Реферат: Електромагнітний витратомір для трубопроводів великих діаметрів

Показано, що при цьому розподіл швидкостей у вимірюваному потоці рідини визначається системою рівнянь класичної гідродинаміки.

Для дослідження питання щодо ступеня залежності показів МГД ЛМП від поперечного градієнта швидкості, яке на сьогодні лишається відкритим і потребу відповіді, розглянуто і вирішено задачу про формування сигналу МГД ЛМП, встановленого в трубопроводі радіуса R та обтічного турбулентним потоком нестисливої провідної рідини (рис.2), де Е1(r, 0,758R, 0) та Е2(-r, 0,758R, 0) розташовані у точках середньої швидкості електроди МГД ЛМП.

На основі отриманого рішення цієї задачі визначено сигнал МГД ЛМП при його використанні як ЕМВ у трубопроводах великих діаметрів при довільному розподіл магнітної індукції та поля швидкостей

 (4)

де - приріст функції Гріна на електродах МГД ЛМП,  - функція Гріна або функція впливу у задачі Неймана для рівняння Пуассона (3) в області W - внутрішност трубопроводу радіуса R із вставленим у нього циліндричним перетворювачем радіуса r довжиною 2l (рис.1), x, h, V - відповідна x, y, z декартова система поточних координат.

Отже, доданок d (l, r)

(5)

обумовлений геометричними та конструктивними параметрами МГД ЛМП та градієнтом швидкості потоку, і визначає ступінь залежності його показів від характеристик потоку.

Проведено ретельний аналіз величини d (l, r) з метою її мінімізації, тобто мінімізації залежност показів розроблюваного ЕМВ від структури потоку, що вимірюється.

За умови використання МГД ЛМП у трубопроводах великих діаметрів та згідно з ГОСТ 8.361 при вимірюванні розвинених турбулентних течій епюру швидкостей у трубопроводі задано у вигляді

(6)

деl = 0,0032+0,221ЧRe-0,237 – коефіцієнт опору трубопроводу, визначений універсальним співвідношенням у формі Никурадзе; n - кінематичний коефіцієнт в'язкості вимірюваного середовища;  - відстань від осі трубопроводу до аналізовано точки;  - динамічна швидкість – величина, обумовлена тертям на стінці і густиною рідини.

Експериментально визначено значення магнітної індукції на межі z = ± l (рис.1), що дозволило отримати аналітичний вираз, який з достатньою точністю (похибка ~ 1%) описує розподіл магнітного поля розсіяння МГД ЛМП у вимірюваному середовищі в залежності від параметрів магнітної системи перетворювача. Це співвідношення є основоположним при розробці МГД ЛМП.

Отримано аналітичний вираз, який визначає характер та ступінь впливу структури вимірюваного потоку на покази МГД ЛМП:

На основі аналізу одержаного виразу (7) синтезовано МГД ЛМП з високими метрологічними характеристиками для трубопроводів великих діаметрів.

У третьому розділі розглянуто питання синтезу МГД ЛМП – питання визначення їх оптимальних параметрів, при яких такі ЗВТ забезпечували б вимірювання витрати у трубопроводах великих діаметрів з нормованими метрологічними характеристиками.

Розглянуто основні фактори, які впливають на метрологічні характеристики МГД ЛМП. Це – завантаження вимірювального перетину трубопроводу перетворювачем та поперечний градієнт швидкості.

Розрахунок оптимальних параметрів r та l (рис.1) котушки збудження магнітного поля МГД ЛМП, при яких d (l, r) << 1 (5,7), за рахунок чого залежність показів таких перетворювачів від поперечного градієнта швидкості (4) буде зведено до придатного мінімуму, виконано згідно з отриманим у другому розділі рішенням задачі синтезу (4,7) для різних значень r та l. Встановлено, що оптимальним є відношення l/r = 0,5 та r Ј 32 мм при Dу і 300 мм. При цьому похибка вимірювання витрати буде знаходитися на рівні ± 1,0 %.

