ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Марфенко Ірина Вікторівна
УДК 532.57.08
ЕЛЕКТРОМАГНІТНИЙ ВИТРАТОМІР
ДЛЯ ТРУБОПРОВОДІВ ВЕЛИКИХ ДІАМЕТРІВ
Спеціальність 05.11.15 – метрологія та метрологічнезабезпечення
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків – 2000
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у Харківському державному науково-дослідному інститутіметрології (ХДНДІМ), Державного комітету стандартизації, метрології тасертифікації України.
Науковий керівник: доктор технічних наук, старший науковий співробітник,Большаков Володимир Борисович, Харківський державний науково-дослідний інститутметрології, керівник науково-дослідного відділу, заступник директора з науковоїроботи та метрологічної служби.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Любчик Леонід Михайлович, Харківський державний політехнічнийуніверситет, професор кафедри системного аналізу та управління
кандидат технічних наук, доцент
Черепков Сергій Тимофійович, Науковий метрологічний центр військовихеталонів, 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 засіданніспеціалізованої вченої ради Д64.050.09 у Харківському державному політехнічномууніверситеті, за адресою:
61002, Харків, вул. Фрунзе, 21.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського державногополітехнічного 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 ринковихвідносин, дефіцит і різке зростання вартостіводи й енергоносіїв гостро ставлять проблему раціонального використання водо-енергетичних ресурсів. Дуже суттєва роль у її розв'язанніналежить підвищенню точності вимірювань і удосконалюванню процесу обліку витратихолодної та гарячої води, тому що дотепер у переважній більшості випадківвикористовуються морально застарілі інедосконалі витратоміри як прилади обліку витрати рідини.
Цю проблему на сьогоднішній день піднятона державний рівень. Достатньо відзначити, щопротягом останніх років прийнято цілий ряд Постанов Кабінету Міністрів (КМ) України, спрямованих на розробкузасобів вимірювальної техніки (ЗВТ), яківраховують витрату паливно-енергетичнихресурсів, та створення і впровадження приладівдля обліку і регулювання витрати води та теплової енергії на промисловихпідприємствах і в побуті.
У зв'язку з цим важливість проблеми метрологічного забезпеченнявимірювань витрати різноманітних рідинних середовищі, зокрема, розробки і створення сучасних ЗВТ обліку йефективного використання водоресурсів, а також виробництва і впровадження їх ународному господарстві не викликає сумніву і постає дуже актуальною для України.
При цьому необхідно мати на увазі, що якщо раніше вирішення задач водопостачаннядосягалося створенням окремих водогосподарчих об'єктів (свердловин, насосних станцій і т.п.), то в останні десятиріччяосновою вирішення цих задачстало створення і розвиток великих системводотеплопостачання. Поява таких систем вимагає створення відповідних ЗВТ витрати втрубопроводах великих діаметрів.
Створення таких ЗВТ витрати (витратомірів)надзвичайно актуально, тому що дозволить вирішити проблему водокористування в цілому, включаючи такі питання як загальнаоцінка водних ресурсів, видобуток, транспортування, облікі їхній розподіл, а також водозберігаючі,екологічні проблеми.
Таким чином, актуальність теми дослідження обумовлена вимогами сьогоднішньогодня щодо створення сучасних ЗВТ витрати й облікурідинних середовищ, зокрема, холодної тагарячої води, у заповнених трубопроводах великихдіаметрів (d і 300 мм). Ці прилади повинні мати високі метрологічніхарактеристики, зручність в експлуатації, малу енергоємність і невисокувартість. Актуальність теми підтверджується ще й тим, що спеціальним Рішенням Президії КМУкраїни Держстандарту доручено розробити концепцію метрологічногозабезпечення засобів облікуі 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”, якавиконувалася в ХДНДІМ ДНВО “Метрологія” в 1993-1995 р. згідно з Планомдержавної стандартизації, та 06.01.16.04 “Створення державного еталона одиниціоб'ємної витрати рідини”, державний реєстр № 0195UО31075, яка виконуєтьсяХДНДІМ з 1998 р. по цей час, де автор є відповідальним виконавцем, згідно зПрограмою створення еталонної бази України, в забезпечення:
— “Концепції метрологічного забезпечення пристроїв обліку та регулюванняспоживання води та паливно-енергетичних ресурсів”, розробленою ДержстандартомУкраїни згідно з дорученням КМ України (протокол №7 від 10.02.1996 р.).
