Реферат: Електромагнітний витратомір для трубопроводів великих діаметрів
Реферат: Електромагнітний витратомір для трубопроводів великих діаметрів
ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Марфенко Ірина Вікторівна
УДК 532.57.08
ЕЛЕКТРОМАГНІТНИЙ ВИТРАТОМІР
ДЛЯ ТРУБОПРОВОДІВ ВЕЛИКИХ ДІАМЕТРІВ
Спеціальність 05.11.15 – метрологія та метрологічне забезпечення
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків – 2000
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у Харківському державному науково-дослідному інститут метрології (ХДНДІМ), Державного комітету стандартизації, метрології та сертифікації України.
Науковий керівник:доктор технічних наук, старший науковий співробітник, Большаков Володимир Борисович, Харківський державний науково-дослідний інститут метрології, керівник науково-дослідного відділу, заступник директора з науково роботи та метрологічної служби.
Офіційні опоненти:доктор технічних наук, професор
Любчик Леонід Михайлович, Харківський державний політехнічний університет, професор кафедри системного аналізу та управління
кандидат технічних наук, доцент
Черепков Сергій Тимофійович, Науковий метрологічний центр військових еталонів, м. Харків, керівник центру.
Провідна установа:Державний університет “Львівська політехніка”, кафедра Інформаційно- вимірювальна техніка”, Міністерства освіти і науки України, м. Львів.
Захист відбудеться “ 7 ” вересня 2000 року о 14 год. 30 хв. на засіданн спеціалізованої вченої ради Д64.050.09 у Харківському державному політехнічному університеті, за адресою:
61002, Харків, вул. Фрунзе, 21.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського державного політехнічного університету.
Автореферат розісланий “ 23 ” червня 2000 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої радиГоркунов Б.М.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Процес перебудови економіки України, перехід до ринкових відносин, дефіцит і різке зростання вартост води й енергоносіїв гостро ставлять проблему раціонального використання водо-енергетичних ресурсів. Дуже суттєва роль у її розв'язанн належить підвищенню точності вимірювань і удосконалюванню процесу обліку витрати холодної та гарячої води, тому що дотепер у переважній більшості випадків використовуються морально застаріл недосконалі витратоміри як прилади обліку витрати рідини.
Цю проблему на сьогоднішній день піднято на державний рівень. Достатньо відзначити, що протягом останніх років прийнято цілий ряд Постанов Кабінету Міністрів (КМ) України, спрямованих на розробку засобів вимірювальної техніки (ЗВТ), як враховують витрату паливно-енергетичних ресурсів, та створення і впровадження приладів для обліку і регулювання витрати води та теплової енергії на промислових підприємствах і в побуті.
У зв'язку з цим важливість проблеми метрологічного забезпечення вимірювань витрати різноманітних рідинних середовищ , зокрема, розробки і створення сучасних ЗВТ обліку й ефективного використання водоресурсів, а також виробництва і впровадження їх у народному господарстві не викликає сумніву і постає дуже актуальною для України.
При цьому необхідно мати на увазі, що якщо раніше вирішення задач водопостачання досягалося створенням окремих водогосподарчих об'єктів (свердловин, насосних станцій і т.п.), то в останні десятиріччя основою вирішення цих задач стало створення і розвиток великих систем водотеплопостачання. Поява таких систем вимагає створення відповідних ЗВТ витрати в трубопроводах великих діаметрів.
Створення таких ЗВТ витрати (витратомірів) надзвичайно актуально, тому що дозволить вирішити проблему водокористування в цілому, включаючи такі питання як загальна оцінка водних ресурсів, видобуток, транспортування, облік хній розподіл, а також водозберігаючі, екологічні проблеми.
