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

Библиотека по теме выпускной работы

9. Разработка высокоточного электромагнитного расходомера жидкостей для сельскохозяйственного производства

Авторы: Пугач Е.Е.

Источник: http://www.rgazu.ru/db/avtoref/pugach.htm

Пугач Евгений Евгеньевич

РАЗРАБОТКА ВЫСОКОТОЧНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО РАСХОДОМЕРА ЖИДКОСТЕЙ ДЛЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

Специальность 05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2007

Работа выполнена в Российском государственном аграрном заочном университете (ФГОУ ВПО РГАЗУ)

Защита состоится «16» мая 2007 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д.220.056.03 при Российском государственном аграрном заочном университете по адресу: 143900, Московская обл., г. Балашиха-8, Леоновское шоссе, д. 13.

Отзывы просим направлять по адресу: 143900, Московская обл., г. Балашиха-8, ул. Ю. Фучика, д. 1, ученому секретарю.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного аграрного заочного университета

Автореферат разослан « 02 » апреля 2007 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Во многих отраслях сельского хозяйства активно применяются устройства измерения расхода или массы. Учет расхода осуществляется при приемке первичного сырья, при фасовке готовой продукции, при технологическом контроле конечного состава многокомпонентных продуктов.

Значительную долю веществ, расход которых необходимо измерять, составляют жидкости. Расходомеры жидкостей применяются в оросительных системах и автопоилках для измерения расхода воды и водных растворов, в поточных установках приема молока. Существенные объемы измеряемых жидкостей, высокая рыночная стоимость сырья и готовых жидких продуктов предъявляют жесткие требования к устройствам учета и контроля.

Разнообразие жидких веществ обуславливает значительные различия физических свойств жидкостей, в частности их плотностей и вязкости. Расходомеры должны быть универсальными устройствами и обеспечивать возможность измерения расхода всех жидких веществ. Применяемые расходомеры должны обеспечивать высокую точность измерения в широком диапазоне измеряемых расходов, в том числе и при низких скоростях потока жидкости; отсутствие влияния вязкости жидкости; сохранение давления в магистрали; возможность измерения быстроменяющихся потоков; возможность измерения ламинарных и турбулентных потоков. Отличительной особенностью расходомеров для жидких веществ – это возможность соблюдения жестких санитарно-гигиенических нормативов. Конструкция расходомера должна обеспечивать возможность очистки путем продувки магистрали горячим паром.

На сегодняшнее время твердую позицию среди устройств измерения расхода жидких веществ 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, способен измерять расход жидкостей с различными плотностями и вязкостью. Кроме того, не имеет механических частей, соприкасающихся с жидкостью, а значит легко способен соответствовать санитарно-гигиеническим требованиям.

Однако дальнейшее повышение точности измерения таких расходомеров 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. Индукционный принцип измерения требует применения специальных немагнитных токонепроводящих материалов для трубопровода расходомера.

Для дальнейшего увеличения точности измерения предлагается конструкция электромагнитного расходомера с концентрическим полем. Концепция работы такого типа электромагнитного расходомера была предложена Шерклифом в начале 60-х годов. Еще в то время была отмечена возможность построения такого устройства, обеспечивающего полную нечувствительность к виду распределения скоростей потока. Кроме того, отмечается конструктивная простота, возможность применения более дешевых материалов, отсутствие сложной магнитной системы, малые габариты, широкая площадь электродов и многие другие преимущества. Однако бурное развитие индукционных расходомеров с поперечным полем, их простота изготовления и недостаточная развитость силовой электроники в тот период времени остановило развитие расходомера с концентрическим полем. До настоящего времени такой тип расходомеров мало отражался в литературе, было получено несколько патентов на конструкцию и методику измерения расхода таким устройством. Однако достаточно подробное изучение вопроса влияния формы скоростей потока жидкости не было проведено, вследствие сложности математического аппарата. Нужно отметить, что для получения полезного сигнала, пропорционального расходу, с которым способна работать измерительная часть такого типа расходомера, необходима особенная схема питания, вырабатывающая большие импульсные токи. При этом конструкция расходомера по своей технологичности и простоте изготовления должна конкурировать с расходомерами с поперечным полем при более высоких показателях точности измерения. Особенности построения системы питания импульсным током электромагнитного расходомера с концентрическим полем требует проработки измерительной системы.

Объектом диссертационной работы является электромагнитный расходомер с концентрическим полем в целом и его составляющие: первичный преобразователь, система питания и система измерения.

Целью диссертационной работы является развитие научных основ и принципов построения электромагнитного расходомера с концентрическим полем; разработка конструкции электромагнитного расходомера с концентрическим полем с повышенными точностными характеристиками; разработка новых принципов измерения расхода электромагнитным расходомером с концентрическим полем; расширение областей применения электромагнитного расходомера с концентрическим полем в сельском хозяйстве.

