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

1. Повышение точности квазисферического МГД-измерителя скорости потока жидкости

Авторы: Коренев В.Д., Крикун Я.В.

Источник: материал не опубликован

Общая постановка проблемы

В натурных исследованиях турбулентности русловых потоков, гидротехнических сооружений и открытых водоемов используются магнитогидродинамические измерители (МГД-измерители), определяющие скорость (или пульсации скорости) потока по значению разности потенциалов электрического поля, индуцируемого в жидкости, движущейся в поле рассеяния магнитной системы МГД-преобразователя скорости. Широко применяются МГД-преобразователи с двухполюсной магнитной системой, заключённой в обтекатель в форме хорошо обтекаемого тела вращения с эллипсоидальным носовым обводом, вследствие их высоких эксплуатационных и метрологических характеристик. Они обладают хорошей чувствительностью (порядка нескольких мкВ/мм/с), достаточной механической прочностью, могут эксплуатироваться в потоках агрессивных жидкостей, имеют линейную характеристику преобразования, не зависящую от физико-химических свойств жидкости, низкий уровень собственных гидродинамических шумов. Такой преобразователь позволяет измерять одновременно две составляющие вектора пульсаций скорости исследуемого потока: продольную и поперечную, лежащую в плоскости симметрии его магнитной системы. При этом продольная составляющая пропорциональна разности потенциалов, воспринимаемых чувствительными электродами преобразователя в исследуемом потоке, а поперечная – их сумме [1, 2, 3].

Электрические потенциалы, индуцируемые в рабочей области МГД-преобразователя измеряемыми составляющими пульсаций скорости исследуемого потока жидкости и воспринимаемые его чувствительными электродами, малы по уровню (от нескольких мкВ). Поэтому в устройствах вычитания (канале измерения продольной составляющей) и суммирования (канале измерения поперечной составляющей) электродных потенциалов, где происходит формирование сигналов измеряемых составляющих скорости, обязательно применение специальных мер подавления помех промышленных частот (синфазных помех), поступающих на входы каналов с электродов преобразователя, обусловленных работой промышленного оборудования и имеющих уровень, превосходящий полезный сигнал. В канале измерения продольной составляющей скорости их подавление обеспечивает измерительный усилитель, имеющий дифференциальный (разностный) входной каскад с высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС). Он выполняет одновременно две функции: вычитания потенциалов чувствительных электродов преобразователя и подавления синфазной помехи, поступающей на вход канала.

Суммирование электрических потенциалов, индуцируемых в потоке и воспринимаемых чувствительными электродами преобразователя, на первых этапах разработки схемы измерителя выполнялось посредством суммирующего усилителя, который не подавляет синфазную помеху. Поэтому актуальна замена сумматора в канале измерения поперечной составляющей дифференциальным усилителем, нечувствительным к синфазным помехам.

Измерение составляющих вектора пульсаций скорости потока трехэлектродным преобразователем

На рисунке 1 показана конструкция квазисферического МГД-преобразователя пульсаций скорости потока проводящей жидкости. Потенциальное электрическое поле, содержащее информацию о скорости потока, формируется в жидкости в окрестности эллипсоидального (квазисферического) носового обвода преобразователя в поле рассеивания его двухполюсной рогообразной магнитной системы 1, заключённой в электроизоляционный обтекатель 2 в форме хорошо обтекаемого тела вращения. В исследуемом потоке преобразователь ориентируется продольной осью OZ вдоль направления вектора скорости осредненного течения, набегающего на носовой обвод. Наличие поперечного зазора 3 магнитной системы обеспечивает «выдув» магнитного поля в рабочую зону преобразователя – примыкающую к носовому обводу область исследуемого течения. Съём потенциалов электрического поля, индуцируемого в потоке исследуемой жидкости, движущейся в магнитном поле преобразователя, осуществляется посредством трех чувствительных электродов Е₀, Е₁ и Е₂, расположенных симметрично в зазоре магнитной системы и торцами выходящих на поверхность обтекателя в носовой части (центральный электрод Е₀ соединяется с «общей точкой» схемы, которая надежно заземляется, что повышает помехоустойчивость измерителя).

