автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.15, диссертация на тему:Электромагнитный расходомер для трубопроводовбольших диаметров

ХАРКІВСЬК^^ЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ Марфенко Ірина Вікторівна

УДК 532.57.08

ЕЛЕКТРОМАГНІТНИЙ ВИТРАТОМІР ДЛЯ ТРУБОПРОВОДІВ ВЕЛИКИХ ДІАМЕТРІВ

Спеціальність 05.11.15 - метрологія та метрологічне забезпечення

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Харків - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Харківському державному науково-дослідному інституті метрології (ХДНДІМ), Державного комітету стандартизації, метрології та сертифікації України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, старший науковий

співробітник, Большаков Володимир Борисович, Харківський державний науково-дослідний інститут метрології, керівник науково-дослідного відділу, заступник директора з наукової роботи та метрологічної служби.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Любчик Леонід Михайлович, Харківський державний політехнічний університет, професор кафедри системного аналізу та управління

кандидат технічних наук, доцент Черепков Сергій Тимофійович, Науковий метрологічний центр військових еталонів, м. Харків, керівник центру.

Провідна установа: Державний університет “Львівська

політехніка”, кафедра “Інформаційно- вимірювальна техніка”, Міністерства освіти і науки України, м. Львів.

Захист відбудеться “ 7 ” вере-сяя? 2000 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.050.09 у Харківському державному політехнічному університеті, за адресою:

61002, Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського державного політехнічного університету.

Автореферат розісланий “23" ________2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Процес перебудови економіки України, перехід до ринкових відносин, дефіцит і різке зростання вартості води й енергоносіїв гостро ставлять проблему раціонального використання водо-енергетичних ресурсів. Дуже суттєва роль у її розв'язанні належить підвищенню точності вимірювань і удосконалюванню процесу обліку витрати холодної та гарячої води, тому що дотепер у переважній більшості випадків використовуються морально застарілі і недосконалі витратоміри як прилади обліку витрати рідини.

Цю проблему на сьогоднішній день піднято на державний рівень. Достатньо відзначити, що протягом останніх років прийнято цілий ряд Постанов Кабінету Міністрів (КМ) України, спрямованих на розробку засобів вимірювальної техніки (ЗВТ), які враховують витрату паливно-енергетичних ресурсів, та створення і впровадження приладів для обліку і регулювання витрати води та теплової енергії на промислових підприємствах і в побуті.

У зв’язку з цим важливість проблеми метрологічного забезпечення вимірювань витрати різноманітних рідинних середовищ і, зокрема, розробки і створення сучасних ЗВТ обліку й ефективного використання водоресурсів, а також виробництва і впровадження їх у народному господарстві не викликає сумніву і постає дуже актуального для України.

При цьому необхідно мати на увазі, що якщо раніше вирішення задач водопостачання досягалося створенням окремих водогосподар-чих об'єктів (свердловин, насосних станцій і т.п.), то в останні десятиріччя основою вирішення цих задач стало створення і розвиток великих систем водотеплопостачання. Поява таких систем вимагає створення відповідних ЗВТ витрати в трубопроводах великих діаметрів.

Створення таких ЗВТ витрати (витратомірів) надзвичайно актуально, тому що дозволить вирішити проблему водокористування в цілому, включаючи такі питання як загальна оцінка водних ресурсів, видобуток, транспортування, облік і їхній розподіл, а також водозбе-рігаючі, екологічні проблеми.

Таким чином, актуальність теми дослідження обумовлена вимогами сьогоднішнього дня щодо створення сучасних ЗВТ витрати й обліку рідинних середовищ, зокрема, холодної та гарячої води, у заповнених трубопроводах великих діаметрів («і > 300 мм). Ці прилади повинні мати високі метрологічні характеристики, зручність в експлуатації, малу енергоємність і невисоку вартість. Актуальність теми підт-

верджуеться ще й тим, що спеціальним Рішенням Президії КМ України Держстандарту доручено розробити концепцію метрологічного забезпечення засобів обліку і регулювання споживання води і паливно-енергетичних ресурсів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертація виконувалася згідно з темами 06.04.00.16 “Розробка ДСТУ” ДСВ. Вимірювачі швидкості рідинних потоків. Методи та засоби повірки”, яка виконувалася в ХДНДІМ ДНВО “Метрологія” в 1993-1995 р. згідно з Планом державної стандартизації, та 06.01.16.04 “Створення державного еталона одиниці об’ємної витрати рідини”, державний реєстр № 01951/031075, яка виконується ХДНДІМ з 1998 р. по цей час, де автор є відповідальним виконавцем, згідно з Програмою створення еталонної бази України, в забезпечення:

- “Концепції метрологічного забезпечення пристроїв обліку та регулювання споживання води та паливно-енергетичних ресурсів”, розробленою Держстандартом України згідно з дорученням КМ України (протокол №7 від 10.02.1996 р.).