Для достижения описанных целей поставлены следующие задачи работы:

• исследование перспективных областей применения электромагнитного расходомера в сельском хозяйстве;
• разработка математической модели электромагнитного расходомера с концентрическим полем;
• анализ влияния вида распределения потока скоростей жидкости на точность измерения расхода электромагнитным расходомером с концентрическим полем;
• разработка системы питания импульсным током электромагнитного расходомера с концентрическим полем;
• разработка метода измерения и конструкции измерительной системы электромагнитного расходомера, обеспечивающей измерение расхода с высокой точностью при питании импульсным током;
• разработка принципиальной схемы электромагнитного расходомера с концентрическим полем;
• разработка программного обеспечения системы управления электромагнитным расходомером с концентрическим полем;
• проведение экспериментальных исследований.

Результаты решения этих задач дают возможность сформулировать основные положения, выносимые автором на защиту:

• обоснование преимуществ использования электромагнитного расходомера по сравнению с другими типами расходомеров для жидких продуктов;
• обеспечение высокой точности измерения электромагнитного расходомера с концентрическим полем при различных профилях скоростей потока жидкости;
• синтез системы питания импульсным током электромагнитного расходомера с концентрическим полем;
• метод измерения расхода электромагнитным расходомером с концентрическим полем;
• синтез измерительной системы электромагнитного расходомера с концентрическим полем.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• обоснована возможность применения электромагнитного расходомера с концентрическим полем для повышения точности измерения расхода жидких продуктов в сельскохозяйственном производстве;
• определена точность измерения расхода электромагнитным расходомером с концентрическим полем при постоянном, линейном и квадратичном профилях скоростей потока жидкости;
• разработана схема питания расходомера с концентрическим полем импульсным током;
• разработан способ измерения расхода электромагнитным расходомером с концентрическим полем при питании импульсным током;
• разработаны конструкция электромагнитного расходомера с концентрическим полем, принципиальные схемы силовой части и блока управления с использованием современной элементной базы;
• разработано программное обеспечение микроконтроллера, реализующее измерение расхода электромагнитным расходомером с концентрическим полем.

Методы исследования.

Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовались традиционные методы интегрального и дифференциального исчислений, базовые положения теории электромагнитного поля, практические аспекты промышленной электроники и микропроцессорной техники, компьютерные средства решения дифференциальных уравнений в частных производных.

Практическая ценность.

Разработанная конструкция электромагнитного расходомера с концентрическим полем, принципиальные схемы и программное обеспечение являются основой для создания серийного варианта устройства. Представленные в диссертационной работе алгоритмы, программы и методы математического моделирования позволяют значительно снизить сроки опытно-конструкторских и натурных испытаний. Замена существующих электромагнитных расходомеров разработанной конструкцией в большинстве случаев позволяет повысить точность измерения расхода при меньшей стоимости устанавливаемого устройства. Разработанный способ измерения расхода при питании расходомера импульсным током упрощает конструкцию, уменьшает габаритные размеры и снижает стоимость устройства. Предложенный способ может быть применен для других конструкций электромагнитных расходомеров. Разработанная математическая модель может использоваться для дальнейших научных и практических исследований точностных характеристик расходомера при любых профилях скоростей потока жидкости.

Реализация результатов работы.

Результаты диссертационной работы по исследованию и разработке конструкции электромагнитного расходомера для жидких продуктов использованы на ОАО Молочный комбинат «Роса» г. Смоленск; используются в ООО «Системы и приборы автоматики» г. Смоленск.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладовались и обсуждались на научных конференциях РГАЗУ (Москва, РГАЗУ, 2004 и 2006г.).

Публикации.

Основные положения диссертационной работы изложены в 7 публикациях, из них 2 публикации в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, утвержденный ВАК РФ. По тематике диссертационной работы получен патент на изобретение.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и трех приложений. Работа изложена на 132 страницах машинописного текста, содержит 45 иллюстраций, 8 таблиц, список литературы из 71 наименования и приложения на 8 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследований, отражена научная новизна и практическая ценность результатов работы, перечислены основные положения диссертации, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены технологии в которых применяются приборы измерения расхода и массы жидких веществ, проведен анализ типовых расходомеров для измерения расхода жидкостей, определены цели исследования.

В настоящее время для измерения расхода жидких веществ применяются турбинные, вихревые, ультразвуковые и электромагнитные расходомеры. В работе приведено описание принципов работы, основные характеристики, преимущества и недостатки каждого типа расходомера Анализ характеристик приведенных типов расходомеров позволил выделить электромагнитные расходомеры, как группу приборов наиболее полно удовлетворяющих разнообразным требованиям для приборов измерения расхода жидких веществ. К главным достоинствам электромагнитных расходомеров можно отнести высокую точность измерения расхода; широкий линейный динамический диапазон; возможность измерения малых расходов при низких скоростях потока; отсутствие влияния вязкости жидкости; отсутствие потери давления; высокое быстродействие; простоту обеспечения санитарных требований к измеряемой жидкости; простоту конструктивного исполнения.

