автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Разработка и исследовнаие метода и средств измерения объемной концентрации газовой фазы в двухфазных газожидкостныхпотоках

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ .• "ВСЕСОЮЗНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ . МУЧНО-ИССЗДОВАТМШШИ ИНСТИТУТ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКНХ И РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИИ"

'На правах рукописи

АЛЕКСЕЕ« АЛЕКСАНДР АЛЕКСЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ОБЪЕМНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ В ДВУХФАЗНЫХ ГАЗОтЩКОСТНЫХ. ПОТОКАХ

05.II .01 - Приборы и методы измерения механических величин

05.II.15 - Метрология и метрологическое обеспечение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степом» кандидата технических нлук

Ыооюза -

/

' { /

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ "ВСЕСОШ1Ы11 ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ■ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИИ ИНСТИТУТ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ И РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИИ"

На правах рукописи

АЛЕКСЕЕВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ОБЪЕМНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ В ДВУХФАЗНЫХ ГАЗОКЩКОСТНЫХ ПОТОКАХ

05.11,01 - Приборы и методы измерения механических величин

05.11.15 - Метрология и метрологическое обеспечение

автор е'ферат

диссертации на соискание учено;* степени кандидата технических наук

Иосгла - .¡9-0

Работа выполнена в НПО "ъсесоюзныи ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерении".

Научный руководитель - доктор химических наук,

профессор а.л.Сейфер.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор А.л.Тупиченков - кандидат технических наук, старшии научный сотрудник Г.Р.Баранова.

Ведущая организация - Всесоюзный научно-исследовательский лнотитут расходометрии.

Защита состоится " ЧТ г. в/'/ часов

на заседании Специализированного совета Д.041.02.01. в НПО "всесоюзный ордена Трудового Красного Знамени научно-иоследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений" (НПО "ШИНФТРИ) по адресу: 141570, Московская обл., Солнечногорский р-н, п. Менделееве С тел. 535-93-85, 535-93-01)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НПО 'ЧШИФТРИ".

Автореферат разослан 1990 г.

Ученый секретарь Специализированного совета

кандидат технических наук ^—"" Ю.Д.Иванова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ .

Актуальность работы. Важнейшим параметром двухфазной газо-яидкостной среды, является.объёмное газосодержание (несшюшность). Измерение газосодержания позволяет исследовать масляные и топливные системы в авиационных и ракетнокосмическлх комплексах, исследовать нефте-газовые, потоки и вводить поправки в показания расходомеров и счётчиков при добыче и транспсТртировке нефти и нефтепродуктов, исследовать явления теплопередачи в ядерной энергетике, определять величину теплспритоков в криогенной технике и т.д. В настоящее время существует много методов измерения, основанных на различных физических принципах (механические, оптические, радиационные, электромагнитные и др.), но нет комплексного подхода как к созданию метода и средотва измерения газосодержання, работоспособного во многих средах в сложных условиях эксплуатации, так и к созданию методов и средств его метрологического обеспечения.

гЦвлъ работы:

I. Разработка и исследование метода.и средств измерения газосодержания, которые:

- не нарушают структуру потока в трубопроводах диаметром до 100мм при давлении до 0,25- ЫПа;

- работоспособны в широком диапазоне температур на "тёплых" средах (вода, спирт, фреон, углеводороды), а также на криогенных (азот, кислород, гелг,!;);

- позволяют измерять газосодерданле в диапазоне до 10;? с погрешностью на подовоздушнои смеси при портальных услотылх но оолее 1,

- "ютзол'тст гзксрлть мгновенное ( ^ — ОСЬп) :: /спптг'лСН'.'.о^

значение параметра;

- обеспечивают работоспособность при длинз более ЮОы от первичного преобразователя до вторичной аппаратуры;

- работоспосооны в электрических и магнитных полях.

2. Разработка и исследование средств петрологического обеспечения измерении, позволяидпх проводить аттестацию первичных преобразователей в диапазоне газосодердашш до 10% с погрешностью на водовоздушной смеси не оолее 0,5%.

