автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Исследование и разработка метода и устройств переобразования массового расхода на основе информационных свойств поступательно-вращательных потоков

Введение

1. Принципы построения массовых расходомеров с поступательно-вращательным потоком (ПВП) . **

1.1. Основные закономерности динамики ПВП. **

1.2. Генераторы вихревых колебаний на основе ПВП

1.3. Измерительные преобразователи вихревых колебаний

1.4. Методы измерения массового расхода на основе ПВП 40 Выводы.

2. Теоретические и экспериментальные исследования информационных свойств ПВП.

2.1. Исследования и анализ процесса формирования сигнала измерительного преобразователя

2.2. Разработка и описание экспериментальной установки . оЬ

2.3. Исследование информационных характеристик сигнала измерительного преобразователя

2.4. Разработка метода преобразования массового расхода по амплитудно-частотным соотношениям сигнала измерительного преобр азователя. ЬЗ

Выводы. Ь

3. Разработка и исследование структурных схем преобразования массового расхода

3.1. Структурная схема преобразования массового расхода с одним измерительным преобразователем

3.2. Структурная схема преобразования массового расхода с двумя измерительными преобразователями

3.3.Частотно-цифровое счетно-решающее устройство преобразователя массового расхода.

Выводы

4. Оценка метрологических характеристик преобразователей массового расхода на основе поступательно-вращательных потоков. 12Ь

4.1. Анализ погрешностей вычислительных устройств и измерительных преобразователей расходомера

4.2. Исследование и анализ систематических и случайных погрешностей

4.3. Средства градуировки и поверки вихревого массового расходомера.

Выводы.

В В Е Д Е Н И Е ХХУ1 съезд КПСС определил главной целью экономического развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года повышение эффективности производства за счет роста производительности труда и более быстрого внедрения на производстве достижений научно-технического прогресса. Поставлены большие задачи перёдработниками нефтяной и газовой промышленности, выполнение которых будет способствовать росту благосостояния Советского государства. Актуальность проблемы. В основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981-1985 годы и на период до 1990 года, принятых на ХХУ1 съезде КПСС, намечены задачи повышения эффективности технологических процессов, создания приборов и средств контроля и управления. Развитие таких ведущих отраслей промышленности как энергетическая, нефтяная, газовая, нефтехимическая и др. в значительной мере связано с необходимостью точных и надежных измерений массового расхода и количества как жидкости, так и газа. Измерение расхода в промышленности широко применяется при осуществлении коммерческих операций, а также для оперативного контроля и регулирования технологических процессов. Современная техника измерения массового расхода отличается большим разнообразием средств и методов. В последние годы получили развитие расходомеры, основанные на новых принципах (лазерные, акустические, вихревые и др.). Однако большинство преобразователей расхода основываются на косвенном методе измерения, отличаются сложностью алгоритмов вычислений и конструкций первичного и вторичного преобразователей, невысокой точностью. Исследования, проведенные метрологическими институтами нашей страны.показывают, что уменьшением погрешности измерения расхода и количества на 0,5 только по нефтяной и газовой промышленности можно добиться экономического эффекта свыше 20 млн. рублей. Это говорит об актуальности проблемы создания преобразователей расхода и информационно-вычислительных систем измерения массового расхода жидкости и газа, отвечающих современным требованиям производства и уровню развития измерительной техники. В настоящее время получили развитие преобразователи расхода, позволяющие производить измерение расхода без внесения в поток подвижных чувствительных элементов, что является важным преимуществом по сравнению с другими методами. К числу таких преобразователей относятся расходомеры на основе поступательно-вращательных потоков (ПВП). Цель работы, Исследование и разработка метода, информационно-вычислительного устройства преобразователя массового расхода на основе ПВП и создание на базе этих исследований промышленного преобразователя массового расхода. Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи исследований: 1. Исследование и анализ принципов построения массовых расходомеров на основе ПВП. 2. Теоретические исследования информационных свойств ПВП и разработка математической модели формирования сигнала измерительного преобразователя. 3. Экспериментальное исследование информационных свойств ПВП и сигнала измерительного преобразователя. 4. Разработка и исследование метода преобразования массового расхода в потоке на основе ПВП с применением однородных по физическому принципу измерительных преобразователей. 5. Разработка обобщенной структурной схемы преобразователя расхода. Разработка и исследование структурных схем преобразователя массового расхода с одним и более измерительными преобразователями как в аналоговой, так и в цифровой форме. 6. Разработка и исследование информационно-вычислительного устройства преобразователя массового расхода и создание экспериментального образца преобразователя массового расхода, реализующего разработанный метод на основе ПВП. 7. Исследование и оценка метрологических характеристик преобразователя массового расхода, реализующего принципы ПВП. Содержание диссертации. В первом

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В результате анализа закономерностей динамики посту-пате льно-вращательных потоков (ПШ) исследован механизм устойчивой генерации вихревых колебаний. Рассмотренные особенности прецессии ядра вихря в расширенной камере первичного преобра-зоваталя расхода позволили обосновать выбор пьезокерамических измерительных преобразователей параметров ПВП, которые позволяют преобразовать одновременно несколько параметров потока.