— Постанови КМ України від 17 червня 1994 р. № 421 “Про програмувиробництва засобів обліку витрачання паливно-енергетичних ресурсів і приладіврегулювання систем електроводо-, тепло-, та газопостачання на промисловихпідприємствах і в побуті”;
— Постанови КМ України від 3 липня 1995 р. № 483 “Про впровадженнязасобів обліку витрачання і приладів регулювання споживання води та тепловоїенергії в побуті”;
— Постанови КМ України від 27 листопада 1995 р. № 947 “Про програмупоетапного оснащення наявного житлового фонду засобами обліку та регулюванняспоживання води і теплової енергії на 1996-2000 рр.”;
Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є створення та дослідженняелектромагнітного витратоміра на основі магнітогідродинамічного (МГД)перетворювача з локальним магнітним полем – засобу вимірювання витрати рідини взаповнених трубопроводах великих діаметрів (d і 300 мм), що має маліметалоємність і енерговитрати, зручність вексплуатації, а також високі метрологічні характеристики, які не залежать відзміни фізико-хімічних властивостей вимірюваного середовища.
Для досягнення поставленої метинеобхідно вирішити такі питання:
1. Розробити математичну модель МГД перетворювача з локальним магнітнимполем (МГД ЛМП) для трубопроводів великих діаметрів.
2. Сформулювати задачу синтезуелектромагнітних витратомірів (ЕМВ), щовключає питання визначення оптимальниххарактеристик МГД ЛМП,для трубопроводів великих діаметрів.
3. Розробити методику, алгоритм і програму розрахунку магнітного полярозсіювання МГД ЛМП.
4. На основі виконаних експериментальних досліджень визначити граничніумови в задачі Нейманадля рівняння Лапласа, що описує розподілмагнітного поля МГД ЛМП.
5. Визначити розподіл магнітного поля розсіювання МГД ЛМП.
6. Вирішити задачусинтезу ЕМВ, на основі чого визначитипередатну функцію ЕМВ ЛМП і за допомогою їїаналізу одержати оптимальні параметри МГД ЛМП,тобто такі параметри, при яких похибкивимірювання витрати даними ЕМВ у трубопроводах великихдіаметрів, пов'язані з варіацією епюришвидкостей і її градієнтів у «точці» вимірювання, не будуть перевищувати наперед заданих величин,обумовлених вимогами конкретно розв'язуваної гідрометричноїзадачі.
7. Відповідно до отриманих результатів виконаних теоретичних дослідженьрозробити і виготовити експериментальну партію МГД ЛМП і на основі їхдосліджень експериментально підтвердити отримані в дисертації результати, положення, висновки.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в такому:
· впершерозроблено математичну модель МГД ЛМП длятрубопроводів великих діаметрів;
· запропонованоі реалізовано методику, алгоритми та програми визначення магнітного полярозсіювання МГД ЛМП;
· сформульованоі вирішено задачу синтезу ЕМВ ЛМП, у результаті чого визначенов аналітичному виді передатну функціюелектромагнітних витратомірів із ЛМП для трубопроводів великихдіаметрів;
· впершеотримано основні співвідношення, що зв'язують геометричні і конструктивніпараметри МГД ЛМП із їхніми метрологічнимихарактеристиками;
· вперше визначено оптимальні параметри МГД ЛМП, при яких ЕМВ ЛМП забезпечують вимірювання витрати в трубопроводах великихдіаметрів із нормованими метрологічними характеристиками;
· запропонованометодику і виконано експериментальні дослідження створеного ЕМВ ЛМП – витратоміраЗИР-2000, які підтвердили достовірність отриманих результатів, зроблених висновків, рекомендацій.
