автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Использование метода дорожки кармана для создания вихревых расходомеров жидкости и газа

На правах рукописи

СИЛИН Михаил Данилович

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА ДОРОЖКИ КАРМАНА ДЛЯ СОЗДАНИЯ ВИХРЕВЫХ РАСХОДОМЕРОВ ЖИДКОСТИ И ГАЗА

Специальность: 05.13.01. Системный анализ, управление и обработка

информации

05.13.05. Элементы и устройства вычислительной техники и систем

управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2006

Работа выполнена в Государственном институте физико - технических проблем (ГосИФТП).

Научный руководитель: кандидат физико - математических

наук, профессор Коган Е. А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук Шаманов И.В.

кандидат технических наук Рыбаков М.М.

Ведущее предприятие: Институт Машиноведения РАН.

Защита диссертации состоится ' ^ 'Кв ^ часов, на заседании Диссертационного совета в Государственном институте физико — технических проблем по адресу: 119034, г. Москва, ул. Пречистенка, 13/7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного института физико - технических проблем.

Автореферат разослан " ьМ-2006 г.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор техн. наук

Захаров Ю.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Состояние проблемы

В настоящее время с широким внедрением информационных технологий не-обходнмость контроля различных физических параметров (температуры, давления, расхода и т. п.) технологических процессов является весьма актуальной для различных областей техники. Возможности такого контроля существенно расширяются в последние годы в связи с внедрением информационно-компьютерных технологий.

Одним из наиболее распространенных контролируемых технологических параметров является расход жидкости или газа. При этом все более широкое распространение в области измерения расхода различных сред, как жидкостей, так и газов, находят вихревые расходомеры. Малая зависимость от изменения плотности и вязкости измеряемых сред позволяет использовать их для контроля расхода различных сред, без дополнительных настроек и тарировок.

Известны вихревые расходомеры, действующие по принципу прецессии закрученного измеряемого потока. Более перспективными являются вихревые расходомеры, работа которых основана на использовании вихревых дорожек Кармана. Их' отличают высокая точность, широкий диапазон измерения, малые потери напора, наличие частотного и аналогового выходных сигналов, возможность использования в их работе ЭВМ. Они имеют меньшие потери напора (0,03 мПа вместо 0,1 мПа) и больший диапазон измерения (1:40 против 1:10) по сравнению с прецессионными вихревыми расходомерами. , 1

Актуальность проблемы, решаемой в диссертационной работе, определяется следующими обстоятельствами.

Отсутствием единого подхода к теоретическим предпосылкам построения вихревых расходомеров, работа которых основана на эффекте дорожки Кармана.

Потребностью в разработке точного расходомера для жидких и газообразных сред с метрологическими характеристиками, не уступающими лучшим зарубежным:

точность, % 0,5; 1,

диапазон измерения 1:40,

повторяемость результатов, % 0,2,

давление в трубопроводе, мПа 2,5 - 7, выходной сигнал, мА 0-5, 4 — 20.

При разработке подобных приборов в нашей стране необходимо было опираться на отечественную технологию, на свой накопленный опыт в области создания расходомеров.

Цель работы состоит в разработке теоретических и практических вопросов создания серийных расходомеров, работающих на эффекте дорожки Кармана и методов их реализации на отечественной технологической базе.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На основе проведённых теоретических и экспериментальных исследований была разработана методика построения вихревых расходомеров, использующих метод дорожки Кармана, которая позволила их серийно изготавливать в промышленности.

2. В результате проведённого анализа работы различных вихревых расходомеров, использующих в своей работе метод дорожки Кармана, как с подвижными, так и с неподвижными чувствительными элементами, были разработаны новый чувствительный элемент и высокочувствительная помехоустойчивая электронная схема обработки и преобразования сигнала, защищенные двумя авторскими свидетельствами, которые позволили выделять полезную информацию на фоне различных помех и легли в основу изготовления промышленных образцов вихревых расходомеров ВИР.

3. Теоретически исследован процесс вихреобразования при обтекании потоком чувствительных элементов вихревых расходомеров и получено определяющее уравнение вихревых расходомеров с индукционным съёмом сигнала и с колеблющимся диском, из которого следует независимость расхода от физических свойств измеряемой среды.

4. Получена аналитическая зависимость, позволяющая установить оптимальное соотношение между характерным размером обтекателя и внутренним диаметром трубопровода.

5. В результате проведённых теоретических и экспериментальных исследований определены оптимальная геометрия и способ креплення обтекателя в трубопроводе, которые обеспечивали стабильность пульсаций давления при вихреобразовании с амплитудой, достаточной для работы чувствительного элемента в диапазоне измерения 1:40 и более.

6. Теоретически и экспериментально доказана возможность использования разработанного вихревого расходомера ВИР для измерения расхода различных жидкостей и газов без каких-либо дополнительных настроек и тарировок.

7. Создан отечественный серийный вихревой расходомер, использующий в своей работе эффект дорожки Кармана, для жидкостей и газов, защищенный авторскими свидетельствами.

Основные положения, выносимые на защиту

1. На основе анализа закономерностей вихреобразования обоснованы теоретические предпосылки создания вихревых расходомеров, использующих в своей работе эффект дорожки Кармана.

2. Проведён анализ различных методов преобразования вихревых колебаний в потоке жидкости или газа в электрические сигналы и на его основе разработана эффективная помехоустойчивая схема выделения полезной информации на фоне различных помех.

3. На основе математического моделирования процесса вихревых колебаний и экспериментальных исследований разработана методика определения оптимальных конструктивных параметров генератора вихревых колебаний (обтекателя) - главного источника полезной информации.

4. Разработаны вихревые расходомеры различного типа и на основе теоретического и экспериментального анализа их работы предложен серийный вариант отечественного вихревого расходомера.

Практическое значение результатов работы заключается в разработке и внедрении в отечественную промышленность серийного вихревого расходомера, использующего в своей работе эффект дорожки Кармана, для жидкостей и газов.

Накопленный опыт разработки вихревых расходомеров, использующих метод дорожки Кармана, позволяет сделать вывод о перспективности их

применения в различных отраслях промышленности (коммунальной, автомобильной (на АЗС), химической и т. п.), а также в метеорологии, в сейсмографии и медицине.

Реализация и внедрение. Полученные в диссертационной работе результаты позволили на Старорусском приборостроительном заводе изготовить установочную партию (20 шт.) названных расходомеров; 10 шт. из которых были представлены на проведение заводских Государственных контрольных испытаний (см. приложение 1 к работе). Результаты проведенных испытаний положительные. Органами Новгородской ЛГН было дано разрешение на серийный выпуск указанных приборов.

Получены положительные отзывы о результатах промышленных испытаний расходомеров ВИР на различных предприятиях промышленности (см. приложения 2 и 3).

Апробацпя работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на секциях Ученого Совета Государственного научно-исследовательского института теплоэнергетического приборостроения, докладывались на 3-ей и 5-ой научно-технических конференциях "Методы и приборы для измерения расходов и количеств жидкости, газа и пара" в г. Ленинграде, на семинаре в Институте механики МГУ им. Ломоносова 19 ноября 2004 года, а также на международном научном симпозиуме, посвящён-ном 140-летию МГТУ «МАМИ».

Публикации. По теме диссертации опубликовано б печатных работ, в том числе: 2 статьи и 4 авторских свидетельства.

Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и приложений. Основной текст изложен на 136 листах. Библиография - 68 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, кратко охарактеризовано состояние проблемы, сформулированы научная новизна, основные защищаемые положения, цели и задачи исследования.

Порядок изложения материала диссертационной работы следующий:

В первой главе описаны закономерности вихреобразования за телом обтекания при движении измеряемого потока.

