Крикун Ярослав Викторович

Факультет Компьютерных Информационных Технологий и Автоматики

Кафедра Электронной Техники

Специальность: Электронные системы

Научный руководитель: к.т.н., доц. Коренев Валентин Дмитриевич

Обоснование и исследование структуры электронной системы измерения расхода питьевой воды в напорных трубопроводах большого диаметра

Реферат по теме выпускной работы

Введение

Повсеместное нерациональное использование воды, казалось бы, «неиссякаемого» ресурса, привело к неоправданному росту мощностей очистных сооружений и насосных станций для обеспечения растущих потребностей. Свою лепту вносят и потери при транспортировке воды к потребителю из-за изношенности трубопроводов. Результатом этого стал рост нормативов потребления, включающий в себя компенсацию утечек в негерметичных трубопроводах и, как следствие, рост тарифов за потребленную воду, также компенсирующий эти утечки [1].

Основным инструментом сбережения такого важного ресурса для жизнеобеспечения населенных пунктов и предприятий как вода является широкое внедрение приборного контроля распределения и потребления [1]. Поэтому важность проблемы метрологического обеспечения и, в частности, разработки и создания современных средств измерительной техники учета и эффективного использования водных ресурсов очевидна и является весьма актуальной.

Цель работы, задачи

Цель магистерской работы состоит в том, чтобы теоретически обосновать и исследовать структуру электронной системы повышения точности измерения расхода жидкости в напорных трубопроводах большого диаметра. Для достижения поставленной цели определены следующие задачи, которые необходимо решить в процессе написания работы:

• провести анализ структуры потока жидкости в напорных трубопроводах;
• провести анализ методов и средств измерения расхода жидкости в напорных трубопроводах большого диаметра;
• провести анализ методов и средств измерения скорости потока жидкости;
• составить математическую модель магнитогидродинамического преобразователя с локальным магнитным полем;
• исследовать магнитное поле магнитогидродинамического преобразователя с локальным магнитным полем;
• исследовать влияние поперечного градиента скорости на характеристики магнитогидродинамического расходомера с локальным магнитным полем;
• разработать структурную схему системы.

Обзор методов и средств измерения расхода и количества воды

Рассматривая приборы, служащие для измерения расхода жидкости, и в частности, воды, представляется классифицировать их по различным признакам. Представляется целесообразной такая классификация, которая отражала бы основные принципы работы наиболее распространенных типов приборов, положенные в основу измерения и отражающие физику протекающих при этом явлений.

Тахометрические счетчики и расходомеры. Различают:

• крыльчатые;
• турбинные;
• винтовые.

Крыльчатые счетчики жидкости относятся к классу тахометрических преобразователей с тангенциальной турбинкой (крыльчаткой), т.е. ось вращения крыльчатки перпендикулярна направлению потока жидкости [2].

Отличием турбинных счетчиков от крыльчатых является то, что ось вращающейся турбинки расположена вдоль направления движения потока и то, что лопасти турбинки выполнены винтовыми [2].

Винтовые счетчики воды отличаются от турбинных только большей длиной турбинки [2].

Вихревые счетчики и расходомеры. Различают:

• с индуктивным преобразователем сигнала;
• с электромагнитным преобразователем сигнала;
• с ультразвуковым преобразователем сигнала.

Принцип действия вихревых расходомеров с телом обтекания заключается в фиксации вихрей, возникающих за телом, помещенным в поток. Частота срыва вихрей (так называемая «дорожка Кармана») пропорциональна объемному расходу. Фиксация вихрей может осуществляться разными методами [2].

Индуктивным, когда в теле обтекания располагаются две катушки индуктивности, а в специальной полости между катушками находится свободноразмещенная мембрана. Мембрана под действием вихрей перемещается от одной катушки к другой, и частота изменения индуктивности катушек пропорциональна объемному расходу [2].

В случае применения электромагнитного узла съема сигнала в теле обтекания делается отверстие, и вблизи него в теле по перпендикулярным диаметрам располагаются два постоянных магнита и два электрода, электрически изолированные от проточной части отверстия. По сути, датчик преобразования пульсаций представляет собой маленький электромагнитный расходомер с постоянными магнитами [2].

В случае использования ультразвуковых датчиков поток просвечивается за телом обтекания и фиксируются вихреобразования. Электроника у такого вихревого расходомера получается проще, чем у времяпролетного ультразвукового расходомера, поэтому приборы получаются более дешевые [2].

