автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка и исследование метода и средств контроля параметров двухфазных потоков для автоматизации гидротранспортирования

ОВЧИННИКОВ АЛЕКСЕЙ ПАВЛОВИЧ

УДК 681.5.08: 622.69-79

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ГИДРОТРАНСПОРТИРОВАНИЯ

Специальность 05.13.06 «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 2006

Работа выполнена в Московском государственном горном университете.

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

□евзиер Леонид Давидович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Хайруллии Рустам Зиннатуллович

кандидат технических наук

Мушкин Анатолий Михайлович

Ведущая организация - ОАО «Союзцветметавтоматика»

Защита диссертации состоится /$ - Л 2006 года в часов на заседании диссертационного совета Д 212.128.07 при Московском государственном горном университете.

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 119991, Москва, Ленинский пр., д. 6, на имя ученого секретаря диссертационного совета в 2-х экземплярах.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан - СШ 2006 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук,

профессор Кубрии Сергей Сергеевич

№0 ЕШ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проблема создания высокоэффективных автоматизированных систем управления технологическими процессами в горнодобывающих и перерабатывающих отраслях промышленности, в состав которых входят магистральные гидротранспортные трубопроводы, является актуальной, решение задач, связанных с этой проблемой, невозможно без совершенствования методов измерения, средств контроля параметров потоков. Методы и средства контроля параметров однофазных потоков имеют достаточно хорошие решения, однако задачи контроля и измерения параметров многофазных потоков в трубопроводах остаются актуальными.

В настоящее время при учете количества двухфазной пульпы используют методы, позволяющие определить объемный расход пульпы, а при известной концентрации твердых веществ в ней, расход твердой и жидкой фаз. Однако при меняющейся во времени концентрации твердой фазы, например, в процессе гидродобычи полезных ископаемых при помощи землеснарядов информация о параметрах потока оказывается малодостоверной. Для оператора, управляющего транспортированием пульпы, численная информация о величине объемного расхода пульпы и изображение на экране структуры потока в канале пульпопровода, позволяют оценить интенсивность расслоения твердой и жидкой фаз пульпы, принять меры для поддержания оптимального процесса гидротранспортирования твердых материалов или процесса работы землеснаряда.

В настоящем исследовании разрабатываются метод и средства, использующие электромагнитный принцип измерения параметров двухфазного потока, который позволяет в реальном режиме времени определять объемный расход пульпы, получить данные о кинематической структуре потока. Эти данные в системе контроля и управления процессом гидротранспортирования твердых материалов по трубопроводу позволяют существенно повысить рентабельность гидротранспорта за счет оперативного контроля скорости транспортирования многофазного потока.

Применение электромагнитного метода измерения для создания на его основе датчиков и средств, входящих в автоматизированную систему управления процесса гидротранспортирования и обладающих повышенными технологическими и метрологическими характеристиками, на сегодняшний день возможно, и этому посвящена диссертационная работа.

Целью и задачами диссертации являются разработка и исследование методов и средств автоматизации контроля и управления параметрами двухфазных потоков в трубопроводах при гидротранспортировании твердых материалов, позволяющих измерять

объемный расход пульпы, определять распределение фазового состава по сечению трубопровода.

Идея работы состоит в использовании двух режимов измерения при магнитном поле, которое содержит нечетные пространственные гармоники, и при магнитном поле, которое содержит четные пространственные гармоники в измерительном канале расходомера. Совокупность измерений позволяет решить задачу контроля параметров двухфазного потока.

Методы исследования. При решении поставленных в работе задач использовались методы математического анализа и моделирования, теоретической физики, гидравлики однофазных и двухфазных потоков, применено современное программное обеспечение ЛШУЯ, МАРЬЕ, МАТНСАО для разработки математических моделей и обработки расчетных и экспериментальных данных.

Защищаемые научные положения и их новизна

1. Выявленное взаимодействие двухфазного потока с магнитным полем, имеющим симметричное распределение индукции относительно плоскости, проходящей через оси электродов и трубы, создает электрическое поле, которое зависит от неоднородности кинематической и фазовой структуры потока по вертикальной оси канала.

2. Разработанная математическая модель электромагнитного расходомера позволяет исследовать магнитогидродинамические процессы в первичном преобразователе, моделировать неоднородность распределения электропроводности среды в рабочем объеме канала при различных профилях скорости потока, которые определяют параметр подобия структуры двухфазного потока.

3. Метод непрерывного восстановления положения поверхности нулевого потенциала в плоскости оси канала и линии, соединяющей электроды электромагнитного расходомера, позволяет измерять состояние кинематической структуры двухфазных пульп при гидротранспортировании.

4. Расход потока железорудной пульпы и содержание в ней магнетита определяется по характеристике нормальной компоненты магнитного поля на поверхности канала и поверхностной весовой функции электромагнитного расходомера.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и экспериментальных результатов подтверждаются использованием классических и современных методов расчета характеристик магнитного и электрических полей, 95% совпадением результатов теоретического анализа и математического моделирования с данными экспериментальных исследований.

Научная и практическая значимость работы:

1) Предложен метод и разработано устройство, измеряющее параметр подобия структуры двухфазного потока, новизна которого подтверждена патентом России, обладающие высокой точностью, технологичностью и надежностью.

2) Спроектированы, изготовлены и испытаны реально действующие образцы электромагнитного расходомера для измерения объемного расхода магнетитовой пульпы и концентрации магнетита в ней.

3) Предложена и разработана методика построения электромагнитного расходомера, которая позволяет проектировать средства контроля параметров двухфазных потоков для автоматизации технологических процессов, связанных с гидротранспортированием пульп по трубопроводам.

Реализация результатов. Партия восьми опытных образцов электромагнитных расходомеров для магнетитовой пульпы с Ду 300 мм типа «Взлет ЭМР-КМ», изготовленная на основе рассмотренной диссертационной работы, установлена и успешно эксплуатируется на технологическом трубопроводе Лебединского горно-обогатительного комбината.

Результаты работы приняты для использования в учебном процессе при подготовке дипломированных специалистов по направлению «Автоматизация и управление» Московского государственного горного университета.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XIV Научно-технической конференции «Датчик-2002» (г.Судак, Украина, 2002 г.), на ежегодных научных симпозиумах "Неделя Горняка" (МГТУ, 2003 -2006 гг.), на 16-й, 20-й, 21-й, 22-й Международной научно-практической конференции «Коммерческий учет энергоносителей» (г. Санкт-Петербург, 2002, 2004,2005 гг.), на 3-м Международном научно-практическом форуме «Совершенствование измерений расхода, регулирование и коммерческий учет энергоносителей» (г. Санкт-Петербург, 2003 г.).

Публикации. Основные научные положения, выводы и практические результаты отражены в 11 опубликованных научных работах автора, получен патент РФ на изобретение и подано на рассмотрение три заявки на патент РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, содержит 51 рисунок, 7 таблиц, список литературы из 83 наименований и два приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цели и задачи диссертационной работы, изложены основные положения, выносимые на защиту, отмечена научная новизна, практическая ценность полученных результатов, указаны сведения об апробации работы.

В первой главе рассмотрены вопросы повышения эффективности систем автоматизации контроля и управления технологическими процессами, связанными с гидротранспортированием твердых материалов по трубопроводам.

Основное внимание отводится проблеме создания высокоэффективных автоматизированных систем контроля технологическими процессами в магистральных гидротранспортных трубопроводах как важнейшему средству обеспечения их производительной, надежной и безопасной работы. Эта задача может быть решена с использованием приборов нового класса, позволяющих определять структуру потока пульпы в реальном масштабе времени, и на основании полученной информации управлять скоростью перекачки пульпы и её фазовой структурой. В настоящее время практически нет средств измерений для получения надежной и точной информации о расходе и структуре потока пульпы. Невозможность визуального наблюдения за ходом технологического процесса гидротранспортирования делает особенно важным получение информации о параметрах процесса как при ручном управлении, так и в случаях частичной или полной автоматизации.

Большой вклад в решение проблем создания средств контроля параметров двухфазных пульп внесли А.Б. Релин, И.А. Асауленко, В.М. Карасик, А.И. Смолдырев, В .Я. Корецкий, В.М. Эйгенброт, И.Д. Вельт и др. исследователи.

