. [Електронний ресурс] - Режим доступу: http://www.ooorotametr.ru/articles/index.php?ELEMENT_ID=350

12. Ромада В. Промислові лічильники води. Огляд (закінчення) // Будівельний інжиніринг. - 2007. - №10. [Електронний ресурс] - Режим доступу: http://www.teplocom.msk.ru/data/support/articles/psv_2.pdf

13. горбаневі В.В. Підвищення точності вимірювань зондовим електромагнітним перетворювачем швидкості потоку для обліку витрати електропровідний рідини в трубопроводах великого діаметру. [Електронний ресурс] - Режим доступу: http://masters.donntu.ru/2005/kita/gorbylev/diss/index.html

Важліво!

В даний час магістерська робота не завершена. Завершення роботи і її захист намічені на грудень 2010 р

Php?
© 2008 — 2012 offroad.net.ua . All rights reserved. by nucleart.net 2008