- Постанови КМ України від 17 червня 1994 р. № 421 “Про програму виробництва засобів обліку витрачання паливно-енергетичних ресурсів і приладів регулювання систем електроводо-, тепло-, та газопостачання на промислових підприємствах і в побуті”;

- Постанови КМ України від 3 липня 1995 р. № 483 “Про впровадження засобів обліку витрачання і приладів регулювання споживання води та теплової енергії в побуті”;

- Постанови КМ України від 27 листопада 1995 р. № 947 “Про програму поетапного оснащення наявного житлового фонду засобами обліку та регулювання споживання води і теплової енергії на 1996-' 2000 рр”;

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є створення та дослідження електромагнітного витратоміра на основі магнітогідродинамічного (МГД) перетворювача з локальним магнітним полем — засобу вимірювання витрати рідини в заповнених трубопроводах великих діаметрів (сІ> 300 мм), що має малі металоємність і енерговитрати, зручність в експлуатації, а також високі метрологічні характеристики, які не залежать від зміни фізико-хімічних властивостей вимірюваного середовища.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі питання:

1. Розробити математичну модель МГД перетворювача з локальним магнітним полем (МГДЛМП) для трубопроводів великих діаметрів.

2. Сформулювати задачу синтезу електромагнітних витратомірів (ЕМВ), що включає питання визначення оптимальних характеристик МГД ЛМП, для трубопроводів великих діаметрів.

3. Розробити методику, алгоритм і програму розрахунку магнітного поля розсіювання МГД ЛМП.

4. На основі виконаних експериментальних досліджень визна-

чити граничні умови в задачі Неймана для рівняння Лапласа, що описує розподіл магнітного поля МГД ЛМП. -

5. Визначити розподіл магнітного поля розсіювання МГД ЛМП.

6. Вирішити задачу синтезу ЕМВ, на основі чого визначити передатну функцію ЕМВ ЛМП і за допомогою її аналізу одержати оптимальні параметри МГД ЛМП, тобто такі параметри, при яких похибки вимірювання витрати даними ЕМВ у трубопроводах великих діаметрів, пов'язані з варіацією епюри швидкостей і її градієнтів у "точці" вимірювання, не будуть перевищувати наперед заданих величин, обумовлених вимогами конкретно розв'язуваної гідрометричної задачі.

7. Відповідно до отриманих результатів виконаних теоретичних досліджень розробити і виготовити експериментальну партію МГД ЛМП і на основі їх досліджень експериментально підтвердити отримані в дисертації результати, положення, висновки.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в такому:

- вперше розроблено математичну модель МГД ЛМП для трубопроводів великих діаметрів;

- запропоновано і реалізовано методику, алгоритми та програми визначення магнітного поля розсіювання МГД ЛМП;

- сформульовано і вирішено задачу синтезу ЕМВ ЛМП, у результаті чого визначено в аналітичному виді передатну функцію електромагнітних витратомірів із ЛМП для трубопроводів великих діаметрів;

- вперше отримано основні співвідношення, що зв'язують геометричні і конструктивні параметри МГД ЛМП із їхніми метрологічними характеристиками;

- вперше визначено оптимальні параметри МГД ЛМП, при яких ЕМВ ЛМП забезпечують вимірювання витрати в трубопроводах великих діаметрів із нормованими метрологічними характеристиками;

- запропоновано методику і виконано експериментальні дослідження створеного ЕМВ ЛМП - витратоміра ЗИР-2000, які підтвердили достовірність отриманих результатів, зроблених висновків, рекомендацій.

Практичне значення одержаних результатів полягає в такому:

- розроблено методику розрахунків МГДЛМП, яка дозволила звести похибки вимірювань витрати в трубопроводах великих діаметрів до прийнятного мінімуму (8 ~ ± 1,0 %);

- вироблено єдиний підхід до оцінки похибок вимірювань швидкості як у руслових потоках, так і в трубопроводах великих діаметрів;

- положення, рекомендації і висновки дисертації використано при розробці керівного нормативного документа КНД 50-052-95 “Вимірювачі швидкості рідинних потоків. Методи та засоби повірки”;

- отримані результати теоретичних досліджень реалізовано в ЕМВ ЛМП - електромагнітних зондових вимірювальних перетворювачах ИСП-204, які пройшли державні приймальні та контрольні випробування і занесені до Державного реєстру засобів вимірювальної техніки, допущених до застосування в Україні, під номером У1190-99;

- використання результатів дисертації підтверджується актами впровадження отриманих результатів у ДНВО “Метрологія” - головному центрі із забезпечення єдності вимірювань в Україні, Харківському центрі стандартизації, метрології і сертифікації, а також у відкритому акціонерному товаристві ВАТ «Донуглеводоканал», м. Донецьк і науково-технічній фірмі «ЛІТ», м. Харків - організаціях, що безпосередньо займаються обліком і розподілом водоресурсів.

Особистий внесок здобувана в одержання наукових результатів полягає в безпосередній участі в постановці і виконанні всіх теоретичних та експериментальних досліджень у роботі на всіх її етапах.