Розглянуто конструкцію МГД ЛМП. Показано, що для живлення магнітно системи МГД ЛМП використовується змінний (імпульсний) струм, що дає змогу виключити вплив електрохімічних та поляризаційних ефектів на результати вимірювання. Локалізація магнітного поля дає змогу створювати у робочій област перетворювача магнітне поле значної напруженості (В ~ 0,1 Тл), за рахунок чого підвищується чутливість, розширюється робочий діапазон вимірювача від часток сантиметрів до десятків метрів.

У відповідності до отриманих результатів теоретичних досліджень розроблено та виготовлено експериментальні зразки МГД ЛМП.

Процес вимірювання витрати розробленими МГД ЛМП засновано на закономірностях турбулентної течії в трубах, згідно з якими швидкість потоку у визначеній точці перетину трубопроводу пропорційна середній швидкості потоку та зводиться до вимірювання середньої швидкості у точці (0,242±0,013)R (точц середньої швидкості) згідно з ГОСТ 8.361, де R – внутрішній радіус трубопроводу у вимірювальному перетині, тобто

де V = Vср  місцева швидкість, w - площа поперечного перетину трубопроводу, визначена з високою точністю.

У четвертому розділі наводяться результати експериментальних досліджень розробленого ЕМВ, метою яких є підтвердження коректності постановки розв'язання задачі синтезу МГД ЛМП для трубопроводів великих діаметрів, справедливості отриманих розрахункових алгоритмів, положень, висновків і доказ того, що розроблений на основі отриманих результатів прилад має лінійну градуювальну характеристику і нормовані метрологічні характеристики.

Експериментальні дослідження метрологічних характеристик ЕМВ у силу специфіки фізичних процесів, що протікають у магнітогідродинамічному перетворювачі при взаємодії його локального магнітного поля з вимірюваним потоком рідини, можуть бути проведені тільки в реальних умовах – в потоці рідини.

У зв'язку з цим дослідження метрологічних характеристик ЕМВ ЛМП здійснювалися двома способами: у спокійному середовищ при переміщенні вимірювального перетворювача та в потоку, що набігає, при нерухомому вимірювальному перетворювачі, оскільки перетворювачі, що розглядаються, вимірюють швидкість прямування рідини як функцію витрати. У першому випадку дослідження проводилися на спеціальній градуювально-випробувальній установці СГИУ-1, основна відносна похибка якої 0,3 %, тобто в умовах, що виключають наявність градієнтів швидкості, у другому – на робочому еталоні витрати РОУ-180 – витратомірній установці, відносна похибка якої не перевищує 0,25 %, тобто у реальних умовах роботи витратомірів.

Розроблено методику експериментальних досліджень, згідно з якою: визначено градуювальну характеристику та похибку вимірювань витрати рідини за допомогою розробленого ЕМВ.

Експериментальні дослідження показали, що розроблений прилад має лінійну градуювальну характеристику (рис. 3). Відносна похибка вимірювання витрати рідини у діапазоні від 12,0 до 124,0 м3/г (при Ду = 200 мм) складає 1,0 %. Результати досліджень дають змогу зробити висновок щодо можливості проведення повірки та атестації цих приладів на вимірювальних лотках установках типа СГИУ-1.

ВИСНОВКИ

Важливість проблеми метрологічного забезпечення і, зокрема, розробки і створення сучасних ЗВТ обліку й ефективного використання водних ресурсів очевидна і постає дуже актуальною для економіки України.

На основі нових науково обгрунтованих теоретичних і експериментальних результатів, одержаних в дисертації, вирішено конкретне наукове завдання створення сучасного, що відповідає вимогам сьогодення, компактного електромагнітного витратоміра для трубопроводів великих діаметрів (d і 300 мм), що має високі метрологічні характеристики, малі металоємність і енерговитрати, а також зручність в експлуатації, на основі магнітогідродинамічного перетворювача з локальним магнітним полем – яке має суттєве значення для розвитку приладобудування і особливо для створення приладів обліку витрати рідини у трубопроводах великих діаметрів.

Основні результати роботи полягають в такому:

1.Розглянуто особливості роботи і математичну модель МГД ЛМП у трубопроводах великих діаметрів, що базується на системі рівнянь магнітно гідродинаміки і відповідних граничних умовах.

2.Сформульовано і вирішено задачу синтезу електромагнітного витратоміра для трубопроводів великих діаметрів, що дозволила одержати нові теоретичн результати, тобто визначити оптимальні характеристики МГД ЛМП, які є суттєвими для розвитку напрямку створення електромагнітних витратомірів для трубопроводів великих діаметрів.