6

Даны теоретические предпосылки создания вихревых расходомеров, использующих в своей работе эффект дорожки Кармана. Работа таких расходомеров основана на явлении периодического отрыва вихрей с обтекаемого тела, установленного в трубопроводе и создании такой системы индикации вихрей, включающей чувствительный элемент и электрическую схему обработки сигнала, которая позволяла бы их надежно фиксировать. При движении потока происходят периодические, знакопеременные колебания давления с боковых сторон обтекаемого тела. Пульсации давления воздействуют на чувствительный элемент, помещенный в обтекаемое тело. Функциональная зависимость между частотой вихревых колебаний, скоростью потока и характерным размером обтекаемого тела характеризуется в гидромеханике числом Струхаля 67г, которое достаточно стабильно в широком диапазоне чисел Рейнольдса Яе от 2-103 до 2-105. С помощью программы аппроксимации экспериментальных данных полиномом четвертой степени было получено аналитическое выражение = /(Яе) позволяющее определить любое значение числа Струхаля в зависимости от числа Рейнольдса, а также подсчитать методическую погрешность вихревого расходомера в рабочем диапазоне чисел Рейнольдса для различных сред.

Заметим, что формулы для расчета поля скоростей вокруг вихревых нитей, образующих дорожку Кармана, полностью совпадают с электродинамическими формулами, выражающими закон Био-Савара. Вихревые нити соответствуют электрическим проводникам, циркуляция - силе тока, поле скоростей - магнитному полю и угловая скорость вращения — плотности тока.

Показаны преимущества и ограничения к применению вихревых расходомеров, использующих в своей работе эффект дорожки Кармана.

Во второй главе рассматриваются вопросы исследования, разработки и испытаний различных вариантов вихревых расходомеров с подвижными элементами, физические основы работы вихревых расходомеров с деформируемой в потоке пластиной и с колеблющимся в потоке цилиндром, укрепленным на плоской пружине.

Проведены экспериментальные исследования расходомеров с вихревым генератором, представляющим собой деформируемую пластину. Были

испытаны пластины из различных материалов и различных геометрических размеров, а также различные варианты расположения пластин в трубопроводе. Оценена длина линейного участка трубопровода перед пластиной в зависимости от ее жесткости.

Выявлено существенное влияние на частоту вихревых колебаний геометрии пластины и определено оптимальное соотношение размеров пластины в плане, при котором пластина имеет наибольшую чувствительность.

Оценена износостойкость пластин для расходомера, предназначенного для контроля расхода двухфазных сред "воздух - зернопродукт' в пнев-мотранспортных магистралях.

На расходомер с деформируемой в потоке пластиной Комитетом изобретений СССР выдано авторское свидетельство.

Проведено описание отрыва пограничного слоя при обтекании потоком различных тел в идеальной и вязкой среде.

В заключительной части главы исследована работа вихревого расходомера с колеблющимся в потоке цилиндром, укрепленным с одной стороны на упругой пластине. Поток воздуха, воздействуя на цилиндр, вызывает его колебательные движения, перпендикулярные скорости потока.

Обработка проведенных опытов позволила получить эмпирическую формулу зависимости частоты колебаний цилиндра от скорости измеряемого потока.

Выявлены как положительные качества разработанных расходомеров — простота конструкции и электрической схемы обработки сигнала, так и их недостатки, присущие приборам с механической подвижной системой: большая инерционность и нелинейность характеристики, чувствительность к внешним вибрационным воздействиям.

В этой связи в третьей главе приведены результаты исследования и разработки вихревых расходомеров, не имеющих подвижных частей: вихревого расходомера с индукционным съемом сигнала и вихревого расходомера с применением термочувствительных элементов.

Разработан вариант электромагнитного вихревого расходомера с расположением источника магнитного поля внутри тела обтекания (см. рис. 1).

Рис. 1. Схема первичного преобразователя вихревого расходомера с индукционным съёмом сигнала

Он содержит трубопровод 1, тело обтекания 2, выполненное в виде двух постоянных магнитов 3, обращенных друг к другу разноименными полюсами и разделенных каналом 4, электроды 5, размещенные на диаметрально противоположных стенках канала изолятора б. Трубопровод выполнен из магнитного материала (армко) и является одновременно магнитопро-водом, замыкающим магнитное поле во внешнем пространстве. Тело обтекания является одновременно и индуктором возбуждения магнитного поля.

Необходимая чувствительность обеспечивается за счет создания значительной индукции магнитного поля, получаемой в канале.

При движении электропроводной жидкости по трубопроводу при встрече с телом обтекания и в области входных отверстий канала, также заполненного измеряемой средой, образуются вихри Кармана, и за счет разности давлений жидкость в канале начннает пульсировать с частотой вихреоб-разовання. Жидкость, пульсирующая в канале, пересекает магнитные силовые линии, создаваемые индуктором силового поля. При этом в жидкости индуцируется переменное электрическое поле, частота которого пропорциональна расходу измеряемой среды. На электродах создается разность потенциалов; частота сигнала является мерой расхода.

Дан вывод уравнения вихревого расходомера с индукционным съёмом сигнала.

Величина сигнала, снимаемого с электродов датчика расхода, описывается соотношением

и = и0+%В0Уи1йпа>п1 + 11+1„р,

н

где

£/„- амплитуда разности потенциалов между электродами при постоянном расходе,

Яо^/бш су„/- амплитуда разности потенциалов между электродами от

н

пульсационной составляющей скорости потока в канале (Вд - магнитная индукция в канале, Уп - пульсационная составляющая скорости жидкости в канале тела обтекания, / — расстояние между электродами)» /, и / - соответственно ЭДС тепловых шумов и прочих помех.

Используя связь между пульсационной составляющей разности потенциалов между электродами и круговой частотой вихреобразования 57/ ■ V

со =2к- (571 - число Струхаля, К-скорость в трубопроводе, <7-ха-

(1

рактерный размер тела обтекания), удалось добиться максимальной амплитуды разности потенциалов между электродами увеличением расстояния между электродами и увеличением индукции магнитного поля.

Предложены технические решения, позволяющие уменьшить влияние уровня тепловых шумов и помех в расходомере.

Проведены экспериментальные исследования вихревого расходомера с индукционным съемом сигнала с целью установления оптимальной геометрии тела обтекания. Исследованы тела семи различных форм и различных размеров для каждой формы, а также влияние места отбора давления при вихреобразовании и диаметра отверстия для отбора давления. Задачи проведенных исследований решались при смене обтекателей различных форм и конфигураций при всех остальных неизменных условиях (постоянство температуры, расхода, электронной схемы обработки сигнала, одинаковый измерительный участок и т. п.) В результате получены линейные гра-дуировочные зависимости частоты вихреобразования от расхода для тел обтекания различной формы.

Датчик вихревого расходомера с индукционным съёмом сигнала устанавливался в линию расходомерной установки. Сигнал от датчика по линии связи подавался на индикатор нуля Ф-510. Кроме того, при измерениях использовался генератор импульсов ГЗ-ЗЗ и частотомер-хронометр Ф-588. Блок-схема испытаний показана на рис. 2.

Рис. 2. Блок-схема испытаний вихревого расходомера с индукционным съёмом сигнала

Использовались два независимых способа индикации частоты вихре-образования:

1. Фотографирование с экрана осциллографа сигнала с последующим определением частоты сигнала по меткам времени.

2. Компенсационный способ измерения при помощи индикатора нуля Ф-510 с дифференциальным входом и генератора импульсов. При условии равенства частот с датчика вихревого расходомера и генератора на экране индикатора нуля появлялась окружность или эллипс. Максимальное значение амплитуды устанавливалось оператором вручную. Усиленная прибором Ф-510 частота с датчика вихревого расходомера подавалась на частотомер пли счётчик импульсов. Амплитуда сигнала с датчика расхода составляла 0,3 - 0,5мВ.

Изменение мест отбора давления от оси трубопровода по высоте тела обтекания в пределах ± 1/6 части диаметра условного прохода трубопровода практически не влияло на интенсивность вихреобразования. Изменение номинального размера диаметра отверстия отбора давления на 25% незначительно сказывалось на значение выходной частоты. Номинальное значение диаметра отверстия отбора давления составляло 4 мм.