Список наукових праць за темою дисертації наведено в кінці автореферату. Одноосібно написані три роботи [5,8,10], у яких приведе-' но дослідження автора щодо розподілу магнітного поля на межі циліндричної магнітної системи і одержано аналітичний вираз для розподілу магнітного поля розсіяння найбільш перспективних циліндричних електромагнітних ЗВТ витрати рідини в трубопроводах великих діаметрів, що дозволило визначити оптимальні конструктивні параметри таких ЕМВ ЛМП.

У публікаціях із співавторами, вклад автора полягає у створенні математичної моделі електромагнітного витратоміра [1,3,7] і розробці методів рішення цієї задачі [2,6], в адаптації положень дисертації до методики вимірювань об'ємної витрати рідини - КНД 50-052-95 [11], у розгляді [4,9] питань оптимізації параметрів МГДЛМП, розробки нових моделей ЕМВ та їх дослідженні, в отриманні результатів вимі-

рювань, їх обробці та оцінці похибок вимірювань витрати рідини в трубопроводах великих діаметрів [11,12].

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати виконаних в дисертації досліджень оприлюднено на семи міжнародних і українських науково-технічних конференціях (НТК) у період з 1994р. по 1999 p., а саме:

-1 Українській НТК “Метрологічне забезпечення в галузі електричних, магнітних та радіотехнічних вимірювань”. - Харків, 1994;

- Українській НТК “Метрологія та вимірювальна техніка”. -Харків, 1995;

- Украинской НТК “Метрологическое обеспечение средств измерений больших длин и средств измерений геодезического назначения”. - Харьков, 1996;

- II Міжнародній НТК “Метрологія в електроніці”. - Харків,

1997;

- 8 International Metrology Congress, Besancon, France. 1997;

-1 Міжнародній НТК “Метрологія у механіці”. - Харків, 1998;

- II Міжнародній НТК “Метрологія та вимірювальна техніка”. -Харків, 1999.

Публікації. За результатами досліджень, виконаних в дисертації, опубліковано 12 наукових праць, 5 з них опубліковані в фахових періодичних наукових журналах, 5 робіт опубліковані в збірниках наукових праць міжнародних та українських конференцій і 2 роботи -в тезах українських конференцій з метрології.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаних джерел та додатків. Повний обсяг дисертації налічує 173 сторінки, де 18 малюнків, 11 таблиць та 5 додатків. Список використаних джерел має 127 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дано коротку характеристику дисертаційної роботи: обгрунтовано актуальність теми; сформульовано ділі і задачі дослідження; визначено наукову новизну і практичну цінність роботи; викладено основні положення, що виносяться на захист; визначено авторський внесок у сумісних роботах, а також наведено відомості про апробацію результатів виконаних досліджень.

У першому розділі наведено результати аналітичного огляду сучасного стану методів та засобів вимірювальної техніки для вимірю-

вання об’ємної витрати рідинних потоків у трубопроводах великих діаметрів.

Показано, що поставленому завданню щодо створення ЗВТ витрати рідинних середовищ у заповнених трубопроводах у найбільшій мірі відповідає електромагнітний метод, що дозволяє створювати прилади з високими метрологічними й експлуатаційними характеристиками, надійністю, стабільністю показів, можливістю їх використання в автономному режимі і передачі інформації на великі відстані без втрат і спотворень. Проте засоби вимірювальної техніки для трубопроводів великих діаметрів не можуть копіювати традиційні електромагнітні витратоміри для трубопроводів малих діаметрів, де магнітні системи охоплюють трубу подібно системі відхилення кінескопа, оскільки в цьому разі на діаметрах і 000 мм і більше їх вага складатиме декілька тисяч кілограмів, тобто вони мають великі габарити, ме-талоємність і енерговитрату і тому практично не застосовуються для вимірювання витрати рідини у трубопроводах великих діаметрів. Водночас, з огляду на достоїнства електромагнітного методу, дуже перспективним є створення компактних ЕМВ з малого металоємністю на основі МГД ЛМП, які мають низьку енерговитрату, невелику вартість, зручність в експлуатації та забезпечують вимірювання витрати у заповнених трубопроводах великих діаметрів за методом “площа-швидкість”, заснованим на визначенні об'ємної витрати рідини за швидкістю потоку в одній точці (точці середньої швидкості) поперечного перетину трубопроводу і площі останнього, відповідно до ІБО 7145 і ГОСТ 8. 361-79. Однак до цього дня такі ЗВТ були недостатньо вивчені.

На підставі проведеного детального аналізу визначено мету і, поставлено задачі, які вирішуються в наступних розділах.