Однако дальнейшее увеличение точности измерения расхода электромагнитным расходомером ограничено тем, что показания расхода зависят от распределения скоростей потока жидкости в сечении трубопровода, неоднородностью магнитного поля и ограниченностью магнитной системы.

Вторая глава посвящена разработке принципов построения высокоточного электромагнитного расходомера, построению математической модели электромагнитного расходомера с концентрическим полем, исследованию точностных показателей электромагнитного расходомера при различных распределениях скоростей потока жидкости.

В начале главы для оценки перспективы увеличения точностных характеристик электромагнитного расходомера рассмотрены наиболее значимые погрешности измерения, свойственные электромагнитным расходомерам с поперечным полем. Эти погрешности обусловлены конструктивными неточностями изготовления; неоднородностью магнитного поля; ограниченностью магнитной системы расходомера; видом распределения скоростей потока жидкости в сечении расходомера. Приведенная погрешность электромагнитного расходомера с учетом всех факторов не превышает 1...2 %. Однако такое значение погрешности измерения недостаточно для измерения расхода жидких продуктов, где требуется точность измерения не хуже 0,3...0,5 %. Анализ погрешностей электромагнитного расходомера с поперечным полем показывает, что для достижения требуемой точности измерения расхода необходима высокая точность изготовления конструкционных деталей расходомера; большая протяженность магнитной системы; применение специальной магнитной системы расходомера, правильно оценивающей вклад каждой точки потока жидкости в показания расхода. Реализация этих требований приводит к увеличению точности измерения расходомера с поперечным полем при существенном усложнении конструкции расходомера и как следствие его высокой стоимости.

Известны конструкции электромагнитных расходомеров, позволяющие уменьшить ряд погрешностей, свойственных расходомерам с поперечным полем. Так нечувствительность к распределению скоростей может быть достигнута при применении конструкции расходомера с круговым магнитным полем (см. рис.1). Если стенки трубы имеют высокую проводимость, превышающую во много раз проводимость измеряемой жидкости, то на неоднородную ЭДС индуцированную при движении жидкости, будет оказываться усредняющее воздействие.

Рис. 1 Электромагнитный расходомер с концентрическим полем
1 – трубопровод; 2 – центральный проводник; 3 – концентрическое магнитное поле; 4 – поток жидкости; 5 – ток; 6 – электроды

Если индукция магнитного поля изменяется по сечению трубы прямо пропорционально расстоянию r от центрального проводника, то чувствительность расходомера абсолютно не зависит от распределения скорости. Такое магнитное поле можно создать при пропускании через жидкость продольного тока с однородной плотностью j, что приводит к замыканию большой и неопределенной части продольного тока прибора по хорошо проводящим стенкам трубы, а, следовательно, к бесполезной трате мощности и неопределенности при тарировке расходомера, зависящей от тока в жидкости. Наиболее целесообразно пропускать ток только через центральный проводник расходомера. Но индукция магнитного поля B изменяется обратно пропорционально радиусу r, и выходной сигнал становится чувствителен к радиальному распределению скорости в канале. Однако, если внутренний диаметр кольца не слишком мал, индуцированная разность потенциалов нечувствительна к профилю скоростей потока жидкости и достигается приемлемый для заданной точности измерения усредняющий эффект. В такой конструкции расходомера отсутствует продольный градиент потенциала в трубопроводе, что исключает влияние точности установки электродов на показания расхода. Электродами являются внутренняя и внешняя стенка кольцевого трубопровода, что значительно увеличивает эффективную площадь электродов и позволяет сделать достаточно низким входное сопротивление измерительного прибора. Как и в расходомере с поперечным полем на показания расхода оказывают влияние концевые эффекты. Но при сохранении простоты конструкции протяженность магнитной системы может быть сколь угодно большой из-за отсутствия полюсных наконечников. Пространство, занятое в расходомерах с поперечным полем под магнитную систему освобождается в приборе с осевым током.

Дальнейшее развитие электромагнитные расходомеры с концентрическим полем не получили и были вытеснены из основных областей применения расходомерами с поперечным полем. Это обусловлено недостаточной проработанностью методов создания системы питания расходомера при текущем уровне развития полупроводниковой техники. Существующие методы решения проблемы питания приводили к значительному усложнению конструкции такого прибора. Высокая стоимость прибора снизила конкурентную способность такого прибора на рынке электромагнитных расходомеров.

Как отмечалось ранее, такой прибор обладает некоторой чувствительностью к профилю скорости потока жидкости, что приводит к погрешности измерения расхода. Для расчета величины погрешности необходимо создана математическая модель расходомера. Модель позволяет определить стационарное распределение электрических величин в канале расходомера при известном распределении скоростей потока жидкости и заданном распределении магнитного поля. При разработке модели принята расчетная конструкция расходомера (см. рис.2) и ряд допущений. В результате решения уравнений Максвелла и закона Ома, совместно с принятыми допущениями были получены системы уравнений, описывающих работу электромагнитного расходомера с концентрическим полем.