На вихревой расходомер с индукционным съемом сигнала Комитетом изобретений СССР выдано авторское свидетельство.

Рассматривая работу вихревого расходомера с индукционным съёмом сигнала, можно сделать заключение, что ему присущи как достоинства, так и ограничение вихревого метода измерения. Основное его достоинство - это отсутствие каких либо подвижных частей внутри трубопровода.

Анализируя точность работы вихревого расходомера с индукционным съёмом сигнала, необходимо учесть, что при испытаниях была использована стандартная, а не специальная измерительная аппаратура. Применение специальной измерительной аппаратуры приведет к повышению точности и расширению диапазона измерения.

По сравнению с применяемыми электромагнитными расходомерами рассмотренный вихревой расходомер с индукционным съёмом сигнала обладает следующими преимуществами:

а) меньшей потребляемой мощностью;

б) высокой чувствительностью;

в) более широким диапазоном измерения;

г) наличием частотного выходного сигнала, что повышает чувствительность метода измерения и позволяет отбросить ряд помех, присущих этому методу.

Вихревой расходомер с индукционным съёмом сигнала обладает всеми достоинствами индукционного метода измерения расхода.

Во втором параграфе третьей главы приведены результаты исследования вихревых расходомеров с применением термочувствительных элементов. У таких расходомеров индикация частоты срыва вихрей осуществлялась двумя тензорезисторамн, расположенными на боковых сторонах обтекаемого тела. Использовались также термочувствительные пленки.

В четвертой главе обсуждены вопросы, связанные с разработкой серийного варианта вихревого расходомера ВИР, пригодного для измерения расхода как жидких, так и газообразных сред, как электропроводных, так и неэлектропроводных, с чувствительным элементом, выполненным в виде незакрепленного диска, помещенного в обтекаемое тело и колеблющегося между катушками дифференциально-трансформаторного преобразователя. Вихревой расходомер с колеблющимся диском, использующий в своей работе эффект дорожки Кармана, состоит из двух функциональных частей: первичного преобразователя, промежуточного преобразователя. Первичные преобразователи имеют 4 типоразмера в зависимости от диаметра условного прохода трубопровода — 50, 70, 100 и 150 мм.

На рис. 3 показан первичный преобразователь вихревого расходомера с колеблющимся диском.

Он содержит участок трубопровода 1, обтекатель 2, установленный перпендикулярно оси трубопровода. Обтекатель может быть выполнен, например, в виде прямоугольной призмы. Внутри обтекателя имеется цилиндрическая камера 3. Она расположена на уровне оси трубопровода, и её ось перпендикулярна осям трубопровода и обтекателя и сообщается с полостью трубопровода через каналы 5 с боковой поверхностью обтекателя. В камере свободно размещен диск 4 и имеются две индуктивные катушки 6, разме-

щенные соосно с каналам» вблизи камеры, ограничивающей перемещение диска.

1и

Рис.3. Схема первичного преобразователя вихревого расходомера с колеблющимся диском

Работа преобразователя расхода основана на явлении отрыва вихрен с обтекателя, возникающем при движении измеряемого потока в трубопроводе. При определенных числах Рейнольдса 2 • 103 < Яе < 2 ■ Ю3 происходит периодический отрыв вихрей с одной и с другой стороны обтекателя; возникает дорожка Кармана.

Чередование вихрен с одной и с другой стороны обтекателя вызывает колебательное движение диска, находящегося в камере. Это колебательное движение фиксируется взаимно - индуктивным преобразователем. Частота колебании диска пропорциональна скорости измеряемого потока.

Ближайшими аналогами описанного расходомера являются расходомеры фирмы "ЕаБ1есЬ" (США) с расположенными в обтекателе чувствительными элементами в виде мембраны, закрепленной по периметру или в виде свободно расположенного незакрепленного шара. Недостатками подобных расходомеров являются низкая чувствительность и узкий диапазон измерения.

В работе удалось повысить чувствительность и расширить диапазон измерения, заменив свободно расположенный в камере шар свободно расположенным диском, а взаимно — индуктивный узел съёма сигнала, выполненный из двух катушек, расположив по обе стороны колеблющегося диска и вблизи его. При одинаковых диаметрах диска и шара диск имеет существенно меньшую массу, чем шар.

Так как камера размещена вблизи зоны наибольшего вихреобразования и отсутствуют потери энергии на упругую деформацию мембраны, то точность предложенного расходомера повышается за счёт отсутствия нелинейности и гистерезиса, присущих защемленной мембране. Благодаря малой массе диска расходомер имеет хорошие динамические характеристики.

Положение диска в камере не сказывается на работоспособности расходомера; оно только в небольшой степени влияет на диапазон измерения, несколько сужая его, оставляя его в то же время достаточно широким. Это положение было экспериментально проверено. Поэтому дополнительных требований на положение диска в пространстве при работе вихревого расходомера с колеблющимся диском не налагается. Полезная информация (частота) определяется не положением диска в камере, а скоростью его переме-

л

о

Рис. 4. Блок - схема вихревого расходомера

щения. Поэтому неопределенность положения диска в камере дополнительной погрешности не вносит.

Обработку сигнала вихревого расходомера можно проследить по приведенной на рис. 4 блок - схеме вихревого расходомера.

Узел съёма первичного преобразователя, размещённый в обтекателе ОБ, запитывается от генератора Г синусоидальным напряжением высокой частоты (5 кГц).

Выходные обмотки дифференциально — трансформаторного преобразователя включены встречно, что обеспечивает получение противофазного полезного сигнала в виде огибающей несущей частоты. Модулирующим сигналом является движение чувствительного элемента - диска под воздействием перепада давления, возникающего в процессе внхрсобразовапия.

Частота огибающей прямо пропорциональна расходу; два противофазных сигнала поступают на усилители высокой частоты У1, У2, где осуществляется индивидуальное усиление каждого из сигналов. Коэффициенты усиления усилителей регулируются резисторами в цепи обратной связи.

Два усиленных противофазных сигнала поступают на дифференциально — избирательную схему (ДИС).

Схема ДИС реализована так, что она позволяет осуществить вычитание несущей частоты, так как несущая частота первого и второго канала усиления находится в фазе, и сложение полезных сигналов (огибающих), так как они находятся в противофазе. Поскольку коэффициенты связи катушек постоянны и не зависят от амплитуды подводимого высокочастотного сигнала (при / нес.=соп50, дифференциально - избирательная схема осуществляет функции дифференциального звена в широком динамическом диапазоне поступающих на ДИС сигналов. Кроме того, ДИС осуществляет селекцию сигналов по несущей частоте. Выходной сигнал ДИС отстраивается на максимальную глубину модуляции (практически до 100%) с помощью регулировки усиления усилителей У1, У2 с переменными коэффициентами усиления. Усилитель УЗ осуществляет усиление разностного сигнала.

Амплитудный демодулятор АД и Ф1 выделяет огибающую модулированного высокочастотного сигнала, а усилитель У4 усиливает видеосигнал до уровня, необходимого для срабатывания триггера Шмитта (Ш). Ждущий мультивибратор ЖМ нормирует импульсы по длительности. Ключ К обеспечивает мощный импульсный выход для регистрации на стандартных счетчиках импульсов и питания входа схемы преобразования " частота — аналог

Амплитудный ограничитель АО стабилизирует амплитуду импульсов. Фильтр Ф2 интегрирует серию импульсов в постоянное напряжение, уровень которого пропорционален частоте входного сигнала.

Генератор тока ГТ осуществляет преобразование напряжения в ток. Выходным сигналом преобразователя является постоянный электрический ток 0-5 мА.

Усилители У1 — У4 собраны на интегральных операционных усилителях по схеме масштабного усилителя. Коэффициенты усиления регулируются подбором резисторов цепи обратной связи в пределах 0 — 30.

Триггер Шмитта собран также на операционном усилителе. Уровень срабатывания ТШ соответствует 50% минимального полезного сигнала.