Научная новизна, Впервые:

- предложен акустический метод определения газосодерпания, основанный на измерении амплитуды А, (|дзы Ф, а также суммы этих сигналов (А+ш), вынужденных колебаний системы, состоящей из одного или двух коаксиальных пьезоцилиндров о находящейся в их внутренней полости исследуемой средой;

- создан и исследован ряд преобразователей сплошности акустических "НСА", работоспособных в трубопроводах диаметром до 100мм как на "тёплых", так и па криогенных средах;

- разработана методика выбора рабочей частоты преобразователя

■ \

для измерения в заданном днгшазоне газосоде ржания;

- разработан метод разовой температурной компенсации при измерении газосодержания; '

- разработана и изготовлен? установка воспроизведения фазового состава "УВФС", предназначенная дяя метрологической аттестации сшюакомеров. Аналитически и экспериментально исследованы конструктивные вАементы установки и оценена погрешность воспроизведения .■ Газосодержаяия в водовоздушной смеои;

- разработан, создан и, исоледоьац комплекс измерения сплошности "КИОА", состоящий Из набора Первичных преобразователей "ИСА", гра-

дупровочных установок "УвФС" и нескольких вариантов вторичной измерительной аппататуры, выполненной, в основном, из стандартных промышленных приборов, смонтированных в измерительную стойку. Определена основная погрешность и выявлены дополнительные погрешности от влияния различных факторов.

Практическая ценность. На основе проведенных исследований разработаны и изготовлены преобразователи сплошности "ПСА", входящие в комплекс "КИСА", позволяящие достаточно точно проводить динамические измерения гэзосодер-анпя в очень широком диапазоне веществ в трубопроводах внутренним диаметром до 100 мм (Д = 10,13, 18, 24, 30, 40, 50," 60, 80, 100мм) в тяжелых условиях эксплуатации. Установка "УВЮ" позволяет проводить гро.дунровочше и поверочные работы не только с преобразователями "ПСА", но и практически с любыми другими типами измерителе!; газосодерглшш.

.Внедрение. Созданная аппаратура применяется на различных предприятия:! страны.

1. и НПО "ВНИИФТКИ" используются в научных исследованиях ¡¿0 первичных преобразователе:! "ПСА" в комплекте с измерительной стойкой, 18 барбота/лшх колонок установок "/ВФС", 2 преобразователя с устройством компенсации температурной погрешности, олок суммирования сигналов (А+Ф) для преобразователен о иоыэтепноП чувст-звптельностья измерения газосодернашш.

2. а институте теплофизики С0Д11, г. Новосибирск, пепптпвазт-ся преобразователь НСА-Ю (Д,г= 10 ¡ям), используемый дтя пзмортния концент|кщ::г гг>зо;:оГ. :Тазы з гящком азоте.

3. В Центральной :шст>;тут« рвпацдонпого :.юторостго»г!:-л ' (Ц!:.11л), г. Москва, гшдрси трообразов.мтечь пОЛ-24 (Д. в ~4 п:).

предназначенный дая экспериментального исследования двухфазных масловоздушных потоков в диапазоне температур 20-Ю0°и.

4. В ряде организаций различных министерств на исследовательских стендах внедрено;

- 3 комплекса "КИСА", которые состоят из 10 преооразователей "нСА" (Ду=10 - 100 мы), эксплуатирующихся на водовоздушных смесях, 3 измерительных стоек, снабженных командным отсечным устройством, 10 барботажных колонок установок "УВФС".

- преооразователь ПСА-ЬОС Ду= Ь0 мм), установленный в криогенной установке дая измерения концентрации газовой фазы в жидком кислороде.

Апробация работы . Содержание диссертаций докладывалось и получило' полохительную оценку на Всесоюзных научно-технических конференциях "Развитие системы метрологического обеспечения измерения расхода и количества веществ", г, Казань, в 1979 и в 1984 годах, "Криогенная техника-82, г. Балашиха, 1982г., Отраслевой конференции "Пути обеспечения единства методологии в оценке точности измерений при лабораторно-стевдовой отработке", г. Днепропетровск, 1988г. и научных подразделениях ВШШТРй. Преобразователи "ПСА" демонстрировались в'экспозиции "Изобретательство и . рационализация ИР-88" на ДЩ1Х СССР.

Публикации . По данной диссертации опубликовано II печатных работ, из. которых 5 авторских свидетеяьств, 3 статьи, тезисы 3 докладов на Всесоюзных научно-технических конференциях.