Рис. 2 Расчетная конструкция расходомера

К первой группе уравнений относятся уравнения, описывающие распределение электрических и магнитных величин в жидкости:

, (1)

ко второй группе уравнения, описывающие распределение электрических и магнитных величин в стенках расходомера:

, (2)

а к третьей группе граничные условия на стенках расходомера:

, (3)

где φ – потенциал; B – магнитная индукция; v – скорость жидкости; σ – проводимость; σ – плотность тока; ж – индекс для жидкости; c – индекс для стенки.

Полученные выражения определяют систему уравнений, достаточную для решения задачи нахождения распределения электрических величин в канале электромагнитного расходомера численными методами. Для исследования влияния профиля скорости потока заданы два варианта распределения скорости потока: линейный и квадратичный со смещенным максимумом (см. рис. 3). Для практического применения полученных результатов определены точные геометрические размеры электромагнитного расходомера (см. рис. 2): D=28 мм; d=12 мм; h=1 мм. Рассмотрены четыре вида профилей скоростей потока жидкости: постоянная скорость V_z = 5 м/с; линейный профиль скорости при V_{z max} = 5 м/с и V_{z min} = 0; квадратичный профиль скоростей при V_{z max} = 5 м/с и V_{z min} = 2,5 м/с без смещения максимума; квадратичный профиль скоростей при V_{z max} = 5 м/с и V_{z min} = 2,5 м/с при смещенном максимуме на D/4.

Рис.3 Распределение скорости потока жидкости
а – линейный; б – квадратичный

Результаты расчетов показаны в виде графиков распределения потенциала в жидкости при различных профилях скорости потока расходомера (см. рис. 4). При постоянной скорости потока линии эквипотенциала имеют строгую форму окружности (см. рис.4а). Такое распределение потенциала в сечении трубопровода характерно при отсутствии возмущений потока жидкости в трубопроводе. Если скорость потока жидкости изменяется по сечению трубопровода от максимума V_{z max} до минимума V_{z min} по линейному закону, концентричность линий эквипотенциала незначительно нарушается (см. рис. 4б). В этом случае происходит усреднение наведенной ЭДС по всему сечению за счет высокой проводимости стенок трубопровода. Аналогичный эффект наблюдается при квадратичной зависимости скорости потока (см. рис. 4в), при условии, что максимум скорости достаточно сильно смещен от оси трубопровода. По мере приближения максимума скорости к оси трубопровода все сильнее сказывается влияние радиальной составляющей скорости потока, и линии эквипотенциала значительно вытягиваются в направлении изменения скорости (см. рис. 4г). Таким образом, кроме проводимости стенок расходомера на степень усреднения оказывает влияние закон изменения магнитной индукции.

Рис.4 Эпюры распределения потенциала в сечении расходомера
а) постоянная скорость; б) по линейному закону; в) по квадратичному закону со смещенным максимумом; г) по квадратичному закону

Наибольший интерес представляют полученные выходные характеристики расходомера при различных профилях скоростей (см. рис. 5). Зависимость разности потенциалов на измерительных электродах от величины объемного расхода носит линейный характер во всех случаях распределения скорости потока жидкости. Так случаи потока с постоянной скоростью и потока с линейной зависимостью идентичны друг другу, что видно из графиков 1 и 2 (см. рис.5). Эти две линии совпадают с высокой точностью, что говорит о независимости показаний расхода для случаев постоянной скорости потока и при распределении скорости потока жидкости по линейному закону. Графики 3 и 4 (см. рис.5) соответствуют случаю, когда скорость потока изменяется по квадратичному закону со смещенным максимумом и без смещения максимума скорости. Как и в предыдущем случае, линейность характеристик сохраняется, но наклон линий изменился и при больших расходах погрешность измерения превышает 20 %. Особенно сильно показания расхода искажаются для случая, когда максимум скорости расположен в центре трубопровода. Этот результат хорошо согласуется с результатом, полученным при построении линий эквипотенциала на рисунке, когда по мере приближения максимума скорости к центру трубопровода усиливается влияние радиального распределения скорости потока жидкости.

Результаты исследования, показывают эффективность применения электромагнитного расходомера с концентрическим полем для измерения расхода жидкостей с неравномерным распределением скорости потока в трубопроводе. Хотя при квадратичном распределении скорости в случае, когда максимум расположен в центре трубопровода, погрешность измерения может достигать значений 10–20 %. Однако такое распределение на практике встречается редко, и как для других типов расходомеров, требует применения дополнительных устройств, обеспечивающих выравнивание скорости потока по сечению трубопровода. Обеспечивая требуемую высокую точность измерения расхода не менее 0,5 %, данный тип расходомеров сохраняет все положительные свойства электромагнитных расходомеров. Кроме того, значительно упрощается конструкция преобразователя расхода и магнитной системы, позволяя уменьшить массогабаритные показатели.