Расходомеры переменного перепада давления

Принцип действия расходомеров основан на измерении перепада давления на гидравлическом сопротивлении. Самый «древний» метод измерения расхода и до последнего времени самый распространенный. Для этого метода разработаны стандартные «сужающие устройства» (диафрагмы, сопла, сопла и трубы Вентури) характеристики которых можно определить расчетом. Измерения стандартизованы, имеются программы расчета на ЭВМ. Основной недостаток метода состоит в небольшом диапазоне измерения: 1:3 [2].

Расходомеры постоянного перепада давления (ротаметры)

Принцип действия расходомеров постоянного перепада давления основан на перемещении внутри конической стеклянной трубки, расширяющейся к верху, поплавка. Изменением веса поплавка достигаются различные диапазоны измерения по жидкости и газу. Кроме стеклянных ротаметров, выпускаются пневматические и электрические ротаметры. У электрических ротаметров выходной сигнал – индуктивность от 1 до 10 мГн [2].

Акустический метод. Ультразвуковые расходомеры

Основой акустического метода измерений является тот факт, что скорость распространения звуковой волны в движущейся среде определяется геометрической суммой скорости звука в данной неподвижной среде и собственно скорости движения самой среды [1].

Наиболее часто используют на практике два способа, различающиеся взаимным пространственным расположением направлений вектора скорости жидкости и вектора распространения звуковой волны [1].

Первый способ основан на определении сноса движущей средой ультразвукового луча, направленного под прямым углом к вектору движения потока, то есть измеряется уменьшение количества акустической энергии, попадающей на приемник, с ростом скорости потока [1].

Недостатком данного способа является низкая чувствительность, поэтому чаще применяется разновидность этого способа, заключающаяся в том, что луч направляют под небольшим углом относительно диаметра трубы и принимают после многократного отражения от стенок трубы. Таким образом, добиваются увеличения пути, проходимого лучом. Чувствительность такой конструкции выше, чем у основной разновидности способа, однако следует отметить, что показания существенно зависят от степени коррозии и загрязнений отражающих поверхностей трубы. Кроме того, скорость звука в среде зависит от температуры жидкости, от её кинематической вязкости и степени её загрязнения. Эта зависимость приводит к возрастанию погрешности при изменении физико-химических свойств измеряемой жидкости [1].

Для исключения влияния зависимости скорости звука от различных факторов расход (количество) жидкости определяют по разности скорости распространения звука в направлении движения потока и против него. Ультразвуковой луч при этом направляется под некоторым углом к направлению движения потока. В этом способе различают несколько разновидностей [1].

Время-импульсный метод. Измеряется время прохождения импульса по потоку и против него. В данном методе остается зависимость от скорости ультразвука в среде, но существуют возможности компенсации этой зависимости, например, установкой дополнительной пары резонаторов [1].

Частотно-импульсный метод. В этом методе каждый пришедший к приемнику импульс (пачка импульсов) возбуждает генерацию нового импульса. Измеряя частоту повторения импульсов по потоку и против него, вычисляют расход. Преимуществом метода является независимость характеристики от скорости звука [1].

Фазовый метод. В этом методе измеряется разность фаз сигнала по потоку и против него. Метод основан на том, что при изменении скорости потока сигнал приходит к приемнику с различно фазой. Зависимость от скорости звука в жидкости такая же, как и во время-импульсном методе [1].

Существует еще одна разновидность ультразвуковых расходомеров – доплеровские расходомеры. Доплеровский метод основан на возникновении сдвига частот при отражении звукового сигнала от движущейся частицы или неоднородности потока, например, газового пузырька. Недостаток метода – требование наличия таких неоднородностей [1].

Электромагнитные расходомеры

В настоящее время твердую позицию среди устройств измерения расхода жидких веществ (в частности, воды) занимают электромагнитные расходомеры с поперечным полем. Доля таких расходомеров среди общего числа применяемых устройств составляет более 43 % и с каждым годом продолжает быстро расти. Этот тип расходомеров наиболее полно удовлетворяет требованиям к расходомерам для жидких веществ. Он обладает достаточно высокой точностью измерения, имеет широкий линейный динамический диапазон. Кроме того, он не имеет механических частей, соприкасающихся с жидкостью, а значит, способен легко соответствовать санитарно-гигиеническим требованиям [3].