Структура и обил диссертации . Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. -Она содержит 120 страниц основною текста, 55 рисунков и 25 таблиц.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Предложенный метод определения газосодержанпя, основанный на измерении амплитуды А и фазы Ф вынужденных колебаний системы, состоящей из пьезокерамического цилиндра и исследуемой среды,за-полняицей его внутренныо полость, является основой для создания измерительных преобразователей сплошности.

2. Разработанные преобразователи сплошности позволяют измерять газосодержание как в "тёплых" средах (вода, спирт, фреон, углеводороды и т. д.), так и в криогенных (работоспособны в ;мщ-ком азоте, кислороде, гелии) в трубопроводах диаметром до Юимм.

3. Разработанные варианты барботшшого метода воспроизведения двухфазного газонщкостного слоя позволяют создать аппаратуру для градуировки лзмерлтелышх преобразователей в диапазоне газо-содер.тяния до Щ'5 с погрешностью на водовоздушпон смеси «еппе 0,5£.

4. Разработанные, исследованные и внедрённые в практику измерительные комплексы, состоящее из первичных преобразователей сплошности, установок для градуировки преобразователен п вторичной измерительной измерительной аппаратуры, позволяют измерять газосодертанке в диапазоне до 10% с погрешностью на водовоздуш-пои смеси не хуг.е 1,5^.

СОДИРдАНПЕ РАБОТЫ

Ро введении сбсоповааа актуальность томи, е^оркуа/рсвяж» цель работы и определены задачи лсследоваяяД,.отраекпн научной новизна :: практическая ценность работы, показаны апробаичя I! прт-д-пенг.е, представтспн основное поло".онгя, вчлосвиие на ззцг.ту.

Цервня глп^п диссертации ттссяящсо анализу соврсгегииго состояния л области "с-тодов п сс-л-:тп т:?рс.лля котпн гт-п,'.:',1 г-"-

зовой фазы в двухфазных средах с учетом'поставленных задач. Для количественной оценки концентрации фаз в двухфазном потоке используют параметр "истинное объемное газоеодархание" - ото отношение объема У г , занятого газом, к полному объему потока ( У г + ^ж )

¿•-г*- Ш

Приборы, измерящие концентрацию газовой фззн в газонидкостных средах, принято называть сплошномерамп, а саму величину газосоде рлания вырагать либо в долях, либо в процентах.

Разработана классификационная схема методов измерения оплошности, которые корено условно разбить на механические и измерения физических.свойств среды. Оценены достоинства и недостатки всех методов. Аналитическое рассмотрение показывает, что известные методы не позволяют релить поставленную задачу, однако по точности, быстродействию, уш'.ворсаяьност;, использования, простоте технической реализации предпочтительным оказываются различные вергянти акустического кетода.

ьо г.тороп главе рассматривается влияние гззотзнх пузырьков на

^зичоекко свойства -зед! оста и проводится оценочны;; расчет преобразователе!; сплошности. Появление газовах п>зирьков в -¡адкостл ' приводит к сгзшпекост:' снес;-. Когда частота f подошло ::о пузырек звука приолкгчется к иго собственной частоте ^ , то пузы-

ь

рек начинает резонировать, и происходит эффективное поглощение и рассеяние звука. Изменение газосодеркания приводит к изменению акустических параметров среди, т.е. к изменению плотности и разовой скорости звука 0. Плотность можно описать уравнением

где р^. и р^ - плотность газа и жидкости.

Для пузырьков' различных размеров скорость звука зависит не только от газосодеряанля, но и от частоты звуковых колебаний:

С - Сж ¡1- |~ Лп I , (3)

где: Сж- скорость звука в жидкости; К - волновое число, <5 -коэффициент затухания; Рп - радиус пузырька.

Рассматривая излучатель ультразвуковш: колебаний и контактирующую с ним двухфазную среду как механическую колебательную сис- ■ тему, можно измерять параметры этой системы и по ним определять газосодертание. Предложена теоретическая модель преобразователя, в которой исследуются колебания полого цилиндрического пьезоизлу-чателя с помощью пьезоприемника, расположенного непосредственно на излучателе. При подаче синусоидального электрического налршга-ш ^мна электроды излучателя . оно преобразуется в шхаличес-• гае радналыше колебания пьезоцилиндра, которые вводятся в исследуемую среду; В зависимости от изменения газосодержания,изменяется амплитуда и фаза вынузденных механических колебаний преобразователя в целом. Эти колебания преобразуются приемником в выходное электрическое иопряконие И вш£> амплитуда А и фаза Ф которого г,га-гут бить измерит.