Рис. 5 Выходная характеристика расходомера
1 – постоянная скорость потока; 2 – линейный закон распределения; 3 – квадратичный закон распределения со смещенным максимумом; квадратичный закон распределения

Правильный выбор геометрических размеров расходомера, а именно диаметра внутреннего электрода и соотношения между диаметром трубопровода и внутреннего электрода, может значительно повысить точность измерения при различных распределениях скоростей.

Результаты исследования влияния геометрии расходомера отображены на рис. 6, где показана выходная характеристика расходомера при различных распределениях скоростей потока и различных соотношениях диаметров D/4. Полученные результаты позволяют рассчитать оптимальное значение диаметра внутреннего электрода и соотношения диаметра трубопровода и внутреннего электрода с целью минимизации погрешности измерения. Результаты расчетов показывают возможность увеличения точности измерения в 2–3 раза при изменении размеров расходомера для некоторых распределений скорости по сравнению с первоначальными показателями. Для других видов распределений скорости потока жидкости также достигается положительный эффект снижения погрешности.

Рис. 6 Выходная характеристика расходомера при фиксированном (слева) и (справа) и различных отношениях
1 – постоянная скорость потока и линейный закон распределения; 2 – квадратичный закон распределения со смещенным максимумом; 3 – квадратичный закон распределения
______ D/d = 1,5; _ _ _ _ D/d = 2; …….. D/d = 3; _ . _ . _ D/d = 5.

Третья глава посвящена системе питания электромагнитного расходомера, рассматривается питание расходомера импульсным током, предложен метод измерения полезного сигнала, пропорционального расходу, при питании импульсным током.

Измерительные схемы электромагнитных расходомеров работают при уровнях напряжения от первичного преобразователя в несколько милливольт. Результаты расчетов для электромагнитного расходомера с цилиндрическим полем показали, что такой уровень напряжения достижим только при создании мощного магнитного поля. Индукция магнитного поля пропорциональна току, поэтому для получения высокого уровня полезного сигнала необходимо создание значительных токов через центральный проводник расходомера.

Если не требуется измерение расхода быстропеременных потоков, то непрерывное измерение расхода заменяют на периодическое. При переходе к периодическому измерению расхода нет необходимости создавать магнитное поле в трубопроводе непрерывно. Можно заменить непрерывное магнитное поле импульсным, действующим только на коротком интервале времени t_м.п. на каждом периоде измерения T_и, при этом затраты энергии на поддержание импульсного магнитного поля пропорциональны длительности импульса тока в центральном проводнике.

В расходомере кроме полезного напряжения в выходном сигнале присутствуют различного рода помехи. В первую очередь это гальванический потенциал и трансформаторная ЭДС. Поэтому выходной сигнал расходомера определяется, как сумма этих составляющих:

U(t) = U_п(t) + U_т(t) + U_г(t),

где U_п(t) – полезный сигнал; U_г(t) – постоянный гальванический потенциал; U_т(t) – трансформаторная ЭДС.

Гальванический или электрохимический потенциал обусловлен сложными электрохимическими процессами на границе электрод-жидкость. Если индукция изменяется во времени, то в контуре площадью S, образованном электродами, выводными проводами и измерительным прибором наводится трансформаторная ЭДС:

U_т(t) = - S•dB/dt.

Наличие гальванического потенциала и трансформаторной ЭДС требует использования методов подавления этих составляющих в выходном сигнале, и выделения полезного сигнала, пропорционального текущему расходу. Известен метод создания импульсов тока прямоугольной формы для питания расходомера с цилиндрическим полем (см. рис.7а).

Вначале каждого периода измерения заряжается накопительный конденсатор С от источника постоянного напряжения ИН. После замыкания силового ключа К конденсатор разряжается через источник тока ИТ. Источник тока поддерживает постоянный ток в центральном проводнике расходомера. При отсутствии магнитного поля напряжение на электродах равно U₀ и определяется гальваническим потенциалом. После замыкания ключа индукция магнитного поля быстро нарастает от 0 до максимального значения Bм, после чего поддерживается источником тока на постоянном уровне. После установления постоянства индукции поля измеряют сумму сигналов U_п+U₀. После размыкания ключа, когда индукция магнитного поля равна нулю, измеряют напряжение U₀. Путем вычитания последнего сигнала из суммы сигналов выделяют полезный сигнал, пропорциональный расходу. Постоянство тока на интервале времени измерения полезного сигнала позволяет избавиться от присутствия трансформаторной ЭДС в напряжении на электродах.

Рис.7 – Схема питания импульсным током
а) прямоугольной формы; б) произвольной формы

Погрешность такого метода измерения расхода зависит от стабильности тока источника, поэтому для повышения точности измерения значение тока источника используется как опорный сигнал для схемы измерения. Источник тока, применяемый для создания импульсов прямоугольной формы, должен обладать высокими стабильными характеристиками и обеспечивать постоянное значение тока в течение необходимого интервала времени измерения. Мощные источники постоянного тока со стабильными выходными характеристиками конструктивно сложны, имеют большие габаритные размеры и обладают высокой стоимостью.