В другому розділі проведено теоретичні дослідження найбільш перспективного на цей час витратоміра з циліндричним МГД ЛМП на основі розв’язання системи рівнянь магнітної гідродинаміки при відповідних граничних умовах (оскільки сигнал таких ЗВТ формується в потоці рідини, що рухається в його магнітному полі), яка складається з рівнянь Максвелла

закону Ома

; = <т-(е+[Щ

і рівнянь гідродинаміки (рівняння нерозривності і рівняння руху) для в’язкої нестисливої провідної рідини

сЛ'у V - 0, ^2)

р~ = -Ур + г]АГ + []в},

де Е - напруженість електричного поля, В - індукція магнітного поля, р і а- магнітна проникність і питома електрична провідність вимірюваного середовища відповідно, / - густина струму, V - швидкість руху середовища, р і р - густина і тиск середовища, г/ - динамічний коефіцієнт в’язкості вимірюваного середовища.

Показано, що теорію роботи МГД ЛМП до теперішнього часу було розглянуто в недостатній мірі. Це обумовлено тим, що теоретичні дослідження пов’язані з математичними труднощами опису магнітогідродинамічних процесів у робочій області таких перетворювачів. Задача ускладнюється ще й тим, що шукане рішення повинно бути у високому ступені адекватним процесам, які відбуваються в робочій області МГД ЛМП, а саме індукована ЕРС (сигнал ЕМВ) повинна визначатися тільки швидкістю прямування рідини в “точці” виміру -точці середньої швидкості і не залежати, відповідно до 180 7145 і ГОСТ 8.361-79, від епюри швидкостей і її градієнтів у трубопроводі, тобто питання стосується обліку "тонких" моментів - впливу розподілу швидкості вимірюваного потоку та її градієнтів на покази МГД ЛМП.

Розглянуто математичну модель МГД ЛМП і показано, що сигнал таких ЗВТ - різниця потенціалів на вимірювальних електродах перетворювача, що контактують із досліджуваним потоком (рис.1), визначається розподілом індукованих струмів у вимірюваному середовищі

де <ІІ - елемент путі - елемент контуру інтегрування Ь, що з'єднує електроди Еі і Ег перетворювача.

Сформульовано задачу синтезу МГД ЛМП, яка дозволяє визначити їх оптимальні параметри та полягає у визначенні розподілу індукованих струмів у (електричного потенціалу <р) у робочій області перетворювача, обтічного потоком V в’язкого нестисливого провідного середовища на основі розв’язання системи двох задач Неймана для рівнянь Пуансона і Лапласа для електричного та магнітного потенціалів відповідно:

&<р = сііу [у в\,

Д^=0, В = -Ч<рт О).

при натуральних граничних умовах

дір

дп

= 0

9(27 дп

->о,

дірт

дг

д<Рт

др

► 0

дсрт

др

= 0, У </,

де (рт - магнітний потенціал, ги/- геометричні розміри циліндричної магнітної системи перетворювача (рисЛ).

Показано, що при цьому розподіл швидкостей у вимірюваному потоці рідини визначається системою рівнянь класичної гідродинаміки.

Для дослідження питання щодо ступеня залежності показів МГД ЛМП від поперечного градієнта швидкості, яке на сьогодні лишається відкритим і потребує відповіді, розглянуто і вирішено задачу про формування сигналу МГД ЛМП, встановленого в трубопроводі

радіуса 7? та обтічного турбулентним потоком нестисливої провідної рідини (рис.2), де Е\(г, 0,7587?, 0) та Е2(-г, 0,758Л, 0) - розташовані у точках середньої швидкості електроди МГД ЛМП.

Рис.2

На основі отриманого рішення цієї задачі визначено сигнал МГД ЛМП при його використанні як ЕМВ у трубопроводах великих діаметрів при довільному розподілі магнітної індукції та поля швидкостей

и = -<Ры = Яі^*’ У’г’ І, г, к>ВуГГ (і-8{1,г)\£ї, (4)

Де Ф = Ц£,)-Ц£г)

приріст функції Гріна на електродах МГД ЛМП, <? = С\х,у,2,%,т],д,1,г,К) - функція Гріна або функція впливу у задачі Неймана для рівняння Пуассона (3) в області П -внутрішності трубопроводу радіуса Я із вставленим у нього циліндричним перетворювачем радіуса г довжиною 21 (рис.1), £ т], д- відповідна х, у, г декартова система поточних координат.

Отже, доданок § (І, г)

8{1,0=~гЛ—/~)г (5)

В,.

ду дх

обумовлений геометричними та конструктивними параметрами МГД ЛМП та градієнтом швидкості потоку, і визначає ступінь залежності його показів від характеристик потоку.

Проведено ретельний аналіз величини 5 (І, г) з метою її мінімізації, тобто мінімізації залежності показів розроблюваного ЕМВ від структури потоку, що. вимірюється.