Рисунок 1 – Конструкция МГД-преобразователя пульсаций скорости

Преобразователь, позволяет измерять одновременно две составляющие вектора пульсаций скорости потока – продольную V`<sub>z</sub> и поперечную V`_x, лежащие в плоскости симметрии магнитной системы XOZ [1, 3]. При этом выходной сигнал канала измерения продольной составляющей скорости определяется разностью потенциалов электродов Е₁ и Е₂ и пропорционален мгновенному значению продольной составляющей скорости V`<sub>z</sub>= [ φ(Е<sub>1</sub>) – φ(Е<sub>2</sub>) ] / S<sub>u</sub>, где S<sub>u</sub> – чувствительность измерителя по продольной составляющей (канала измерения продоль-ной составляющей). Значение поперечной составляющей скорости определяется: V`_x= [ φ(Е₁) + φ(Е₂) ] / S_v, где S_v – чувствительность измерителя по поперечной составляющей (канала измерения поперечной составляющей). Для измерения второй поперечной составляющей скорости V`_y надо повернуть преобразователь вокруг продольной оси на 90 º.

Постановка задачи исследований

В результате функционирования различных электрических устройств (электрических станций, линий электропередач, электрических машин и т.п.) наблюдается протекание токов промышленных частот различного происхождения в почве и водоемах. Кроме того, эти же устройства порождают в окружающем пространстве (в том числе – и в исследуемом потоке жидкости) переменные электромагнитные поля. В совокупности указанные поля и токи наводят в цепи чувствительных электродов МГД-преобразователя паразитные сигналы, значительно превышающие полезный скоростной сигнал и не связанные с измеряемой скоростью, – помехи промышленных частот. Учитывая, что длина волны даже самой высокочастотной помехи значительно (на несколько порядков) превышает расстояние между чувствительными электродами преобразователя (≈10 мм), можно считать такую помеху синфазной.

Измерение скорости (или пульсаций скорости) потока проводящей жидкости электромагнитным методом традиционно основывается на измерении разности потенциалов электрического поля, индуцируемого в жидкости, движущейся в магнитном поле преобразователя. Уже на ранних стадиях развития электромагнитного метода измерения скорости для борьбы с синфазными помехами промышленных частот применялся дифференциальный способ измерения индуцируемой в движущейся жидкости разности потенциалов посредством трех чувствительных электродов, размещаемых в потоке в рабочей области преобразователя. При этом средний (центральный) электрод Е₀ подключается к «общей точке», а крайние электроды Е₁ и Е₂ – к информационным входам измерительного усилителя, на выходе которого формируется сигнал, пропорциональный разности потенциалов [ φ(Е₁) – φ(Е₂) ]. Таким способом достигается ослабление синфазной составляющей входного сигнала измерителя на уровне (120…140) дБ, что обеспечивает ничтожно малое значение синфазной составляющей инструментальной погрешности измерителя.

Таким образом, получение разности потенциалов – [ φ(Е₁) – φ(Е₂) ] – в канале измерения продольной составляющей скорости и одновременное подавление синфазной помехи на выходе канала не представляет особой сложности. Это достигается подключением электродов Е₁ и Е₂ преобразователя к инструментальному усилителю с дифференциальным входным каскадом и высоким КОСС. Усилитель также должен иметь высокое входное сопротивление (Rвх_д ≥ 20 Мом по каждому входу) и низкий уровень собственного шума (приведенный ко входу шум не должен превышать 0,5 мкВ в полосе частот от 0,1 до 100 Гц). Во входном каскаде инструментального усилителя хорошо зарекомендовали себя подобранные пары поле-вых транзисторов КПС104А. Использование ОУПТ общего применения неоправданно по понятным причинам.

Сумму потенциалов измерительных электродов Е₁ и Е₂ преобразователя измерить непосредственно нельзя. Поэтому в канале измерения поперечной составляющей скорости была использована схема, приведенная на рисунке 2.

