автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.13, диссертация на тему:Исследование физических процессов и основы теории разработки струйных первичных преобразователей для высоконадежных расходомеров и счетчиков количества жидкости

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ РАСХОДОМЕРНОЙ ТЕХНИКИ.

1.1.Формирование качественных критериев сравнения

1.2.Определение показателей качества и работоспособности расходомеров и счетчиков.

1.3. Обусловленность изменения конструкторского интереса к различным классам расходомеров

1.4.Ранжирование классов расходомеров по основным критериям сравнения.;.

1.5.Выбор внутренней структуры проточной части струйного первичного преобразователя.

2. ФОРМИРОВАНИЕ БАЗОВОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРИБОРА .1.,.

2.1 Определение поперечного перепада на искривленной струе

2.2 Модель переброски струи.

2.3 Оценка области применимости математической модели.

2.4 Анализ чувствительности рабочей характеристики преобразователя к изменениям параметров проточной части и контролируемой среды

3. ОПЫТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУЙНОГО АВТОГЕНЕРАТОРА.

3.1 Ограничения рабочего диапазона

3.2 Описание экспериментального стенда

3.3 Анализ поперечного перепада на струе.

3.4 Автогенератор с пассивной обратной связью. Критерий переключения.

3 .5 Автогенератор с активной обратной связью.

3.6 Двухкаскадный автогенератор.

Развитие и совершенствование приборов контроля и учета текущего или накопленного объемов жидких и газообразных сред в настоящее время является актуальной задачей, необходимость решения которой с каждым днем возрастает.

В условиях становления новых экономических отношений наблюдается значительное увеличение объёмов и уровня требований к качеству проводимых измерений. При этом особую важность приобретают ресурсно-точностные проблемы, возникающие при функционировании целого ряда производств, особенно в химической и топливной отраслях, а таюке вопросы энергосбережения и экологической безопасности.

Решение актуальной проблемы энергосбережения, повышения экологической безопасности эксплуатации всевозможного оборудования и производств, использующих жидкие среды в виде сырья, продукта или источника энергии невозможно без установки надёжных, высокоресурсных приборов для учёта и контроля количества данной среды; расходомеров и счётчиков жидкости.

Современные приборы контроля и учёта накопленного и текущего объёма обеспечивают достоверность измерения расхода сред, различных по физико-» о о химическим свойствам в широких диапазонах измерений от 10" м7с до 10 м /с для жидкостей и 150 м /с для газов [1].

С конца 70-х, начала 80-х годов наблюдается качественный и количественный рост проводимых измерений. Данная тенденция вызвана увеличением доли автоматизированных и полуавтом атиз ированных производственных линий в промышленности. К настоящему времени измерение расхода и накопленного объёма составили около 15% от всех проводимых измерений [1].

В отраслях, которые используют пожаро-взрывоопасные жидкости (нефтегазовый комплекс, топливная промышленность, средства транспортировки, хранения и раздачи жидкого топлива потребителю) наблюдается тенденция снижения интереса к традиционным приборам с наличием электрических потенциалов.

К настоящему времени потребитель при выборе измерительного прибора сталкивается с широкой гаммой всевозможных расходомеров и счётчиков, использующих подвижные (вращающиеся) и деформируемые тела и, вследствие этого, малопригодных для жёстких условий эксплуатации.

Снижение затрат на обслуживание самих систем контроля и учёта жидких сред путём снижения числа, а в перспективе и полное исключение проведения периодических поверок оборудования приводит к необходимости создания приборов с существенно большим гарантированным сроком службы, в течение которого требуемая точность показаний сохраняется на должном уровне без какого-либо дополнительного вмешательства персонала.

Для перспективных систем контроля и учета жидких сред характерно снижете регламентного обслуживания, вплоть до полного его исключения. Значительная часть приборов аналогичного применения построена с использованием популярного в настоящее время эффекта Доплера на ультразвуковых колебаниях. Другие принципы действия (ядерно-магнитный, меточный и пр.) используются в сравнительно небольшом числе приборов узкоспециального назначения.