2. В итоге критического сравнительного анализа методов и устройств преобразования массового расхода показано, что устройства на основе косвенного метода измерения расхода с применением дополнительных датчиков не обладают надежностью, характеризуются невысокой точностью, сложностью алгоритмов расчета и, как следствие, сложностью вычислительных устройств.

В результате исследований установлено, что в расширенной области первичного преобразователя расхода происходят вихревые колебания давления с частотой, равной j~—b Vz , и амплитудой, пропорциональной кинетической энергии потока, т.е. где - осевая скорость ПВП.

3. Исследования показали, что преобразование вихревых колебаний давления однородным измерительным преобразователем позволяет получить электрический сигнал с частотой J" и амплитудой

Urn , пропорциональной кинетической энергии потока.

В результате этого появляется возможность сократить количество датчиков и значительно повысить надежность и точность.

4. На основе этих исследований был предложен метод измерения массового расхода с применением однородных по физическому принципу измерительных преобразователей, заключающийся в том, что вычисление массового расхода производится в результате операции деления амплитуды сигнала измерительного преобразователя на частоту этого же сигнала, т.е.

Л - // U./77

5. С целью проверки корректности теоретических выводов и работоспособности предложенного метода измерения массового расхода были проведены экспериментальные исследования на предложенной установке и показано; что а) предложенный метод преобразования массового расхода является- более точным, простым и эффективным; б) погрешность измерения массового расхода на основе предложенного метода по сравнению с расчетным составила не более

4% при использовании одного измерительного преобразователя и 1% при использовании двух измерительных преобразователей; в) сигналы измерительного преобразователя представляют собой периодические импульсы напряжения параболической формы; г) амплитуда сигнала измерительного преобразователя, т.е.

Um пропорциональна кинетическои энергии потока Kfif, где - осевая скорость ПВП; д) спектр сигнала измерительного преобразователя и соотношение амплитуд гармоник не изменяется при изменении расхода.

6. В результате исследований была разработана обобщенная структурная схема преобразования массового расхода на основе предложенного метода. Разработаны различные структурные схемы, схемотехнические решения и отдельные электронные блоки, узлы преобразователя расхода с применением одного и двух преобразователей в аналоговой и цифровой форме.

7. Разработано и исследовано информационно-вычислительное устройство преобразования массового расхода. Был изготовлен опытный образец массового расходомера и проведены промышленные испытания. Результаты испытаний позволили обосновать целесообразность серийного выпуска отечественной промышленностью расходомера типа РД-2 на основе предложенного метода.

8. Проведены исследования и оценка метрологических характеристик преобразователя расхода, измерительных преобразователей и информационно-вычислительного устройства как в целом, так и всех его узлов и блоков. Результаты показали, что суммарная погрешность преобразования массового расхода составляет не более + 1%, Массовый расходомер РД-2, выпускаемый серийно отечественной промышленностью, также имеет погрешность + I%.

1. Аналоговые интегральные схемы. Под ред. Дж.Коннели. - М.: Мир, 1977. - 440 с.

2. Алексе^нко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецезионных аналоговых интегральных схем. -М.: Радио и связь, 1981. 224 с.

3. Аронзон Н.З. Асатрян Э.Х., Перельштейн М.Е. А.С. 477305 (СССР). Способ измерения массового расхода. Бюллетень 0ИП0ТЗ, 1975, & 26.

4. Аронзон Н.З., Асатрян Э.Х., Перельштейн М.Е. Массовый вихревой расходомер. М.: Труды МИНХиГП им. И.М.Губкина, вып. 127, 1977. - 160 с.

5. Аронзон Н.З., Асатрян Э.Х., Перельштейн М.Е. Коррекция интегрирующего усилителя для уменьшения погрешности, обусловленной конечным значением параметров. М.: Труды МИНХиГП им. И.М.Губкина, вып. 127, 1977. - 160 с.

6. Асатрян Э.Х. Исследование характеристик сигнала датчика давления вихревого массового расходомера. М.: Труды МИНХ и Ш им. И.М.Губкина, вып. 127, 1977. - 160 с.

7. Асатрян Э.Х. Вихревой расходомер с сигналом датчика сложной формы. -М.: Труды ВНИИОЭНГ, серия "Транспорт, хранение и использование газа в народном хозяйстве", вып. 10, 1981. -26-28 с.

8. Асатрян Э.Х. Цифровой массовый расходомер. М.: Труды ВНИИОЭНГ, серия "Транспорт, хранение и использование газа в народном хозяйстве", вып. 9, 1981, 21-23 с.

9. Асатрян Э.Х. Массовый расходомер на основе свойств поступательно-вращающегося потока. -Рязань: Межвузовский сборник научных трудов, серия "Автоматизация измерений", 1981, 9299 с.

10. Асатрян Э.Х., Аронзон Н.З., Перелыптейн М.Е.Массовый вихревой расходомер. "Автоматизация и контрольно-измерительные приборы", М.: 1974, Jf> 6, 4-5 с.