За умови використання МГД ЛМП у трубопроводах великих діаметрів та згідно з ГОСТ 8.361 при вимірюванні розвинених турбулентних течій епюру швидкостей у трубопроводі задано у вигляді

Г = К ±-(5,5+ 5,75 1е-У‘), V 8 у

де X = 0,0032+0,22\-Re-0' - коефіцієнт опору трубопроводу, ви-

значений універсальним співвідношенням у формі Никурадзе; V - кінематичний коефіцієнт в’язкості вимірюваного середовища;

г ~ -[х1 + у2 - відстань від осі трубопроводу до аналізованої точки;

^ = Кр^гТ - динамічна швидкість - величина, обумовлена тертям на V о

стінці і густиною рідини.

Експериментально визначено значення магнітної індукції на межі г = ± / (рис.1), що дозволило отримати аналітичний вираз, який з достатньою точністю (похибка ~ 1%) описує розподіл магнітного поля розсіяння МГД ЛМП у вимірюваному середовищі в залежності від параметрів магнітної системи перетворювача. Це співвідношення є основоположним при розробці МГД ЛМП.

Отримано аналітичний вираз, який визначає характер та ступінь впливу структури вимірюваного потоку на покази МГД ЛМП:

V

А

У_

ДІЇ V* Яо

ча£

-у,

ЧРі

у,

Ч

( А

УЧ; -л и \

А

А

(7)

де а„, сіп,к, Рк ~ коефіцієнти, що відображають специфіку завдання граничних умов (3), 70 та - функції Бесселя нульового та першого порядку, У0 та Уі - функції Вебера нульового та першого порядку (або функції Бесселя другого роду нульового та першого порядку).

На основі аналізу одержаного виразу (7) синтезовано МГД ЛМП з високими метрологічними характеристиками для трубопроводів великих діаметрів.

У третьому розділі розглянуто питання синтезу МГД ЛМП - питання визначення їх оптимальних параметрів, при яких такі ЗВТ за-

безпечували б вимірювання витрати у трубопроводах великих діаметрів з нормованими метрологічними характеристиками.

Розглянуто основні фактори, які впливають на метрологічні характеристики МГД ЛМП. Це - завантаження вимірювального перетину трубопроводу перетворювачем та поперечний градієнт швидкості.

Розрахунок оптимальних параметрів г та І (рис.1) котушки збудження магнітного поля МГД ЛМП, при яких 5(1, г) « 1 (5,7), за рахунок чого залежність показів таких перетворювачів від поперечного градієнта швидкості (4) буде зведено до придатного мінімуму, виконано згідно з отриманим у другому розділі рішенням задачі синтезу (4,7) для різних значень г та І. Встановлено, що оптимальним є відношення Иг = 0,5 та г < 32 мм при Ву > 300 мм. При цьому похибка вимірювання витрати буде знаходитися на рівні ± 1,0 %.

Розглянуто конструкцію МГД ЛМП. Показано, що для живлення магнітної системи МГД ЛМП використовується змінний (імпульсний) струм, що дає змогу виключити вплив електрохімічних та поляризаційних ефектів на результати вимірювання. Локалізація магнітного поля дає змогу створювати у робочій області перетворювача магнітне поле значної напруженості (В ~ 0,1 Тл), за рахунок чого підвищується чутливість, розширюється робочий діапазон вимірювача від часток сантиметрів до десятків метрів.

У відповідності до отриманих результатів теоретичних досліджень розроблено та виготовлено експериментальні зразки МГД ЛМП.

Процес вимірювання витрати розробленими МГД ЛМП засновано на закономірностях турбулентної течії в трубах, згідно з якими швидкість потоку у визначеній точці перетину трубопроводу пропорційна середній швидкості потоку та зводиться до вимірювання середньої швидкості у точці (0,242+0,013)Я (точці середньої швидкості) згідно з ГОСТ 8.361, де і? - внутрішній радіус трубопроводу у вимірювальному перетині, тобто

а=г-а>,

де V = Уср - місцева швидкість, а - площа поперечного перетину трубопроводу, визначена з високою точністю.

У четвертому розділі наводяться результати експериментальних досліджень розробленого ЕМВ, метою яких є підтвердження коректності постановки і розв'язання задачі синтезу МГД ЛМП для трубопроводів великих діаметрів, справедливості отриманих розрахункових алгоритмів, положень, висновків і доказ того, що розроблений на ос-

нові отриманих результатів прилад має лінійну градуювальну характеристику і нормовані метрологічні характеристики.

Експериментальні дослідження метрологічних характеристик ЕМВ у силу специфіки фізичних процесів, що протікають у магнітогідродинамічному перетворювачі при взаємодії його локального магнітного поля з вимірюваним потоком рідини, можуть бути проведені тільки в реальних умовах - в потоці рідини.

У зв’язку з цим дослідження метрологічних характеристик ЕМВ ЛМП здійснювалися двома способами: у спокійному середовищі при переміщенні вимірювального перетворювача та в потоку, що набігає, при нерухомому вимірювальному перетворювачі, оскільки перетворювачі, що розглядаються, вимірюють швидкість прямування рідини як функцію витрати. У першому випадку дослідження проводилися на спеціальній градуювально-випробувальній установці СГИУ-1, основна відносна похибка якої 0,3 %, тобто в умовах, що виключають наявність градієнтів швидкості, у другому - на робочому еталоні витрати РОУ-І8О - витратомірній установці, відносна похибка якої не перевищує 0,25 %, тобто у реальних умовах роботи витратомірів.