Развитие современного приборостроения позволяет применить к решению задач измерения параметров потока различные методы. Наиболее распространенными способами и устройствами являются: метод мерных ёмкостей, по траектории струи из калиброванного торца трубопровода, методы перепада давления на сужающих устройствах, ультразвуковой, термоанемометрический, корреляционный, электромагнитный. Однако ряд специфических эксплуатационных условий гидротранспорта, а также достаточно высокие требования к точности, надежности и технологичности приборов, существенно сокращают практические возможности по реализации указанных методов и средств измерения для решения поставленной задачи. Из представленных методов измерения параметров потока одни решают задачу определения объемного или весового расхода смеси, другие - измерения плотности и концентрации пульпы.

Для автоматизации процесса гидротранспортирования необходимо наряду с измерением объемного расхода контролировать кинематическую структуру потока в трубопроводе, решить эту задачу с использованием датчика одного типа не представляется возможным. Электромагнитный метод измерения позволяет создать новый класс средств измерения, позволяющих, наряду с измерением объемного расхода двухфазного потока, производить диагностику кинематической структуры и распределение фазового состава по сечению трубопровода.

Основные преимущества электромагнитного метода измерения выгодно отличают его от других методов измерения параметров двухфазных потоков. Прибор, основанный на электромагнитном методе измерения, не вносит нарушения в режим течения, так как в канале расходомера отсутствуют какие-либо выступающие элементы и подвижные детали, сигнал слабо зависит от профиля потока, электропроводности, вязкости среды при их однородном распределении. Относительная погрешность электромагнитных расходомеров общепромышленного исполнения при измерении однофазных потоков с однородным распределением электропроводности измеряемой среды и симметричной относительно оси канала скоростью потока составляет порядка 0.5%. При измерении двухфазных пульп на точность измерения влияет неоднородность электропроводности измеряемой среды и асимметрия профиля скорости потока, погрешность в этом случае может доходить до 20%. Снизить погрешность измерения двухфазных пульп можно, включив в алгоритм вычисления расхода параметр, зависящий от вызвавших её факторов.

Возможности электромагнитного метода как инструмента для исследования структуры потока значительно шире, чем в используемых сейчас общепромышленных приборах. Измерив какую-либо характеристику поля, например потенциал, в достаточном числе точек и обработав результаты измерений, можно получить информацию о распределении скорости и электропроводности в рабочем объеме канала.

Сигнал на электродах первичного преобразователя электромагнитного расходомера можно записать в виде

где V- напряжение между электродами; В - вектор индукции магнитного поля; XV- объемная весовая функция; V- вектор скорости потока; т- объем активной зоны канала.

Весовая функция XV указывает вклад различных точек рабочего канала в выходной сигнал первичного преобразователя и определяется только диаметром канала, протяженностью изолированного участка,

0)

т

местоположением и размерами электродов, она не зависит ни от скорости, ни от внешнего магнитного поля.

Если магнитное поле подобрано таким образом, что [в х wj = const в некоторой области, а вне этой области близка к нулю, потенциал U, характеризует среднюю скорость потока в данной локальной области. Можно представить магнитное поле также и таким, что среднее значение [fixw], в локальной области, где В*0, обращается в нуль. В этом случае потенциал электрода характеризует неоднородность распределения скорости. При дополнительном предположении о том, что [§х w} обладает антисимметрией относительно какого-либо направления, потенциал ка электроде характеризует ту часть неоднородности распределения скорости потока, которая обладает той же самой антисимметрией.

Представим теперь, что распределение электропроводности потока в канале неоднородно, например, измеряемой средой является двухфазный поток или канал прибора не полностью заполнен потоком жидкости. В этом случае в качестве измеряемого параметра рассматривается не скорость потока, а факторы, вызвавшие изменение весовой функции.

Для анализа этого случая сигнал U целесообразно записать аналогично (1) в виде

U= }</iW[vxS]. (2)

Если магнитное поле подобрано таким образом, что [fi х vj = const в некоторой области, а вне этой области близка к нулю, потенциал Ut характеризует среднее значение объемной весовой функции в данной локальной области.

Можно представить магнитное поле также и таким, что среднее значение [вх v} в локальной области, где В/О, обращается в нуль. В этом случае потенциал электрода характеризует неоднородность распределения весовой функции. При дополнительном предположении о том, что [bxvJ обладает антисимметрией относительно какого-либо направления, потенциал на электроде характеризует ту часть неоднородности распределения весовой функции, которая обладает той же самой антисимметрией.

Использование получаемой такими методами информации о кинематической структуре потока и распределении фазового состава среды по электропроводности и составляет основное содержание данной работы.

Состояние проблемы и выбор способа решения поставленной задачи позволили сформулировать задачи настоящего диссертационного исследования:

1. Выполнить анализ проблемы контроля параметров горнотехнологических процессов, связанных с гидротранспортированием твердых материалов по магистральным пульпопроводам.

2. Разработать метод и средства для измерения расхода потоков немагнитных Песковых, гравийных, рудных пульп, транспортируемых по горизонтальному трубопроводу, с одновременным и непрерывным контролем структуры потока и степени расслоения фазового состава в канале трубопровода.

3. Разработать метод и средства для измерения расхода потоков магнетитовых пульп, транспортируемых по трубопроводу, с одновременным контролем объемного расхода и концентрации смеси по содержанию магнетита.

Во второй главе исследованы структура и скоростные параметры двухфазной пульпы при гидротранспортировании по горизонтальным трубопроводам. По литературным источникам представлены экспериментально полученные распределения скорости двухфазного потока и распределения плотности.

Были обобщены характеристики потока двухфазной пульпы при гидротранспорте двухфазных потоков:

•трубопровод, на котором расположен расходомер, всегда находится в горизонтальном положении;

•распределение плотности пульпы по сечению канала неоднородно, оно смещено в нижнюю часть канала и симметрично относительно вертикальной оси;

•распределение поля скоростей по сечению канала также неоднородно, однако, оно смещено в верхнюю часть канала и также симметрично относительно вертикальной оси;

•увеличение неоднородности распределения твердой фазы пульпы всегда сопровождается увеличением асимметрии распределения скорости в трубопроводе и наоборот;

•электропроводность твердой фазы всегда на несколько порядков ниже электропроводности жидкой фазы.

Неоднородность распределения твердой фазы пульпы и скоростей по сечению канала непостоянна, она уменьшается и практически совсем пропадает, когда скорость потока достигает больших величин, и возрастает по мере уменьшения средней скорости. Под критической скоростью понимают скорость, ниже которой происходит расслоение фазовой структуры потока и начинается заиление трубопровода, а асимметрия поля скоростей и взвесей достигает максимальных значений. При стационарном режиме функционирования пульпопровода консистенция пульпы поддерживается стабильно одинаковой, а средняя скорость потока близкой к критической, так как такой режим транспортирования является наиболее экономичным. В автоматизированной системе управления процессом гидротранспортирования необходимо поддерживать скорость двухфазного потока на уровне критической скорости, тем самым снижая энергозатраты.

В главе выполнена систематизация многофакторных параметров двухфазных потоков, выделены обобщенные критерии, по которым был сформулирован параметр, характеризующий их кинематическую и фазовую структуру. Пульпа представляет собой сложный многофакторный продукт по кинематическим структурам, по гранулометрическому составу, по режиму транспортирования, по химико-физическому содержанию, по консистенции, многофазности, магнитным свойствам, электропроводности и т.п. Динамика ее движения сложная, неоднозначная, аналитически трудно описываемая. Экспериментальный материал далеко не полон, возможно, субъективен, поскольку отсутствуют стенды для получения экспериментальных результатов, представлен только для небольших каналов. Средств измерений нет или они не доведены до нужного уровня метрологии, эксплуатационным характеристикам, не соответствуют современному приборостроению.

Предложен параметр подобия структуры потока, который может быть измерен электромагнитным методом, и связывает все многообразие многофазных потоков. Под параметром подобия двухфазной пульпы предложено использовать разность ординаты местоположения максимальной скорости у1. и ординаты местоположения средней плотности ур по вертикальной оси, перпендикулярной оси канала, с началом координат в центре канала, отнесенные к диаметру канала. Значение параметра подобия к структуры потока меняется в пределах от 0 до 1, по данному параметру удобно следить за структурой потока пульпы в трубопроводе и автоматизировать процесс ее гидротранспортирования.

Третья глава посвящена разработке электромагнитного метода измерения параметров двухфазных потоков. Выполнен анализ путей создания электромагнитного расходомера, не чувствительного к перестройке скорости потока. Показано, что большинство работ, посвященных данной тематике, не решают задачи создания такого расходомера, а некоторые из работ не доведены до- приборного исполнения, имеются только частные предложения.