Ждущий мультивибратор и ключ собраны на транзисторных интегральных матрицах. В качестве амплитудного ограничителя выбран стабилитрон.

Фильтр Ф2 представляет собой двухзвенный Г — образный РС — фильтр нижних частот. Генератор тока преобразует постоянное напряжение с выхода фильтра в постоянный ток. Он собран на двух транзисторах по схеме с общей базой, что обеспечивает большое выходное сопротивление преобразователя.

Генератор высокой частоты собран на интегральной транзисторной матрице по обычной двухтактной схеме.

Питание устройства осуществляется от блока питания, содержащего два идентичных стабилизатора напряжения 12,6 В и стабилизатор тока для питания нагрузки преобразователя и выходных каскадов.

Обращает на себя внимание технологичность и простота первичного преобразователя, т. к. чувствительный элемент (колеблющийся диск) вслед-

ствие использования для обмотки питания высокой частоты, может быть изготовлен из коррозионностойкого материала (медь,бронза) к измеряемым средам.

Особенности разработанной схемы следующие:

1. Индивидуальная регулировка по каждому из двух каналов позволяет обеспечить быструю балансировку без подстраивания индуктивностей сигнальных обмоток, причем технологические различия секций обмоток первичного преобразователя серьезно на работе схемы не сказываются.

2. Схема не критична к питающему напряжению несущей частоты на первичный преобразователь, поскольку балансировку каналов можно производить при разных значениях коэффициентов усиления. Практически амплитуда питающего напряжения может быть выбрана от 5-10 мВ до одного В без существенного изменения выходного сигнала.

3. Схема является чисто дифференциальной, причем на переменном токе, что обеспечивает малый уровень помех и отсутствие дрейфа нуля

4. Усилители У1 и У2 нагружены на резонансные контуры, настроенные на несущую частоту и обеспечивающие дополнительную селективность и помехоустойчивость схемы.

5. Усилители У1 и У2 находятся в устойчивом режиме работы и не склонны к самовозбуждению, ввиду глубокой отрицательной обратной связи.

При разработке вихревого расходомера ВИР была исследована теоретически и подтверждена экспериментально зависимость частоты вихреобра-зования от физических параметров измеряемой среды: вязкости и плотности

Используя основную зависимость вихревого расходомера, работа которого основана на эффекте дорожки Кармана

у а •

определим зависимость 5Л =/(Ле), которая неизвестна, для обтекаемого тела, имеющего прямоугольное поперечное сечение. Определяем 5Л, зная частоту в сечении обтекаемого тела/; А -известно. Строим зависимость =/

(Re) и аппроксимируем точки графической зависимости квадратичной степенной функцией.

В результате получим формулу зависимости частоты вихреобразова-ння от физических параметров измеряемой среды: вязкости ц и плотности Р-

Для расходомера ВИР-50 она принимает вид

/ = 12,35U + 3,4 • 10'8 ^+1,55 • 1 (Г115

М и

Из полученной зависимости следует, что вязкость и плотность измеряемой среды почти не влияют на показания вихревого расходомера, так как второй и третий члены рассматриваемого полинома составляют по своей доле меньше 1% от первого.

Этот вывод был подтвержден при испытаниях вихревого расходомера ВИР-100. В качестве измеряемой среды выбрали воздух и воду. Испытания показали, что при изменении динамической вязкости измеряемой среды в 55,5 раза и плотности в 833 раза расхождение между точками характеристик на воздухе и воде оказалось в пределах точности эксперимента.

Диск при колебаниях не допускает протечек с одной стороны обтекаемого тела в другую, исключая таким образом в значительной степени засорение отверстий отбора давления, выходящих непосредственно в измеряемую среду. Камера выполнена с таким соотношением диаметра к ширине

(— С: 8), что полностью исключает заклинивание диска в любом его поло-0,8

жении.

Одним из главных направлений в области создания вихревых расходомеров было исследование различных обтекаемых тел и определение их наиболее выгодной конфигурации, при которой обеспечивается стабильность пульсаций давления по амплитуде при вихреобразовании.

Так, например, большое распространение получило обтекаемое тело призматической формы, в поперечном сечении представляющее собой комбинацию прямоугольника и разнобокой трапеции.

Фирма Kent предложила обтекаемое тело призматической формы, в поперечном сечении представляющее собой прямоугольник. Интересные

го

конструкции обтекаемых тел вихревых расходомеров предлагают фирмы Fisher and Porter (Великобритания), METRA (Франция) и другие.

В работе исследовались н испытывались различные тела обтекания: цилиндры различных диаметров, призмы, имеющие в поперечном сечении форму треугольника, комбинации прямоугольника и равнобокой трапеции, прямоугольники различных размеров и т. п.

На основе проведённых экспериментальных и теоретических исследований были определены оптимальная форма, размеры и способ крепления обтекателя в трубопроводе, которые обеспечивали стабильность пульсаций давления при вихреобразовании с амплитудой, достаточной для работы расходомера в диапазоне измерения 1:40 и более; а также стало возможным выделение полезной информации на фоне различных помех.

Выявлено, что более стабильные пульсации давления по амплитуде вследствие вихреобразования генерирует обтекаемое тело, имеющее в поперечном сечении форму прямоугольника.

Проведенные опыты показали, что к обтекателю должны предъявляться жесткие требования по степени точности изготовления. Чтобы скомпенсировать погрешности изготовления, например, несоосность, неперпендикулярность, непараплелыюсть поверхностей или осей и т.п., необходимо дать возможность поворота граней обтекаемого тела на некоторый достаточно малый угол не более ± 6°. Эта возможность поворота граней предусмотрена в конструкции вихревого расходомера ВИР. Такой поворот и следующее за ним крепление обтекаемого тела дают возможность повысить устойчивость работы вихревого расходомера во всем измеряемом диапазоне.

Необходимым условием достижения устойчивой работы вихревого расходомера является также правильное оформление концов обтекаемого тела при входе его и выходе из трубопровода. Здесь имеется в виду отсутствие зазоров при входе и выходе обтекаемого тела во внутренний диаметр трубопровода. Сопряжение обтекаемого тела с внутренним диаметром трубопровода должно быть плавным.

Было также теоретически установлено и экспериментально проверено оптимальное геометрическое соотношение между характерным размером d обтекаемого тела и диаметром условного прохода трубопровода D.

Задачу выбора размеров обтекаемого тела по отношению к внутреннему диаметру трубопровода следует решать при анализе характеристики счётчика количества измеряемой среды при помощи величины "имп./литр"; если же прибор используется в качестве расходомера, используется пропорциональная ей величина "частота/расход". Эти характеристики отражают стабильность работы счётчика количества (расходомера) и величину его погрешности.

Была выведена зависимость функции у/0 от отношения (¡/Б.

Q — расход измеряемого потока;

к — коэффициент, характеризующий различные обтекаемые тела с точки зрения ширины следа, образовавшегося при их обтекании потоком жидкости или газа.

й л

Минимум функции =ф(^/0) реализуется при — = ~.

и о к

Анализ полученной зависимости показывает, что существует область, в которой изменение характерного размера обтекаемого тела мало влияет на частоту распространения вихрей. Это происходит в малой окрестности в области минимума функции у7£? = ср(с//0). Выбор оптимального отношения с!Ю в этой области позволяет также увеличить допуск на изготовление обтекателя и уменьшить погрешность от влияния температуры. Кроме того, изменение характерного размера обтекаемого тела (1 в результате его износа или коррозии в процессе эксплуатации будет незначительно влиять на характеристику вихревого расходомера (см. рис. 5).

На рисунке показано изменение функции /ф в зависимости от соотношения <1Ю для одного типоразмера вихревого расходомера с внутренним диаметром й = 100 мм. Сплошная линия показывает зависимость ./72 от с!Ю для тела обтекания, имеющего в поперечном сечении форму прямоугольника, пунктирная - форму цилиндра. Можно заметить, что пологость кривой зависит не только от формы поперечного сечения обтекаемого тела, но и от значения числа Сгрухаля (¿У/).