Работа электромагнитных измерителей расхода жидкости основана на законе Фарадея. В проводнике, пересекающем силовые линии поля, индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости движения проводника. При этом направление тока, возникающего в проводнике, перпендикулярно к направлению движения проводника и направлению магнитного поля. Если заменить проводник потоком проводящей жидкости, текущей между полюсами магнита, и измерять ЭДС, наведённую в жидкости по закону Фарадея, можно получить принципиальную схему электромагнитного расходомера, предложенную ещё самим Фарадеем [4]. Конструкция классического электромагнитного расходомера показана на рис.1.

Рисунок 1 – Схема и принцип действия электромагнитного расходомера с поперечным магнитным полем:
1 – трубопровод; 2 – полюса магнита; 3 – электроды для съема ЭДС; 4 – электронный усилитель; 5 – отсчетная система; 6 – источник питания магнита
(GIF-анимация; объем: 51,5 кБ; кадров: 6; интервал времени между кадрами: 500 мс; количество повторений: 6)

Индуцируемую разность потенциалов Е на электродах 3 определяют по уравнению электромагнитной индукции [4]:

E = - KBDv_cp, (1)

где В – магнитная индукция в зазоре между полюсами магнита; v_cp – средняя скорость потока жидкости; D – внутренний диаметр трубопровода; К – коэффициент, зависящий от вида магнитного поля.

Для случая постоянного магнитного поля К = 1. Если же магнитное поле изменяется во времени t с частотой f, то K = sin2πft [4].

Магнитное поле создается источником питания 6 магнита. ЭДС, снимаемую с электродов, при помощи электронного усилителя 4 преобразуют в усиленный электрический сигнал, регистрируемый отсчетной системой 5 [4].

Выражая в уравнении (1) среднюю скорость потока через объемный расход измеряемой среды, получим уравнение измерений электромагнитных расходомеров [4]:

- для случая постоянного магнитного поля

E = - (4B / πD)•Q, (2)

- для случая переменного магнитного поля

E = - (4B•sinπft / πD)•Q. (3)

Таким образом, электромагнитные расходомеры могут быть выполнены как с постоянными, так и с электромагнитными, питаемыми переменным током частотой f. Эти электромагнитные расходомеры имеют свои достоинства и недостатки, определяющие области их применения [4].

Электромагнитные расходомеры непригодны для измерения расхода газов, а также жидкостей с малой электропроводностью, например легких нефтепродуктов, спиртов и т.п. Но применение специальных устройств позволит существенным образом снизить требования к электропроводности измеряемой среды и создать электромагнитные расходомеры для измерения расхода любых жидкостей, в том числе нефтепродуктов [5].

Существенным и основным недостатком индукционных электромагнитных расходомеров с постоянным электромагнитом, ограничивающим их применение для измерения расхода квазистационарных потоков, является поляризация измерительных электродов, сопровождающаяся изменением сопротивления датчика, что искажает показания прибора. Для уменьшения поляризации применяют электроды с платиновым или танталовым покрытием, а также угольные и каломелевые электроды [6].

При использовании переменного магнитного поля в режиме измерения средней скорости влияние поляризации электродов значительно уменьшается, так как э.д.с. поляризации в течение каждого полупериода тока, ее вызывающего, принимает противоположные по знаку значения, не нарастает со временем и ее среднее значение за период изменения магнитного поля близко к нулю. Кроме того, индуцированная полезная э.д.с. оказывается знакопеременной во времени и точность ее измерения на фоне существующих помех значительно повышается [7].

Однако в расходомерах с переменным магнитным полем появляются другие эффекты, приводящие к искажению полезного сигнала.

Во-первых, это трансформаторный эффект, когда на витке, образуемом жидкостью, находящейся в трубопроводе, электродами, соединительными проводами и вторичными приборами, наводится трансформаторная ЭДС, источником которой является первичная обмотка системы возбуждения магнитного поля. Трансформаторные помехи могут достигать 20-30 % полезного сигнала. Для их компенсации в измерительную схему прибора вводят специальные дополнительные устройства [4].

Во-вторых, имеет место ёмкостный эффект, возникающий из-за большой разности потенциалов между системой возбуждения магнитного поля и электродами и паразитной емкости между ними (соединительные провода и т. п.). Средством борьбы с этим эффектом является тщательная экранировка [4].

В-третьих, может иметь место эффект влияния изменения частоты питающего систему возбуждения магнитного поля тока. Компенсируют этот эффект установкой специальных стабилизирующих устройств, что усложняет измерительные схемы и уменьшает надёжность приборов [4].

Тем не менее, электромагнитные расходомеры имеют ряд преимуществ, которые обуславливают широкое применение этого класса приборов.