Рисунок 2 – Схема измерения суммы потенциалов электродов

В этой схеме на вход каждого низкошумящего предварительного усилителя «ПУ 1» и «ПУ 2» поступает разность потенциалов соответствующего измерительного электрода (Е₁ или Е₂) и заземленного электрода Е₀. Неинвертирующие ПУ реализованы на основе схемотехники инструментального усилителя канала измерения продольной составляющей путем охвата глубокой отрицательной обратной связью по инвертирующему входу. Поэтому по входному сопротивлению и шумовым свойствам они полностью соответствуют предъявляемым требованиям. Сигнал, пропорциональный сумме потенциалов электродов [ φ(Е₁) + φ(Е₂) ], формируется на выходе сумматора выходных сигналов «ПУ 1» и «ПУ 2». Основной недостаток приведенной схемы – незащищенность от действия синфазных помех [1, 2], для снижения уровня которых необходимо ограничить сверху полосу пропусканная канала (<50 Гц).

Таким образом, дальнейшее совершенствование измерителя должно включать меры по минимизации влияния синфазных помех промышленных частот на результат измерения не только продольной, но и поперечной составляющей скорости. Желательно при этом со-хранить ортогональные свойства преобразователя и предусмотреть возможность адаптации к условиям задачи измерения чувствительностей по измеряемым составляющим скорости.

Решение поставленной задачи. Результаты исследований

Анализ показал, что преобразователь с тремя электродами невозможно подключить к схеме измерения таким образом, чтобы непосредственно получить сумму потенциалов измерительных электродов исходя только из дифференциального включения измерительных усилителей. Поэтому в преобразователе потребовалось добавить два чувствительных электрода и применить иную схему измерения суммы потенциалов электродов. На рисунке 3 изображен квазисферический двухполюсный преобразователь (показано сечение преобразователя плоскостью, проходящей через чувствительные электроды), содержащий две пары чувствительных электродов, и схема подключения электродов к предложенной схеме измерения суммы (и разности потенциалов – пунктиром) электродов.

Рисунок 3 – Схема измерения суммы (U ⁺ ) и разности (U ^- ) потенциалов электродов преобразователя на основе дифференциальных измерительных усилителей

Для приведенной схемы:

Таким образом, выходные напряжения схемы U ⁺ и U ^- , пропорциональные сумме и разности потенциалов чувствительных электродов преобразователя, формируется исключительно дифференциальными измерительными усилителями, выполняющими и функцию подавления синфазной помехи.

Из последнего уравнения следует, что для получения высокой чувствительности измерителя к поперечной составляющей скорости надо одновременно иметь максимальное значение суммы потенциалов электродов Е₁ и Е₂ и минимальное значение суммы потенциалов Е₃ и Е₄. Ниже показано, что предложенный способ выделения сигнала поперечной составляющей скорости позволяет измерять ее с прогнозированной чувствительностью S_v, которая определяется конструктивными параметрами преобразователя, и может быть адаптирована к условиям задачи измерения.

С целью определения оптимальных значений конструктивных параметров преобразователя (в частности – расстояний между чувствительными электродами) выполнен компьютерный анализ зависимости чувствительности измерителя по продольной и поперечной составляющим скорости от конструктивных параметров преобразователя. Анализ выполнен в приближении осредненного течения с использованием сферической модели преобразователя, вписанной в его носовой обвод (см. рис. 1). Исследованы преобразователи с разной эллипсностью носового обвода 1 ≤ α ≤ 3 (α = 2a/2b ), различным значением безразмерного межэлектродного расстояния 1 ≤ l ≤ 2 (), безразмерной толщиной электроизоляционного покрытия 1 ≤ δ ≤ 1,1 (δ = R/r) для магнитных систем с межполюсным зазором Δ, который изменялся от 2 до 8 мм.

На рисунке 4 приведены зависимости безразмерной (относительной) чувствительности МГД-измерителя от величины межэлектродного расстояния l преобразователя по продольной (а) и поперечной (б) составляющим скорости. Безразмерная чувствительность (чувствительность измерителя единичного радиуса, приходящаяся на единицу магнитной индукции), как функция указанных конструктивных параметров преобразователя, рассчитывалась:

а) по продольной составляющей скорости –

б) по поперечной составляющей скорости –

В приведенных выше выражениях: – расстояние между чувствительными электродами Е₁ и Е₂; R – радиус сферической модели преобразователя; r – радиус сферической модели магнитной системы преобразователя; В₀ – характерное значение индукции магнитного поля преобразователя (её значение в лобовой точке магнитной системы).