где

Рис.5. Зависимость функции вихревого расходомера С(2 от отношения с!/Т>

На вихревой расходомер с колеблющимся диском выдано авторское свидетельство Комитета изобретений СССР.

Движение диска в камере обтекателя вихревого расходомера ВИР в результате процесса вихреобразования выражается дифференциальным уравнением вынужденных колебаний с линейным сопротивлением при периодическом возмущении. Его решение имеет вид:

Анализ решения выведенного уравнения вихревого расходомера с колеблющимся диском, связывающего амплитуду колебаний диска .г„ с характеристиками измеряемой среды: вязкостью и плотностью (р), массой колеблющейся системы (ш) и параметрами конструктивных элементов расходомера (/<ь,,£) позволяет обоснованно выбирать область применения и типоразмер расходомера. Анализ полученного решения уравнения, а также основных теоретических выводов, изложенных в диссертации, подтверждены экспериментом.

Анализ выведенного уравнения колебаний диска в камере позволяет прдти к следующим выводам:

1. Такие параметры как гидравлическое сопротивление в канале тела обтекания и вязкость измеряемой среды, начиная с частот f = 30 Гц и выше, почти не оказывают влияния на амплитуду колебаний диска.

2. Основную долю влияния на амплитуду колебаний диска, с ростом частоты вихреобразования, оказывает перепад давления, воздействующий на противоположные стороны тела обтекания.

3. Проведенный анализ позволяет проектировать вихревые расходомеры с колеблющимся диском на различные измеряемые среды с учетом их физических свойств и выбора геометрических размеров чувствительного элемента.

В последнем разделе четвёртой главы определена область применения вихревого расходомера, и дан пример расчёта погрешности расходомера от температуры измеряемой среды.

V

Д/7-5

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В соответствии с целями и задачами представленной диссертационной работы были получены следующие результаты:

1. Обоснован, как наиболее технологичный и универсальный, вариант вихревого расходомера с колеблющимся диском.

2. Разработана методика выбора формы и размеров обтекателя вихревого расходомера по отношению к внутреннему диаметру трубопровода.

3. Дан вывод и анализ уравнения вихревого расходомера с колеблющимся диском.

4. Разработаны новый чувствительный элемент и высокочувствительная, помехоустойчивая электронная схема обработки и преобразования полезного сигнала, защищенные авторскими свидетельствами.

5. Разработан, испытан и внедрён в отечественную промышленность ряд вихревых расходомеров ВИР с колеблющимся диском для промышленного использования.

Список публикаций по диссертации

1. Силин М. Д., Наринская 3. Г., Маштаков Б. П., Шонин JI. Н. Вихревой расходомер ВИР // Сборник научных трудов. М.: НИИТеплоприбор, 1982, с. 29 -

зе.

2. Силин М.Д., Комаров Ю.А., Наринская З.Г. и др. Расходомер. Авт. свид. № 613205, "Открытия изобретения, промышленные образцы, товарные знаки", 1978, №24.

3. Силин М.Д., Спрыгин Б.С., Комаров Ю.А. и др. Вихревой расходомер. Авт. свид. №798486, "Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки", 1981, №3.

4. Силин М.Д., Наринская З.Г., Шонин Л.Н. и др. Вихревой расходомер. Авт. свид. № 901824, "Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки", 1982, №4.

5. Силин М. Д., Комаров Ю. А., Маштаков Б. П. и др. Тахометрнческнй расходомер. Авт. свид. №1002837, "Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки", 1982, №20.

2 5

6. Силин М.Д., Коган Е.Л. Вихревые расходомеры и возможности их применения для автотранспортных средств // Материалы 49 - ой Международной научно — технической конференции ААИ " Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров ". Секция 3. "Автоматизированное управление, электроника и электрооборудование автотракторной техники". Часть 2. Москва, МАМИ, 2005. С. 32-34.

Подписано в печать Формат 60x84

1/16 п.л.

Бумага офсетная. Отпечатано на

ризографе.

Печ. л. ТиражЮОэкз. Заказ №

Отпечатано в типографии ГосИФТП 119034, Москва, ул. Пречистенка, 13/7.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ВИХРЕВОЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА, ОСНОВАННЫЙ НА ЭФФЕКТЕ ДОРОЖКИ КАРМАНА, И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЙ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Основы теории вихреобразования.

1.2. Теоретические предпосылки создания вихревого расходомера.

1.3. Возможные варианты построения вихревых расходомеров, использующих в своей работе эффект дорожки Кармана.

1.4. Выводы.

2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВИХРЕВЫХ РАСХОДОМЕРОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПОДВИЖНЫХ

И УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ.

2.1. Расходомер с деформируемой в потоке пластиной.

2.1.1. Основные физшшские предпосылки работы расходомера с деформируемой в потоке пластиной.

2.1.2. Конструкция расходомера с деформируемой в потоке пластиной.

2.1.3. Испытания расходомера с деформируемой в потоке пластиной.

2.2. Вихревой расходомер с колеблющимся цилиндром, укрепленным на плоской пружине.

2.2.1. Взаимодействие плохообтекаемого тела с движущимся потоком.

2.2.2. Вихревой расходомер с колеблющимся цилиндром.

2.3. Выводы.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ВАРИАНТОВ ВИХРЕВЫХ РАСХОДОМЕРОВ, НЕ ИМЕЮЩИХ ПОДВИЖНЫХ ЧАСТЕЙ.

3.1. Вихревой расходомер с иидукциоипым съёмом сигнала.

3.1.1. Вывод уравнения вихревого расходомера с индукционным съёмом сигнала.

3.1.2. Исследование сигнала, снимаемого с электродов датчика расхода.

3.1.3. Экспериментальные исследования вихревого расходомера с индукционным съёмом сигнала.

3.1.4. Особенности расходомера с индукционным съёмом сигнала.

3.2. Внхревой расходомер с применением термочувствительных элементов.

3.3. Выводы.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ И СОЗДАНИЕ ПРОМЫШЛЕННОГО

ВИХРЕВОГО РАСХОДОМЕРА ВИР С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОЛЕБЛЮЩЕГОСЯ ДИСКА.

4.1. Принцип действия и исследование особенностей работы расходомера ВИР.

4.1.1. Обработка выходного сигнала вихревого расходомера с колеблющимся диском.

4.2. Исследование зависимости показаний расходомеров ВИР от влияния вязкости и плотности измеряемой среды.

4.3. Разработка теоретических основ выбора формы и размеров обтекаемого тела вихревого расходомера ВИР.

4.3.1. Выбор формы обтекаемого тела вихревого расходомера ВИР и вопросы его крепления в трубопроводе.

4.3.2. Определение оптимального отношения характерного размера обтекаемого тела к внутреннему диаметру трубопровода.

4.4. Вывод и аналш уравнения колебаний диска в камере вихревого расходомера.

4.4.1. Зависимость амплитуды колебаний диска от параметров расходомера и измеряемой среды.

4.5. Определение области применения вихревого расходомера

4.6. Расчет погрешности вихревого расходомера ВИР от влияния температуры измеряемой среды.

4.7. Внедрение.

4.8. Выводы.

Необходимость контроля физических параметров (температуры, давления, расхода и т. п.) различных технологических процессов является весьма актуальной для всех областей техники. Возможности такою контроля существенно расширяются в последние годы в связи с внедрением информационно- компьютерных технологий.

В системах технологического контроля различных сред широкое распространение получили расходомеры различных типов. Физические принципы, особенности конструкции и области применения различных расходомеров подробно обсуждены в отечественной и зарубежной литературе [1-22, 41,42]. Анализ расходомеров различных потов показывает, что весьма перспективными являются вихревые расходомеры, использующие в своей работе эффект дорожки Кармана. Они имеют ряд преимуществ, выгодно отличающих их перед другими расходомерами. Это, прежде всего, высокая точность, широкий диапазон измерения, малая зависимость показаний от влияния вязкости, плотности и температуры измеряемой среды, простота конструкции и высокая надежность работы» возможность измерения расхода как жидких, так и газообразных сред. Кроме того, работу вихревого расходомера отличает малая потеря давления; дискретный выходной сигнал и линейная характеристика.

