Исследование и разработка метода и устройств переобразования массового расхода на основе информационных свойств поступательно-вращательных потоков

В В Е Д Е Н И Е ХХУ1 съезд КПСС определил главной целью экономического развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года повышение эффективности производства за счет роста производительности труда и более быстрого внедрения на производстве достижений научно-технического прогресса. Поставлены большие задачи перёдработниками нефтяной и газовой промышленности, выполнение которых будет способствовать росту благосостояния Советского государства. Актуальность проблемы. В основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981;1985 годы и на период до 1990 года, принятых на ХХУ1 съезде КПСС, намечены задачи повышения эффективности технологических процессов, создания приборов и средств контроля и управления. Развитие таких ведущих отраслей промышленности как энергетическая, нефтяная, газовая, нефтехимическая и др. в значительной мере связано с необходимостью точных и надежных измерений массового расхода и количества как жидкости, так и газа. Измерение расхода в промышленности широко применяется при осуществлении коммерческих операций, а также для оперативного контроля и регулирования технологических процессов. Современная техника измерения массового расхода отличается большим разнообразием средств и методов. В последние годы получили развитие расходомеры, основанные на новых принципах (лазерные, акустические, вихревые и др.). Однако большинство преобразователей расхода основываются на косвенном методе измерения, отличаются сложностью алгоритмов вычислений и конструкций первичного и вторичного преобразователей, невысокой точностью. Исследования, проведенные метрологическими институтами нашей страны. показывают, что уменьшением погрешности измерения расхода и количества на 0,5 только по нефтяной и газовой промышленности можно добиться экономического эффекта свыше 20 млн. рублей. Это говорит об актуальности проблемы создания преобразователей расхода и информационно-вычислительных систем измерения массового расхода жидкости и газа, отвечающих современным требованиям производства и уровню развития измерительной техники. В настоящее время получили развитие преобразователи расхода, позволяющие производить измерение расхода без внесения в поток подвижных чувствительных элементов, что является важным преимуществом по сравнению с другими методами. К числу таких преобразователей относятся расходомеры на основе поступательно-вращательных потоков (ПВП). Цель работы, Исследование и разработка метода, информационно-вычислительного устройства преобразователя массового расхода на основе ПВП и создание на базе этих исследований промышленного преобразователя массового расхода. Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи исследований: 1. Исследование и анализ принципов построения массовых расходомеров на основе ПВП. 2. Теоретические исследования информационных свойств ПВП и разработка математической модели формирования сигнала измерительного преобразователя. 3. Экспериментальное исследование информационных свойств ПВП и сигнала измерительного преобразователя. 4. Разработка и исследование метода преобразования массового расхода в потоке на основе ПВП с применением однородных по физическому принципу измерительных преобразователей. 5. Разработка обобщенной структурной схемы преобразователя расхода. Разработка и исследование структурных схем преобразователя массового расхода с одним и более измерительными преобразователями как в аналоговой, так и в цифровой форме. 6. Разработка и исследование информационно-вычислительного устройства преобразователя массового расхода и создание экспериментального образца преобразователя массового расхода, реализующего разработанный метод на основе ПВП. 7. Исследование и оценка метрологических характеристик преобразователя массового расхода, реализующего принципы ПВП. Содержание диссертации. В первом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. В результате анализа закономерностей динамики посту-пате льно-вращательных потоков (ПШ) исследован механизм устойчивой генерации вихревых колебаний. Рассмотренные особенности прецессии ядра вихря в расширенной камере первичного преобра-зоваталя расхода позволили обосновать выбор пьезокерамических измерительных преобразователей параметров ПВП, которые позволяют преобразовать одновременно несколько параметров потока.

2. В итоге критического сравнительного анализа методов и устройств преобразования массового расхода показано, что устройства на основе косвенного метода измерения расхода с применением дополнительных датчиков не обладают надежностью, характеризуются невысокой точностью, сложностью алгоритмов расчета и, как следствие, сложностью вычислительных устройств.

В результате исследований установлено, что в расширенной области первичного преобразователя расхода происходят вихревые колебания давления с частотой, равной j~—b Vz, и амплитудой, пропорциональной кинетической энергии потока, т. е. где — осевая скорость ПВП.

3. Исследования показали, что преобразование вихревых колебаний давления однородным измерительным преобразователем позволяет получить электрический сигнал с частотой J" и амплитудой.

Urn, пропорциональной кинетической энергии потока.

В результате этого появляется возможность сократить количество датчиков и значительно повысить надежность и точность.

4. На основе этих исследований был предложен метод измерения массового расхода с применением однородных по физическому принципу измерительных преобразователей, заключающийся в том, что вычисление массового расхода производится в результате операции деления амплитуды сигнала измерительного преобразователя на частоту этого же сигнала, т. е.

Л — // U./77.

5. С целью проверки корректности теоретических выводов и работоспособности предложенного метода измерения массового расхода были проведены экспериментальные исследования на предложенной установке и показаночто а) предложенный метод преобразования массового расхода являетсяболее точным, простым и эффективнымб) погрешность измерения массового расхода на основе предложенного метода по сравнению с расчетным составила не более.

4% при использовании одного измерительного преобразователя и 1% при использовании двух измерительных преобразователейв) сигналы измерительного преобразователя представляют собой периодические импульсы напряжения параболической формыг) амплитуда сигнала измерительного преобразователя, т. е.

Um пропорциональна кинетическои энергии потока Kfif, где — осевая скорость ПВПд) спектр сигнала измерительного преобразователя и соотношение амплитуд гармоник не изменяется при изменении расхода.

6. В результате исследований была разработана обобщенная структурная схема преобразования массового расхода на основе предложенного метода. Разработаны различные структурные схемы, схемотехнические решения и отдельные электронные блоки, узлы преобразователя расхода с применением одного и двух преобразователей в аналоговой и цифровой форме.

7. Разработано и исследовано информационно-вычислительное устройство преобразования массового расхода. Был изготовлен опытный образец массового расходомера и проведены промышленные испытания. Результаты испытаний позволили обосновать целесообразность серийного выпуска отечественной промышленностью расходомера типа РД-2 на основе предложенного метода.

8. Проведены исследования и оценка метрологических характеристик преобразователя расхода, измерительных преобразователей и информационно-вычислительного устройства как в целом, так и всех его узлов и блоков. Результаты показали, что суммарная погрешность преобразования массового расхода составляет не более + 1%, Массовый расходомер РД-2, выпускаемый серийно отечественной промышленностью, также имеет погрешность + I%.