Крикун Ярослав Вікторович

Факультет Комп'ютерних Інформаційних Технологій та Автоматики

Кафедра Електронної Техніки

Спеціальність: Електронні системи

Науковий керівник: к.т.н., доц. Коренєв Валентин Дмитрович

Обґрунтування та дослідження структури електронної системи виміру витрат питної води в напірних трубопроводах великого діаметру

Реферат з теми випускної роботи

Вступ

Повсякчасне нераціональне використання води, здавалося б, «невичерпного» ресурсу, призвело до невиправданого зростання потужностей очисних споруд та насосних станцій для забезпечення зростаючих потреб. Свою роль відіграють і втрати при транспортуванні води до споживача через зношеність трубопроводів. Результатом цього стало зростання нормативів споживання, що включає в себе компенсацію втрат в негерметичних трубопроводах і, як наслідок, зростання тарифів за спожиту воду, також компенсує ці втрати [1].

Основним інструментом заощадження такого важливого ресурсу для життєзабезпечення населених пунктів і підприємств як вода є широке впровадження приладового контролю розподілу і споживання [1]. Важливість проблеми метрологічного забезпечення і, зокрема, розробки та створення сучасних засобів вимірювальної техніки обліку та ефективного використання водних ресурсів є очевидною і досить актуальною.

Мета роботи, задачі

Мета магістерської роботи полягає в тому, щоб теоретично обґрунтувати і дослідити структуру електронної системи виміру витрат питної води в напірних трубопроводах великого діаметру. Для досягнення поставленої мети визначені наступні завдання, які потрібно вирішити в процесі виконання роботи:

• провести аналіз структури потоку рідини в напірних трубопроводах;
• провести аналіз методів і засобів вимірювання витрати рідини в напірних трубопроводах великого діаметру;
• провести аналіз методів і засобів вимірювання швидкості потоку рідини;
• скласти математичну модель магнітогідродинамічного перетворювача;
• дослідити магнітне поле магнітогідродинамічного перетворювача з локальним магнітним;
• дослідити вплив поперечного градієнта швидкості на характеристики магнітогідродинамічного витратоміра з локальним магнітним полем;
• розробити структурну схему системи.

Огляд методів та засобів вимірювання витрат та кількості води

Аналізуючи прилади, що служать для вимірювання витрати рідини, і зокрема, води, представляється класифікувати їх за різними ознаками. Представляється доцільною така класифікація, яка відображала б основні принципи роботи найбільш поширених типів приладів, покладені в основу вимірювання та відображають фізику що протікають при цьому явищі.

Тахометричні лічильники та витратоміри. Розрізняють:

• крильчаті;
• турбінні;
• гвинтові.

Крильчаті лічильники рідини відносяться до класу тахометричних перетворювачів з тангенціальною турбінки (крильчаткою), тобто вісь обертання крильчатки перпендикулярна напрямку потоку рідини [2].

Відмінністю турбінних лічильників від крильчатих є те, що вісь обертається турбінки розташована вздовж напрямку руху потоку і те, що лопаті турбіни виконані гвинтовими [2].

Гвинтові лічильники води відрізняються від турбінних тільки більшою довжиною турбінки [2].

Вихрові лічильники та витратоміри. Розрізняють:

• з індуктивним перетворювачем сигналу;
• з електромагнітним перетворювачем сигналу;
• з ультразвуковим перетворювачем сигналу.

Принцип дії вихрових витратомірів з тілом обтікання полягає у фіксації вихорів, що виникають за тілом, розміщеним у потоці. Частота зриву вихорів (так звана «доріжка Кармана») пропорційна об'ємній витраті. Фіксація вихорів може здійснюватися різними методами [2].

Індуктивним, коли в тілі обтікання розташовуються дві котушки індуктивності, а в спеціальній порожнині між котушками знаходиться вільнорозміщена мембрана. Мембрана під дією вихорів переміщується від однієї котушки до іншої і частота зміни індуктивності котушок пропорційна об'ємній витраті [2].

У разі застосування електромагнітного вузла зйому сигналу в тілі обтікання робиться отвір, і поблизу нього в тілі за перпендикулярним діаметрам розташовуються два постійних магніти і два електроди, електрично ізольовані від проточної частини отвору. Власне, датчик перетворення пульсацій являє собою маленький електромагнітний витратомір з постійними магнітами [2].