В главе представлена разработанная комплексная математическая модель электромагнитного расходомера для измерения двухфазных потоков. Полученная в работе модель магнитогидродинамических процессов в электромагнитном расходомере построена на базе общего и частного решения уравнения Максвелла

(3)

а от аг о от

для немагнитной электропроводной пульпы, движущейся в магнитном поле при допущении, что электропроводность двухфазной пульпы зависит от координаты >> и описывается выражением

р.г = 0, (4)

ет(х) = и0 ехрС-ку)

с граничным условием равенства нулю нормального тока, проходящего через внутреннюю поверхность стенки канала

дф

где <р - потенциал электрического поля; р,в,г - цилиндрическая система координат;

р - расстояние от точки трубы до оси трубопровода; в - угол поворота вокруг оси трубопровода; ось г совпадает с осью трубопровода.

Найдено общее решение уравнения (2), конечное при р = 0, которое имеет вид:

Г 00

р(р,0,г) = ехр(-^/2)|ао1о(кр/2)+ I [ап со$пв + /Зп вш п0}\п{кр12)+

«о [ Г 2 ж

+ ]П \п{кр!Щр<1рКп{кр!2)^(рсой

р ¿я

-К ХКР' 2 )}/£ф I, (*Р / 2) Р^сов п{& - в)3(р со* &, р ят 9)

(5)

+'

0 0 где й(х,у) = ехр(3ку / 2)<Иу {ехр(~ ку)[у х в]}; х = рсо$9,у = ре ш0;

1д(кр/2) - модифицированная функция Бесселя; йр

К„ (кр/ 2) - функция Макдональда;

а„,р„ - коэффициенты, определяемые из граничного условия (4). Сигнал расходомера и можно представить в виде

оо оо 2гг

и= \dz\pdp (6)

-оо 0 0 '

Здесь играет роль объемной весовой функции и выражена

следующим образом:

(и—'

В диссертации определена квадратная матрица Л, зависящая от распределения электропроводности измеряемой среды.

Из анализа полученных результатов можно сделать вывод, что изменение электропроводности среды существенным образом изменяет весовую функцию электромагнитного расходомера. Точки, расположенные в трубопроводе ниже линии, соединяющей электроды, вносят в разность потенциалов, снимаемых с электродов, больший вес, чем точки, расположенные выше указанной линии. Наиболее информативной компонентой весовой функции является компонента линии уровня которой представлены на рис.1.

при значении к =^0 и к =]

Для получения информации о деформации весовой функции электромагнитного расходомера необходимо создание в рабочем сечении магнитного поля, имеющего симметричное распределение относительно линии, соединяющей электроды. Магнитное поле данной пространственной конфигурации можно создать, используя последовательное и встречное включение двух индукторных катушек электромагнитного расходомера.

С учетом рассчитанных значений весовой функции произведено описание сигнала электромагнитного расходомера при различной конфигурации магнитного поля относительно линии, соединяющей электроды: симметричного, посредством последовательного и встречного включения индукторных катушек, антисимметричного, посредством последовательного и согласного включения индукторных катушек.

Сигнал между электродами и зависит от распределения скорости потока и изменения проводимости среды по сечению канала и может быть разделен на три составляющие:

и = и1+и2+и1 (8)

причем

г 8А 8\аа!ат

где Л - скалярный магнитный потенциал В = Л;

С(г) - функция Грина;

V- скорость потока; т - рабочий объем первичного преобразователя;

/4, - магнитная постоянная; г - радиус вектор; сг/сгг - отношение электропроводности двухфазной среды к электропроводности твердой фазы;

I - время.

Сигнал С// обусловлен движением среды как единого целого и напрямую зависит от изменения эпюры скорости. Сигналы {/? и 1/3 вызваны наличием неоднородности электропроводности, причем сигнал и2 синфазен с сигналом I//, а и3 сдвинут на я/2 по фазе относительно сигнала

и,.

Произведен анализ математической модели при разбивке активной области расходомера г на две равные области: тв - область, расположенную выше плоскости г, которая проходит через ось канала и линию, соединяющую центры электродов, г„ - область, расположенную ниже плоскости г. Сигналы V), II2, и3 рассматриваются для двух областей при различном распределении скорости и электропроводности среды в них при симметричном и антисимметричном магнитном поле.

По полученным результатам сделан вывод, что для построения электромагнитного средства измерения параметров двухфазных потоков в первичном преобразователе электромагнитного расходомера необходимо создавать магнитное поле двух типов: симметричное и антисимметричное относительно горизонтальной линии, соединяющей электроды. При симметричном магнитном поле разность потенциалов, снимаемая с электродов первичного преобразователя, будет характеризовать асимметрию скорости потока и неравномерность распределения электропроводности по поперечному сечению канала. При антисимметричном магнитном поле разность потенциалов будет характеризовать среднюю скорость движения среды по каналу расходомера.

Используя математическую модель, можно предложить несколько технических решений построения датчика для измерения значения параметра подобия структуры потока. Математическая модель, показывает, что значения напряжения, индуцируемого в те и т„, будут различны при нарушении осевой симметрии поля скоростей или при изменении значения проводимости среды в канале первичного преобразователя. Для получения информации о параметре подобия структуры потока необходимо использовать симметричное относительно линии, соединяющей электроды, магнитное поле.

Предложен электромагнитный способ измерения параметра подобия структуры потока измеряемой среды, заключающийся в создании симметричного магнитного поля в канале трубопровода посредством пропускания электрических токов через две катушки возбуждения, имеющих общую ось, одна из которых расположена над трубопроводом, а другая под трубопроводом. Отличительной особенностью способа является то, что токи возбуждения в катушках подбираются такой величины, при которой сигналы на электродах, образованные магнитным полем каждой из катушек по отдельности, становятся одинаковыми, а мерой параметра подобия структуры потока является отношение токов в катушках. Например, параметром подобия структуры потока может служить отношение токов питания нижней катушки возбуждения к току питания верхней катушки возбуждения, указанные токи имеют величину порядка 0,1-1,0 А, измерение отношения токов такой величины не представляет трудностей. Чувствительность прибора зависит от скорости потока. Здесь следует отметить, что двухфазные потоки при гидротранспорте движутся с большими скоростями, поэтому практически во всем диапазоне изменения параметра подобия чувствительность прибора остается постоянной.

Если рассматривав распределение потенциалов в рабочем канале первичного преобразователя при различных способах формирования магнитного поля, можно ввести понятие «поверхности нулевого потенциала». Поверхность нулевого потенциала образуют точки в рабочем объеме канала, потенциал которых равен нулю. Положение и количество поверхностей нулевого потенциала в рабочем объеме первичного преобразователя могут быть различны и зависят от способов формирования магнитного поля. Поверхности нулевого потенциала электрического поля, а для двумерного случая - электрические нейтрали, зависят от кинематической и фазовой структуры потока, и управляются магнитным полем.

На основе предложенного компенсационного способа измерения положения поверхности нулевого потенциала разработана структурно-функциональная схема электромагнитного средства измерения, позволяющего измерять параметр структуры двухфазного потока. Схема приведена на рис.2.

Рис 2. Структурная схема электромагнитного расходомера

Работа прибора в режиме измерения параметра подобия структуры потока состоит в следующем. Магнитное поле возбуждения создается одинаковыми катушками 3 и 4, по которым протекают токи возбуждения, образованные соответственно от источников тока 9 и 8. Сигнал, возбуждаемый взаимодействием потока жидкости с магнитным полем на основе закона Фарадея, снимается с электродов 1 и 2 , усиливается предварительным усилителем 6, далее с помощью АЦП -7 преобразуется в цифровой код, который вводится в вычислитель 10. Вычислитель по соответствующей программе выдает сигнал на коммутационно-регулирующее устройство, которое обеспечивает необходимые токи возбуждения в катушках, при которых результирующий сигнал между электродами устанавливается равным нулю. При этом с помощью устройства 11 вычисляется отношение токов в катушках, которое высвечивается на табло 12.

Если эпюра распределения скорости потока в канале осесимметрична и фазовый состав равномерно распределен по вертикальному сечению канала, магнитные поля направлены навстречу друг другу и, кроме того, взаимно синхронны, то результирующий сигнал между электродами будет равным нулю только при равных величинах токов в каждой из катушек. Следовательно, отношение токов К= 1.