11. Бахтиаров Г.Д., Малинин В.В., Исколин В.П. Аналого-цифровые преобразователи. М.: Сов.радио, 1980. - 278 с.

12. Бермат А.Ф., Араманович И.Г. Краткий курс математического анализа. -М.: Наука, 1978. -735 с.

13. Браго Е.Н. Методы и устройства цифрового преобразования информации в измерительных системах нефтяной промышленности. M.s Недра, I976.-I98 с.

14. Бредшоу П. Введение в турбулентность и ее измерение. Пер. с англ. под ред. Глушко Г.С. М.: Мир, 1974. - 278 с.

15. Бромберг Э.М., Куликовский К.Л. Тестовые методы повышения точности измерений. М.: Энергия, 1978, - 175 с.

16. Васильев О.Ф. Основы механики винтовых и циркуляционных потоков. М-Л.: ГЭИ, 1958. - 144 с.

17. Волгин Л.И. Измерительные преобразователи переменного напряжения в постоянное. М.: Сов.радио, 1977. - 240 с.

18. Глозман И.А. Пьезокерамика. М.: Энергия, 1967. - 272 с.

19. Гоноровский И.О. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Сов.радио, 197I. - 671 с.

20. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергия, 1980. - 248 с.

21. Грем. Анализ схем амплитудных детекторов на операционных усилителях. США, Электроника, 1974, А 23. 69-74 с.

22. Зажигаев Л.С., Кишьян А.А., Романников Ю.И. Методы планирования и обработки результатов физического эксперимента.- М.: Атомиздат, 1978, 230 с.

23. Киясбейли А.Ш., Перелыптейн М.Е. Вихревые измерительные приборы. М.: Машиностроение, 1978. - 150 с.

24. Киясбейли А.Ш., Перелыптейн М.Е. Состояние и перспективы развития счетчиков расходомеров. М.: ВДИИТЭИ приборостроения, 1975. - 64,с.

25. Киясбейли А.Ш., Перелыптейн М.Е. Вихревые счетчики расходомеры. М.: Машиностроение, 1974. - 158 с.

26. Киясбейли А.Ш., Перелыптейн М.Е., Арамян Р.Е. Плотномер непрерывно движущейся жидкости. AC I7950I (СССР). Опубл. М.: Бюллетень 0ИП0ТЗ, 1966, № 5.

27. Киясбейли А.Ш., Перелыптейн М.Е., Арамян Р.Е. Способ измерения расхода жидкости или газа и устройство для его осуществления. АС 761520 (СССР). Опубл. М.: Бюллетень 0ИП0ТЗ, 1964, Jfc 7.

28. Киясбейли А.Ш., Перелыптейн М.Е. Акустический расходомер жидкости или газа. АС 210400 (СССР). Опубл. М.: Бюллетень 0ИП0ТЗ, 1968, № 6.

29. Киясбейли А.Ш., Перелыптейн М.Е., Беркович М.Е. Вихревой расходомер. АС 365570 (СССР) Опубл. М.: Бюллетень 0ИП0ТЗ, 1973, № 6.

30. Киясбейли А.Ш., Перелыптейн М.Е., Басовский М.З., Беркович М.Е. Вихревой счетчик-расходомер. АС 371459 (СССР) Опубл. -М.: Бюллетень 0ИП0ТЗ, 1973, № 12.

31. Коротков М.К. Исследование и разработка цифровых измерительных функциональных преобразователей для систем количественi ного учета газа. Дисс. на соиск. ученой степени к.т.н., М.: 1980, 200 с.

32. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Л.: Машиностроение, 1975. - 776 с.

33. Кэди У. Пьезоэлектричество и его применение. М.: изд-во иностранной литературы, 1949. - 719 с.

34. Ланге Ф.Г. Статистические аспекты построения измерительных систем. Пер. с немецкого под ред. Б.Р.Левина, Г.Я.Мирского.- М.: Радио и связь, вып. 16, 1981. 167 с.

35. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1973.- 848 с.

36. Мартяшин А.И., Чанчиков Ю.К., Шляндин В.М. Быстродействующий преобразователь амплитудного значения синусоидального напряжения в квазипостоянное. Приборы и системы управления, 1973, № 10, 26 - 29 с.

37. Мэзон У. Пьезоэлектрические кристаллы и их применение в ультраакустике, 1952, 420 с.

38. Методы и приборы ультразвуковых исследований. Под ред. Мэзона У.- М.: Мир, 1966. 592 с.

39. Новицкий П.В. Основы информационной теории измерительных устройств. М.: Энергия, 1968. - 250 с.

40. Новиков И.И. Закономерности поступательно-вращательного течения вязкой несжимаемой жидкости. М: Измерительная техника, 1966, № 4, 32-36 с.

41. Отчет по НИР "Исследование и разработка вопросов измерения массового расхода на основе принципа вихревого расходомера".- М.: МИНХиГП им. И.М.Губкина, теш 5-71, 5-72, 5-73. Депонировано в ВИНИТИ.42