У разі використання ультразвукових датчиків потік просвічується за тілом обтікання і фіксуються вихроутворення. Електроніка у такого вихрового витратоміра виходить простіше, ніж у часопролітного ультразвукового витратоміра, тому прилади виходять більш дешеві [2].

Витратоміри змінного перепаду тиску

Принцип дії витратомірів заснований на вимірюванні перепаду тиску на гідравлічному опорі. Самий «стародавній» метод вимірювання витрати та до останнього часу найпоширеніший. Для цього методу розроблені стандартні «звужуючі пристрої» (діафрагми, сопла, сопла і труби Вентурі) характеристики яких можна визначити розрахунком. Вимірювання стандартизовані, є програми розрахунку на ЕОМ. Основний недолік методу полягає у невеликому діапазоні виміру: 1:3 [2].

Витратоміри постійного перепаду тиску (ротаметри)

Принцип дії витратомірів постійного перепаду тиску заснований на переміщенні всередині конічної скляної трубки, що розширюється до верху, поплавка. Зміною ваги поплавця досягаються різні діапазони вимірювання за рідиною та газом. Крім скляних ротаметрів, випускаються пневматичні та електричні ротаметри. У електричних ротаметрів вихідний сигнал – індуктивність від 1 до 10 мГн [2].

Акустичний метод. Ультразвукові витратоміри

Основою акустичного методу вимірювань є той факт, що швидкість розповсюдження звукової хвилі, що рухається в середовищі, визначається геометричною сумою швидкості звуку в даному нерухомому середовищі і власне швидкості руху самої середовища [2].

Найбільш часто використовують на практиці два способи, що розрізняються взаємним просторовим розташуванням напрямів вектора швидкості рідини і вектора поширення звукової хвилі [1].

Перший спосіб заснований на визначенні зносу рушійного середовищем ультразвукового променя, спрямованого під прямим кутом до вектора руху потоку, тобто вимірюється зменшення кількості акустичної енергії, що потрапляє на приймач, із зростанням швидкості потоку [1].

Недоліком даного способу є низька чутливість, тому частіше застосовується різновид цього способу, який полягає у тому, що промінь спрямовують під невеликим кутом відносно ширини труби і приймають після багаторазового відбиття від стінок труби. Таким чином, намагаються збільшити шлях, що пройде промінь. Чутливість такої конструкції вище, ніж в основного різновиду способу, проте слід зазначити, що результати істотно залежать від ступеня корозії і забруднень відбиваючих поверхонь труби. Крім того, швидкість звуку в середовищі залежить від температури рідини, від її кінематичної в'язкості і ступеня її забруднення. Ця залежність призводить до зростання похибки при зміні фізико-хімічних властивостей вимірюваної рідини [1].

Для виключення впливу залежності швидкості звуку від різних факторів витрату (кількість) рідини визначають за різницею швидкості поширення звуку в напрямку руху потоку і проти нього. Ультразвуковий промінь при цьому прямує під деяким кутом до напрямку руху потоку. У цьому способі розрізняють кілька різновидів [1].

Час-імпульсний метод. Вимірюється час проходження імпульсу по потоку і проти нього. У цьому методі залишається залежність від швидкості ультразвуку в середовищі, але існують можливості компенсації цієї залежності, наприклад, установленням додаткової пари резонаторів [1].

Частотно-імпульснй метод. У цьому методі кожен надійшовший до приймача імпульс (пачка імпульсів) спонукає до генерації нового імпульсу. Вимірюючи частоту повторення імпульсів по потоку і проти нього, обчислюють витрату. Перевагою методу є незалежність характеристики від швидкості звуку [1].

Фазовий метод. У цьому методі вимірюється різниця фаз сигналу по потоку і проти нього. Метод заснований на тому, що при зміні швидкості потоку сигнал приходить до приймача з різною фазою. Залежність від швидкості звуку в рідині така ж, як і в час-імпульсному методі [1].

Існує ще один різновид ультразвукових витратомірів – доплерівські витратоміри. Доплерівський метод заснований на виникненні зсуву частот при відбитті звукового сигналу від рухомої частинки або неоднорідності потоку, наприклад, газової бульбашки. Недолік методу – обов'язкова наявності таких неоднорідностей [1].