К = (10)

где Ь- ток возбуждения в катушке 4;

13- ток возбуждения в катушке 3.

Если эпюра распределения скорости потока в канале неосесимметрична и фазовый состав распределен неравномерно, то при равенстве токов 1,=1з сигнал, образованный верхней индукторной катушкой, и сигнал, образованный нижней катушкой, будут различны. Для обеспечения равенства сигналов возникает необходимость увеличения тока в одной из катушек, либо перераспределения токов между катушками таким образом, чтобы сигнал на электродах равнялся нулю. Эту операцию выполняет вычислитель 10 (рис.2.) в зависимости от заложенной в нем программы. При этом отношение токов К<1, каждому значению К, соответствует определенное значение параметра подобия структуры потока, которое обеспечивается градуировкой прибора.

Конструкция первичного преобразователя электромагнитного расходомера при реализации компенсационного способа измерения параметра структуры двухфазного потока не изменилась, следовательно, принцип и алгоритм измерения скорости потока остаются такими же, как в выпускаемых сегодня приборах. Для измерения параметра подобия структуры потока в первичном преобразователе создается симметричное магнитное поле. Электронный блок первичного преобразователя создает поочередно два режима измерения: измерение скорости потока и режим

измерения параметра подобия структуры потока. Использование предложенного компенсационного способа измерения параметра подобия структуры потока не требует замены существующих на сегодняшний день первичных преобразователей электромагнитных расходомеров, а требует замены только электронного блока.

В четвертой главе выполнено исследование магнигогидродинамических взаимодействий в электромагнитном расходомере методами численного моделирования при симметричном и антисимметричном магнитном поле. Моделирование было произведено для различных случаев распределения скорости потока.

Для вычисления значения потенциалов электрического поля в рабочем канале электромагнитного расходомера необходимо задаться распределением вектора магнитной индукции. Для этой цели был создан макетный образец электромагнитного расходомера с диаметром условного прохода 100 мм, и для данного макета с учетом граничных условий, произведен расчет в пакете программ А№У8 распределения вектора магнитной индукции. Распределение магнитного поля в рабочем объеме расходомера было рассчитано при различных способах включения индукторных катушек возбуждения.

На рис.3 показано распределение Ву компоненты вектора магнитной индукции в плоскости электродов при антисимметричном и симметричном магнитном поле, образованном при встречном включении индукторных катушек и равных значениях токов в них.

Создана программа, позволяющая рассчитывать распределение потенциалов для двумерного случая в рабочем сечении канала первичного преобразователя, используя выражение потенциала индуцированного электрического поля в виде (11), для различных случаев распределения магнитного поля, скорости потока:

р(р,ф)= ¡рс1р / (1ф фУ<П\{р,ф}}(р,р,ф-ф\где

Симметричное

Антисимметричное

Рис 3 Распределение и линии уровня симметричного и антисимметричного магнитного поля

0 0

(П)

■п

где р,ф - полярные координаты точек, в которых рассчитывается значение электрического потенциала, при трубопроводе радиусом равным 1; р = 0..л,ф = ()...2л:

р,ф - полярные координаты точек канала, заполненного средой. Результаты расчетов для профиля скорости, характерного для двухфазного потока с ярко выраженной асимметрией распределения скорости потока, приведены на рис.4.

На рис.4 представлено распределение потенциалов при симметричном магнитном поле, образованном встречным включением индукторных катушек, и при значениях тока питания верхней индукторной катушки, равным I. =0,4 1„ ,1„ = 0,2-1в . При 1„=0,2 1н поверхность нулевого потенциала проходит через линию, соединяющую электроды, и отношение токов в индукторных катушках дает параметр подобия структуры потока.

Исследованы профили скорости, не имеющие оси симметрии. Для них получены картины распределения потенциалов и показано, что, используя компенсационный способ определения параметров потока, можно найти расположение экстремума эпюры скорости по оси ординат.

Рис 4 Линии уровня эпюры скорости и распределение потенциалов при симметричном магнитном поле

Для подтверждения математической модели были выполнены экспериментальные исследования макетного образца электромагнитного расходомера, позволяющего определять параметр подобия структуры потока. Исследования проводились на расходомерной установке РУ-100 с классом точности 0,5. Для имитации изменения структуры потока использовались электроизоляционные полипропиленовые вставки различной высоты, вставляемые в первичный преобразователь и перекрывающие нижнюю част ь поперечного сечения канала расходомера.

В ходе исследования были получены соотношения, связывающие критерий подобия структуры потока со значениями, снимаемыми с электродов при симметричном и антисимметричном магнитных полях. Произведен анализ полученных зависимостей.

Результаты моделирования были подтверждены численным расчетом. Значения разности потенциалов были пересчитаны в отношения токов индукторных катушек. Произведено сравнение их со значениями, полученными в результате численного расчета. Среднее относительное отклонение экспериментальных значений параметра подобия структуры потока от расчетных значений не превысило 1,5-2%.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили подтвердить выдвинутые предположения.

В пятой главе проведено исследование двухфазных пульп, твердая фаза которых образована ферромагнитным минералом, например магнетитом.

Сформированы требования к системе автоматизированного учета твердой фазы (магнетита) двухфазной пульпы в системе гидротранспортирования.

Произведен анализ системы, используемой на Лебединском ГОКе. Результаты проведенных проливочных испытаний показали, что использование электромагнитного расходомера в общепромышленном исполнении для измерения скорости потока ферромагнитной пульпы дает до 20% погрешности измерений.

Получено описание разности потенциалов, снимаемых с электродов для сред, имеющих однородное распределение электропроводности и магнитной проницаемости по сечению канала:

где м = --= ——'— намагниченность пульпы.

4 ж 4/г

Предложенная форма описания сигнала электромагнитного расходомера позволяет представить его в виде суммы двух членов. Первый член описывает сигнал расходомера, если рабочей жидкостью является вода; второй - изменение сигнала расходомера, обусловленное наличием в измеряемой среде частиц, обладающих определенным значением электропроводности и магнитной проницаемости.

Выполнен анализ разработок в области измерения расхода магнитных пульп и намечены пути решения задачи. Изменение магнитной проницаемости одного из элементов магнитной цепи преобразователя расхода электромагнитного расходомера в процессе работы вызывает изменение коэффициента передачи магнитной цепи первичного преобразователя. Для формирования инженерных решений построения первичного преобразователя электромагнитного расходомера получена модель его магнитной цепи. Линии магнитного потока, проходящие через

основные элементы конструкции первичного преобразователя, представлены в виде значений магнитных сопротивлений.

Предложен и исследован способ контроля и компенсации изменения коэффициента передачи магнитной цепи первичного преобразователя, основанный на использовании преобразователя магнитного поля, выполненного в виде гибкой печатной платы, с размещенной на ней катушкой (КОС), витки которой расположены по эквипотенциальным линиям поверхностной весовой функции электромагнитного расходомера. При размещении гибкой платы с катушкой по дуге от одного электрода к другому и по длине на всем протяжении первичного преобразователя, ЭДС, образующаяся в витках катушки, пропорциональна производной магнитного потока, охватывающего всю рабочую область преобразователя. Для повышения чувствительности предлагается размещать КОС в футерованном слое первичного преобразователя.

Предложено и исследовано использование значения индуцированного тока в КОС в качестве опорного в алгоритме обработки сигналов с электродов первичного преобразователя. Применение КОС позволяет контролировать коэффициент магнитной цепи первичного преобразователя и создать электромагнитный расходомер для сред, содержащих ферромагнитные частицы. Для снижения емкостной помехи, возникающей в гибкой печатной плате, предлагается использовать дополнительный экранный слой, заземленный на трубу первичного преобразователя.

Предложенные и исследованные методы построения электромагнитного расходомера, позволили создать алгоритм и конструкцию прибора, учитывающего магнитную проницаемость измеряемой среды.

Предлагаемый алгоритм определения расхода ферромагнитной пульпы поясняют формулы (12)-(16). Информацию, получаемую при традиционной схеме построения электромагнитного расходомера общепромышленного исполнения, можно представить в виде сигнала, снимаемого с электродов, и опорного сигнала:.

где к - инструментальная константа первичного преобразователя, зависящая от конструкции первичного преобразователя; В - вектор магнитной индукции; у - скорость потока; I- ток питания индуктора; О- диаметр канала;

р - величина магнитной проницаемости измеряемой среды;

и„_к-В-у-Р ' иоп Р-1

(12)

(13)

(14)

¡3-постоянная величина.