Рассмотрена эквивалентная эдектропехаштаеская схема такого преобразователя, а татсге эквивалентная электрическая схема, в которой распределенные механические величины заменены иа сосредоточенные электрические, выполненные в виде набора активных н реактивных элементов. Глсменти схгати опродоляются через размори пьсзо-цплшщра, упругие п электрпчсскло постоянные ого материала, а ток-газ через параметры среди, в котох-ую излучается звуковая полип.

Расчет выходного сигнала ¿¿вых производится по формуле

и = 2.26* Йи / ,/

где ¿вх- комплексное входное сопротивление схемы; 2 вн- комплексное сопротивление, определяющее излучение в среду; /р -активная составлящая сопротивления излучения; ¿Г-коэффициент концентрации ультразвуковой волны; П, - коэффициент электромеханического преобразования.

При изменении газосодержания изменяются параметры среды ( р , С ), в зависимости от которых изменяются электрические параметры преобразователя ( % , % /Р и ), что приводит к изменению параметров выходного напряжения Расчет АЧХ и

ФЧХ на Э££Л показал, что они качественно совпадают с характеристиками реальных преобразователей, в то время как резонансные частоты можно рассчитать теоретически достаточно точно, Ццнако, из-за сложного и неоднозначного совокупного влияния параметров среды и ультразвуковой волны на показания преобразователей, а также из-за того, что упругие и пьезоэлектрические постоянные материалов, из которых изготавливается пьезоцшшндр, изменяются от партии к партии в заметных пределах, точный расчёт преобразователей нецелесообразен. Поэтому, для метрологической оценки выходных характеристик преобразователей сплошности б зависимости от газосодеркания, необходима его градуировка на рабочей среде.

Ц третьей главе рассматриваются принципиальные конструкторские и схемные решения. Предложена конструкция преобразователя сплошности, состоящая из полого пьезоцилиндра, на внешнюю поверхность которого наносятся путём металлизации электроды излучения и электроды приёма, выполненные з виде системы равномерно чере-

сплошности

ммсьтост:: И nr.-)

дующихся спиральных полос; Пьезоцшпшдр I (см.рис.1) с электродами 2 излучения п электродами 3 приема закреплен с помощь» компаунда 4 в корпусе б. К корпусу крепится трубопровод 6, в котором находится исследуемая среда 7. Принципиальная электрическая схема состоит из генератора 8,фазовращателя 9, измерителя разности фаз 10 и вольтметра II.

Высокочастотное электрическое напряжение генератора подается на электрода излучения и через фазовращатель на один из входов измерителя разности фаз. Выходной сигнал, пропорциональный газо-содернаншо, подается на вольмотр (измеряется амплитуда А) и на другой вход измерителя разности фаз (измеряется фаза Ф). Фазовращатель предназначен для настройки нулевого значения фазы при газосодержанки = 0%.

Рабочая частота преобразователя выбирается из анализа его частотных характеристик. Типичные ЛГК и ФЧХ преобразователей

= 24 мм) в широком диапазоне частот представлены на рис.2. Из графиков видно, что имеется некоторая характерная область час-то,г (о"1 1тлп Зпъссх ) в которой измеренные значения при о1 = и Л = 100^ существенно различаются как по амплитуде,так и по фазе. Измерение газосодериания по амплитуде выходного сигнала требуют высокой стабильности генератора по частоте и выходному напряжению, поэто1лу фазовый метод, с точки зрения метрологи- . ческих характеристик, является более предпочтительным. Для окончательного выбора рабочей частоты fp рассматривают изменение фазы принятого сигнала на частотах от ¿т^п д0 }та,к ДРИ различных промежуточных значениях газосодержанкя (ш.рис.З), которое мокао воспроизводить на специальных установках "УШС", описанных в гл.4. По этим характеристикам для заданного диапазона

Рис.3. ФЧХ- преобразователя сплошности (Ду=24 мм) в зависимости от газосодержания в характерной области частот

120.