Важное преимущество электромагнитных расходомеров состоит в том, что принцип их работы и регистрация сигнала являются электрическими. Их можно без дополнительных преобразователей подсоединить к электрическим системам, предназначенным для измерений и автоматического регулирования. По этой же причине электромагнитные расходомеры применимы для дистанционной регистрации сигнала (хотя в случае плохой проводимости жидкости длина проводников, соединяющих расходомер с измерительным устройством, должна быть ограничена) [8].

Электромагнитные расходомеры, поскольку в их основе лежат электрические явления, малоинерционны и позволяют изучать неустановившиеся течения даже при весьма высоких частотах изменения скорости [8].

Универсальность электромагнитного метода измерения обуславливается также и широкими функциональными возможностями, которые разрешают создать безынерционный измеритель с линейной градуированной характеристикой, характер которой не зависит от физико-химических свойств измеряемой среды [9].

Большинство электромагнитных расходомеров имеет каналы, обеспечивающие беспрепятственное течение жидкости. В электромагнитных расходомерах отсутствуют дренажные или другие отверстия, в которых могло бы накопиться твердое вещество, что привело бы к дополнительным трудностям, связанным с очисткой. В расходомерах круглого сечения с поперечным магнитным полем концентрическое отложение твердой фазы на стенках не оказывает влияния па показания прибора, если только твердое вещество и жидкость имеют одинаковую электропроводность [8].

Отмеченные преимущества и обеспечили достаточно широкое распространение электромагнитных расходомеров, несмотря на их относительную конструктивную сложность и необходимость тщательного каждодневного технического ухода (подрегулировка нуля, поднастройка и т.п.) [4].

Следует иметь в виду, что повышение точности измерения расходомеров с поперечным магнитным полем ограниченно по ряду причин. В первую очередь на точность измерения оказывает значительное влияние вид распределения скоростей потока в сечении трубопровода расходомера. Создание специального распределения магнитного поля приводит к значительному усложнению конструкции расходомера, увеличению габаритных размеров и повышению рыночной себестоимости устройства. Магнитная система расходомера должна иметь значительные размеры для исключения влияния концевых эффектов. Конструкция расходомера с поперечным полем должна быть выполнена с высокой точностью, так как такие дефекты как эллиптичность канала могут приводить к значительным погрешностям. Другим важным моментом является точность установки измерительных электродов, которая также определяет стабильность и точность показаний всего устройства. Такой принцип измерения требует применения специальных немагнитных токонепроводящих материалов для трубопровода расходомера [3].

Для больших диаметров труб разработаны расходомеры с электромагнитными преобразователями скорости [10]. Они обладают высокими метрологическими характеристиками и малой стоимостью по сравнению с традиционными электромагнитными расходомерами, что становится заметнее по мере увеличения диаметра трубы, расход в которой измеряется; они не имеют подвижных механических частей, чем обуславливается высокая надежность прибора.

В трубопровод в месте нахождения средней скорости вводится пустотелый обтекатель, в котором размещены обмотки возбуждения магнитного поля и электроды [10]. При использовании одного зонда измеряется локальная скорость потока в точке 0,777R₀, в которой скорость равна средней по сечению тубы. При использовании трех зондов скорость измеряется по методу «площадь-скорость-градиент» и достигаются меньшие показатели погрешности расходомера. Погрешность зондовых преобразований обычно находится в пределах ±(1,5-4,0) %.

Заключение

В результате проведенного обзора основных средств и методов измерения расхода и количества воды можно сделать следующие выводы:

1. Наличие подвижных движущихся частей в тахометрических расходомерах – основной недостаток, обуславливающий их ограниченный ресурс.

2. Вихревые расходомеры создают препятствие на пути потока и значительное падение давления, имеют повышенную чувствительность к искажениям эпюры скоростей потока.

3. Недостатки приборов с переменным перепадом давления – инерционность показаний прибора из-за наличия соединительных линий, нарушение целостности трубопроводов при установке в них сужающих устройств [11], необратимые потери давления на сужающем устройстве, зависимость показаний расходомера от эпюры скоростей потока [12]. Недостатками ротаметров являются необходимость их установки на вертикальных трубопроводах, непригодность для измерения расхода сред с высоким давлением, необходимость разрыва трубопровода для установки конической трубки [11], низкая надежность в связи с выходом из строя отдельных частей ротаметров [12].

4. Недостатки ультразвуковых расходомеров (необходимость индивидуальной градуировки, зависимость от профиля скоростей, который меняется с изменением расхода, влияние на показания изменений физико-химических свойств вещества и его температуры, от которых зависит скорость ультразвука [11]) обуславливают погрешность этих расходомеров на уровне 3-4 % при отсутствии коррекции на изменение скорости звука.