Таким чином, актуальність теми дослідження обумовлена вимогами сьогоднішнього дня щодо створення сучасних ЗВТ витрати й обліку рідинних середовищ, зокрема, холодної та гарячої води, у заповнених трубопроводах великих діаметрів (d і 300 мм). Ці прилади повинні мати високі метрологічн характеристики, зручність в експлуатації, малу енергоємність і невисоку вартість. Актуальність теми підтверджується ще й тим, що спеціальним Рішенням Президії КМ України Держстандарту доручено розробити концепцію метрологічного забезпечення засобів обліку регулювання споживання води і паливно-енергетичних ресурсів.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Дисертація виконувалася згідно з темами 06.04.00.16 “Розробка ДСТУ” ДСВ. Вимірювачі швидкості рідинних потоків. Методи та засоби повірки”, яка виконувалася в ХДНДІМ ДНВО “Метрологія” в 1993-1995 р. згідно з Планом державної стандартизації, та 06.01.16.04 “Створення державного еталона одиниц об'ємної витрати рідини”, державний реєстр № 0195UО31075, яка виконується ХДНДІМ з 1998 р. по цей час, де автор є відповідальним виконавцем, згідно з Програмою створення еталонної бази України, в забезпечення:
- “Концепції метрологічного забезпечення пристроїв обліку та регулювання споживання води та паливно-енергетичних ресурсів”, розробленою Держстандартом України згідно з дорученням КМ України (протокол №7 від 10.02.1996 р.).
- Постанови КМ України від 17 червня 1994 р. № 421 “Про програму виробництва засобів обліку витрачання паливно-енергетичних ресурсів і приладів регулювання систем електроводо-, тепло-, та газопостачання на промислових підприємствах і в побуті”;
- Постанови КМ України від 3 липня 1995 р. № 483 “Про впровадження засобів обліку витрачання і приладів регулювання споживання води та теплово енергії в побуті”;
- Постанови КМ України від 27 листопада 1995 р. № 947 “Про програму поетапного оснащення наявного житлового фонду засобами обліку та регулювання споживання води і теплової енергії на 1996-2000 рр.”;
Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є створення та дослідження електромагнітного витратоміра на основі магнітогідродинамічного (МГД) перетворювача з локальним магнітним полем – засобу вимірювання витрати рідини в заповнених трубопроводах великих діаметрів (d і 300 мм), що має мал металоємність і енерговитрати, зручність в експлуатації, а також високі метрологічні характеристики, які не залежать від зміни фізико-хімічних властивостей вимірюваного середовища.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі питання:
1. Розробити математичну модель МГД перетворювача з локальним магнітним полем (МГД ЛМП) для трубопроводів великих діаметрів.
2. Сформулювати задачу синтезу електромагнітних витратомірів (ЕМВ), що включає питання визначення оптимальних характеристик МГД ЛМП, для трубопроводів великих діаметрів.
3. Розробити методику, алгоритм і програму розрахунку магнітного поля розсіювання МГД ЛМП.
4. На основі виконаних експериментальних досліджень визначити граничн умови в задачі Неймана для рівняння Лапласа, що описує розподіл магнітного поля МГД ЛМП.
5. Визначити розподіл магнітного поля розсіювання МГД ЛМП.
6. Вирішити задачу синтезу ЕМВ, на основі чого визначити передатну функцію ЕМВ ЛМП і за допомогою аналізу одержати оптимальні параметри МГД ЛМП, тобто такі параметри, при яких похибки вимірювання витрати даними ЕМВ у трубопроводах великих діаметрів, пов'язані з варіацією епюри швидкостей і її градієнтів у "точці" вимірювання, не будуть перевищувати наперед заданих величин, обумовлених вимогами конкретно розв'язуваної гідрометрично задачі.
7. Відповідно до отриманих результатів виконаних теоретичних досліджень розробити і виготовити експериментальну партію МГД ЛМП і на основі їх досліджень експериментально підтвердити отримані в дисертації результати, положення, висновки.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в такому:
· вперше розроблено математичну модель МГД ЛМП для трубопроводів великих діаметрів;
· запропоновано реалізовано методику, алгоритми та програми визначення магнітного поля розсіювання МГД ЛМП;
· сформульовано вирішено задачу синтезу ЕМВ ЛМП, у результаті чого визначено в аналітичному виді передатну функцію електромагнітних витратомірів із ЛМП для трубопроводів великих діаметрів;
· вперше отримано основні співвідношення, що зв'язують геометричні і конструктивн параметри МГД ЛМП із їхніми метрологічними характеристиками;
· вперше визначено оптимальні параметри МГД ЛМП, при яких ЕМВ ЛМП забезпечують вимірювання витрати в трубопроводах великих діаметрів із нормованими метрологічними характеристиками;
· запропоновано методику і виконано експериментальні дослідження створеного ЕМВ ЛМП – витратоміра ЗИР-2000, які підтвердили достовірність отриманих результатів, зроблених висновків, рекомендацій.