Розроблено методику експериментальних досліджень, згідно з якою: визначено градуювальну характеристику та похибку вимірювань витрати рідини за допомогою розробленого ЕМВ.

Експериментальні дослідження показали, що розроблений прилад має лінійну градуювальну характеристику (рис. 3). Відносна похибка вимірювання витрати рідини у діапазоні від 12,0 до 124,0 м3/г (при Ду = 200 мм) складає 1,0 %. Результати досліджень дають змогу зробити висновок щодо можливості проведення повірки та атестації цих приладів на вимірювальних лотках - установках типа СГИУ-1.

♦ експеримент ---апроксимуюча крива

Рис. З

висновки

Важливість проблеми метрологічного забезпечення і, зокрема, розробки і створення сучасних ЗВТ обліку й ефективного використання водних ресурсів очевидна і постає дуже актуальною для економіки України.

На основі нових науково обгрунтованих теоретичних і експериментальних результатів, одержаних в дисертації, вирішено конкретне наукове завдання - створення сучасного, що відповідає вимогам сьогодення, компактного електромагнітного витратоміра для трубопроводів великих діаметрів (<і> 300 мм), що має високі метрологічні характеристики, малі металоємність і енерговитрати, а також зручність в експлуатації, на основі магнітогідродинамічного перетворювача з локальним магнітним полем - яке має суттєве значення для розвитку приладобудування і особливо для створення приладів обліку витрати рідини у трубопроводах великих діаметрів.

Основні результати роботи полягають в такому:

1. Розглянуто особливості роботи і математичну модель МГД ЛМП у трубопроводах великих діаметрів, що базується на системі рівнянь магнітної гідродинаміки і відповідних граничних умовах.

2. Сформульовано і вирішено задачу синтезу електромагнітного витратоміра для трубопроводів великих діаметрів, що дозволила одержати нові теоретичні результати, тобто визначити оптимальні характеристики МГД ЛМП, які є суттєвими для розвитку напрямку створення електромагнітних витратомірів для трубопроводів великих діаметрів.

3. На підставі виконаних експериментальних досліджень встановлено граничні умови, які дозволили замкнути задачу Неймана для рівняння Лапласа, що описує розподіл магнітного поля МГД ЛМП.

4. Розроблено методику високоточного встановлення в аналітичному вигляді розподілу магнітного поля розсіяння МГД ЛМП у вимірюваному середовищі в залежності від параметрів магнітної системи перетворювача, яка є основоположною при розробці електромагнітних витратомірів з локальним магнітним полем.

5. Вперше отримано аналітичні вирази, які визначають характер і ступінь' впливу структури вимірюваного потоку на покази МГД ЛМП, на основі яких за рахунок вибору оптимальних параметрів магнітної системи перетворювача залежність показів ЕМВ від градієнта швидкості вимірюваного середовища зведено до заздалегідь заданої прийнятної величини.

6. Визначено оптимальні геометричні та конструктивні параметри МГДЛМП, при яких розроблювані ЕМВ забезпечують вимірюванім витрати рідинних середовищ в трубопроводах великих діаметрів з похибкою порядку 1,0 %.

7. На підставі результатів виконаних теоретичних досліджень розроблено та виготовлено експериментальні зразки МГДЛМП для трубопроводів великих діаметрів.

8. Розроблено методику та проведено експериментальні дослідження створених ЕМВ для трубопроводів великих діаметрів, які підтвердили достовірність теоретичних результатів, висновків, положень, розрахункових формул, правильність вибору методу і напрямку конструктивного виконання магнітогідродинамічних перетворювачів витрати з локальним магнітним полем; дали змогу зробити висновок, що створені витратоміри мають лінійну градуювальну характеристику та похибку вимірювання витрати рідини не більше 1,0 %, що знаходиться на рівні кращих серійно виготовлених витратомірів для трубопроводів малих та середніх діаметрів.

Отримані в роботі результати використано при створенні МГД ЛМП ИСП-204, які пройшли державні приймальні і контрольні випробування і занесені до Державного реєстру засобів вимірювальної техніки, допущених до застосування в Україні.

9. Наведено приклади практичного застосування отриманих результатів та висновків дисертаційної роботи, створених електромагнітних витратомірів для трубопроводів великих діаметрів в гідрометричній практиці України.

СПИСОК НАУКОВИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Себко В.В., Мащнева И.В., Багмет О.Л., Москаленко И.И. Расчет характеристик электромагнитного преобразователя температуры //Измерительная техника. - 1997. - №1. - С.53-56.

Автором проведені чисельні розрахунки основних характеристик електромагнітного перетворювача.