Столь неоднородное развитие расходомерной техники можно объяснить тем, что фирмы-изготовители ведут работу по совершенствованию расходомеров и счётчиков, в основном, в направлении схемно-параметрической эволюции применительно к уже известным структурам приборов. Это принципиально ограничивает возможности их совершенствования, поскольку данный подход не меняет характера конфликтности показателей конкурентоспособности: стоимости, затрат на поверку-эксплуатацию, ресурса, точности показаний, надёжности, устойчивости к различным дестабилизирующим факторам. Для качественного изменения структуры и конструкции прибора с целью получения принципиально новых преимуществ, необходимо провести анализ современного состояния отрасли и перспектив её развития.

Наиболее эффективным способом анализа объектов с высоким уровнем многообразия форм, к которым относятся расходомеры и счетчики, является построение классификации, что позволяет выделить базовые принципы действия устройств и определить перспективные направления исследований, где новые качества прибора достигаются применением новых физических законов, а не конструкционным модифицированием.

Классификация существующих приборов для измерения расхода, основанная на совместном рассмотрении принципов действия и условий применения, позволяет определить подходы к проектированию и критерии, которым должен отвечать современный расходомер-счетчик: дискретность действия, отсутствие электропотенциала, отсутствие подвижных частей, минимальное число энергопреобразований первичного сигнала (по роду энергии и параметрам информационно-энергетического потока), достаточная величина проходных сечений, технологичность и дешевизна изготовления.

Существование значительного количества модификаций наиболее распространенных приборов, в частности с подвижными элементами и ультразвуковых, позволяет сделать вывод о том, что традиционные виды расходомеров уже не удовлетворяют требованиям со стороны потребителей по совокупности показателей; точности, динамического диапазона, высокой надежности, которая выражается в дискретном сигнале, в отсутствии электрического потенциала и подвижных деталей.

В ходе анализа состояния и тенденций развития раеходомерной отрасли, выделяются приборы - струйные расходомеры, в которых использован эффект примыкания струи жидкости к твердой стенке - эффект Коанда (эффект бистабильной затопленной струи), как обладающие наибольшей перспективностью с точки зрения удовлетворения выдвинутых требований для высоконадежных расходомеров и счетчиков.

В состав современного струйного расходомера-счетчика входит первичный прибор - гидродинамический преобразователь расхода среды в частоту колебаний струи, вторичный электронный блок преобразования и индикации информации, а также, при необходимости дистанционного контроля, линия связи. Измеряемый поток непосредственно взаимодействует с первичным преобразователем, в задачу которого входит трансформирование проходящего расхода в некоторый электрический или другого рода сигнал. Данный сигнал посредством линии связи передается на вторичный преобразователь. Вторичный прибор предназначен для Обработки сигнала и его преобразования для передачи в систему компьютерной обработки или индикации и записи показании.

В настоящее время, значительный уровень информационно-вычислительных технологий позволяет быстро и качественно спроектировать вторичный прибор. Таким- образом, наибольшей актуальностью обладает решение задачи конструирования наиболее важной части прибора ~ первичного преобразователя для высоконадежного расходомера, обладающего необходимой точностью показаний, малочувствительного к действию неблагоприятных факторов и не требующего периодических проверок как в случае контроля чистых, так и имеющих илисто-смолистые или твёрдые включения жидкостей.

Для расширения сфер применения в зону сред с низкой температурой вспышки в преобразователе предусмотрена возможность полного -исключения электромеханических преобразователей в активной зоне устройства. При этом, допускается включение измерительного прибора в автоматизированные системы и контрольно - управляющие сети.

Применение струйных первичных преобразователей в расходомерах и счетчиках количества расширяет возможность работы с жидкостями, имеющими смолистые образования или глино-песковые примеси, что в обычных условиях усложняет применение расходомеров с подвижными элементами (турбинами, роторами и пр.), составляющими в настоящее время подавляющее большинство приборов рассматриваемого назначения.

Специфические особенности струйных расходомеров и счётчиков количества, связанные с высокой надежностью фуьжционирования струйных первичных преобразователей при контроле загрязненных сред и отсутствием изншиивающйхся элементов, актуальны для систем, использующих агрессивные, абразивосодержащие и бактериологически активные жидкие среды (химические производства, фармакология, медицинская промышленность, специальные технологии). Санитарно-гигиенические нормативы, действующие в пищевой и фармакологической нромы ш л енностях, исключают возможность внесения в продукт частиц, обусловленных износом взаимно перемещающихся деталей оборудования. Перечисленные жёсткие требования к современным приборам данного назначения в условиях рыночного общества накладываются на важнейшее условие конкурентоспособности - минимальную стоимость как закупки, так и эксплуатации, простоту освоения неподготовленным персоналом, полную безопасность в 'эксплуатации, отсутствие проблем утилизации изделий.