80.

40.

/1 -0= 32,5 кГц

-□= 35 кГц }л -Д= 36,5 кГц

----а

А

/

-о

О 20 4 0 60 80

Рис.4. Градуировочные характеристики преобразователя сплошности (Ду=24мм) в зависимости от частоты

аС%

измерения выбирают одну или несколько фиксированных частот, на которых и проводят градуировку. Примерные градуировочные характеристики одного и того же преобразователя, соответствупдие выбранным рабочим частотам ( ^^ , ^ , ), приведены на рис. 4. Из рисунков видно, что для измерения газосодеряания в диапазоне с/=(0-100)% наиболее предпочтительной является частота (обзорная частота), на которой значение фазы равномерно увеличивается при увеличении газосодерхания от полного преобразователя к пустому. .В случае, если необходимо измерять малые концентрации газовой фазы, надо генератор электрических колебаний настроить на частоту ^ , т. к. именно на этой частоте при одном и том же малом изменении газосодержания чувствительность является наибольшей. Таким образом, выбором частоты можно варьировать'чувстЕительность преобразователя в нужном интервале газосодерг-ания.

Существенное влияние на показания сплошномера имеет состав компаундной заливки, которая слу.-иге для герметизации и закреп-лещ'я пьезокерамического цилиндра в корпусе преобразователя. Требования, предъявляемые к компаундной заливко, мо;хно разделить в основном на два вида: физико-механические и акустические. Физико- . механические характеристики компаунда рассматриваются с точки зрения электроизоляционных, влагозащитных и технологических параметров, его прочности, температурной зависимости внутренних напряжений, стойкости к термоударам, а тага® с учётом его взаимодействия ( контактное давление, адгезия ) с чувствительным элементом. Акустические характеристики рассматриваются с точки зрения распространения ультразвуковых колебаний, их затухания в компаунде п изменения его акустического сопротивления. 1'сследован набор

компаундов на основе различных эпоксидных смол с варьированием отвердителей, пластификаторов и наполнителей, а такте на основе полистирола. Показано, что в случае применения вспенивающегося полистирола марки ПСВ-С, преобразователь становится наиболее чувствительным к изменению газосодержания, практически инвариантным к разовому состоянию окружающей его снаружи среды и остаётся работоспособным в криогенных средах при любых режимах захолаживания.

Анализируя и АЧХ. и ФЧХ преобразователя, мо;:аю выбрать частоты, на которых- изменяется и амплитуда и фаза колебаний. Данное обстоятельство использовано в способе измерения, при котором одновременно с фазой $ измеряют амплитуду А колебаний, а о газосодер-.тании судят по сумме измеренных величин ( А+Ф ). Способ реализован в устройстве, в котором производится суммирование выпрямленного напряжения приёмника ( ¿/д ) и аналогового выходного напряжения

позволяет измерять газосодер:.;ание с повышенной чувствительностью.

О целью уменьшения влияния температуры среды на показания сплошпомера, предложена схема температурной компенсации в виде тер-мозавиоимой фазосдвигащей ЕС-цепочки, электрически включённой ме;гду электродами приёмника и входом измерителя разности фаз. Номинальные значения, а таюээ температурный коэффициент сопротивления (ТКО) резистора и температурный коэффициент ёмкости 1ТКЕ) конденсатора выоирают таким образом, чтобы при изменении температуры сдвиг фазы на выходе фазосдвигающеп цепочки компенсировал изменение фазы электрических колебаний, снимаемых с электродов приёмника. Резистор и конденсатор закрепляют с помощью неэлектропроводного, но обладающего большой теплопроводностью компаунда . з специальном держателе, устанавливаемом- в стенке тцубопровода с исследуемой средой.

измерителя разности фаз ( Ц,ср). Такое решение ( и* = ид н

Четвёртая глава посвящена методам и средства!/, градуировки еплошнокеров. Наиболее перспективным, с точки зрения метрологических параметров к удобства эксплуатации, является метод "гидростатического взвешивания " двухфазного пузырькового слоя, реализуемого барботажзм газа ч«рез жидкость.