Значение индукции магнитного поля можно представить в виде произведения напряженности магнитного поля на величину магнитной проницаемости. Значение напряженности магнитного поля можно выразить через ток /, протекающий по N виткам индукторной катушки, имеющей среднюю линию, равную I. Тогда значение расхода имеет вид:

в=тг=—а Л , О5)

оп Р-1С-1

к-Б-Ы

где у = —--;

р-с-1

I - средняя линия витка индукторной катушки;

N - количество витков в индукторной катушке;

с - скорость света.

Таким образом, значение расхода, получаемое при традиционной схеме построения электромагнитного преобразователя, зависит от скорости потока и значения магнитной проницаемости среды. При увеличении значения магнитной проницаемости происходит увеличение значения расхода. В данном случае удается скомпенсировать нестабильность тока возбуждения, но при этом сохраняется зависимость показания расходомера от магнитной проницаемости среды, от изменения характеристик электромагнита.

Предлагаемая схема и алгоритм построения первичного преобразователя по схеме с катушкой опорного сигнала и использование значения напряжения, индуцируемого в нем, в алгоритме обработки сигнала позволяет скомпенсировать значение магнитной проницаемости в канале.

Напряжение на выходе катушки опорного сигнала пропорционально производной магнитного потока, охватывающего катушку:

(16)

где 5- площадь витка катушки опорного сигнала;

Л*- количество витков катушки опорного сигнала;

Ф - магнитный поток; время.

Для получения значения, пропорционального индукции магнитного поля, необходимо проинтегрировать значение напряжения, снимаемого с КОС. В итоге значение расхода можно представить в виде:

_ г/м к-В-у-й п7Л

О =—— =-= (17)

иКОС Р-Б-Ы-В

k-D

где у ---постоянные параметры, зависящие от конструкции

ß • S • N

электромагнитного расходомера.

Значение магнитной проницаемости можно получить, взяв отношение проинтегрированного сигнала с катушки опорного сигнала к опорному напряжению на сопротивлении, включенном в цепь питания индуктора.

В результате получим:

(18)

Von ß-I-cl

По предложенной концепции построения электромагнитного расходомера ЗАО «Взлет» изготовил мелкосерийную партию приборов «Взлет-ЭМР-КМ», которые прошли испытания на Лебединском ГОКе, как первичный узел в автоматической системе гидротранспортирования твердых материалов.

Значение относительной погрешности измерения объемного расхода не превышает 5%, а приведенная погрешность объемного расхода 1% при меняющейся плотности и расходе пульпы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе, которая является научной квалификационной работой, на основании выполненных автором исследований представлено новое решение актуальной задачи оперативного контроля параметров потока двухфазной пульпы при ее гидротранспортировании по горизонтальным трубопроводам, а также получена математическая модель электромагнитного расходомера и создание на этой основе технических средств контроля. Эта задача имеет существенное значение для отраслей промышленности, где используется гидротранспортирование пульп по трубопроводам. Решение задачи осуществляется с помощью создания в первичном преобразователе электромагнитного расходомера магнитных полей, различной пространственной конфигурации и измерения магнитогидродинамических процессов в двухфазном потоке, что позволяет вычислить необходимые параметры потока и производить контроль процесса гидротранспортирования.

Развитые в диссертации теоретические положения, методики расчетов и их экспериментальная и теоретическая база, позволили создавать преобразователи первичной информации для автоматического контроля параметров двухфазных потоков при гидротранспорте.

В работе автором получены следующие основные результаты: 1. Предложен электромагнитный метод определения расхода и структуры двухфазного потока, предусматривающий два режима измерения электрического поля в канале расходомера, один из которых

обеспечивается при магнитном поле возбуждения, содержащем только нечетные пространственные гармоники, а другой - только четные пространственные гармоники.

2. Разработан компенсационный электромагнитный метод измерения структуры потока, заключающийся в формировании с помощью магнитного поля, поверхности нулевого электрического потенциала вдоль линии, соединяющей электроды. При этом изменение параметров структуры потока при горизонтальном гидротранспортировании пульпы отслеживается изменением магнитного поля, а положение поверхности нулевого потенциала контролируется с помощью измерительных электродов, расположенных в сечениях канала. Предложенный метод повышает точность определения параметров структуры двухфазного потока и позволяет получить его томографическое представление.

3. Получено аналитическое выражение весовой функции электромагнитного расходомера в трехмерном пространстве при экспоненциальном распределении электропроводности двухфазного потока по направлению, перпендикулярному плоскости оси канала и линии электродов. Составлена математическая модель реальных структур потока при горизонтальном транспортировании Песковых, угольных и гравийных пульп.

4. Предложено параметрическое описание кинематической и фазовой структур потока при гидротранспортировании сыпучих сред по горизонтальным каналам.

5. Создана математическая модель магнитогидродинамического преобразования в канале прибора, исследованы условия оптимизации предложенных методов измерения расхода и структуры двухфазного потока электромагнитным методом.

6. Разработана концепция построения первичных преобразователей электромагнитного типа, которая позволяет формировать схемы различных измерителей параметров двухфазных потоков в трубопроводах.

7. Проведены экспериментальные исследования, которые подтвердили основные теоретические выводы, разработаны и изготовлены экспериментальные образцы преобразователей. Результаты экспериментальных исследований совпадают с числовыми расчетами, полученными с использованием разработанной математической модели.

8. Разработаная структурно-функциональная схема электромагнитного расходомера позволяет создать средство для измерения объемного расхода магнетитовой пульпы и концентрации магнетита в ней.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

1. Вельт И.Д., Овчинников А.П. Датчик с радиальным магнитным полем для измерения расхода и структуры потока пульпы // Сб. мат-лов

XIY Науч.-техн. конф. «ДАТЧИК-2002» Под. ред. проф. В.Н. Азарова,- М.: МГИЭМ, 2002.-С.14-16.

2. Вельт И.Д., Овчинников А.П. Датчик с радиальным магнитным полем для измерения расхода и структуры потока пульпы // Датчики и системы 2003г.-№1- С.30-33.

3. Вельт И.Д., Овчинников А.П. Электромагнитный способ измерения уровня // Патент RU 2212022, С1, 7 G 01 F 23/26, Бюл. N23,10.09.2003г.

4. Veit I.D., Ovchinnikov А.Р. Electromagnetic flowmeter with radial magnetic field // XVIIIMEKO World Congress June 22-27, 2003, Dubrovnik, Croatia

5. Овчинников А.П. Способ измерения уровня жидкости электромагнитным методом // Совершенствование измерений расхода, регулирование и коммерческий учет энергоносителей: Труды 3-го Меж. науч.-практ. форума. 2-4 декабря 2003г./ Под.ред. А Г. Лупея- СПб.: Борей-Арт, 2003,- С. 133-137.

6. Овчинников А.П. Электромагнитный датчик для контроля и управления параметрами многофазных потоков при гидротранспорте// Датчики преобразователи информации систем измерения, контроля и управления. Сб. мат. XYI Науч.-техн. конф. / Под.ред. проф. В.Н. Азарова,-М.: МГИЭМ, 2004,- С. 134-136.

7. Вельт И.Д., Овчинников А.П. Способ поверки электромагнитных уровнемеров и расходомеров-уровнемеров II Коммерческий учет энергоносителей: Труды 20-й Межд. науч.-практ. конференции. 23-24 ноября 2004г./ Под.ред. А.Г. Лупея,- СПб.: Борей-Арт, 2004.С.145-149.

8. Овчинников А.П. Компенсационный электромагнитный метод измерения параметров пульпы при гадротранспортировании // Датчики и системы, 2005г.-№5 -С.11-13.

9. Овчинников А.П. Анализ магнитной цепи электромагнитного расходомера // Коммерческий учет энергоносителей: Труды 21-й Меж. науч.-практ. конф. 24-26 мая 2005г./ Под.ред. А.Г. Лупея.- СПб.: Борей-Арт, 2005.-С. 141-149.

10. Вельт И.Д., Михайлова Ю.В., Овчинников А.П. Электромагнитный метод измерения расхода сред с неоднородной проводимостью // Коммерческий учет энергоносителей: Труды 22-ой Меж. науч.-практ. конференции. 22-23 ноября 2005г./Под.ред. А.Г. Лупея,- СПб.: Борей-Арт, 2005.- С. 131-136.

П.Овчинников А.П. Электромагнитный датчик для автоматизированного контроля и управления параметрами двухфазных потоков при гидротранспорте. // Горное оборудование и электромеханические машины и автоматика. - 2006- №1.