Електромагнітні витратоміри

В даний час тверду позицію серед пристроїв вимірювання витрати рідких речовин (зокрема, води) займають електромагнітні витратоміри з поперечним полем. Частка таких витратомірів серед загального числа застосовуваних пристроїв становить більше 43 % і з кожним роком продовжує швидко зростати. Цей тип витратомірів найбільш повно задовольняє вимогам до витратомірів для рідких речовин. Він має досить високу точність вимірювання, має широкий лінійний динамічний діапазон. Крім того, він не має механічних частин, що стикаються з рідиною, тому здатний легко відповідати санітарно-гігієнічним вимогам [3].

Робота електромагнітних вимірників витрати рідини заснована на законі Фарадея. У провіднику, що перетинає силові лінії поля, індукується ЕРС, пропорційна швидкості руху провідника. При цьому напрямок струму, що виникає в провіднику, є перпендикулярним до напрямку руху провідника та напрямку магнітного поля. Якщо замінити провідник потоком провідної рідини, що тече між полюсами магніту, і вимірювати ЕРС, наведену в рідині за законом Фарадея, можна отримати принципову схему електромагнітного витратоміра, запропоновану ще самим Фарадеєм [4]. Конструкція класичного електромагнітного витратоміра показана на рис.1.

Рисунок 1 – Схема та принцип дії електромагнітного витратоміра с поперечним магнітним полем:
1 – трубопровід; 2 – полюса магніту; 3 – електроди для зняття ЕРС; 4 – електронний підсилювач; 5 – відлікова система; 6 – джерело живлення магніту
(GIF-анімація; об'єм: 51,5 кБ; кадрів: 6; проміжок часу між кадрами: 500 мс; кількість повторювань: 6)

Індуковану різницю потенціалів Е на електродах 3 визначають з рівняння електромагнітної індукції [4]:

E = - KBDv_cp, (1)

де В – магнітна індукція в зазорі між полюсами магніту; v_cp – середня швидкість потоку рідини; D – внутрішній діаметр трубопроводу; К – коефіцієнт, що залежить від виду магнітного поля.

Для випадку постійного магнітного поля К = 1. Якщо ж магнітне поле змінюється в часі t з частотою f, то K = sin2πft. [4].

Магнітне поле створюється джерелом живлення 6 магніту. ЕРС, що знімається з електродів, за допомогою електронного підсилювача 4 перетворюють в посилений електричний сигнал, реєстрований відліковою системою 5 [4].

Знаходячи в рівнянні (1) середню швидкість потоку через об'ємну витрату вимірюваного середовища, отримаємо рівняння вимірювань електромагнітних витратомірів [4]:

- для випадку постійного магнітного поля

E = - (4B / πD)•Q, (2)

- для випадку змінного магнітного поля

E = - (4B•sinπft / πD)•Q. (3)

Таким чином, електромагнітні витратоміри можуть бути виконані як з постійними магнітами, так і з електромагнітами, що живляться змінним струмом частотою f. Ці електромагнітні витратоміри мають свої переваги і недоліки, що визначають області їх застосування [4].

Електромагнітні витратоміри непридатні для вимірювання витрати газів, а також рідин з малою електропровідністю, наприклад легких нафтопродуктів, спиртів і т.п. Але застосування спеціальних пристроїв дозволить істотно знизити вимоги до електропровідності вимірюваної середовища та створити електромагнітні витратоміри для вимірювання витрат будь-яких рідин, у тому числі нафтопродуктів [5].

Істотним і основним недоліком індукційних електромагнітних витратомірів з постійним електромагнітом, що обмежує їх застосування для вимірювання витрати квазістаціонарних потоків, є поляризація вимірювальних електродів, що супроводжується зміною опору датчика, що спотворює показання приладу. Для зменшення поляризації застосовують електроди з платиновим або танталових покриттям, а також вугільні та каломелеєві електроди [6].