Практичне значення одержаних результатів полягає в такому:
· розробленометодику розрахунків МГД ЛМП, яка дозволила звести похибки вимірюваньвитрати в трубопроводах великих діаметрів до прийнятногомінімуму (d ~ ± 1,0 %);
· виробленоєдиний підхід до оцінки похибок вимірювань швидкості як у руслових потоках, так і в трубопроводах великих діаметрів;
· положення, рекомендації і висновки дисертаціївикористано при розробці керівногонормативного документа КНД 50-052-95“Вимірювачі швидкості рідинних потоків. Методи та засобиповiрки”;
· отриманірезультати теоретичних досліджень реалізовано в ЕМВ ЛМП- електромагнітних зондових вимірювальнихперетворювачах ИСП-204, які пройшли державні приймальні та контрольні випробування ізанесені до Державного реєстру засобів вимірювальної техніки, допущених дозастосування в Україні, під номером У1190-99;
· використаннярезультатів дисертації підтверджується актами впровадження отриманихрезультатів у ДНВО “Метрологія” – головному центрі із забезпечення єдності вимірюваньв Україні, Харківському центрі стандартизації, метрології і сертифікації, атакож у відкритому акціонерному товаристві ВАТ «Донуглеводоканал»,м. Донецьк і науково-технічній фірмі «ЛІТ», м. Харків — організаціях,що безпосередньо займаються обліком ірозподілом водоресурсів.
Особистий внесок здобувача в одержання наукових результатів полягає в безпосереднійучасті в постановці і виконанні всіх теоретичних та експериментальнихдосліджень 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 авторащодо розподілу магнітного поля на межі циліндричної магнітної системи іодержано аналітичний вираз для розподілу магнітного поля розсіяння найбільшперспективних циліндричних електромагнітних ЗВТ витрати рідини в трубопроводахвеликих діаметрів, що дозволило визначити оптимальні конструктивні параметритаких ЕМВ ЛМП.
У публікаціях із співавторами, вкладавтора полягає у створенні математичної моделі електромагнітного витратоміра[1,3,7] і розробці методів рішення цієї задачі [2,6], в адаптації положеньдисертації до методики вимірювань обўємної витрати рідини – КНД 50-052-95 [11],у розгляді [4,9] питань оптимізації параметрів МГД ЛМП, розробки нових моделейЕМВ та їх дослідженні, в отриманні результатів вимірювань, їх обробці та оцінціпохибок вимірювань витрати рідини в трубопроводах великих діаметрів [11,12].
Апробація результатів дисертації. Основні положення і результативиконаних в дисертації досліджень оприлюднено на семи міжнародних і українськихнауково-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 большихдлин 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 12наукових праць, 5 з них опубліковані в фахових періодичних наукових журналах, 5робіт опубліковані в збірниках наукових праць міжнародних та українськихконференцій 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 дисертаціїналічує 173 сторінки, де 19 малюнків, 11 таблиць та 5 додатків. Списоквикористаних джерел має 127 найменувань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі дано коротку характеристику дисертаційної роботи: обгрунтованоактуальність теми; сформульовано цілі і задачі дослідження; визначено науковуновизну і практичну цінність роботи; викладено основні положення, що виносятьсяна захист; визначено авторський внесок у сумісних роботах, а також наведеновідомості про апробацію результатів виконаних досліджень.
У першому розділі наведено результати аналітичного огляду сучасного стануметодів та засобів вимірювальної техніки для вимірювання об'ємної витрати рідиннихпотоків у трубопроводах великих діаметрів.