Вихревыми называются расходомеры, основанные па измерении частоты колебаний, возникающих в потоке в процессе внхреобразования.

Вихревые расходомеры являются новыми приборами. Первые их конструкции появились в шестидесятых годах прошлого века. Большой вклад в разработку вихревых расходомеров внесен Псрельштсйиом М.Е.

С его непосредственным участием в С КБ Нефтехимпрнбор был создай ряд образцов таких приборов [23-25]. Первые зарубежные публикации о вихревых расходомерах, создававшихся на основе эффекта дорожки Кармана, появились в 1969г.[26]. Специалисты в этой области работают над созданием различных обтекаемых тел и элементов съема выходного сигнала.

Ведущие зарубежные фирмы "Easttch Jnc", "Fischer and Porter", "Kent" (США), "Oval Geat Engineering Co" (Япония), "Bopp and Reuther" (Германия), "METRA" (Франция) предлагают разлшшыс конструктш вихревых расходомеров со следующими характеристиками: точность, % 0,5; 1,0, диапазон измерения, 1:40, повторяемость результатов, % 0,2, давление в трубопроводе, мПа 2,5 — 7» выходной сигнал, мЛ 0 — 5, 0-20.

Актуальность настоящей работы диктуется отсутствием единого подхода к теоретическим предпосылкам построения вихревых расходомеров, работа которых основана на эффекте дорожки Кармана.

При разработке подобных приборов необходимо было опираться на отечественную технологию и опыт в области создания расходомеров.

В зависимости от способа организации вихреобразовання применяются два существенно отличных друг от друга типа преобразователен расхода.

В первом in них поток закручивается тем или иным способом, приобретает вращателыю-поступателыюе движение, при котором на выходе потока из суженной части трубы в расширенную, его ось начинает прецес-сировап, н создаст при этом пульсации давления. Измср1ггсльный преобразователь вихревого расходомера такого типа представляет собой заверитель, вмонтированный в трубопровод, с помощью которого поток за-впхряется (закручивается) и поступает в цилиндрический патрубок. На выходе из патрубка в расширяющейся области установлен электроакустический преобразователь, воспринимающий н преобразующий вихревые колебания потока в электрический сигнал.

Завихрения потока формируются таким образом, что внутренняя область вихря — ядро, поступая в патрубок, совершает только вращательное движение. На выходе же нз патрубка в расширяющуюся область ядро теряет устойчивость н начинает асимметрично вращаться вокруг продольной оси патрубка [23].

Во втором типе преобразователей расхода вихри периодически возникают при обтекании потоком какого - либо тела и образуют при этом пульсации давления (эффект дорожки Кармана).

Вихревые расходомеры, в основе которых использовал эффект дорожки Кармана, более перспективны, так как имеют меньшие потери напора (0,03мПа вместо 0,1мПа) и больший диапазон измерения (1:40 против 1:10).

Вышесказанное определило актуальность темы диссертационной работы.

Цель диссертационной работы состояла в разработке теоретических и практических вопросов создания серийных расходомеров, работающих на эффекте дорожки Кармана и методов их реализации на отечественной технологической базе.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. На основе анализа закономерностей вихреобразования обосновать теоретические предпосылки создания вихревых расходомеров, использующих в своей работе эффект дорожки Кармана.

2. Провести анализ различных методов преобразования вихревых колебаний в потоке жидкости или газа в электрические сигналы и разработать эффективную помехоустойчивую схему выделения полезной информации на фоне различных помех.

3. На основе математического моделирования процесса вихревых колебаний и экспериментальных исследований разработать методику определсшш оптимальных конструктивных параметров генератора вихревых колебании (обтекателя) — главного источника полезной информации. 4. Разработать вихревые расходомеры различного типа н на основе теоретического и экспериментального анализа их работы предложить серийный вариант отечественного вихревого расходомера

По результатам выполненной работы были получены авторские свидетельства ГК по делам изобретений и открытий СССР: ас. N613205 "Расходомер", а.с. N798486 "Вихревой расходомер", ах. N901824 "Вихревой расходомер", а.с. N1002837 "Тахомстрический расходомер". Основные результаты диссертации опубликованы в статьях:

1. "Вихревой расходомер ВИР" (Средства получения н обработки информации — Сборник научных трудов. М., НИИТсплоприбор, 1982, с.29-36).

2. " Вихревые расходомеры н возможности их применения для автотранспортных средств " Материалы 49 — ой Международной научно -технической конференции ААИ. М., МАМИ, 2005. с.32-34. а также доложены на:

3-ей и 5-ой научно-технических конференциях "Методы и приборы для измерения расходов и количеств жидкости, газа н пара" в г. Ленинграде.

Основные положения диссертационной работы обсуждались на секциях Ученого Совета Государственного научно-исследовательского института теплоэнергетического приборостроения, докладывались, на семинаре в Институте механики МГУ им. Ломоносова 19 ноября 2004 года.

Действующий образец вихревого расходомера ВИР-50 экспонировался на Международной выставке "Автомапоация-83И в 1983 г. и других выставках.

Объём диссертации: 136 печатных листов,

Диссертация состоит из четырёх глав.

В главе 1 описаны закономерности вихреобразования за телом обтекания при движении измеряемого потока. Даны теоретические предпосылки создания вихревых расходомеров, использующих в своей работе эффект дорожки Кармана; показаны их преимущества и ограничения к применению.

В главе 2 рассмотрены особенности работы вихревого расходомера с деформируемой в потоке пластиной и с колеблющимся цилиндром, укрепленном на плоской пружине. Наряду с их положительными качествами: простой конструкцией и электрической схемой обработки сигнала, существуют недостатки в их работе, присущие приборам с механической подвижной системой - это зависимость их работы от внешних вибрационных воздействий, большая инерционность, а также нелинейность характеристики.

В главе 3 Рассмотрены вихревые расходомеры, не имеющие подвижных частей: вихревой расходомер с индукционным съёмом сигнала и вихревой расходомер с применением термочувствительных элементов. Рассмотренным в главе расходомерам, кроме положительных качеств: высокая надёжность, и частотный выходной сигнал; также присущи некоторые недостатки: ограниченная область применения, сложность в шготов-лении и т. п.

В главе 4 рассмотрен серийный вариант вихревого расходомера ВИР. Освещены вопросы, касающиеся принципа действия, конструкции и особенностей работы расходомера ВИР; вопросы обработки выходного сигнала, а также исследована зависимость показаний расходомеров ВИР от I влияния вязкости и плотности измеряемой среды; даны теоретические основы выбора формы и расчёта размеров обтекаемого тела, рассмотрены вопросы его крепления в трубопроводе. Выведено уравнение колебаний диска в камере, проведен его анализ и даны критерии, позволяющие разрабатывать вихревые расходомеры на различные условия работы. Кроме того, определена область применения вихревого расходомера, и дан пример расчёта погрешности расходомера от температуры измеряемой среды.

Перечень принятых обозначений Q - расход измеряемой среды; U - скорость в трубопроводе; f - частота вихревых колебаний; ю- круговая частота вихревых колебаний; d - характерный размер тела обтекания; D - внутренний диаметр первичного преобразователя; Sh - число Струхаля; Re - число Рейнольдса; р - плотность жидкости или газа; р. - коэффициент динамической вязкости; v - коэффициент кинематической вязкости; и - скорость в канале тела обтекания; а - радиус вихревого шнура; 1 - расстояние между вихрями вдоль потока; h - расстояние между вихрями поперёк потока; Г - циркуляция;

Q0— возмущающая сила, возникающая в процессе вихреобразования; X— перемещение диска в камере вихревого расходомера ВИР; X - скорость перемещения диска в камере вихревого расходомера ВИР; Х - ускорение перемещения диска в камере вихревого расходомера ВИР; t- текущее время.