3.На підставі виконаних експериментальних досліджень встановлено граничн умови, які дозволили замкнути задачу Неймана для рівняння Лапласа, що опису розподіл магнітного поля МГД ЛМП.

4.Розроблено методику високоточного встановлення в аналітичному вигляд розподілу магнітного поля розсіяння МГД ЛМП у вимірюваному середовищі в залежності від параметрів магнітної системи перетворювача, яка є основоположною при розробці електромагнітних витратомірів з локальним магнітним полем.

5.Вперше отримано аналітичні вирази, які визначають характер і ступінь впливу структури вимірюваного потоку на покази МГД ЛМП, на основі яких за рахунок вибору оптимальних параметрів магнітної системи перетворювача залежність показів ЕМВ від градієнта швидкості вимірюваного середовища зведено до заздалегідь заданої прийнятної величини.

6.Визначено оптимальні геометричні та конструктивні параметри МГД ЛМП, при яких розроблювані ЕМВ забезпечують вимірювання витрати рідинних середовищ в трубопроводах великих діаметрів з похибкою порядку 1,0 %.

7.На підставі результатів виконаних теоретичних досліджень розроблено та виготовлено експериментальні зразки МГД ЛМП для трубопроводів великих діаметрів.

8.Розроблено методику та проведено експериментальні дослідження створених ЕМВ для трубопроводів великих діаметрів, які підтвердили достовірність теоретичних результатів, висновків, положень, розрахункових формул, правильність вибору методу і напрямку конструктивного виконання магнітогідродинамічних перетворювачів витрати з локальним магнітним полем; дали змогу зробити висновок, що створені витратоміри мають лінійну градуювальну характеристику та похибку вимірювання витрати рідини не більше 1,0 %, що знаходиться на рівні кращих серійно виготовлених витратомірів для трубопроводів малих та середніх діаметрів.

Отримані в роботі результати використано при створенні МГД ЛМП ИСП-204, які пройшли державні приймальні і контрольні випробування і занесені до Державного реєстру засобів вимірювальної техніки, допущених до застосування в Україні.

9.Наведено приклади практичного застосування отриманих результатів та висновків дисертаційної роботи, створених електромагнітних витратомірів для трубопроводів великих діаметрів в гідрометричній практиці України.

СПИСОК НАУКОВИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Себко В.В., Машнева И.В., Багмет О.Л., Москаленко И.И. Расчет характеристик электромагнитного преобразователя температуры //Измерительная техника. – 1997. - №1. – С.53-56.

Автором проведен чисельні розрахунки основних характеристик електромагнітного перетворювача.

2.Себко В.П., Москаленко И.И., Сиренко Н.Н., Машнева И.В. Бесконтактное определение трех параметров цилиндрического проводящего изделия //Измерительная техника.-1997.-№2.-С.37-40.

Автор провів дослідження параметрів циліндричного виробу за допомогою електромагнітного перетворювача.

3.Большаков В.Б., Косач Н.И., Марфенко И.В., Панфилов О.Ф. Электромагнитный метод измерения скорости жидкостных потоков //Український метрологічний журнал.-1997.-Вип.4.-С.43-46.

Автору належить рішення задачі синтезу циліндричних МГД вимірювачів і знаходження оптимальних метрологічних і конструктивних параметрів для трубопроводів великих діаметрів.

4.Большаков В.Б., Косач Н.И., Марфенко И.В., Несвитайло В.А., Соколов Г.С., Панфилов О.Ф. Зависимость показаний электромагнитных расходомеров от физико-химических свойств измеряемой среды //Український метрологічний журнал.-1998.-Вип.2.-С.46-49.

Автором розглянуто проаналізовано залежності показів електромагнітних перетворювачів від електропровідності середовища.

5.Марфенко И.В. Магнитное поле рассеяния МГД измерителя с цилиндрической магнитной системой //Вестник Харьковского государственного политехнического университета.-1998.-Вып.14.-С.33-37.