Автором предложен способ питания импульсным током путем периодического разряда конденсатора большой емкости через центральный проводник расходомера (см. рис. 7б) . В такой схеме форма импульса тока будет зависеть от вида нагрузки и может представлять собой колебательный или апериодический процесс. Причем максимальное значение тока в цепи, а также форма и длительность импульса могут меняться в значительных пределах. Как и в случае с прямоугольной формой импульсов тока в полезном сигнале будет присутствовать гальванический потенциал. В отличии от работы при постоянном токе, при разряде конденсатора на нагрузку ток в центральном проводнике содержит переменную составляющую, которая приводит к появлению паразитной трансформаторной ЭДС в выходном напряжении. Нестабильность основных параметров импульса тока и ряд возникающих побочных эффектов, требуют нового подхода к измерению полезного сигнала расходомера.

Автором предлагается использовать в качестве значения текущего расхода не отношения значения напряжения на электродах и тока в проводнике, а отношения интегралов этих значений, измеренных на заданном интервале времени. При таком способе измерения показания расхода не зависят от изменения тока обмотки возбуждения, изменения параметров цепи обмотки возбуждения, что позволяет отказаться от стабилизации тока обмотки возбуждения, а, следовательно, устранить погрешность, связанную с непостоянством тока обмотки возбуждения, и упростить техническую реализацию.

Пусть на интервале времени подачи импульса тока обмотки возбуждения, ток обмотки меняется во времени по закону i=i(t).При малой длительности импульса тока распределение скорости в сечении трубопровода на интервале времени подачи импульса тока постоянно, поэтому полезное напряжение на электродах, пропорциональное расходу:

U_п(t) = k•v•i(t),

где k – коэффициент пропорциональности (определяется при калибровке); v – средняя скорость потока жидкости, м/с;

Интеграл полезного напряжения, на интервале времени действия импульса тока:

.

Выражая текущую скорость, как отношение интегралов, получим:

.

Это уравнение показывает, что расход пропорционален отношению интеграла полезного напряжения к интегралу тока через центральный проводник, причем относительное значение расхода не зависит от формы тока на интервале времени действия импульса тока.

Для компенсации напряжения гальванического потенциала перед подачей импульса тока необходимо запомнить напряжение на электродах (в отсутствии магнитного поля), и вычислять интеграл разности напряжений U(t) - U₀. Интегрируя эту разность:

.

Интеграл трансформаторной ЭДС должен быть равен нулю на интервале интегрирования. Это условие выполняется выбором интервала времени измерения (интегрирования) t₁ – t₂ между двумя нулевыми значениями тока в проводнике (см. рис. 8).

Рис.8 – Временные диаграммы метода питания импульсами тока произвольной формы

Предложенная схема питания импульсным током совместно с разработанным методом измерения полезного сигнала на измерительных электродах позволяет создавать мощные импульсы тока, использовать импульсы тока произвольной формы, обеспечивает высокую точность измерения, нечувствителен к параметрам элементов системы питания. Отказ от жесткой привязанности к форме импульсов упрощает конструкцию устройства, исключает применение сложного и дорогостоящего стабильного источника тока. По предложенному методу измерения и конструкции электромагнитного расходомера получено авторское свидетельство. В четвертой главе разработана конструкция электромагнитного расходомера.

На основании предложенного метода питания электромагнитного расходомера разработана функциональная схема устройства (см. рис. 9). Основой конструкции электромагнитного расходомера является первичный преобразователь. Питание первичного преобразователя импульсами тока производится от схемы питания, состоящей из источника напряжения, двух силовых ключей и накопительного конденсатора. При положении первого силового ключа в положении «замкнуто», а второго ключа в положении «разомкнуто» происходит заряд накопительного конденсатора от источника напряжения. По команде от схемы управления ключи переключаются в противоположные положения, и происходит разряд накопительного конденсатора через сопротивление центрального проводника.

Рис.9 – Функциональная схема электромагнитного расходомера (патент на изобретение №2285243)

По окончанию времени разряда, которое контролируется схемой управления, ключи возвращаются в исходное положение и цикл повторяется. правление формированием импульсов тока и преобразование напряжения на электродах в значение текущего расхода осуществляется схемой измерения, в состав которой входят следующие элементы: датчик тока, два усилителя, два устройства выборки и хранения (УВХ), сумматор, два интегратора, делитель, нуль-орган, два ключа сброса, генератор импульсов, блок задержки, инвертор. Представленная функциональная схема позволяет получить на выходе напряжение, пропорциональное текущему расходу.

Разработана конструкция первичного преобразователя расхода электромагнитного расходомера с концентрическим полем, принципиальная схема системы питания (см. рис. 10), принципиальная схема блока управления и индикации (см. рис.11, 12).