4.8. Выводы

1. Исследован принцип действия и особенности работы вихревого расходомера ВИР с колеблющимся диском.

2. Разработана высокочувствительная, помехоустойчивая схема обработки и выделения полезного сигнала на фоне помех.

3. Теоретически установлена и экспериментально подтверждена слабая зависимость показаний расходомеров ВИР от влияния вязкости и плотности измеряемой среды.

4. Экспериментально исследованы обтекатели различных размеров и формы и обоснована наиболее выгодная конфигурация в плане максимальной мощности вихреобразования; дана теория расчёта характерного размера обтекаемого тела в трубопроводе, рассмотрены вопросы его установки, крепления и регулировки при его монтаже.

5. Выведено уравнение колебаний диска в камере, проведен его анализ и даны критерии, позволяющие разрабатывать вихревые расходомеры на различные условия работы. Кроме того, определена область применения вихревого расходомера, и приведен расчет погрешности расходомера от температуры окружающей среды.

6.Рассмотрены вопросы реализации и внедрения расходомеров ВИР.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Научная новизна выполненной работы заключается в следующем:

1. На основе проведённых теоретических и экспериментальных исследований была разработана методика построения вихревых расходомеров, использующих метод дорожки Кармана, которая позволила их серийно изготавливать в промышленности.

2. В результате проведённого анализа работы различных вихревых расходомеров, использующих в своей работе метод дорожки Кармана, как с подвижными, так и с неподвижными чувствительными элементами, были разработаны новый чувствительный элемент и высокочувствительная помехоустойчивая электронная схема обработки и преобразования сигнала, защищенные двумя авторскими свидетельствами, которые позволили выделять полезную информацию па фоне различных помех и легли в основу шготовления промышленных образцов вихревых расходомеров ВИР.

3. Теоретически исследован процесс вихреобразования при обтекании потоком чувствительных элементов вихревых расходомеров и получено определяющее уравнение вихревых расходомеров с индукционным съёмом сигнала и с колеблющимся диском, из которого следует независимость расхода от физических свойств измеряемой среды.

4. Получена аналитическая зависимость, позволяющая установить оптимальное соотношение между характерным размером обтекателя и внутренним диаметром трубопровода.

5. В результате проведённых теоретических и экспериментальных исследований определены оптимальная геометрия и способ крепления обтекателя в трубопроводе, которые обеспечивали стабильность пульсаций давления при вихреобразовании с амплитудой, достаточной для работы чувствительного элемента в диапазоне измерения 1:40 и более.

6. Теоретически и экспериментально доказана возможность использования разработанного вихревого расходомера ВИР для измерения расхода различных жидкостей и газов без каких-либо дополнительных настроек и тарировок.

7. Создан впервые отечественный серийный вихревой расходомер, использующий в своей работе эффект дорожки Кармана, для жидкостей и газов, защищенный авторскими свидетельствами.

8. Разработанный вихревой расходомер ВИР внедрен в серийное производство на Старорусском приборостроительном заводе (см. приложение I к работе). Получены положительные отзывы о результатах промышленных испытаний расходомеров ВИР на различных предприятиях промышлешюсти (см. приложения 2 и 3).

9. Накопленный опыт разработки вихревых расходомеров, использующих метод дорожки Кармана, позволяет сделать вывод о перспективности их применения в различных отраслях промышленности (коммунальной, автомобильной (на АЗС), химической и т. п.), а также в метеорологии, в сейсмографии и медицине.

Использование прямого преобразования скорости потока жидкости или газа в частоту на основе эффекта вихревых дорожек Кармана можно принять в основу построения приборов в метеорологии для определения скорости ветра, также в судостроении для определения скорости надводных и подводных судов.

Разработанный чувствiггелыiыи элемент и электрическая схема обработки сигнала могут бьггь применены в различных областях науки, медицины и техники.

Измерение вибраций низких частот (0,3 -г 2,3 Гц) в технике связано с определёнными трудностями. Здесь же без больших проблем имеется возможность измерения этих частот, используя в качестве чувствительного элемента разработанный датчик и электрическую схему вихревого расходомера ВИР, датчик которого имеет малые габариты (и 10мм) и вес (Ря 10 -£• 12 г). Установка подобного датчика на испытуемом объекте не должна сильно искажать параметры собственных колебаний объекта в диапазоне частот от 0,3 до 200 Гц.

Предложенный датчик совместно с электрической схемой может быть применён в медицине для измерения частоты пульса, исследования колебаний при болезни Паркинсона, в сейсмографии, для измерения низких переменных давлений (0,1-!- 0,5 мм вод. ст.).

Метод дорожки Кармана позволяет получить естественный частотный выходной сигнал. Это существенно упрощает построение измерительных устройств.

Поэтому можно говорить о перспективе широкого применения и использования метода дорожки Кармана.

1. Абрамов Г. С., Барычсв А. В. Практическая расходометрня в нефтяной промышленности. - М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2002. 460 с.

2. Бернфельд М. П., Шорников Е. А. Эксплуатационные испытания вихревых расходомеров ВЭПС // Материалы 13-й конф.: Коммерч. учёт энергоносителей. СПб.: Борей-Арт, апр. 2001. — С. 272-274.

3. Богданов В. Д., Ветров В. В., Кочергин И. А. Вихревой шмернтель расхода ВИР-100 // Материалы 12-й конф.: Совершенствование in мер. расх. жпдк., газа и пара СПб.: Борей-Арт, апр. 2002. - С. 223-226.

4. Бутузов В. А., Репин JL А. Вихревые паровые расходомеры и теплосчётчики на их основе // Материалы 15-й конф.: Коммерч. учёт энергоносителей. СПб.: Борей-Арт, апр. 2002. - С. 352-358.

5. Иванов С. С., Лачков В. И. Квазивихревой преобразователь расхода с оптическим сенсером // Материалы 13-й конф.: Коммерч. учёт энергоносителей. СПб.: Борей-Арт, апр. 2001. - С. 139-142.

6. Иванов И. А., Лурье М. С., Волынкин В. Н. Опыт пр1шеиеш1Я водо-счётчиков «Фотон» на Сосновоборской ТЭЦ // Материалы 15-й конф.: Коммерч. учёт энергоносителей. — СПб.: Борей-Арт, апр. 2002. — С. 275277.

7. Киясбейлн A. III., Перелынтейн М.Е. Вихревые измерительные приборы. -М: Машиностроение, 1978. 152с.

8. Козлов А. П., Кратиров Д. В., Мекешин Н. И. н др. Вихревой расходомер для коммерческого учёта в широком диапазоне // Материалы 15-й конф.: Коммерч. учёт энергоносителей. СПб.: Политехника, апр. 2002. -С. 221-227.

9. Мнтин А. М. ВЭПС. Современное состояние, перспективы развития // Материалы 12-й конф.: Совершенствование измер. расх. жпдк., газа и пара СПб.: Борей-Арт, апр. 2002. - С. 214-222.

10. Сычев Г. И. Расходомеры ЕМСО в России // Материалы 12-и конф.: Совершенствование измер. расх. жид к., газа и пара. — СПб.: Борей-Арт, апр. 2002.-С. 182-186.

11. Балтуннпшкас Д., В1фбалнс 10. А., Падегнмас Р. Влияние магнитных осадков на показания электромагшггных расходомеров // Материалы 12-й конф.: Совершенствование измер. расх. жидк., газа н пара. — СПб.: Борей-Арт, 2002. С. 208-213.

12. Вельт И. Д. Вопросы развития электромагнитного метода измерения расхода. // Материалы 12-й конф.: Совершенствование измер. расх. жидк., газа и пара. СПб.: Борей-Арт, 2002. - 124-148; Датчики и системы. - 1999 - № 1- 8. - С.22-23.

13. Всльт И. Д., Перфильева П. Д. Электромагнитные расходомеры без шоляционного покрытия // Измерител. техника. — 2001. № 5 — С. 26 — 27.