Разработана и исследована установка воспроизведения фазового состарз "УВ1С" (рис.5), в которой градуируемый преобразователь I внутренним дгаметроы сС , установлен в барботаяную колонку мегду газоцзнтрнрущпш цилиндрами 2,3. lía нюшек цилиндре установлен барботёр 4 и на уровне выхода газа из барботёра закреплена уровне-герная трубка 5. Верхний-газоцентрируиций цилиндр снабтен дополнительней ёмкостью б, выполненной в виде цилиндра большего диаметра Л, в которой устааоплепа дополнительная уровнемерная трубка 7. В центре &:коста 6 закреплена перотированная труба 8 с диаметром <JL, pnBiiíPí дяяквгру газопептрирулцлх цилиндров ¿¡ нвляпцаяся их продол-ггеч^ом. 1ля измерения разности уроннеп ;,хдкостп предназначена шкала я. .Гопача газа па барботач осуществляется от росходокерио!. oioí.k'.í 1С, состоядвл из ьоборп с.;:тлей (В^-Ог), ротачетров ^Г'--," ;, :/,-,но!..г;?ра (i.i^). Устааозка работает елсдупцик образом. ¿:.ачгла пополняют установку гтдкостью до начального уровня Н , затгм создают расход газа через барботёр 4. 1':.з всплывает п вытесняет часть м:дкости из газоцентрврутщих цилиндров через перфорацию трубы н в емкость 6, уровень А- в которой ..зкоряотся с помощь» трубки 7 и шкалы 8. В то ;;:е время уровень однофазной ;:;идкости в трубе 5 понизится па величину i!.

Гпзосолер.":а1ше рассчитывают по яормуле

j . Н* к

i: прнпиотапг это значение показания;'.": сплолномера.

Погрешность воспроизведения газосодеряания оценивалась в соответствии с ГОСТ 8.381-80. Эта погрешность характеризуется двумя составляющими: неисключаемой систематической погрешностью и средним квадратичесшш отклонением. Границу нелсключенной систематической погрешности установки вычисляют по формуле

Л-*1 .«>

где: К-коэффициент ; ^ -погрешность метода измерения; ^.-погрешность изготовления внутреннего диаметра (площади) по высоте , бар(5отол1юм колонки; д^р -погрешность, упитывающая неравномерность распределения пузырьков газа по сечению и высоте барботак-

ной колонки; ^ -погрешность, учитывающая отличие уровня двух-А > ш

ЗазноЧ смеси в дополнительной емкости от измеряемого уровня а- ;

^¡^погрешность, учитывающая место установки градуируемого преобразователя по высоте барботазшой колонки. Среднее квадрати-ческое отклонение (СКО) результата косвенного измерения газосо-до^ялил рассчитывают согласно

с н^л/л_л * у + (Нп~ н)г о-

^ ¡Щтаг'^ +(н0^)г % (Ио+ичн+ьА • (7)

гчп Зц, зц, -сжо результатов измерения величин Н л, А.

Показано, что с помощью установок "УВЮ" можно воспроизводить гпзооолертаниэ до 10% на водовоздушной смеси с погрешностью Л с/ _у|ЧС = ( 0,3-0,5)2.

Дня градуировки сшюишомеров, работающих в криогенных средах, рязрэбетапа модификация метода "гидростатического взвешпвтнля", ^спочмукък'Го весь объем кидкоети, заполняющей криостат.

Пятая глава посвящена разработке и исследованию Комплекса Измерения Сплошности Акустического (КИСА), который состоит из: -преобразователя сплошности акустического "ПСА"; -схемы измерительной "СИ";

-установки воспроизведения фазового состава "УШС.

Преобразователь "ПСА" содержит акустический блок и соединенный с ним демпфер, выполненный в виде сильфонной или резиновой вставки, которые объединены в единую конструкцию с помощью фланцев и шпилек, Акустический блок имеет чувствительный элемент (полый пьезо-цилиндр с совмещенной системой электродов излучения и приема), закрепленный в корпусе с помощью компаунда из вспенивающегося полистирола марки НСВ-С. Внутренняя поверхность акустического блока покрыта никелем для предохранения от химического воздействия рабочей среды. Подсоединение электродов излучения и приема к схеме измерения происходит через герметичный электрический "разъем с помощью кабеля, состоящего из двух экранированных проводов.