2. Себко В.П., Москаленко И.И., Сиренко Н.Н., Машнева И.В. Бесконтактное определение трех параметров цилиндрического проводящего изделия //Измерительная техника,-1997.-№2.-С.37-40.

Автор провів дослідження параметрів циліндричного виробу за допомогою електромагнітного перетворювача.

3. Большаков В.Б., Косач Н.И., Марфенко И.В., Панфилов О.Ф. Элек-

• тромагнитный метод измерения скорости жидкостных потоков

//Український метрологічний журнал.-1997.-Вип.4.-С.43-46.

Автору належить рішення задачі синтезу циліндричних МГД вимірювачів і знаходження оптимальних метрологічних і конструктивних параметрів для трубопроводів великих діаметрів.

4. Большаков В.Б., Косач Н.И., Марфенко И.В., Несвитайло В.А., Соколов Г.С., Панфилов О.Ф. Зависимость показаний электромагнитных расходомеров от физико-химических свойств измеряемой среды //Український метрологічний журнал.-1998.-Вип.2.-С.46-49. Автором розглянуто і проаналізовано залежності показів електромагнітних перетворювачів від електропровідності середовища.

5. Марфенко И.В. Магнитное поле рассеяния МГД измерителя с цилиндрической магнитной системой //Вестник Харьковского государственного политехнического университета.-1998.-Вып.14.-С.ЗЗ-37.

6. Большаков В.Б., Косач Н.И., Машнева И.В. Оптимизация магнитных систем электромагнитных расходомеров //Наукові праці Української НТК «Метрологічне забезпечення в галузі електричних, магнітних та радіотехнічних вимірювань» (Метрологія в електроніці - 94). - Харків. - 1994.-С.304-305.

Автор в роботі провів дослідження залежності структури магнітного поля від геометричних параметрів магнітної системи.

7. Большаков В.Б., Косач Н.И., Машнева И.В. Электромагнитный из-

меритель скорости жидкостных потоков //Тез. доп. Української НТК «Метрологія та вимірювальна техніка» (Метрологія - 95). -Харків.- 1995.-С.101. '

Автором проведено дослідження, яке дозволило встановити область формування сигналу засобу вимірювання, що розглядається.

8. Машнева И.В. Измерение расхода жидких сред в трубопроводах больших диаметров //Тез.докл. Украинской НТК «Метрологическое обеспечение средств измерений больших длин и средств измерений геодезического назначения» (Метрология в геодезии - 96). -Харьков. - 1996.-С.36-37.

9. V.Kupko, I.Mashneva. Band electromechanical dynamometers and

manometers //Sbomik trudov 8th International Metrology Congress, Besancon, - France. -1997.-P.21 -24. .

Автору належить розробка методики вимірювання електромагнітними перетворювачами, а також участь у проведенні досліджень і визначення можливості застосування їх для вимірювання в нестандартних умовах використання.

10.Машнева И.В. О повышении точности измерений расхода жидких сред в трубопроводах больших диаметров //Наукові праці II

Міжнародної НТК «Метрологія в електроніці».-Том.2.-Харків.-1997.-С. 131-133.

11.Большаков В.Б., Косач Н.И., Королев В.Б., Марфенко И.В. Метрологическая аттестация рабочего эталона ВЗУ-180 //Наукові праці І Міжнародної НТК «Метрологія у механіці». - Харків. - 1998.-С.57-61. Автор провів дослідження метрологічних параметрів і виконав їх оцінку при метрологічній атестації робочого еталона.

12.Большаков В.Б., Марфенко И.В. Метрологическое обеспечение измерений расхода жидкости в трубопроводах больших диаметров // Наукові праці II Міжнародної НТК “Метрологія та вимірювальна техніка” (Метрологія-99). -Том.2 - Харків: ДНВО “Метрологія”. - 1999. -С. 180-182.

В роботі автором аналізується стан метрологічного забезпечення вимірювань витрати рідини у трубопроводах великих діаметрів.

АНОТАЦІЯ

Марфенко І.В. Електромагнітний витратомір для трубопроводів великих діаметрів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.15 - метрологія та метрологічне забезпечення. -Харківський державний політехнічний університет, Харків, 2000.

Дисертацію присвячено створенню та дослідженню електромагнітного витратоміра рідини в заповнених трубопроводах великих діаметрів (d>300 мм) на базі магнітогідродинамічних перетворювачів з локальним магнітним полем (МГД ЛМП).

У дисертації сформульовано та вирішено задачу синтезу МГД ЛМП з високими метрологічними характеристиками. Виконано експериментальні дослідження розроблених МГД ЛМП, що довели-достовірність отриманих теоретичних алгоритмів, положень, висновків. Отримані в роботі результати використано при створенні МГД ЛМП ИСП-204, які пройшли державні приймальні і контрольні випробування та занесені до Державного реєстру засобів вимірювальноїтехніки, допущених до застосування в Україні.

Ключові слова: електромагнітний витратомір, задача синтезу, градієнт швидкості, метрологічні дослідження.