5. Традиционные электромагнитные преобразователи больших калибров весьма громоздки – вес измерительного преобразователя расхода диаметром 2,4 м достигает 2000 кг; они обладают высокой стоимостью и большой энергоемкостью. Точность описанных приборов больших калибров порядка 2-3 %. Поэтому применение электромагнитных расходомеров с однородным поперечным магнитным полем для измерения расхода в трубопроводах больших диаметров не всегда является экономически целесообразным и удобным для использования. Практика показывает, что задача измерения расхода возникает и для трубопроводов с диаметрами, существенно превышающими 1000 мм, но при этом вес и габариты традиционных электромагнитных расходомеров возрастают настолько, что их практическое использование становится проблематичным. В целом ряде случаев это является непреодолимым препятствием для применения этих приборов [13].

Таким образом, весьма перспективным является создание компактных, малометаллоемких электромагнитных расходомеров с низким энергопотреблением, обеспечивающих измерение расхода с нормированными погрешностями в заполненных трубопроводах больших диаметров, базирующихся на измерении расхода методом «площадь-скорость», основанном на определении объемного расхода жидкости по скорости потока в одной точке (точке средней скорости) поперечного сечения трубопровода и площади последнего, согласно ИСО 7145 и ГОСТ 8.361-79 [13].

В плане создания таких средств измерительной техники наиболее предпочтительным является использование зондовых электромагнитных преобразователей с локальным магнитным полем, т.е. полем, создаваемым магнитной системой преобразователя в некоторой области измеряемого потока. Эти средства измерительной техники, наряду со всеми достоинствами традиционных электромагнитных расходомеров, имеют ряд преимуществ: они технологичны, обладают малыми металлоемкостью, энергопотреблением и стоимостью, монтаж осуществляется без прерывания подачи воды, возможность работы в автономном режиме, не зависят от диаметра трубы.[13]

Литература

1. Ромадов В. Промышленные счетчики воды. Обзор // Строительный инжиниринг. – 2007. – №9. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.teplocom.msk.ru/data/support/articles/psv_1.pdf

2. ООО «Компания ТЕХНОЛАЙН». Расходомеры и счетчики количества жидкости. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.technoline.ru/articles/view/4

3. Пугач Е.Е. Разработка высокоточного электромагнитного расходомера жидкостей для сельскохозяйственного производства: Автореф. дисс. канд. техн. наук. – М., 1997. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.rgazu.ru/db/avtoref/pugach.htm

4. Хансуваров К.И., Цейтлин В.Г. Техника измерения давления, расхода, количества и уровня жидкости, газа и пара: Учебное пособие для техникумов. – М.: Издательство стандартов, 1990. – 287 с.

5. Корсунский Л.М. Электромагнитные гидрометрические приборы. – М.: Стандартгиз, 1964. – 180с.

6. В.И. Монахов. Измерение расхода и количества жидкости, газа и пара. – М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962. – 128 с.

7. Зори А.А., Коренев В.Д., Хламов М.Г. Методы и средства повышения точности электронных измерительных систем. – Донецк: РВА ДонНТУ, 2004. – 140 с.

8. Дж. Шерклиф. Теория электромагнитного измерения расхода. – М.: Мир, 1965. – 268 с.

9. Марфенко И.В. Электромагнитный расходомер для трубопроводов больших диаметров: Автореф. дисс. канд. техн. наук. – Харьков: ХГПИ, 2000. – 20 с.

10. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: Кн. 2 / Под. общ. ред. Е.А. Шорникова . – [5-е изд.] – СПб.: Политехника, 2004. – 412 с.

11. ООО «Ротаметр». Приборы для измерения расхода газа и жидкости. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.ooorotametr.ru/articles/index.php?ELEMENT_ID=350

12. Ромадов В. Промышленные счетчики воды. Обзор (окончание) // Строительный инжиниринг. – 2007. – №10. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.teplocom.msk.ru/data/support/articles/psv_2.pdf

13. Горбылёв В.В. Повышение точности измерений зондовым электромагнитным преобразователем скорости потока для учета расхода электропроводящей жидкости в трубопроводах большого диаметра. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://masters.donntu.ru/2005/kita/gorbylev/diss/index.html

Важно!

В настоящее время магистерская работа не завершена. Завершение работы и ее защита намечены на декабрь 2010 г.