Схема измерительная состоит из набора стандартных измерительны ных приборов и разработанных нами блоков, которые смонтированы в едином каркасе и электрически соединены меяду собой. Схема позволяет проводить измерения газосодержзния и его запись как на внутренний самописец, так и на внешнюю регистрируйся аппаратуру, возможно регулирование процессов, зависящих, от газосодераанпя, а также выдача командного электрического релейного сигнала при пос- ' тижении его заданного конкретного значения.

Установка "УН4С", предназначенная для градуировки к поверки преобразователей сплошности, состоит из расходомерной стойки и набора бпрботахпах колонок с различными внутренними диаметрами от Д.. =10 им до Д„ =Ю0мм.

Для оценки поведения преобразователей сплошности в различных условиях эксплуатации и учета погрешностей, возникающих при этом, были проведены исследования влияния различных факторов.- а сводной таблице приведены исследованные параметры и выявленные при этом погрешности комплекса "КИСА". Показано, что во многих случаях возникающей дополнительной погрешностью мо;кно пренебречь, за исключением случаев влияния температуры и изменения структуры двухфазного газожидкостного потока.

Оценено быстродействие сплоашокера, для чего создают возмущающий сигнал, иммитирупций ступенчатое изменение газосодерхания, и с помощью шлей^ового осциллографа регистрируют время прохождения сигнала по элементам измерительной схемы. Расшифровка осцил-лограм показала, что суммарное бремя ::с превышает ЗОмс.

Проверена работоспособность преобразователей "ПСА" на криогенных средах (азот, гелий). Определялись (газочастотные характеристики преобразователя ПСА-24 (Д.г -24мм) в погруженном состоянии и фэрах исследуемой падкости. Показано, что,по сравнению с "тёплой" средой (вода-воздух), при- понижении температуры измеряемая разность фаз Д« = Ф ПуСТ- 4 пол„ ууенкпается> в т0 время как резонансная частота увеличивается.

Исследован преобразователь 11СА-50 (Д =у0мм) на гадком кислороде. На специальной установке сняты ФЧл при различных концентрациях газообразного гелия, бзрОоткруемого в кислород ( выбрана рабочая частота, определена градуйровочная характеристика и оценено влияние давления к температуры на показания етгаоашокзра. при изменении давления .со С к! с/смс дополнительная ■псг'п&иг.ость равна "зм-июШле температуры па I К по«вод:;т к /дополнитель-

но.! тгогуав:/»ст;; г С,«,.!,

СВОДНАЯ ТАБЛИЦА ПОГРЕШНОСТЕЙ КОМПЛЕКСА "КИСА"

Параметр Обозначение Погрешность % Примечание

Структура йо^стр ■

Вибрация Д^Мр ^ 0,5% / ^ 5000 Гц (30^:

Длила соедшгптель- <0.25% * юю т?

ного табеля л и с 1 = 10000 м

Напряжение сети А ¿с 0 (170-250) в

Давление избыт. «0,15« Р ^2,5 кГс/сгл2

Электрическое поло 0 ¿¿=10в, / =Ю00Гц

Местоположение газа АЛМ.П. 5 0,4,1 '

Гидроудары А и г. у -=0,252 со ТО ц/с

Тогшература среды <5 2,5/1 1°= 10+70°С

Напряжение генератора А<1цг ' 5=0,13 ¿¿/-=(0,05+7) в

Частота генератора од;,'

Плотность среды ^ 0, р = 1±0,1 г/см3

Установка "УЭ5С" А^удрс

Основная погрешность ' сплоияомера йи «1,55?

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложен метод определения газосодержания (несплошности), основанный на измерении амплитуды А и фазы Ф вынужденных колебаний системы, соотоящей из полого пьезокерамического цилиндра и исследуемой среды. Построена математическая модель преобразователя с использованием эквивалентных электромеханической и электрической схем. Проведенные исследования математической модели в широком спектре частот позволили качественно проследить изменение амплитуды и фазы колебаний преобразователя с исследуемой средой, а также количественно рассчитать значение резонансных частот.