Показано, що поставленому завданню щодостворення ЗВТ витратирідинних середовищ у заповнених трубопроводаху найбільшій мірівідповідає електромагнітний метод, що дозволяє створювати прилади з високими метрологічними й експлуатаційнимихарактеристиками, надійністю, стабільністю показів, можливістю їх використанняв автономному режимі і передачі інформації на великівідстані без втрат і спотворень. Проте засоби вимірювальної техніки длятрубопроводів великих діаметрів не можуть копіювати традиційні електромагнітнівитратоміри для трубопроводів малих діаметрів, де магнітні системи охоплюютьтрубу подібно системі відхилення кінескопа, оскільки в цьому разі на діаметрах1000 мм і більше їх вага складатиме декілька тисяч кілограмів, тобто вони маютьвеликі габарити, металоємність і енерговитрату і тому практично не застосовуються длявимірювання витрати рідини у трубопроводах великих діаметрів. Водночас, з огляду на достоїнстваелектромагнітного методу, дуже перспективним єстворення компактних ЕМВ з малою металоємністю наоснові 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 витратирідини за швидкістю потоку в одній точці (точці середньої швидкості) поперечного перетинутрубопроводу і площі останнього,відповідно до ISO 7145 і ГОСТ 8. 361-79. Однакдо 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 найбільшперспективного на цей час витратоміра з циліндричним МГД ЛМП на основірозв'язання системи рівнянь магнітної гідродинаміки при відповідних граничнихумовах (оскільки сигнал таких ЗВТ формується в потоці рідини, що рухається вйого магнітному полі), яка складається з рівнянь Максвеллаі рівняньгідродинаміки (рівняння нерозривності і рівняння руху)для в'язкої нестисливої провідної рідини
Показано, що теорію роботи МГД ЛМП до теперішнього часу було розглянуто внедостатній мірі. Це обумовлено тим, що теоретичні дослідження пов'язані зматематичними труднощами опису магнітогідродинамічних процесів у робочій області таких перетворювачів.Задача ускладнюється ще й тим, що шукане рішення повинно бути у високому ступені адекватнимпроцесам, які відбуваються в робочій областіМГД ЛМП, а саме індукована ЕРС (сигнал ЕМВ)повинна визначатися тільки швидкістю прямуваннярідини в “точці” виміру – точці середньої швидкості і не залежати, відповіднодо ISO 7145 і ГОСТ 8.361-79, від епюришвидкостей і її градієнтів у трубопроводі, тобто питання стосується обліку «тонких» моментів – впливурозподілу 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 електродахперетворювача, що контактують із досліджуваним потоком (рис.1), визначаєтьсярозподілом індукованих струмів у вимірюваному середовищі
Сформульовано задачу синтезу МГД ЛМП, яка дозволяє визначити їхоптимальні параметри та полягає у визначенні розподілу індукованих струмів j(електричного потенціалу j) у робочій областіперетворювача, обтічного потоком Vв'язкого нестисливого провідного середовища на основірозв'язання системи двох задач Неймана для рівнянь Пуансона і Лапласа дляелектричного та магнітного потенціалів відповідно:
Показано, що при цьому розподіл швидкостей у вимірюваному потоці рідинивизначається системою рівнянь класичної гідродинаміки.
Для дослідження питання щодо ступеня залежності показів МГД ЛМП відпоперечного градієнта швидкості, яке на сьогодні лишається відкритим і потребуєвідповіді, розглянуто і вирішено задачу про формування сигналу МГД ЛМП,встановленого в трубопроводі радіуса R та обтічного турбулентним потокомнестисливої провідної рідини (рис.2), деЕ1(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 йоговикористанні як ЕМВ у трубопроводах великих діаметрів при довільному розподілімагнітної індукції та поля швидкостей
/> (4)
де/> — приріст функції Гріна на електродах МГД ЛМП,/> -функція Гріна або функція впливу у задачі Неймана длярівняння Пуассона (3) в області W — внутрішностітрубопроводу радіуса R із вставленим у нього циліндричним перетворювачемрадіуса r довжиною 2l (рис.1), x, h, V — відповідна x, y, z декартовасистема поточних координат.
Отже, доданок d (l, r)
/>(5)
обумовлений геометричними та конструктивними параметрами МГД ЛМП таградієнтом швидкості потоку, і визначає ступінь залежності його показів відхарактеристик потоку.
Проведено ретельний аналіз величини d(l, r) з метою її мінімізації, тобто мінімізації залежностіпоказів розроблюваного ЕМВ від структури потоку, що вимірюється.