Практичне значення одержаних результатів полягає в такому:
· розроблено методику розрахунків МГД ЛМП, яка дозволила звести похибки вимірювань витрати в трубопроводах великих діаметрів до прийнятного мінімуму (d ~ ± 1,0 %);
· вироблено диний підхід до оцінки похибок вимірювань швидкості як у руслових потоках, так і в трубопроводах великих діаметрів;
· положення, рекомендації і висновки дисертац використано при розробці керівного нормативного документа КНД 50-052-95 Вимірювачі швидкості рідинних потоків. Методи та засоби повiрки”;
· отриман результати теоретичних досліджень реалізовано в ЕМВ ЛМП - електромагнітних зондових вимірювальних перетворювачах ИСП-204, які пройшли державні приймальні та контрольні випробування занесені до Державного реєстру засобів вимірювальної техніки, допущених до застосування в Україні, під номером У1190-99;
· використання результатів дисертації підтверджується актами впровадження отриманих результатів у ДНВО “Метрологія” – головному центрі із забезпечення єдності вимірювань в Україні, Харківському центрі стандартизації, метрології і сертифікації, а також у відкритому акціонерному товаристві ВАТ "Донуглеводоканал", м. Донецьк і науково-технічній фірмі "ЛІТ", м. Харків - організаціях, що безпосередньо займаються обліком розподілом водоресурсів.
Особистий внесок здобувача в одержання наукових результатів полягає в безпосередній участі в постановці і виконанні всіх теоретичних та експериментальних досліджень у роботі на всіх її етапах.
Список наукових праць за темою дисертації наведено в кінці автореферату. Одноосібно написані три роботи [5,8,10], у яких приведено дослідження автора щодо розподілу магнітного поля на межі циліндричної магнітної системи одержано аналітичний вираз для розподілу магнітного поля розсіяння найбільш перспективних циліндричних електромагнітних ЗВТ витрати рідини в трубопроводах великих діаметрів, що дозволило визначити оптимальні конструктивні параметри таких ЕМВ ЛМП.
У публікаціях із співавторами, вклад автора полягає у створенні математичної моделі електромагнітного витратоміра [1,3,7] і розробці методів рішення цієї задачі [2,6], в адаптації положень дисертації до методики вимірювань обўємної витрати рідини – КНД 50-052-95 [11], у розгляді [4,9] питань оптимізації параметрів МГД ЛМП, розробки нових моделей ЕМВ та їх дослідженні, в отриманні результатів вимірювань, їх обробці та оцінц похибок вимірювань витрати рідини в трубопроводах великих діаметрів [11,12].
Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати виконаних в дисертації досліджень оприлюднено на семи міжнародних і українських науково-технічних конференціях (НТК) у період з 1994р. по 1999 р., а саме:
- I Українській НТК “Метрологічне забезпечення в галузі електричних, магнітних та радіотехнічних вимірювань”. - Харків, 1994;
- Українській НТК “Метрологія та вимірювальна техніка”. - Харків, 1995;
- Украинской НТК “Метрологическое обеспечение средств измерений больших длин и средств измерений геодезического назначения”. - Харьков, 1996;
- II Міжнародній НТК “Метрологія в електроніці”. - Харків, 1997;
- 8 International Metrology Congress, Besancon, France. 1997;
- I Міжнародній НТК “Метрологія у механіці”. - Харків, 1998;
- II Міжнародній НТК “Метрологія та вимірювальна техніка”. - Харків, 1999.
Публікації. За результатами досліджень, виконаних в дисертації, опубліковано 12 наукових праць, 5 з них опубліковані в фахових періодичних наукових журналах, 5 робіт опубліковані в збірниках наукових праць міжнародних та українських конференцій і 2 роботи – в тезах українських конференцій з метрології.
Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаних джерел та додатків. Повний обсяг дисертац налічує 173 сторінки, де 19 малюнків, 11 таблиць та 5 додатків. Список використаних джерел має 127 найменувань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі дано коротку характеристику дисертаційної роботи: обгрунтовано актуальність теми; сформульовано цілі і задачі дослідження; визначено наукову новизну і практичну цінність роботи; викладено основні положення, що виносяться на захист; визначено авторський внесок у сумісних роботах, а також наведено відомості про апробацію результатів виконаних досліджень.
У першому розділі наведено результати аналітичного огляду сучасного стану методів та засобів вимірювальної техніки для вимірювання об'ємної витрати рідинних потоків у трубопроводах великих діаметрів.
Показано, що поставленому завданню щодо створення ЗВТ витрати рідинних середовищ у заповнених трубопроводах у найбільшій мір відповідає електромагнітний метод, що дозволяє створювати прилади з високими метрологічними й експлуатаційними характеристиками, надійністю, стабільністю показів, можливістю їх використання в автономному режимі і передачі інформації на велик відстані без втрат і спотворень. Проте засоби вимірювальної техніки для трубопроводів великих діаметрів не можуть копіювати традиційні електромагнітн витратоміри для трубопроводів малих діаметрів, де магнітні системи охоплюють трубу подібно системі відхилення кінескопа, оскільки в цьому разі на діаметрах 1000 мм і більше їх вага складатиме декілька тисяч кілограмів, тобто вони мають великі габарити, металоємність і енерговитрату і тому практично не застосовуються для вимірювання витрати рідини у трубопроводах великих діаметрів. Водночас, з огляду на достоїнства електромагнітного методу, дуже перспективним створення компактних ЕМВ з малою металоємністю на основі МГД ЛМП, які мають низьку енерговитрату, невелику вартість, зручність в експлуатації та забезпечують вимірювання витрати у заповнених трубопроводах великих діаметрів за методом “площа-швидкість”, заснованим на визначенні об'ємної витрати рідини за швидкістю потоку в одній точці (точці середньої швидкості) поперечного перетину трубопроводу і площі останнього, відповідно до ISO 7145 і ГОСТ 8. 361-79. Однак до цього дня такі ЗВТ були недостатньо вивчені.
На підставі проведеного детального аналізу визначено мету і поставлено задачі, які вирішуються в наступних розділах.
В другому розділі проведено теоретичні дослідження найбільш перспективного на цей час витратоміра з циліндричним МГД ЛМП на основ розв'язання системи рівнянь магнітної гідродинаміки при відповідних граничних умовах (оскільки сигнал таких ЗВТ формується в потоці рідини, що рухається в його магнітному полі), яка складається з рівнянь Максвеллаі рівнянь гідродинаміки (рівняння нерозривності і рівняння руху) для в'язкої нестисливої провідної рідини
Показано, що теорію роботи МГД ЛМП до теперішнього часу було розглянуто в недостатній мірі. Це обумовлено тим, що теоретичні дослідження пов'язані з математичними труднощами опису магнітогідродинамічних процесів у робочій області таких перетворювачів. Задача ускладнюється ще й тим, що шукане рішення повинно бути у високому ступені адекватним процесам, які відбуваються в робочій област МГД ЛМП, а саме індукована ЕРС (сигнал ЕМВ) повинна визначатися тільки швидкістю прямування рідини в “точці” виміру – точці середньої швидкості і не залежати, відповідно до ISO 7145 і ГОСТ 8.361-79, від епюри швидкостей і її градієнтів у трубопроводі, тобто питання стосується обліку "тонких" моментів – впливу розподілу швидкості вимірюваного потоку та її градієнтів на покази МГД ЛМП.
Розглянуто математичну модель МГД ЛМП і показано, що сигнал таких ЗВТ – різниця потенціалів на вимірювальних електродах перетворювача, що контактують із досліджуваним потоком (рис.1), визначається розподілом індукованих струмів у вимірюваному середовищі
Сформульовано задачу синтезу МГД ЛМП, яка дозволяє визначити їх оптимальні параметри та полягає у визначенні розподілу індукованих струмів j (електричного потенціалу j) у робочій област перетворювача, обтічного потоком V в'язкого нестисливого провідного середовища на основ розв'язання системи двох задач Неймана для рівнянь Пуансона і Лапласа для електричного та магнітного потенціалів відповідно:
Страницы: 1, 2