Изложенные выше особенности объясняют тот факт, что огромное число разнообразных приборов для измерения величины и накопленного количества жидкостей и газов, представленных на рынке, в полной мере не удовлетворяют потребителя. Фирмы-производители этой техники, различные научно-исследовательские коллективы постоянно ведут поиск новых схемо-технических и конструктивных решений, принципов действия, производства и путей расширения применения изделий.

Снижение проектировочных затрат путем уменьшения числа уточняющих экспериментов предусматривает создание, применительно к указанному физическому эффекту, математической модели течения, которая пригодна для инженерных расчётов первичных преобразователей струйных расходомеров. Построенная математическая модель дает возможность оценить влияние различных параметров проточной части рассматриваемого прибора и физических свойств контролируемой среды на рабочую характеристику преобразователя - функцию связи расхода и частоты колебаний струи.

Ввиду сложностей, которые связаны с решением нестационарной гидродинамической задачи течения струи в камере с существенно меняющейся геометрией, для описания колебаний струи целесообразно использовать упрощенную модель. В основе упрощенной модели лежат полученные в ходе экспериментальных исследований зависимости, поэтому значительное внимание следует уделить экспериментальным исследованиям моделей течения, построению экс-периментального стенда и макетных образцов первичного преобразователя.

Экспериментальная часть работы дает возможность уточнения численного значения ряда констант, что является вполне оправданным способом формирования инженерной методики расчёта различных устройств.

Анализ результатов экспериментального исследования затопленных струй в изготовленных моделях проточных частей, сопоставление данных эксперимента и теоретических исследований предельных возможностей приборов струйного класса, позволяет сформулировать условия предпочтительного применения приборов, использующих указанный эффект, а также оценить перспективность дальнейших направлений развития предлагаемой тематики.

В работе рассмотрены следующие задачи:

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ,

Значительное число существующих в настоящее время разнообразных хриборов контроля и учета количества жидких сред позволяет сделать вывод об штуальности задачи поиска новых конструкций и принципов действия >асходомеров и счетчиков жидкости.

Обоснованный анализ возможностей изготовления приборов, оценка •ффективности применения, а также прогнозирование развития структур возможно олько при помощи классификации расходомеров и счетчиков количества, представленной в настоящей работе.

Для выделения наиболее целесообразного направления исследования в »аботе рассмотрены перспективы развития расходомерной отрасли на основе ^оставленной классификации существующих конструктивных решений для овременных расходомеров.

Представленная классификация принципов действия различных приборов, оторая объединяет классы устройств общим принципом действия, позволяет ффективно определить показатели качества, свойственные отдельным классам и идам приборов. Проведенный в диссертационной работе анализ существующих в Еастоящее время принципов измерения расхода различных сред, на основе ыделенных показателей, показал, что наиболее перспективным, в первую очередь [о ресурсно-точностным показателям для таких областей промыщтенностй, как Фармацевтическая, пищевая, химическая, нефтедобыча и переработка, является ринцип действия, основанный на эффекте Коанда.

По предложенному способу классификации представлены статьи [ 118,119] и делан доклад на научно-технической конференции посвященной 50-летию кафедры идромеханики и гидравлических машин МЭИ(ТУ) «Гидромеханика, гидромашины, идропривод и гидропневмоавтоматика.» (3-6 декабря 1996г.}.

Снижение проектировочных затрат, путем уменьшения количества 7 кеперименгатьных итераций предусматривает построение математической модели гечения в проточном тракте прибора, которая является основой для расчета и прогнозирования рабочей характеристики прибора.

В диссертационной работе для первичного преобразователя на эффекте £оанда для высоконадежного расходомера предложен метод прогнозирования функции связи измеряемого расхода и частоты колебаний струи - рабочей характеристики прибора. Для унификации применения расчетной модели для струйных переключающих устройств и струйных автогенераторов предложен юэтапный способ расчета рабочей характеристики первичного преобразователя струйного расходомера.

Представлена оценка влияния основных геометрических параметров »роточной части, а именно: ширины сопла питания и угла раствора боковых стенок, I также проведена оценка чувствительности рабочей характеристики к вязкости :реды. По данным расчетного прогноза прибор малочувствителен к погрешности юготовления и изменению параметров среды. В частности, погрешность измерения ;а счет влияния вязкости при изменении температуры контролируемой воды с 25 до >0°С не превышает 0.08%.