6.Большаков В.Б., Косач Н.И., Машнева И.В. Оптимизация магнитных систем электромагнитных расходомеров //Наукові праці Української НТК "Метрологічне забезпечення в галуз електричних, магнітних та радіотехнічних вимірювань" (Метрологія в електроніці - 94). – Харків. – 1994.-С.304-305.

Автор в роботі провів дослідження залежності структури магнітного поля від геометричних параметрів магнітно системи.

7.Большаков В.Б., Косач Н.И., Машнева И.В. Электромагнитный измеритель скорости жидкостных потоков //Тез. доп. Української НТК "Метрологiя та вимірювальна техніка" (Метрологія - 95). – Харків. – 1995.-С.101.

Автором проведено дослідження, яке дозволило встановити область формування сигналу засобу вимірювання, що розглядається.

8.Машнева И.В. Измерение расхода жидких сред в трубопроводах больших диаметров //Тез.докл. Украинской НТК "Метрологическое обеспечение средств измерений больших длин и средств измерений геодезического назначения" (Метрология в геодезии - 96). Харьков. – 1996.-С.36-37.

9.V.Kupko, I.Mashneva. Band electromechanical dynamometers and manometers //Sbornik trudov 8th International Metrology Congress, Besancon, - France. –1997.-P.21-24.

Автору належить розробка методики вимірювання електромагнітними перетворювачами, а також участь у проведенні досліджень і визначення можливості застосування їх для вимірювання в нестандартних умовах використання.

10.Машнева И.В. О повышении точности измерений расхода жидких сред в трубопроводах больших диаметров //Науковi працi II Мiжнародної НТК "Метрологiя в електроніці".-Том.2.-Харкiв.-1997.-С.131-133.

11.Большаков В.Б., Косач Н.И., Королев В.Б., Марфенко И.В. Метрологическая аттестация рабочего эталона ВЗУ-180 //Наукові праці I Міжнародної НТК "Метрологія у механіці". Харків. – 1998.-С.57-61.

Автор провів дослідження метрологічних параметрів і виконав їх оцінку при метрологічній атестац робочого еталона.

12.Большаков В.Б., Марфенко И.В. Метрологическое обеспечение измерений расхода жидкости в трубопроводах больших диаметров // Наукові праці II Міжнародної НТК “Метрологія та вимірювальна техніка” (Метрологія-99). –Том.2 – Харків: ДНВО “Метрологія”. 1999. – С.180-182.

В роботі автором аналізується стан метрологічного забезпечення вимірювань витрати рідини у трубопроводах великих діаметрів.

АНОТАЦІЯ

Марфенко І.В. Електромагнітний витратомір для трубопроводів великих діаметрів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.15 – метрологія та метрологічне забезпечення. – Харківський державний політехнічний університет, Харків, 2000.

Дисертацію присвячено створенню та дослідженню електромагнітного витратоміра рідини в заповнених трубопроводах великих діаметрів (d і300 мм) на базі магнітогідродинамічних перетворювачів з локальним магнітним полем (МГД ЛМП).

У дисертації сформульовано та вирішено задачу синтезу МГД ЛМП з високими метрологічними характеристиками. Виконано експериментальні дослідження розроблених МГД ЛМП, що довели достовірність отриманих теоретичних алгоритмів, положень, висновків. Отримані в роботі результати використано при створенні МГД ЛМП ИСП-204, які пройшли державні приймальні і контрольн випробування та занесені до Державного реєстру засобів вимірювальної техніки, допущених до застосування в Україні.

Ключові слова: електромагнітний витратомір, задача синтезу, градієнт швидкості, метрологічні дослідження.

ANNOTATION

I.V. Marfenko. Electromagnetic flowmeter for piрe-lines of large diameters. – Manuscript.

Thesis for a candidate's degree by speciality 05.11.15 – Metrology and metrological assurance. – The Kharkiv State Polytechnic University, Kharkiv, 2000.

The thesis is deducated to realization and research of electromagnetic flowmeter of liquid in the filled piрe-lines of large diameters (d і300 мм) on the base of magnetohydrodynamical converters with local magnetic field (MHD LMF).

The thesis formulates and solves the problem of synthesis of MHD LMF with high metrological characteristics. The experimental researches of the developed MHD LMF, which proved the truth of the received theoretical algorithms, statements, conclusions, are fulfilled. The received results are used for realization of MHD LMF ISP-204, which have passed the State acceptance and control tests and are registered in the State List of measurement technique means, which are accepted for use in Ukraine.