За умови використання МГД ЛМП у трубопроводах великих діаметрів та згідноз ГОСТ 8.361 при вимірюванні розвинених турбулентних течій епюру швидкостей утрубопроводі 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 аналізованоїточки; /> - динамічна швидкість – величина, обумовленатертям на стінці і густиною рідини.
Експериментально визначено значення магнітної індукції на межі z =± l (рис.1), що дозволило отримати аналітичний вираз, який з достатньоюточністю (похибка ~ 1%) описує розподіл магнітного поля розсіяння МГД ЛМП увимірюваному середовищі в залежності від параметрів магнітної системиперетворювача. Це співвідношення є основоположним при розробці МГД ЛМП.
Отримано аналітичний вираз, який визначає характер та ступінь впливуструктури вимірюваного потоку на покази МГД ЛМП:
На основі аналізу одержаного виразу (7) синтезовано МГД ЛМП з високимиметрологічними характеристиками для трубопроводів великих діаметрів.
У третьому розділі розглянуто питання синтезу МГД ЛМП – питаннявизначення їх оптимальних параметрів, при яких такі ЗВТ забезпечували бвимірювання витрати у трубопроводах великих діаметрів з нормованимиметрологічними характеристиками.
Розглянуто основні фактори, які впливають на метрологічні характеристикиМГД ЛМП. Це – завантаження вимірювального перетину трубопроводу перетворювачемта поперечний градієнт швидкості.
Розрахунок оптимальних параметрів r та l (рис.1) котушкизбудження магнітного поля МГД ЛМП, при яких d (l, r)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 будезнаходитися на рівні ± 1,0 %.
Розглянуто конструкцію МГД ЛМП. Показано, що для живлення магнітноїсистеми МГД ЛМП використовується змінний (імпульсний) струм, що дає змогувиключити вплив електрохімічних та поляризаційних ефектів на результативимірювання. Локалізація магнітного поля дає змогу створювати у робочій областіперетворювача магнітне поле значної напруженості (В ~ 0,1 Тл), зарахунок чого підвищується чутливість, розширюється робочий діапазон вимірювачавід часток сантиметрів до десятків метрів.
У відповідності до отриманих результатів теоретичних дослідженьрозроблено та виготовлено експериментальні зразки МГД ЛМП.
Процес вимірювання витрати розробленими МГД ЛМП засновано назакономірностях турбулентної течії в трубах, згідно з якими швидкість потоку увизначеній точці перетину трубопроводу пропорційна середній швидкості потоку тазводиться до вимірювання середньої швидкості у точці (0,242±0,013)R (точцісередньої швидкості) згідно з ГОСТ 8.361, де R – внутрішній радіуструбопроводу у вимірювальному перетині, тобто
де V = Vср –місцева швидкість, w — площа поперечного перетину трубопроводу,визначена з високою точністю.
У четвертому розділі наводяться результати експериментальних дослідженьрозробленого ЕМВ, метою яких є підтвердження коректності постановки ірозв'язання задачі синтезу МГД ЛМП для трубопроводів великих діаметрів,справедливості отриманих розрахункових алгоритмів, положень, висновків і доказтого, що розроблений на основі отриманих результатів прилад має лінійнуградуювальну характеристику і нормовані метрологічні характеристики.
Експериментальні дослідження метрологічних характеристик ЕМВ у силу специфікифізичних процесів, що протікають у магнітогідродинамічному перетворювачі привзаємодії його локального магнітного поля з вимірюваним потоком рідини, можутьбути проведені тільки в реальних умовах – в потоці рідини.
У зв'язку з цим дослідження метрологічних характеристик ЕМВ ЛМПздійснювалися двома способами: у спокійному середовищіпри переміщенні вимірювального перетворювача та в потоку, що набігає, принерухомому вимірювальному перетворювачі, оскільки перетворювачі,що розглядаються, вимірюють швидкість прямуваннярідини як функцію витрати. У першому випадку дослідження проводилися наспеціальній градуювально-випробувальній установці СГИУ-1, основна відноснапохибка якої 0,3 %, тобто в умовах, що виключають наявність градієнтівшвидкості, 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 задопомогою розробленого ЕМВ.