,с

Подписано в печать 14.04.06. Формат 60x90/16 Объем 1 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № Типография МГГУ. Ленинский проспект, 6.

ЛоШ

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ИЗМЕРЕНИЯ МНОГОФАЗНЫХ

СРЕД И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ

В ТРУБОПРОВОДНОМ ГИДРОТРАНСПОРТЕ

2.1 Анализ кинетических свойств двухфазной пульпы при гидротранспортировании.

2.2 Анализ геометрического подобия структуры двухфазных потоков.

Глава 3. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО МЕТОДА И Ф СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ДВУХФАЗНЫХ

ПОТОКОВ

3.1 Анализ влияния структуры потока на характеристику

I электромагнитного расходомера.

3.2 Описание сигнала расходомера при измерении параметров потока пульпы.

3.3 Инженерные решения построения электромагнитного расходомера.

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ

• ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ

РАСХОДОМЕРЕ МЕТОДАМИ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

4.1 Построение модели для численного моделирования расходомера.

4.2 Численное моделирование распределения вектора магнитной индукции в канале расходомера.

4.3 Численное моделирование электрического поля в канале расходомера.

-34.4 Экспериментальное исследование прибора, определяющего параметр подобия структуры потока.

Глава 5. РАЗРАБОТКА МЕТОДА И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ ПУЛЬП

5.1 Анализ методов корректировки изменений магнитных свойств магнитной цепи расходомера.

5.2 Синтез модели магнитной цепи расходомера.

5.3 Разработка конструкции расходомера, учитывающего магнитные свойства измеряемой среды.

5.4 Анализ информативности сигналов первичного преобразователя.

5.5 Экспериментальное исследование опытного образца расходомера железорудной пульпы.

Управление важнейшими технологическими процессами, так и автоматизация последних, требует разработки все более совершенных методов измерения, которые позволили бы создать дешевые, надежные и точные средства контроля и измерения количественных параметров потока. В настоящее время методология и техника контроля и измерения параметров однофазных веществ, таких как однородные жидкости, хорошо развита. Однако, задача создания средства для измерения расхода, диагностирования кинематической структуры потока и распределение фазового состава двухфазных пульп и потоков безнапорных жидкостей в трубопроводах чрезвычайно актуальна, но не проработана.

Задача создания высокоэффективных автоматизированных систем управления технологическими процессами, в состав которых входят магистральные гидротранспортные трубопроводы, на сегодняшний день является актуальной. Эта задача не может быть решена без создания нового класса приборов, позволяющих наряду с измерением расхода многофазного потока, диагностировать распределении компонентов многофазного потока в трубопроводе в режиме реального времени. Повышение эффективности существующих систем автоматизации технологических процессов гидротранспортирования требуется в горнодобывающих и перерабатывающих отраслях промышленности.

Рациональные и технически возможные пути интенсификации гидротранспорта - это резкое увеличение транспортирующей способности взвесене-сущих потоков и уменьшение энергетических затрат на гидротранспортирование, которые приводят к значительному уменьшению мощности установленного оборудования (трубопроводов, насосных станций и т.п.).

В настоящее время при учете количества двухфазной пульпы используют методы позволяющие определить объемный расход пульпы, а при известной концентрации твердых веществ в ней, расход твердой и жидкой фазы. Однако при меняющейся во времени концентрации твердой фазы, например, в процессе гидродобычи полезных ископаемых при помощи землеснарядов, информация о кинематической структуре потока пульпы носит важный характер. Наиболее предпочтительной для оператора, управляющего транспортированием пульпы, является численная информация о величине объемного расхода пульпы и изображение на экране структуры потока в канале пульпопровода, позволяющее наглядно оценить интенсивность расслоения твердой и жидкой фаз пульпы. И на основании этих данных принять меры для поддержания оптимального процесса гидротранспортирования твердых материалов или процесса работы землеснаря-да.

В этой связи более перспективным является методы и средства позволяющие на ряду с информацией о расходе получать и сведения о структуре потока в канале, иными словами получить томографическую картину структуры потока.

Сегодня промышленность заинтересована в томографии процессов, поскольку последняя открывает совершенно новое "окно" для наблюдения за технологическими процессами в реальном времени и при меньших затратах, чем при использовании многих обычных промышленных анализаторов. Методы томографии позволяют измерять такие величины как распределение вещества по сечению канала и как производную величину - концентрацию твердой фазы пульпы. Информацию такого типа редко удается получить при помощи используемых технологами традиционных датчиков, особенно в случае многофазных потоков. Поэтому эти методы позволяют глубже понимать характер двухфазных потоков пульп в трубопроводах, а получаемую информацию использовать для создания более совершенного технологического оборудования и управления технологическими процессами с целью увеличения выхода продукции и повышения ее качества.

В настоящей работе проведено исследование и разработка метода и средства, основанного на электромагнитном принципе измерения параметров двухфазной пульпы, позволяющего наряду с информацией об объемном расходе пульпы, получить информацию о кинематической структуре потока в реальном режиме времени, которая численно характеризуется значением параметра подобия структуры потока. Используя параметр подобия структуры потока в системе контроля и управления процессом гидротранспортирования твердых материалов по трубопроводу, можно существенно повысить рентабельность гидротранспорта за счет оперативного контроля скорости транспортирования многофазного потока.

Применение электромагнитного метода измерения для создание на его основе датчиков и средств, входящих в автоматизированную систему контроля и управления процесса гидротранспортирования и обладающих повышенными технологическими и метрологическими характеристиками, на сегодняшний день возможно и этому посвящена диссертационная работа.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование методов и средств для автоматизации контроля и управления параметрами двухфазных потоков в трубопроводах при гидротранспорте твердых материалов, позволяющего наряду с информацией об объемном расходе пульпы, диагностировать распределение фазового состава по сечению трубопровода.

Идея работы состоит в использовании двух режимов измерения, одно при магнитном поле, содержащим нечетные пространственные гармоники в измерительном канале расходомера, второе при магнитном поля, содержащим, четные пространственные гармоники. Совокупность измерений позволяет решить задачу измерения расхода и кинематической структуры двухфазного потока.

Методы исследования. При решении поставленных в работе задач использовались методы математического анализа и моделирования, теоретической физики, гидравлики однофазных и двухфазных потоков, применено современное программное обеспечение для разработки математических моделей и обработки расчетных и экспериментальных данных (АЫ8У8, МАРЬЕ, МАТНСАЭ).

Защищаемые научные положения и их новизна

1. Выявленное взаимодействие двухфазного потока с магнитным полем, имеющим симметричное распределение индукции относительно плоскости, проходящей через оси электродов и трубы, создает электрическое поле, которое зависит от неоднородности кинематической и фазовой структуры потока по вертикальной оси канала.

2. Разработанная математическая модель электромагнитного расходомера позволяет исследовать магнитогидродинамические процессы в первичном преобразователе, моделировать неоднородность распределения электропроводности среды в рабочем объеме канала при различных профилях скорости потока, которые определяют параметр подобия структуры двухфазного потока.

3. Метод непрерывного восстановления положения поверхности нулевого потенциала в плоскости оси канала и линии, соединяющей электроды электромагнитного расходомера, позволяет измерять состояние кинематической структуры двухфазных пульп при гидротранспортировании.

4. Расход потока железорудной пульпы и содержание в ней магнетита определяется по характеристике нормальной компоненты магнитного поля на поверхности канала и поверхностной весовой функции электромагнитного расходомера.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и экспериментальных результатов подтверждаются использованием классических и современных методов расчета характеристик магнитного и электрических полей, 95% совпадением результатов теоретического анализа и математического моделирования с данными экспериментальных исследований. Научное и практическое значение работы:

1) Предложен метод и разработано устройство, измеряющее параметр подобия структуры двухфазного потока, новизна которого подтверждена патентом России, обладающие высокой точностью, технологичностью и надежностью.

2) Спроектированы, изготовлены и испытаны реально действующие образцы электромагнитного расходомера для измерения объемного расхода магне-титовой пульпы и концентрации магнетита в ней.

3) Предложена и разработана методика построения электромагнитного расходомера, которая позволяет проектировать средства контроля параметров двухфазных потоков для автоматизации технологических процессов, связанных с гидротранспортированием пульп по трубопроводам. Реализация результатов. Партия опытных образцов (8 приборов) электромагнитных расходомеров для магнетитовой пульпы с Ду 300 мм типа «Взлет

ЭМР-КМ», изготовленная на основе рассмотренной диссертационной работы, установлена и успешно эксплуатируется на технологическом трубопроводе Лебединского Горно-обогатительного комбината.