При використанні змінного магнітного поля в режимі вимірювання середньої швидкості вплив поляризації електродів значно зменшується, тому що е.р.с. поляризації протягом кожного напівперіод струму, її викликає, приймає протилежні за знаком значення, не наростає з часом і її середнє значення за період зміни магнітного поля близько до нуля. Крім того, індукована корисна е.р.с. виявляється знакоперемінне в часі і точність її вимірювання на тлі існуючих перешкод значно підвищується [7].

Проте у витратомірах зі змінним магнітним полем з'являються інші ефекти, що призводять до спотворення корисного сигналу.

По-перше, це трансформаторний ефект, коли на витку, утворенім рідиною, що знаходиться у трубопроводі, електродами, сполучними проводами і вторинними приладами наводиться трансформаторна ЕРС, джерелом якої є первинна обмотка системи збудження магнітного поля. Трансформаторні перешкоди можуть досягати 20-30 % корисного сигналу. Для їх компенсації у вимірювальну схему приладу вводять спеціальні додаткові пристрої [4].

По-друге, має місце ємнісний ефект, що виникає через велику різницю потенціалів між системою збудження магнітного поля і електродами та паразитної ємності між ними (з'єднувальні дроти і т. п.). Засобом боротьби з цим ефектом є ретельне екранування [4].

По-третє, може мати місце ефект впливу зміни частоти живлячого систему збудження магнітного поля струму. Компенсують цей ефект встановленням спеціальних стабілізуючих пристроїв, що ускладнює вимірювальні схеми та зменшує надійність приладів [4].

Тим не менше, електромагнітні витратоміри мають ряд переваг, які обумовлюють широке застосування цього класу приладів.

Важлива перевага електромагнітних витратомірів полягає в тому, що принцип їх роботи і реєстрація сигналу є електричними. Їх можна без додаткових перетворювачів під'єднати до електричних систем, призначеним для вимірювань та автоматичного регулювання. З цієї ж причини електромагнітні витратоміри застосовні для дистанційної реєстрації сигналу (хоча у разі поганої провідності рідини довжина провідників, що з'єднують витратомір з вимірювальним пристроєм, повинна бути обмежена) [8].

Електромагнітні витратоміри, оскільки в їхній основі лежать електричні явища, малоінерційні і дозволяють вивчати несталі течії навіть при досить високих частотах зміни швидкості [8].

Універсальність електромагнітного методу вимірювання обумовлюється також і широкими функціональними можливостями, які дозволяють створити безінерційний вимірювач з лінійною градуювальною характеристикою, характер якої не залежить від фізико-хімічних властивостей вимірюють середовища [9].

Більшість електромагнітних витратомірів має канали, що забезпечують безперешкодну течію рідини. У електромагнітних витратомірах відсутні дренажні або інші отвори, в яких могла б накопичитися тверда речовина, що призвело б до додаткових труднощів, пов'язаних з очищенням. У витратоміра круглого перетину з поперечним магнітним полем концентричне відкладення твердої фази на стінках не робить впливу па показання приладу, якщо тільки тверда речовина і рідина мають однакову електропровідність [8].

Зазначені переваги і забезпечили досить широке поширення електромагнітних витратомірів, незважаючи на їхню відносну конструктивну складність і необхідність ретельного щоденного технічного догляду (підрегулювання нуля, піднастройка і т.п.) [4].

Слід мати на увазі, що підвищення точності вимірювання витратомірів з поперечним магнітним полем обмежено з ряду причин. У першу чергу на точність вимірювання значно впливає вид розподілу швидкостей потоку в перерізі трубопроводу витратоміра. Створення спеціального розподілу магнітного поля призводить до значного ускладнення конструкції витратоміра, збільшення габаритних розмірів і підвищення ринкової собівартості пристрою. Магнітна система витратоміра повинна мати значні розміри для виключення впливу кінцевих ефектів. Конструкція витратоміра з поперечним полем повинна бути виконана з високою точністю, тому що такі дефекти як еліптичність каналу можуть призводити до значних погрішностей. Іншим важливим моментом є точність установки вимірювальних електродів, яка також визначає стабільність і точність показань всього пристрою. Такий принцип вимірювання вимагає застосування спеціальних немагнітних струмонепровідних матеріалів для трубопроводу витратоміра [3].