Проанализированы границы применимости предложенной модели. На юновании представленной математической модели и результатов экспериментов южно рекомендовать следующие конструктивные и эксплуатационные параметры:

- Максимальный перепад давления на приборе: ().05Мпа.

- Рабочий диапазон чисел Рейнольдса: 3000 - 30000.

- Соотношение ширины сопла (Ь) и высоты камеры (Н): Ь/Н=3. 10.

- Угол раствора боковых стенок: 20. 23°.

- Шероховатость поверхностей камеры элемента: ИД8. 3 2.

Результаты формирования расчетной модели течения представлены в работе

120]. Метод расчета с примером использования был представлен на пятой юждународной научно-технической конференции студентов и аспирантов Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва. 2-3 март 1999г.}. В риложении 1 представлен пример программы расчета рабочей характеристики труйного первичного преобразователя расходомера в среде МаЙгСаёб.О.

Ввиду сложностей, которые связаны с решением нестационарной гидродинамической задачи течения струи в камере с существенно меняющейся еометрией, для описания колебаний струи использована модель, в основе которой нежат полученные в ходе экспериментальных исследований зависимости,

В результате экспериментальных исследований получена эмпирическая (юр мула поправки для учета смешанного характера струи на широком диапазоне тасел Рейнольдса при определении эжектированного потоком расхода. Экспериментально определенные эмпирические зависимости в рамках тредложенной математической модели могут быть использованы не только для шиной геометрии проточной части, но и применительно к другим подобным струйным элементам.

В ходе контрольных испытаний нескольких макетных вариантов струйного первичного преобразователя получены рабочие характеристики лабораторного >бразца расходомера. Результаты исследований показали достаточную для гаженерных расчетов степень совпадения теоретических и экспериментальных ;ависимостей. Получена повторяемость показаний не хуже 99.7% при точности юказаний не хуже ±0.3%.

Выполнены экспериментальные исследования по подбору внутренних траметров прибора с точки зрения оптимального динамического диапазона и очности измерения. В частности, исследован ряд вариантов входных участков !инии обратной связи.

Создан простой электронный и программный интерфейс, который позволяет [роводить компьютерную обработку поступающих данных в автономном режиме.

Сформирована структура и опробована возможность конструктивной •ештзации унифицированного стенда для практического исследования эффекта автоколебаний в струйных расходомерах, а также комплексная система юлу автоматической калибровочной установки. Данные аппаратный и программный [нтерфейсы могут быть применены для построения восьми канальной системы юниторинга.

На основании экспериментальных исследований можно утверждать, что представленные в работе конструктивные решения первичного преобразователя эасходомера-счетчика обладают повышенной надежностью благодаря отсутствию подвижных элементов и прецизионных пар, а также дискретному выходному сигналу. Таким образом значительно снижаются эксплуатационные затраты, за счет снижения расходов на работы по устранению падения точности, которые фо водятся для традиционных приборов в ходе регулярных поверок. При этом возможно проведение только одной поверочной операции на заводе-изготовителе на тротяжении всего длительного срока эксплуатации струйного расходомера.

Повышенная надежность и пожаро- взры вобезопасность разработанного треобразователя, по сравнению с аналогичными системами расходомеров других типов, позволяет применять струйный первичный преобразователь в целом ряде >стро нуждающихся в подобном приборе отраслей промышленности, где трименение традиционных решений малоэффективно или не возможно. В шстности- при контроле нефтепродуктов с низкои температурой вспышки, еплоносителей в контурах тепловых и ядерных станций.

Отсутствие трущихся деталей и, как следствие, продуктов износа позволяет гспользовать предложенный струйный преобразователь для учета пищевых ¡родуктов и медицинских препаратов.

Проведенные в работе теоретические и экспериментальные исследования юказали, что расходомеры и счетчики количества, использующие струйный юрвичный преобразователь, являются перспективными элементами измерительных истем. Предложенные варианты проточной части являются конкурентоспособными ю сравнению с традиционными образцами приборов для измерения и учета юличества проходящей жидкости. Основные характеристики расходомера со труйным первичным преобразователем и его зарубежных аналогов (Приложение 2) [редставлены в таблице 3.