Результаты работы приняты для использования в учебном процессе при подготовке дипломированных специалистов по направлению «Автоматизация и управление» Московского государственного горного университета.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XIV Научно-технической конференции «Датчик-2002» (г.Судак Украина, 2002 г.), на ежегодных научных симпозиумах "Неделя Горняка" (МГГУ, 2003 - 2006 гг.), на 16-й, 20-й, 21-й, 22-й Международной научно-практической конференции «Коммерческий учет энергоносителей» (г. Санкт-Петербург, 2002, 2004, 2005 г.), на 3-ем Международном научно-практическом форуме «Совершенствование измерений расхода, регулирование и коммерческий учет энергоносителей» ( г. Санкт-Петербург, 2003г.).

Публикации. Основные научные положения, выводы и практические результаты отражены в 11 опубликованных печатных работах по данной теме научных работах автора, получен патент РФ на изобретение и подано на рассмотрение три заявки на патент РФ.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Автоматики и управления в технических системах» Московского государственного горного университета.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе, которая является научной квалификационной работой, на основании выполненных автором исследований представлено новое решение актуальной задачи оперативного контроля параметров потока двухфазной пульпы при ее гидротраиспортировании по горизонтальным трубопроводам, а также получена математическая модель электромагнитного расходомера и создание на этой основе технических средств контроля. Эта задача имеет существенное значение для отраслей промышленности, где используется гидротранспортирование пульп по трубопроводам. Решение задачи осуществляется с помощью создания в первичном преобразователе электромагнитного расходомера магнитных полей, различной пространственной конфигурации и измерения магнитогидродинамических процессов в двухфазном потоке, что позволяет вычислить необходимые параметры потока и производить контроль процесса гидротранспортирования.

Развитые в диссертации теоретические положения, методики расчетов и их экспериментальная и теоретическая база, позволили создавать преобразователи первичной информации для автоматического контроля параметров двухфазных потоков при гидротранспорте.

В работе получены следующие основные результаты:

1. Предложен электромагнитный метод определения расхода и структуры двухфазного потока, предусматривающий два режима измерения электрического поля в канале расходомера, один из которых обеспечивается при магнитном поле возбуждения, содержащем только нечетные пространственные гармоники, а другой - только четные пространственные гармоники.

2. Разработан компенсационный электромагнитный метод измерения структуры потока, заключающийся в формировании с помощью магнитного поля, поверхности нулевого электрического потенциала вдоль линии, соединяющей электроды. При этом всякое изменение параметров структуры потока при горизонтальном гидротранспортировании пульпы отслеживается соответствующим изменением магнитного поля, а положение поверхности нулевого потенциала, контролируется с помощью измерительных электродов, расположенных в соответствующих местах измерительного сечения канала. Предложенный метод повышает точность определения параметров структуры двухфазного потока и позволяет получить его качественное томографическое отображение.

3. Получено аналитическое выражение весовой функции электромагнитного расходомера в трехмерном пространстве при экспоненциальном распределении электропроводности двухфазного потока по направлению, перпендикулярному плоскости оси канала и линии электродов. Это решение позволило составить математическую модель реальных структур потока твердой размельченной фазы в воде при горизонтальном их транспортировании (песковые, угольные, гравийные пульпы).

4. Предложено критериальное описание реальных кинематической и фазовой структур потока при гидротранспортировании сыпучих сред по горизонтальным каналам.

5. Создана математическая модель магнитогидродипамического преобразования в канале прибора и на ее основе исследованы условия оптимизации предложенных методов измерения расхода и структуры двухфазного потока электромагнитным методом.

6. Предложена концепция построения первичных преобразователей электромагнитного типа, позволяющая формировать схемы различных измерителей параметров двухфазных потоков в трубопроводах.

7. Проведены экспериментальные исследования, подтвердившие основные теоретические выводы, разработаны и изготовлены экспериментальные образцы преобразователей. Результаты экспериментальных исследований сходятся с числовыми расчетами, полученными с использованием разработанной математической моделью.

8. Разработана структурно-функциональная схема электромагнитного расходомера, позволяет создать средство для измерения объемного расхода магнетитовой пульпы и концентрации магнетита в ней.

1. Абрамов Г.С., Барычев A.B., Зимин М.И. Практическая расходометрия в промышленности М.: ОАО "ВНИИОЭНГ". - 2000. - 471 с.

2. Автоматизация в угольной и горнорудной промышленности, Материалы научно-технической конференции, Гос.издательство технической литературы УССР, Киев, 1961

3. Автоматизация проектирования магистральных гидротрубопроводов: Сб. науч. тр. Всесоюз. н.-и. и проекг.-изыскат. ин-т трубопровод, гидротранспорта Отв. ред. С. В. Лукьянов. -Б.м. 1987. - 93 е.: ил.

4. Авторское свидетельство №838355. Датчик электромагнитного расходомера. Баранов O.A., Вельт И.Д. и др.

5. Асауленко И.А., Витошкин Ю.К., Карасик В.М., Криль С.И., Очеренко В.Ф, Теория и прикладные аспекты гидротранспортирования твердых материалов, Киев, Наукова думка, 1981.

6. Бобылев A.B., Топоров Н.И. Сгущение железорудного концентрата его гидротранспортирование. Горный журнал 1984, №10.

7. Брюховецкий О. С. Гидравлическая модель потока гидросмеси для условий напорного транспортирования минерального сырья. Моск. геол.-развед. ин-т им. Серго Орджоникидзе. М.: МГП Геоинформмарк. - 1990. - 87 е.: ил.

8. Быховский И. И. Исследования технологии и оборудования терминальных комплексов магистрального гидротранспорта: Сб. науч. тр. -Б.м. 1985.- 107 е., ил.

9. Вакулин A.A. Расчетпо-экспериментальные методы и измерительно-вычислительные комплексы для определения расходных и тепловыххарактеристик однофазных и многофазных потоков в трубопроводных системах: Дис. канд. техн. наук: 01.04.14. -Тюмень, 2000.

10. Ватин Н.И. Моделирование течения жидкости в канале корреляционного расходомера СПб.: Изд-во СПбГТУ. - 1999. - 22 е.

11. Вельт И.Д., Михайлова Ю.В. Электромагнитный метод измерения расхода и уровня жидкости в незаполненных трубопроводах. Датчики и системы, №7-8, 1999.

12. Вельт И.Д., Михайлова Ю.В. Исследование кинематической структуры потока МГД-методом. Магнитная гидродинамика, 1983, №4.

13. Вельт И.Д., Михайлова Ю.В., Перфильева Л.Д. Измерение расхода пульпы электромагнитным методом. Приборы. 2001, №11.

14. Вельт И.Д., Овчинников А.П., Датчик с радиальным магнитным полем для измерения расхода и структуры потока пульпы. «Датчики и системы » №1 2003г. -64 стр./ Стр. 30-33

15. Вельт И.Д., Овчинников А.П., Электромагнитный способ измерения уровня. Патент 1Ш 2212022, С1, 7 в 01 Р 23/26, Бюл. N23, 10.09.2003г.

16. Вельт И.Д., Овчинников А.П. Способ поверки электромагнитных уровнемеров и расходомеров-уровнемеров. Патент 1Ш 2249187, С1, МКП7 в 01 Б 25/00, Бюл. N9, 27.03.2005г.

17. Вопросы определения технологических параметров линейной части гидротранспортных систем: Сб. науч. тр. НПО Гидротрубопровод Отв. ред. А. С. Кондратьев. М.: НПО Гидротрубопровод. - 1989. - 150 е.: ил.

18. Ермолкин О.В. Разработка и исследование спектрометрического метода и информационно-вычислительных систем измерения расхода многофазных потоков: Дис. д-ра техн. наук: 05.11.16. -М., 1998. :Гос. акад. нефти и газа им.И.М.Губкина.

19. Карасик В.М., Асауленко И.А. Напорный гидротранспорт песчаных материалов. Киев: Наукова думка, 1966,-107 с.

20. Кирко И.М. «Исследования электромагниных явлений в металлах методом размерности и подобия», Издательство АН Латвийской ССР, Рига 1959.

21. Кононенко Е.А., Дьячук О.В. Добыча угля землесосными снарядами для трубопроводного транспортирования. Уголь.- 2000. -№11.