Для великих діаметрів труб розроблені витратоміри з електромагнітними перетворювачами швидкості [10]. Вони мають високі метрологічні характеристики і малу вартість у порівнянні з традиційними електромагнітними витратомірами, що стає помітнішим у міру збільшення діаметра труби, витрата в якій вимірюється; вони не мають рухомих механічних частин, цим обумовлюється висока надійність приладу.

У трубопровід в місці знаходження середньої швидкості вводиться пустотілий обтічник, в якому розміщені обмотки збудження магнітного поля та електроди [10]. При використанні одного зонду вимірюється локальна швидкість потоку в точці 0,777R₀, в якій швидкість дорівнює середній по перетину труби. При використанні трьох зондів швидкість вимірюється за методом «площа-швидкість-градієнт» і досягаються менші показники похибки витратоміра. Похибка зондових перетворювачів зазвичай знаходиться в межах ±(1,5-4,0) %.

Висновки

В результаті проведеного огляду основних засобів і методів вимірювання витрати та кількості води можна зробити наступні висновки:

1. Наявність рухомих частин, що рухаються в тахометричних витратомірах – основний недолік, який зумовлює їх обмежений ресурс.

2. Вихрові витратоміри створюють перешкоду на шляху потоку і значне падіння тиску, мають підвищену чутливість до спотворень епюри швидкостей потоку.

3. Недоліки приладів з перемінним перепадом тиску – інерційність показань приладу через наявність з'єднувальних ліній, порушення цілісності трубопроводів разі встановлення в них звужуючих пристроїв [11], незворотні втрати тиску на звужувальному пристрої, залежність показань витратоміра від епюри швидкостей потоку [12]. Недоліками ротаметрів є необхідність їх встановлення на вертикальних трубопроводах, непридатність для вимірювання витрати середовищ з високим тиском, необхідність розриву трубопроводу для установки конічної трубки [11], низька надійність у зв'язку з виходом з ладу окремих частин ротаметрів [12].

4. Недоліки ультразвукових витратомірів (необхідність індивідуального градуювання, залежність від профілю швидкостей, який змінюється зі зміною витрат, вплив на показання змін фізико-хімічних властивостей речовини і її температури, від яких залежить швидкість ультразвуку [11]) обумовлюють похибку цих витратомірів на рівні 3-4 % за відсутності корекції на зміну швидкості звуку.

5. Традиційні електромагнітні перетворювачі великих калібрів вельми громіздкі – вага вимірювального перетворювача витрати діаметром 2,4 м досягає 2000 кг; вони мають високу вартість і велику енергоємність. Точність описаних приладів великих калібрів близько 2-3 %. Тому застосування електромагнітних витратомірів з однорідним поперечним магнітним полем для вимірювання витрати в трубопроводах великих діаметрів не завжди є економічно доцільним і зручним для використання. Практика показує, що завдання вимірювання витрат виникає і для трубопроводів з діаметрами, істотно перевищують 1000 мм, але при цьому вага і габарити традиційних електромагнітних витратомірів зростають настільки, що їх практичне використання стає проблематичним. У цілому ряді випадків це є непереборною перешкодою для застосування цих приладів [13].

Таким чином, дуже перспективним є створення компактних, малометаллоємних електромагнітних витратомірів з низьким енергоспоживанням, що забезпечують вимірювання витрати з нормованими похибками в заповнених трубопроводах великих діаметрів, що базуються на вимірюванні витрати методом «площа-швидкість», заснованому на визначенні об'ємної витрати рідини за швидкістю потоку в одній точці (точці середньої швидкості) поперечного перетину трубопроводу і площі останнього, згідно з ІСО 7145 і ГОСТ 8.361-79 [13].

У плані створення таких засобів вимірювальної техніки найбільш прийнятним є використання зондових електромагнітних перетворювачів з локальним магнітним полем, тобто полем, створюваним магнітною системою перетворювача в деякій області вимірюваного потоку. Ці засоби вимірювальної техніки, поряд з усіма перевагами традиційних електромагнітних витратомірів, мають ряд переваг: вони технологічні, мають малі металоємність, енергоспоживання і вартість, монтаж здійснюється без переривання подачі води, можливість роботи в автономному режимі, не залежать від діаметру труби [13].

Література

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

Важливо!

На теперешній час магістерська робота не закінчена. Закінчення роботи та її захист заплановані на грудень 2010 р.