14. Вельт И. Д. Мушкии А.М., Сычёв Г.И. Об оптимизации индукторов электромагнитных расходомеров И Материалы 12-й конф.: Совершенствование измер. расх. жидк., газа и пара. — СПб.: Борей-Арт, 2002. — С. 208-213.

15. Голубев А. Е. Опыт применения теплосчётчиков к расходомеров про-шводства «Взлёт» //Материалы 13-й конф.: Коммерч. учёт энергоносителей. СПб.: Борей-Арт, апр. 2001. - С. 307-311.

16. Лачков В. И., Недзвецкий В. К. Совмещённая система учёта и регулирования. — СПб.: Инженерные системы. -2002. № 4 (8). — С. 61.

17. Ликсонов Д. В., Терехов В. Г. Вопросы оптимизации электромагнитных расходомеров // Материалы 12-й конф.: Совершенствование измер. расх. жидк., газа и пара. — СПб.: Борей-Арт, 2002. — С. 252-257.

18. Лисицинский Л. И. Фирма «Взлёт» ваш партнёр по решению проблем учёта // Энергосбережение. —2000. - № 5. — С. 48-49.

19. Межбурд В. И. Электрохимический барьер в электромагнитных расходомерах // Материалы 12-й конф.: Совершенствование измер. расх. жндк., газа и пара СПб.: Борей-Арт, 2002. - С. 149-252.

20. Мясс JI. В., Пучков С. П. Электродное устройство электромагнитных расходомеров // Материалы 12-й конф.: Совершенствование измер. расх. жндк., газа и пара СПб.: Борей-Арт, 2002. - С. 156-158.

21. Вельт И. Д., Михайлова Ю. В., Перфильева JI. Д. Измерение расхода пульп электромагнитным методом // Приборы. — 2001. № 11. — С. 1314; Датчики и системы. -2001. 1. - С. 12-13.

22. Робннштейн 10. В. О коммерческом учёте пара в паровых системах теплоснабжения // Материалы 12-й конф.: Совершенствование измер. расх. жндк., газа и пара. СПб.: Борей-Арт, 2002. - С. 37-39.

23. Киясбейли A.lil., Псрельштейн М.Е. Измерение расходов жидкостей или газов с использованием эффекта вихревых колебаний потока -В кн.: Измер. расх. жидк., газа, пара Таллин, 1972, с. 133-141.

24. Киясбейлн A. LLL, Псрельштейн М.Е. Вихревые счетчики-расходомеры. М.," Машиностроение", 1974, 160с.

25. Перельштсйн М.Е. Применение эффекта вихревого звучания потока для измерения жидкостей и газов. — В кн.: Измер. расх. жндк., газа, пара М., 1965, с. 196-206.

26. Bailey S.L. Два новых расходомера без подвижных частей "Control Engineering", 1969, 16, Ш.

27. Strouhal V. Uber cine bcsonderc Art der Tonnerregung. Ana Phys. und Che-mie. Neue Folge, 5. 216-251 (1878).

28. V.Karman Th., Ober den Mechanismus des Widerstandes, den ein bewegter Krper in einer Flussigkeit crzeugt. Nachr. Ges. Wiss. Gottingen, Math. Phys Klasse, 1911,509-517 и 1912,547-556.

29. V. К arm ал Th., Rubach H. Uber den Mechanismus des Flussigkeits — und Luftwiderstandes. Phys. Z., 13,49-59 (1912).

30. BirkgofT, J. appl. Phys. Z., 1-24 (1962).

31. G. Jafie, Ann. d. Phys. 61, (1920).

32. H.GIauert, Roy. Soc. Proc. A., 120, (1928-3).

33. L. Rosenhead, Phil. Trans. Roy. Sos., 228-A,665, (1929-1).

34. Тамотнка " Коку кэнкю хоккоку", т. 48, (1929), с. 213, т. 58, (1930), с. 101.

35. L. Royleigh, Phil. Mag., 6, (1915-4), 433 p.

36. Повх И.Л. Техническая гидромеханика. 2-е изд., доп. JI. " Машиностроение" (Ленинградское отделение), 1976 г., 312 с.

37. Прандгль П., Гидроаэромеханика.М., " Иностранная литература", 1951г., 458 с.38.111лихтииг Г. Теория пограничного слоя. М., "Наука", 1969 г., 744 с. с ил.

38. Чжен П. Отрывные течения, т.2, М.,"МИР", 1973г., 222 с.

39. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Изд. 3-е, пере-раб. и доп. Л., "Машиностроение" (Ленингр. отд-ние), 1975., 776 с. с ил.

40. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: Кн. 1 — 5-е изд. перераб. и доп. СПб.: " Политехника 2002.-409 е.: ил.

41. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: Кн. 2 / Под общ. ред. Е. А. Шорникова. 5-е шд. перераб. и доп. - СПб.:" Политехника 2004. - 412 е.: ил.

42. Tomata Miyaji и др. Вихревой расходомер. Пат.США кл. 73-194В (G01 f 1/00), №3691830, 1972.

43. Fussell Theadorc Преобразователь расхода. Пат.США кл.73-194В (G01 f 1/00, 01р 5/10), №3732731, 1973.

44. Исикава Сигэцугу. Вихревой расходомер. " Кейре канри". J. Instrum. "Contr. Assoc" Jap., 1972,21, № Ц, c.17-22.

45. Уннверсальный расходомер с завихрителем потока "Des.Eng" 1973, Febr., с.91.

46. Ямазаки Хироо. Чувствительный элемент для вихревого расходомера. Япон. пат. кл. 108Д2 (G 01 1)> № 48-32143, 1973.

47. Ямазакп Хироо и др. Пат. ФРГ кл. 42 р. 15, (G 01р 5/00 G 01 f 1/00) № 2036597, 1973.

48. Compbell R.J. Новый вихревой расходомер. "Contr.Eng." 1973, 20, № 7, с.57.

49. Силин М.Д. и др. " Расходомер". Авт.свид. № 613205, "Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки", 1978, № 24.

50. Watanabe Masayasu. Electromagnetic Varmen Vortex sensing flow meter. Pat. USA. Jfc 3, 775.678, cl 324-34 Fl, G01 r 33/00.

51. Kabayashi Tamotsu. Vortex tipe flow meter Pat. USA № 3.878.715, cl 73194 B, G 01 f 1/00, G 01 p 5/10.

52. Силин М.Д. и др. "Вихревой расходомер". Авт. свцд. Кч 798486, "Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки", 1981, №3.

53. Силин М.Д. н др. " Вихревой расходомер". Авт.свид. Ns 901824, "Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки", 1982, №4.

54. СилинМД. и др. "Тахометрнческий расходомер". Авт.свид. № 1002837, "Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки", 1982, №20.

55. T.Cousins, S. A Foster, P. A Johnson " A Linear and Accurate Flowmeter using Vortex Shedding" Kent Instruments LTD (перевод НИИТеплоприбор № 85).

56. Рабинович Е.З. Гидравлика. М.,"Физматиздат", 1963

57. Силин М.Д. и др. " Вихревой расходомер ВИР". Средства получения и обработки информации. — Сборник науч. тр. М, НИИТеплопрнбор, 1982, с. 29-36

58. Вельт И. Д., Никитин Б. И., Петрушайтис В. И. " Основные направления развития индукционного метода измерения расхода жидкостей " Приборостроение и автоматический контроль. Сб. статей. Вып. 1 — М.: Машиностроение 1978. 301с., пл. С. 199-221

59. Вельт И. Д. Градуировка индукционных расходомеров без использования расходомерных установок. — " Труды НИИТеплопрнбор", 1965, №1 -С. 19-31

60. Вельт И. Д., Михайлова Ю. В. Имитационное моделирование электромагнитных расходомеров // Приборы и системы управления, — 1997. №11.-С.28-34

61. Вельт И. Д. Методы и средства метрологического обеспечения элек-тромагшггных расходомеров //Приборы и системы управления. — 1995.-№10-С.16-18