Key words: electromagnetic flowmeter, problem of synthesis, gradient of speed, metrological researches.

АННОТАЦИЯ

Марфенко И.В. Электромагнитный расходомер для трубопроводов больших диаметров. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.15 – метрология и метрологическое обеспечение. - Харьковский государственный политехнический университет, Харьков, 2000.

Диссертация посвящена созданию и исследованию электромагнитного расходомера – средства измерения расхода жидкости в заполненных трубопроводах больших диаметров (d і300 мм), обладающего малыми металлоемкостью и энергопотреблением, удобством в эксплуатации и высокими метрологическими характеристиками, не зависящими от изменения физико-химических свойств измеряемой среды.

В диссертации рассмотрены теоретические вопросы разработки одного из наиболее перспективных на сегодняшний день средств измерения расхода жидкости в заполненных трубопроводах больших диаметров – расходомера с магнитогидродинамическим преобразователем с локальным магнитным полем (МГД ЛМП). Измерение расхода в таких расходомерах осуществляется методом "скорость-площадь", основанном на определении расхода по скорости потока в одной точке поперечного сечения трубопровода – точке средней скорости (ISO 7145, ГОСТ 8.361) – и его площади.

Исследован принципиальный вопрос о степени зависимости показаний таких преобразователей от поперечного градиента скорости измеряемого потока, который на сегодняшний день остается открытым и требует ответа. С этой целью рассмотрена математическая модель МГД ЛМП при измерении расхода в трубопроводах больших диаметров, базирующаяся на системе уравнений магнитной гидродинамики и естественных граничных условиях; сформулирована и решена задача синтеза МГД ЛМП, заключающаяся в определении распределения индуцированных токов (электрического потенциала) в измеряемом потоке жидкости на основе решения системы двух задач Неймана для уравнений Пуассона и Лапласа для электрического и магнитного потенциалов соответственно.

Предложена и реализована методика, описывающая с достаточной точностью (погрешность ~ 1,0 %) распределение магнитного поля рассеяния МГД ЛМП в измеряемой среде в зависимости от их конструктивных и геометрических параметров.

В диссертационной работе впервые получено аналитическое выражение, определяющее характер и степень влияния структуры измеряемого потока на показания МГД ЛМП при различных их исполнениях. Полученное выражение является основополагающим при разработке и построении расходомеров для трубопроводов больших диаметров на базе МГД ЛМП.

На основе решения задачи синтеза и его анализа определены оптимальные геометрические, конструктивные и метрологические параметры МГД ЛМП применительно к измерению расхода жидкостных сред в трубопроводах больших диаметров с погрешностью порядка 1,0 %.

В соответствии с полученными результатами выполненных теоретических исследований разработаны и изготовлены экспериментальные образцы МГД ЛМП для измерения расхода в заполненных трубопроводах больших диаметров.

Разработана методика экспериментальных исследований созданных МГД ЛМП на специальной градуировочно-испытательной установке СГИУ-1 и рабочем эталоне расхода РОУ-180.

Выполнены экспериментальные исследования, подтвердившие достоверность полученных в диссертации результатов, сделанных выводов, положений, рекомендаций, правильность конструктивного исполнения МГД ЛМП, а также показавшие, что созданные расходомеры обладают линейной градуировочной характеристикой и погрешностью измерения расхода не более 1,0 %, что находится на уровне лучших серийно выпускаемых расходомеров малых и средних диаметров.

Основные результаты работы реализованы в МГД ЛМП ИСП-204, прошедших государственные приемочные и контрольные испытания и занесенных в Государственный реестр средств измерительной техники, допущенных к применению в Украине, под номером У1190-99; нашли практическое применение в ГНПО "Метрология", Харьковском центре стандартизации, метрологии и сертификации, а также в ОАО "Донуглеводоканал", г. Донецк и научно-технической фирме "ЛИТ", г. Харьков – организациях, непосредственно занимающихся учетом и распределением водоресурсов.

Ключевые слова: электромагнитный расходомер, задача синтеза, градиент скорости, метрологические исследования.