Експериментальні дослідження показали, що розроблений прилад має лінійнуградуювальну характеристику (рис. 3). Відносна похибка вимірювання витратирідини у діапазоні від 12,0 до 124,0 м3/г (при Ду =200 мм) складає 1,0 %. Результати досліджень дають змогу зробити висновок щодоможливості 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 ресурсівочевидна і постає дуже актуальною дляекономіки України.
На основі нових науково обгрунтованих теоретичних і експериментальнихрезультатів, одержаних в дисертації, вирішено конкретне наукове завдання –створення сучасного, що відповідає вимогам сьогодення, компактногоелектромагнітного витратоміра для трубопроводів великих діаметрів (d і 300мм), що має високі метрологічні характеристики, малі металоємність і енерговитрати, а також зручність в експлуатації, наоснові магнітогідродинамічного перетворювача з локальним магнітним полем – якемає суттєве значення для розвитку приладобудування і особливо для створенняприладів обліку витрати рідини у трубопроводах великих діаметрів.
Основні результати роботи полягають в такому:
1.Розглянуто особливості роботи і математичну модель МГД ЛМП утрубопроводах великих діаметрів, що базується на системі рівнянь магнітноїгідродинаміки і відповідних граничних умовах.
2.Сформульовано і вирішено задачу синтезу електромагнітного витратомірадля трубопроводів великих діаметрів, що дозволила одержати нові теоретичнірезультати, тобто визначити оптимальні характеристики МГД ЛМП, які є суттєвимидля розвитку напрямку створення електромагнітних витратомірів для трубопроводіввеликих діаметрів.
3.На підставі виконаних експериментальних досліджень встановлено граничніумови, які дозволили замкнути задачу Неймана для рівняння Лапласа, що описуєрозподіл магнітного поля МГД ЛМП.
4.Розроблено методику високоточного встановлення в аналітичному виглядірозподілу магнітного поля розсіяння МГД ЛМП у вимірюваному середовищі взалежності від параметрів магнітної системи перетворювача, яка є основоположноюпри розробці електромагнітних витратомірів з локальним магнітним полем.
5.Вперше отримано аналітичні вирази, які визначають характер і ступіньвпливу структури вимірюваного потоку на покази МГД ЛМП, на основі яких зарахунок вибору оптимальних параметрів магнітної системи перетворювачазалежність показів ЕМВ від градієнта швидкості вимірюваного середовища зведенодо заздалегідь заданої прийнятної величини.
6.Визначено оптимальні геометричні та конструктивні параметриМГД ЛМП, при яких розроблювані ЕМВ забезпечують вимірювання витрати рідиннихсередовищ в трубопроводах великих діаметрів з похибкою порядку 1,0 %.
7.На підставі результатів виконаних теоретичних досліджень розроблено тавиготовлено експериментальні зразки МГД ЛМП для трубопроводів великихдіаметрів.
8.Розроблено методику та проведено експериментальні дослідження створенихЕМВ для трубопроводів великих діаметрів, які підтвердили достовірністьтеоретичних результатів, висновків, положень, розрахункових формул,правильність вибору методу і напрямку конструктивного виконаннямагнітогідродинамічних перетворювачів витрати з локальним магнітним полем; дализмогу зробити висновок, що створені витратоміри мають лінійну градуювальнухарактеристику та похибку вимірювання витрати рідини не більше 1,0 %, щознаходиться на рівні кращих серійно виготовлених витратомірів для трубопроводівмалих 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 засобіввимірювальної техніки, допущених до застосування в Україні.
9.Наведено приклади практичного застосування отриманих результатів тависновків дисертаційної роботи, створених електромагнітних витратомірів длятрубопроводів великих діаметрів в гідрометричній практиці України.
СПИСОК НАУКОВИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1.Себко В.В., МашневаИ.В., Багмет О.Л., Москаленко И.И. Расчет характеристик электромагнитногопреобразователя температуры //Измерительная техника. – 1997. — №1. – С.53-56.