2. Создан ряд преобразователей сплошности "ПСА", реализуадих предложенный метод, работоспособных е экстремальных условиях эксплуатации на разных рабочих средах в широком диапазоне температур

( жидкий гелий, жидкий азот, углеводороды, вода, фреоны и пр.) в трубопроводах внутренним диаметром до 100 мм и на расстоянии до 10 км от вторичной измерительной аппаратуры,

3. Разработан и исследован набор средств метрологического обеспечения измерения газосодержания, реализованный в установке воспроизведения фазового состава "УВФС", позволяющих воспроизводить двухфазный барботажный слой в диапазоне газосодеряания до 10% с погрешностью на водовоздушной смеси менее 0,5%,

4. Разработан, исследован, внедрен в производство и практику научных исследований комплекс измерения сплошности акустический "КЙСА", состоящий из измерительных преобразователей сплошности "ПСА", различных вариантов вторичной аппаратуры к градуировочиых установок воспроизведения фазового состава "/КО". Комплекс позволяет проводить изиереш-я газосодергзнкя г, диапазона до 10£ с основ-

/

ной погрешностью на водовоздушной смеси не более 1,5$.

5. выявлены и исследованы составляющие дополнительной погрешности комплекса "КИСА", определяемые влиянием изменения температуры, гидростатического давления, плотности исследуемой среды, вибрации, гидроударов, длины соединительного кабеля и некоторых других факторов.

ПУБЛИКАЦИИ )Ш ТШЕ "'ДИССЕРТАЦИИ

1. Юрчук А. П., Алексеев A.A. Образцовая установка для градуировки криогенных сплошномеров. - III Всесоюзная научно-техническая конференция "Криогенная техника-82", Тезисы докладов, Балашиха, 1982.

2. Юрчук А.11.,Алексеев A.A., Сейнер л.Л. Методика градуировки криогенных преобразователей сплошности. - Метрологическое обеспечение теплофизических исследований при низких температурах: Сборник научных трудов ьШ'ИФТРИ - М., 1984.

3. Алексеев A.A., Коудельная Л.ь., Заонегин А.и. Исследование пьезоэлектрического преобразователя давления в криогенной жидкости. - Метрологическое обеспечение теплофизических исследований при низких температурах: Сборник научных трудов иШШФТРИ -М,, 1984.

«

4. Алексеев A.A., Сейфер А.Л. Акустический блок для измерения концентрации газа в двухфазных средах. A.C.. J£ III2270, Б.И. № 33, IS83.

5. Алексеев A.A., Сейфер А.Л. Акустический измеритель газосо-деряания для расходоизкерительных систем.' - У Всесоюзная на-

учно-техническая конференция "Развитие системы метрологического обеспечения измерения расхода и количества веществ", Тезисы докладов, г.Казань, 1984, с.144.

6. Алексеев А.А.,Оводов Г.И., Сейфер А.Д. Устройство для измерения сплошности двухфазных жидких сред. A.C. № 1226283, Б.И. й 15, 1986.

7. Алексеев A.A., Сейфер АЛ. Акустический преобразователь сялопшооти для расходомеров двухфазных сред. - Измерительная тех-, никэ, IS86, А'4.

8. Алексеев A.A., Заонегин A.B., Сейфер А.Л., Семенюта С.С. Способ измерения сплошности потока явдких сред и устройство для его реализации. A.C. Je I2575I0, Б.И. JÖ4, 1986.

9. Алексеев A.A., Заонегин A.B., Сейфер А.Л. Устройство для определения сплошности двухфазных жидких сред. A.C. В 1357832, Б.и. U45, 1987.

10. Сейфер А.Д., Черкис А.11., Юрчук А .П., Оводов Г.П., Алек- ' сеев a.A. Устройство для градуировки криогенных расходомеров, уровнемеров, сплошномеров. - .всесоюзная научно-техническая конференция "Развитие системы метрологического обеспечения измерения расхода и количества веществ", Тезисы докладов, Казань, IS79.

11. Алексеев A.A., Коудельная Л.В., Сейфер А.Я., Юрчук А.П. Устройство для градуировки сплошномеров. A.C. № 1372369, Б.И.

J;5, J9Sö.

J

Подписано к печати 1.УШ.90 г. Объем 1,0 уч.-изд.л. Тирал 100 экз. Иолиграфучасток НПО "ВНИИФТИГ 3aK.№¿5S