Рис.10 – Принципиальная схема системы питания расходомера

Рис.11 – Принципиальная схема блока управления и индикации

Рис.12 – Принципиальная схема блока управления и индикации (продолжение)

В основу работы разработанной принципиальной схемы электромагнитного расходомера с концентрически полем заложено программное обеспечение микроконтроллера. Программное обеспечение осуществляет управление аналого-цифровыми преобразователями, ключами силовой схемы, рассчитывает текущий расход по результатам измерения, обеспечивает интерфейс с пользователем при помощи индикатора и клавиатуры, выполняет обмен данными с внешними устройствами при помощи интерфейсов RS-232 и USB. Разработана структура программного обеспечения и написана часть подпрограмм на языке С.

В пятой главе описана экспериментальная установка, приведены результаты постановки экспериментов и показано технико-экономическое обоснование.

Перед экспериментальными исследованиями электромагнитного расходомера с поперечным полем ставились следующие цели – подтверждение возможности измерения расхода расходомером разработанной конструкции; определение возможности питания электромагнитного расходомера от источника постоянного тока; оценка уровня полезного сигнала, пропорционального расходу, на измерительных электродах при разных скоростях потока жидкости; оценка уровня помеховых сигналов на измерительных электродах электромагнитного расходомера; определение оптимального значения тока через центральный проводник для получения максимального диапазона измеряемых скоростей потока.

В процессе решения поставленных задач была разработана экспериментальная установка (см. рис. 13) и первичный преобразователь расхода (см. рис. 14).

Рис.13 – Экспериментальная установка
1 – преобразователь расхода; 2 – источник постоянного тока; 3 – автотрансформатор; 4 – осциллограф

Рис.14 – Первичный преобразователь расхода
1 – трубопровод (внешний электрод); 2 – внутренний электрод; 3 – центральный проводник; 4 – тройник-разветвитель 1¼ дюйма; 5 – входная магистраль; 6 – выходная магистраль

В результате эксперимента определено, что напряжение на электродах, обусловленное гальваническим потенциалом, изменяется в диапазоне 1…10мВ и не изменяется при условии сохранения параметров эксперимента. Полезное ЭДС при токе в центральном проводнике 10А не превышает 50…300 мкВ, с увеличением тока до 100А значение ЭДС увеличивается до 1000…1500 мкВ. Полученные результаты подтверждают следующие выводы, полученные при теоретическом исследовании электромагнитного расходомера с концентрическим полем – гальванический потенциал значительно превышает полезную ЭДС, пропорциональную расходу; гальванический потенциал стабилен в течение интервала времени значительно превышающего интервал времени измерения расхода; уровень полезной ЭДС достигает значений необходимых для работы измерительной схемы (нескольких милливольт) только при значительном токе в центральном проводнике (более 100А).

Технико-экономическое обоснование применения электромагнитного расходомера с концентрическим полем (ЭРКП) на предприятиях молочной промышленности обосновывает выгодность капитальных вложений в установку и эксплуатацию электромагнитного расходомера с концентрическим полем по сравнению с типовыми расходомерами с поперечным полем; определяет экономию, получаемую в процессе эксплуатации электромагнитного расходомера с концентрическим полем относительно эксплуатации расходомера с поперечным полем. Рассмотрена эксплуатация электромагнитного расходомера с поперечным полем и расходомера с концентрическим полем на линии приемки молока на молочном заводе в течение одного года. В качестве расходомера с поперечным полем для оценки экономической эффективности проекта выбран типовой электромагнитный расходомер с поперечным полем MAG FLO 1100 FOOD фирмы “DANFOSS” для жидких продуктов. Финансово-экономические показатели определены помесячно в течение одного года эксплуатации приборов. Чистый дисконтированный доход за расчетный период при норме дисконта 2,5% составляет 50063,63 рублей, что показывает эффективность всего проекта. Эксплуатация в течение одного года электромагнитного расходомера с концентрическим полем вместо типового расходомера с поперечным полем обеспечивает экономию средств, полностью окупающих стоимость расходомера. Отрицательный эффект увеличения энергопотребления практически не сказывается на эффективность проекта по внедрению электромагнитного расходомера с концентрическим полем.

В приложениях приведены программы расчета и построения эпюр распределения потенциала и выходной характеристики расходомера, программа вычисления расхода для микроконтроллера.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Обоснованы преимущества электромагнитного расходомера жидкостей по сравнению с другими типами расходомеров, заключающиеся в высокой точности измерения расхода, широком линейном динамическом диапазоне, измерении малых расходов при низких скоростях потока, отсутствии влияния вязкости жидкости, отсутствии потери давления, высоком быстродействии, простоте обеспечения санитарных требований к измеряемой жидкости, простоте конструкции.

2. Обоснованы преимущества конструкции электромагнитного расходомера с концентрическим полем по сравнению с конструкцией с поперечным полем, заключающтеся в независимости показаний расхода от вида распределения скоростей потока жидкости в канале, большой площади измерительных электродов, отсутствии сложной магнитной системы, возможности применения недорогих марок сталей для корпуса, уменьшении массогабаритных показателей на 15…20%.