Автором проведенічисельні розрахунки основних характеристик електромагнітного перетворювача.
2.Себко В.П., МоскаленкоИ.И., Сиренко Н.Н., Машнева И.В. Бесконтактное определение трех параметровцилиндрического проводящего изделия //Измерительная техника.-1997.-№2.-С.37-40.
Автор провів дослідженняпараметрів циліндричного виробу за допомогою електромагнітного перетворювача.
3.Большаков В.Б., КосачН.И., Марфенко И.В., Панфилов О.Ф. Электромагнитный метод измерения скоростижидкостных потоков //Український метрологічний журнал.-1997.-Вип.4.-С.43-46.
Автору належить рішеннязадачі синтезу циліндричних МГД вимірювачів і знаходження оптимальнихметрологічних і конструктивних параметрів для трубопроводів великих діаметрів.
4.Большаков В.Б., КосачН.И., Марфенко И.В., Несвитайло В.А., Соколов Г.С., Панфилов О.Ф. Зависимостьпоказаний электромагнитных расходомеров от физико-химических свойств измеряемойсреды //Український метрологічний журнал.-1998.-Вип.2.-С.46-49.
Автором розглянуто іпроаналізовано залежності показів електромагнітних перетворювачів віделектропровідності середовища.
5.Марфенко И.В. Магнитноеполе рассеяния МГД измерителя с цилиндрической магнитной системой //ВестникХарьковского государственного политехническогоуниверситета.-1998.-Вып.14.-С.33-37.
6.Большаков В.Б., КосачН.И., Машнева И.В. Оптимизация магнитных систем электромагнитных расходомеров//Наукові праці Української НТК «Метрологічне забезпечення в галузіелектричних, магнітних та радіотехнічних вимірювань» (Метрологія велектроніці — 94). – Харків. – 1994.-С.304-305.
Автор в роботі провів дослідженнязалежності структури магнітного поля від геометричних параметрів магнітноїсистеми.
7.Большаков В.Б., КосачН.И., Машнева И.В. Электромагнитный измеритель скорости жидкостных потоков//Тез. доп. Української НТК «Метрологiя та вимірювальна техніка»(Метрологія — 95). – Харків. – 1995.-С.101.
Автором проведенодослідження, яке дозволило встановити область формування сигналу засобувимірювання, що розглядається.
8.Машнева И.В. Измерениерасхода жидких сред в трубопроводах больших диаметров //Тез.докл. УкраинскойНТК «Метрологическое обеспечение средств измерений больших длин и средствизмерений геодезического назначения» (Метрология в геодезии — 96). –Харьков. – 1996.-С.36-37.
9.V.Kupko, I.Mashneva.Band electromechanical dynamometers and manometers //Sbornik trudov 8thInternational Metrology Congress, Besancon, — France. –1997.-P.21-24.
Автору належить розробкаметодики вимірювання електромагнітними перетворювачами, а також участь упроведенні досліджень і визначення можливості застосування їх для вимірювання внестандартних умовах використання.
10.Машнева И.В. Оповышении точности измерений расхода жидких сред в трубопроводах большихдиаметров //Науковi працi II Мiжнародної НТК «Метрологiя велектроніці».-Том.2.-Харкiв.-1997.-С.131-133.
11.Большаков В.Б., КосачН.И., Королев В.Б., Марфенко И.В. Метрологическая аттестация рабочего эталонаВЗУ-180 //Наукові праці I Міжнародної НТК «Метрологія у механіці». –Харків. – 1998.-С.57-61.
Автор провів дослідженняметрологічних параметрів і виконав їх оцінку при метрологічній атестаціїробочого еталона.
12.Большаков В.Б.,Марфенко И.В. Метрологическое обеспечение измерений расхода жидкости втрубопроводах больших диаметров // Наукові праці II Міжнародної НТК “Метрологіята вимірювальна техніка” (Метрологія-99). –Том.2 – Харків: ДНВО “Метрологія”. –1999. – С.180-182.