Рисунок 4 – Зависимости безразмерной чувствительности МГД-измерителя скорости от величины межэлектродного расстояния преобразователя: а) по продольной составляющей; б) по поперечной составляющей.

На рисунке 5 приведены зависимости фактической (размерной) чувствительности МГД-измерителя скорости от величины межэлектродного расстояния l преобразователя при измерении продольной (а) и поперечной (б) составляющих.

Рисунок 5 – Зависимости фактической (размерной) чувствительности МГД-измерителя скорости от величины межэлектродного расстояния преобразователя: а) по продольной составляющей; б) по поперечной составляющей.

Результаты выполненных исследований позволяют сделать следующие выводы:

- чувствительности S_ou и S_ov существенно зависят от безразмерного межэлектродного расстояния преобразователя; чувствительность S_ou максимальна при l ≈ 1,6 и S_ou → 0 при l → 0; чувствительность S_ov максимальна при l → 0 и S_ov → 0 при l → 2;

- безразмерные чувствительности S_ou и S_ov зависят от степени эллипсности носового обвода преобразователя α и обе растут с увеличением α; однако обе фактические (размерные) чувствительности S_u=S_ou•В₀•R и S_v=S_ov•В₀•R растут при уменьшении α и максимальны при α = 1 (несмотря на рост относительной чувствительности с увеличением α, уменьшение характерного значения индукции магнитного поля В₀ при этом приводит к снижению фактической чувствительности измерителя с ростом α);

- обе фактические чувствительности S_u и S_v максимальны при зазоре магнитной системы преобразователя (4 < Δ < 6) мм и уменьшаются с увеличением толщины электроизоляционного покрытия преобразователя δ.

Наконец зависимости, приведенные на рисунке 5, позволяют выбирать для преобразователя такие межэлектродные расстояния и , которые обеспечивали бы нужное соотношение между чувствительностями измерителя по измеряемым составляющим скорости. Например определено, что преобразователь, характеризуемый такими конструктивными параметрами:

Δ = 4 мм, δ = 1,02 и α = 1,5 (2b=50 мм, r=20 мм),

имеет примерно равные чувствительности по двум составляющим скорости (S_u ≈ S_v = 1,5 мкВ/мм/с) при безразмерных расстояниях и .

Выводы

1. Предложен способ повышения точности квазисферического МГД-измерителя двух составляющих вектора пульсаций скорости потока проводящей жидкости путем доработки преобразователя и схемы электронного устройства канала измерения поперечной составляющей скорости; при реализации способа обеспечивается высокая степень подавления синфазной помехи в каналах измерения и продольной, и поперечной составляющих скорости.

2. Установлено, что изменение межэлектродных расстояний двух пар чувствительных электродов преобразователя дает возможность адаптировать чувствительности измерителя по измеряемым составляющим скорости к условиям задачи измерения. При этом можно получать одинаковые чувствительности по продольной и поперечной составляющим скорости при сохранении максимального значения по первой, либо увеличивать чувствительность по поперечной составляющей в ущерб чувствительности по продольной.

Литература

1. Коренев В.Д. Разработка и исследование МГД-измерителей двух составляющих вектора пульсаций скорости потоков жидкости: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук: 05.11.01 / Всесоюзный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений – М., 1989. – 25 с.

2. Коренев В.Д. // К вопросу исследования характеристик магнитогидродинамических измерителей пульсаций скорости // Магнитная гидродинамика – 1991 – №4 – С. 127-128.

3. Зори А.А., Коренев В.Д. Исследование ортогональности МГД-измерителя пульсаций ско-рости // Материалы 2-го международного научно-технического семинара «Практика и перспективы развития индустриального партнерства». Донецк-Таганрог, 2000 г. – С. 105-113.