3. Разработана математическая модель электромагнитного расходомера с концентрическим полем, позволяющая оценить влияние на результаты измерения расхода различных видов распределений скоростей потока жидкости.

4. Проведены исследования точности измерения расхода электромагнитным расходомером с концентрическим полем при различных распределениях скоростей потока жидкости. Результаты показывают высокую точность измерения расхода с погрешностью менее 0,5% при линейной зависимости скоростей потока во всем динамическом диапазоне. При квадратичной зависимости погрешность измерения значительно больше 5…20% и требует применения сглаживающих устройств в потоке до расходомера. Расчеты показали возможность увеличения точности измерения в 2-3 раза при изменении размеров расходомера для некоторых распределений скорости.

5. Разработан метод питания импульсным током электромагнитного расходомера с концентрическим полем, позволяющий конструктивно просто получить значительные токи в центральном проводнике без применения сложного стабильного источника тока.

6. Разработан способ измерения расхода электромагнитным расходомером, в котором в качестве оценки расхода используются интегральные показания напряжения на электродах и тока в центральном проводнике (патент на изобретение №2285243). Новый метод обеспечивает высокую точность измерения при произвольной форме импульса тока в центральном проводнике.

7. Разработана функциональная схема электромагнитного расходомера с концентрическим полем, реализующая измерение расхода при питании расходомера импульсами тока произвольной формы (патент на изобретение №2285243) и конструкция первичного преобразователя расхода электромагнитного расходомера с концентрическим полем, отличающаяся простотой исполнения.

8. Разработана принципиальная схема системы питания импульсным током электромагнитного расходомера с концентрическим полем, обеспечивающая формирование импульсов тока значительной амплитуды с минимальными энергетическими затратами.

9. Разработана принципиальная схема блока управления и индикации в составе которой имеется измерительная часть электромагнитного расходомера с концентрическим полем, реализующая основную функцию устройства и обладающая широкими функциональными возможностями.

10. Разработано программное обеспечение блока управления и индикации для микроконтроллера серии ATMEL AVR, обеспечивающее работу электромагнитного расходомера с концентрическим полем.

11. Разработана экспериментальная установка для исследования системы питания электромагнитного расходомера водных растворов с концентрическим полем. Проведен ряд исследований с использованием экспериментальной установки для оценки уровня полезного сигнала и помеховых сигналов на измерительных электродах электромагнитного расходомера с концентрическим полем при различных значениях тока в центральном проводнике. С учетом результатов эксперимента разработана система питания электромагнитного расходомера.

12. Рассчитаны показатели экономической эффективности электромагнитного расходомера с концентрическим полем на линии приемки молока по сравнению с типовым расходомером с поперечным полем за тот же период времени эксплуатации. Получен чистый дисконтированный доход, который составил 50063,63 рублей при норме дисконта 2,5 %.

Основное содержание работы опубликовано в следующих работах:

1) Малиновский А.Е., Пугач Е.Е., Принципы построения высокоточных расходомеров для жидких продуктов// Науч. тр. РГАЗУ (агроинженерия). – М.: РГАЗУ, 2002 г., с. 70-73

2) Малиновский А.Е., Пугач Е.Е., Оценка влияния профиля скоростей на точностные показатели электромагнитного расходомера для жидких продуктов// Вестник РГАЗУ. Агроинженерия. Сб. науч. тр. – М.: РГАЗУ, 2004 г., с. 97-98

3) Малиновский А.Е., Пугач Е.Е., Двухмерная модель электромагнитного расходомера для жидких продуктов// Вестник РГАЗУ. Агроинженерия. Сб. науч. тр. – М.: РГАЗУ, 2004 г., с. 98-99

4) Мамедов Ф.А, Малиновский А.Е., Пугач Е.Е., Электромагнитный расходомер для жидких продуктов// Техника в сельском хозяйстве. – 2006. – №5, с. 9-12

5) Мамедов Ф.А., Малиновский А.Е., Пугач Е.Е. Высокоточный расходомер с концентрическим полем// Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2006. – №4, с. 9-11

6) Мамедов Ф.А., Малиновский А.Е., Пугач Е.Е. Способ повышения точности электромагнитного расходомера// Вестник РГАЗУ, науч. журнал №1(6). – М.: РГАЗУ, 2006 г., с. 231-233

7) Мамедов Ф.А., Малиновский А.Е., Пугач Е.Е. Электромагнитный расходомер повышенной точности//Вестник РГАЗУ, науч. журнал №1(6). – М.: РГАЗУ, 2006 г., с. 229-231

8) Пат. 2285243 RU, МПК G01F 1/60 (2006.01). Способ измерения расхода электромагнитным расходомером и устройство для его осуществления /А.Е. Малиновский (RU), Ф.А. Мамедов (RU), Е.Е. Пугач (RU); Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский Государственный Аграрный Заочный Университет» (RU). – № 204137902/28; Заяв. 24.12.2004; Опубл. 10.10.2006, Бюл. № 28; Приоритет 24.12.2004 – 7 с.: ил.