22. Коммерческий учет энергоносителей: Труды 16, 17, 16 конференции. СПб. 2002-2006 г. Балтушнинкас Д., Вирбалис Ю. Способы контроля коэффициента передачи магнитной цепи электромагнитного расходомера.

23. Кремлевский П. П. Измерение расхода многофазных потоков. Л.: Машиностроение, 1982. -214 с.

24. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник- 5-е изд., перераб. и доп. СПб.: Политехника. - 2002. - 48 уч.-изд. л.: ил.

25. Криль С. И. Напорные взвесенесущие потоки. АН УССР, Ин-т гидромеханики. Киев: Наук, думка. - 1990. - 158,2. е.: ил.

26. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа М. Наука, 1973.

27. Михайлова H.A. Перенос твердых частиц турбулентными потоками воды. Л., Гидрометеоиздат, 1966.

28. Нурок Г.А., Бруякип Ю.В., Ляшевич В.В. Гидротранспорт горных пород. М.: МГИ, 1974.-168 с.

29. Овчинников А.П., Анализ магнитной цепи электромагнитного расходомера. «Датчики и системы » №11 2005г. -68 стр./ Стр. 15-19.

30. Овчинников А.П., Компенсационный электромагнитный метод измерения параметров пульпы при гидротранспортировании. «Датчики и системы » №5 2005г. -68 стр./ Стр. 11-13

31. Овчинников А.П., Способ измерения уровня жидкости электромагнитным методом. Совершенствование измерений расхода, регулирование и коммерческий учет энергоносителей: Труды 3-го Международного научно-практического форума. 2-4 декабря 2003г./ Под.ред.

32. A.Г.Лупея- СПб.: Борей-Арт, 2003.-476с.: ил. стр.133-137.

33. B.Н. Азарова.- М.: МГИЭМ, 2004.-355с. Стр.134-136.

34. Патент России №2146042 G01 F 25/00 Способ градуировки и поверки электромагнитных расходомеров. Изобретения. 2000 №6.

35. Патент России №2161778 G01 F 1/58 Электромагнитный расходомер. Изобретения. 2001 №1.

36. Патент США, № 5,301,556, 1994 г., FLOW MEASURING APPARATUS.

37. Покровская В. Н. Трубопроводный транспорт в горной промышленности.-М.: Недра, 1985.

38. Промышленные методы измерения расхода жидкости и газа: Сб. науч. тр. Гос. НИИ теплоэнерг. приборостроения Ред. кол.: Иордан Г. Г. (гл. ред.) и др. -Б.м. 1988. - 90,[2] е., [2] л. ил.: ил.

39. Пугачев Н. С. Измерение расхода жидкости, газа и пара: Учеб. пособие -Б.м. 1988. - 93 е.: ил. -(Метрология).

40. Рекомендации по расчету переходных процессов в гидротранспортных системах: П32-87/ВНИИГ ВНИИ гидротехники им. Б. Е. Веденеева, Ленингр. политехи, ин-т им. М. И. Калинина -Б.м. 1987. - 29,1. е.: ил.

41. Релин А.Б. Системы автоматического контроля технологических параметров землесосных снарядов.- М.:Стройиздат,1985.

42. Слободкин Абрам Яковлевич. Гидротранспорт измельченной древесины: Текст лекций Ленингр. лесотехн. акад., Ленингр. техпол. ин-т целлюлоз .-бум. пром-сти -Б.м. 1989. - 65 е.: ил.

43. Смолдырев А.Е. Гидро- и пневмотранспорт. М., Металлургия, 1975.

44. Смолдырев А.Е., Сафонов Ю.К. Трубопроводный транспорт концентрированных гидросмесей., М.: Машиностроение, 1989

45. Смолдырев А.Е. Трубопроводный транспорт М.: Недра, 1980,-292 с.

46. Смолдырев А.Е. Трубопроводный транспорт (основы расчета). Госгортехиздат, 2-е изд., перераб. и доп. М., Недра, 1970.

47. Соу.С. Гидромеханика многофазных систем (пер. с анг.). М., Мир, 1975.

48. Спиваковский А.О., Смолдырев А.И. Автоматизация трубопроводнго транспорта в горной промышленности. М.: Недра, 1972,-342 с.

49. Фикс И.Г. Анализ магнитного поля катушек конечных размеров. Известия АН СССР. Энергетика и транспорт. 1977, №4.

50. Фикс И.Г. Некторые вопросы теории синтеза двухмерных магнитных полей. Известия АН СССР. Энергетика и транспорт. 1975, №5.

51. Фикс И.Г., Звенигородский Э.Г. Исследование электрической проводимости угольных пульп. Сборник №22, Вопросы добычи угля гидравлическим способом. ДонУГИ. 1961.

52. Харин А. И., Гусак JI. Н. Двухфазные потоки в напорном гидротранспорте: Учеб. Пособие -Б.м. 1987. - 107,1. е.: ил. - На рус.яз. -Российская Федерация. - Библиогр.: с. 99-100 (20 назв.).

53. Чугаев P.P. Гидравлика. Л.: Энергоиздат, 1982 г.

54. Шейхет С. И. Современные методы контроля консистенции и производительности на землесосном снаряде. В кн.: Гидромеханизация при разработке тяжелых грунтов. М.: ЦНИИТЭМ, 1968, с. 319-325.

55. Шерклиф Дж. Теория электромагнитного измерения расхода. Мир. М. 1965г.

56. Шкундин Б.М. Землесосные снаряды.- М.: Энергия, 1968.-376с.

57. Экспериментальные стенды и установки для отработки параметров гидротранспорта твердых материалов: Сб. науч. тр. Науч.-произв. об-ние Гидротрубопровод Отв. ред. Б. С. Степин. -Б.м. 1989. - 158,1. е.: ил.

58. Электрические измерения неэлектрических величин. Изд.5-е, Л., «Энергия», 1975 под. ред. П.В.Новицкого.

59. Юфин А.П., Филимонова И.В., Тарасов В.К. Исследование структуры взвесенесущего потока. В кн.: Гидромеханика, Киев, вып. 25, 1973

60. Ikonen Е. and Heikkinen P. Modelling of Pulp Flow Rate with Variable Consistency. Neural Comput & Applic (2000) 9:165-171.

61. IHC System B.V. Efficient dredging, www.ihcsystems.com.

62. Horner В., Meseh F., Trachtler A. A multi-sensor induction flowmeter reducing errors due to non-axisymmetric flow profiles. Meas. Sei. Technol. 7 (1996).

63. Griffiths H. Magnetic induction tomography. Meas. Sei. Technol. 12 (2001)

64. Reinecke N., Petritsch G., Boddem M. Tomographic imaging of the phase distribution in two-phase slug flow. Int. J. Multiphaes Flow, No 4, 1998.

65. Salami L.A. "Application of a computer to asymmetric flow measurement in circular pipes" Trans. Inst. Vol.6, No 4, July-Sept, 1984.

66. Scott D. M. Industrial applications of process tomography. Proceedings of IMEKO- XV World Congress. 1999. Pp 17-24.

67. Takasugi S., Miura Y., Arai E. Conceptual design of an electromagnetic tomography system. Jornal of Applied Geophysics #35/1996.

68. Trachtler Ansgar, Extensions of electromagnetic flow measurement to flow imaging, accurate flowrate measurement and determination of rheological parameters, IMEKO-XIV World Congress, v. VI, t.9-12,1997, Finland.

69. Veit I.D., Ovchinnikov A.P. Electromagnetic flowmeter defining topological structure flow. International Conference on "Hydrocarbon Flow Measurement" 22 24 September, 2003 FCRI, Palakkad, Kerala, India.

70. Veit I.D., Ovchinnikov A.P., Electromagnetic flowmeter with radial magnetic field. XVII IMEKO World Congress June 22-27, 2003, Dubrovnik, Croatia79. www.ansys.com дистрибьютер в РФ CADFEM www.cadfem.ru

71. Xiao-Zhang Zhang. The effect of the phase distribution on the weight function of an electromagnetic flow meter in 2D and in the annular domain. Meas. Sei. Technol. 8 (1997).

72. Xiao-Zhang Zhang. The virtual current of an electromagnetic flow meter in partially filled pipes. Meas. Sei. Technol. 9 (1998) 1852-1855.

73. Xu L. J., Li X. M., Dong F. Optimum estimation of the mean flow velocity for the multi-electrode inductance flowmeter .Meas. Sei. Technol. 12 (2001).