ANNOTATION

I.V. Marfenko. Electromagnetic flowmeter for pine-lines of large diameters. - Manuscript.

Thesis for a candidate’s degree by speciality 05.11.15 - Metrology and metrological assurance. - The Kharkiv State Polytechnic University, Kharkiv, 2000.

The thesis is deducated to realization and research of electromagnetic flowmeter of liquid in the filled pine-lines of large diameters (^>300 мм) on the base of magnetohydrodynamical converters with local magnetic field (MHD LMF).

The thesis formulates and solves the problem of synthesis of MHD LMF with high metrological characteristics. The experimental researches of the developed MHD LMF, which proved the truth of the received theoretical algorithms, statements, conclusions, are fulfilled. The received results are used for realization of MHD LMF ISP-204, which have passed the State acceptance and control tests and are registered in the State List of measurement technique means, which are accepted for use in Ukraine.

Key words: electromagnetic flowmeter, problem of synthesis, gradient of speed, metrological researches.

АННОТАЦИЯ

Марфенко И.В. Электромагнитный расходомер для трубопроводов больших диаметров. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.15 - метрология и метрологическое обеспечение. - Харьковский государственный политехнический университет, Харьков, 2000.

Диссертация посвящена созданию и исследованию электромагнитного расходомера - средства измерения расхода жидкости в заполненных трубопроводах больших диаметров (с/ >300 мм), обладающего малыми металлоемкостью и энергопотреблением, удобством в эксплуатации и высокими метрологическими характеристиками, не зависящими от изменения физико-химических свойств измеряемой среды.

В диссертации рассмотрены теоретические вопросы разработки одного из наиболее перспективных на сегодняшний день средств измерения расхода жидкости в заполненных трубопроводах больших диаметров - расходомера с магнитогидродинамическим преобразователем с локальным магнитным полем (МГД ЛМП). Измерение расхода в таких расходомерах осуществляется методом «скорость-площадь», основанном на определении расхода по скорости потока в одной точке поперечного сечения трубопровода - точке средней скорости (ISO 7145, ГОСТ 8.361) - и его площади.

Исследован принципиальный вопрос о степени зависимости показаний таких преобразователей от поперечного градиента скорости измеряемого потока, который на сегодняшний день остается откры-

тым и требует ответа. С этой целью рассмотрена математическая модель МГДЛМП при измерении расхода в трубопроводах больших диаметров, базирующаяся на системе уравнений магнитной гидродинамики и естественных граничных условиях; сформулирована и решена задача синтеза МГДЛМП, заключающаяся в определении распределения индуцированных токов (электрического потенциала) в измеряемом потоке жидкости на основе решения системы двух задач Неймана для уравнений Пуассона и Лапласа для электрического и магнитного потенциалов соответственно.

Предложена и реализована методика, описывающая с достаточной точностью (погрешность ~ 1,0 %) распределение магнитного поля рассеяния МГД ЛМП в измеряемой среде в зависимости от их конструктивных и геометрических параметров.

В диссертационной работе впервые получено аналитическое выражение, определяющее характер и степень влияния структуры измеряемого потока на показания МГД ЛМП при различных их исполнениях. Полученное выражение является основополагающим при разработке и построении расходомеров для трубопроводов больших диаметров на базе МГД ЛМП.

На основе решения задачи синтеза и его анализа определены оптимальные геометрические, конструктивные и метрологические параметры МГДЛМП применительно к измерению расхода жидкостных сред в трубопроводах больших диаметров с погрешностью порядка 1,0 %.

В соответствии с полученными результатами выполненных теоретических исследований разработаны и изготовлены экспериментальные образцы МГДЛМП для измерения расхода в заполненных трубопроводах больших диаметров.

Разработана методика экспериментальных исследований созданных МГД ЛМП на специальной градуировочно-испытательной установке СГИУ-1 и рабочем эталоне расхода РОУ-180.

Выполнены экспериментальные исследования, подтвердившие достоверность полученных в диссертации результатов, сделанных выводов, положений, рекомендаций, правильность конструктивного исполнения МГДЛМП, а также показавшие, что созданные расходомеры обладают линейной градуировочной характеристикой и погрешностью измерения расхода не более 1,0 %, что находится на уровне лучших серийно выпускаемых расходомеров малых и средних диаметров.

Основные результаты работы реализованы в МГДЛМП ИСП-204, прошедших государственные приемочные и контрольные испытания и занесенных в Государственный реестр средств измерительной

техники, допущенных к применению в Украине, под номером У1190-99; нашли практическое применение в ГНПО «Метрология», Харьковском центре стандартизации, метрологии и сертификации, а также в ОАО «Донуглеводоканал», г. Донецк и научно-технической фирме «ЛИТ», г. Харьков - организациях, непосредственно занимающихся учетом и распределением водоресурсов.

Ключевые слова: электромагнитный расходомер, задача синтеза, градиент скорости, метрологические исследования.