В роботі автороманалізується стан метрологічного забезпечення вимірювань витрати рідини утрубопроводах великих діаметрів.
АНОТАЦІЯ
Марфенко І.В. Електромагнітний витратомір для трубопроводів великихдіаметрів. – Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук заспеціальністю 05.11.15 – метрологія та метрологічне забезпечення. – Харківськийдержавний політехнічний університет, Харків, 2000.
Дисертацію присвячено створенню та дослідженню електромагнітноговитратоміра рідини в заповнених трубопроводах великих діаметрів (d і300 мм)на базі магнітогідродинамічних перетворювачів злокальним магнітним полем (МГД ЛМП).
У дисертації сформульовано та вирішено задачу синтезу МГД ЛМПз високими метрологічними характеристиками. Виконано експериментальні дослідженнярозроблених МГД ЛМП, що довели достовірністьотриманих теоретичних алгоритмів, положень, висновків. Отримані в роботі результати використанопри створенні МГД ЛМП ИСП-204, які пройшли державні приймальні і контрольнівипробування та занесені до Державного реєструзасобів вимірювальної техніки, допущених дозастосування в Україні.
Ключові слова: електромагнітний витратомір, задача синтезу, градієнтшвидкості, метрологічні дослідження.
ANNOTATION
I.V. Marfenko. Electromagnetic flowmeter for piрe-lines of largediameters. – Manuscript.
Thesis for a candidate's degree by speciality 05.11.15 – Metrology andmetrological assurance. – The Kharkiv State Polytechnic University, Kharkiv,2000.
The thesis is deducated to realization and research of electromagneticflowmeter of liquid in the filled piрe-lines of large diameters (d і300 мм)on the base of magnetohydrodynamical converters with local magnetic field (MHDLMF).
The thesis formulates and solves the problem of synthesis of MHD LMF withhigh metrological characteristics. The experimental researches of the developedMHD LMF, which proved the truth of the received theoretical algorithms,statements, conclusions, are fulfilled. The received results are used forrealization of MHD LMF ISP-204, which have passed the State acceptance andcontrol tests and are registered in the State List of measurement techniquemeans, which are accepted for use in Ukraine.
Key words: electromagnetic flowmeter, problem of synthesis, gradient ofspeed, metrological researches.
АННОТАЦИЯ
Марфенко И.В. Электромагнитный расходомер для трубопроводов большихдиаметров. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук поспециальности 05.11.15 – метрология и метрологическое обеспечение. — Харьковский государственный политехнический университет, Харьков, 2000.
Диссертация посвящена созданию и исследованию электромагнитногорасходомера – средства измерения расхода жидкости в заполненных трубопроводахбольших диаметров (d і300 мм), обладающего малыми металлоемкостью иэнергопотреблением, удобством в эксплуатации и высокими метрологическимихарактеристиками, не зависящими от изменения физико-химических свойствизмеряемой среды.
В диссертации рассмотрены теоретические вопросы разработки одного изнаиболее перспективных на сегодняшний день средств измерения расхода жидкости взаполненных трубопроводах больших диаметров – расходомера смагнитогидродинамическим преобразователем с локальным магнитным полем (МГД ЛМП).Измерение расхода в таких расходомерах осуществляется методом«скорость-площадь», основанном на определении расхода по скоростипотока в одной точке поперечного сечения трубопровода – точке средней скорости(ISO 7145, ГОСТ 8.361) – и его площади.
Исследован принципиальный вопрос о степени зависимости показаний такихпреобразователей от поперечного градиента скорости измеряемого потока, которыйна сегодняшний день остается открытым и требует ответа. С этой цельюрассмотрена математическая модель МГД ЛМП при измерении расхода в трубопроводахбольших диаметров, базирующаяся на системе уравнений магнитной гидродинамики иестественных граничных условиях; сформулирована и решена задача синтеза МГД ЛМП,заключающаяся в определении распределения индуцированных токов (электрическогопотенциала) в измеряемом потоке жидкости на основе решения системы двух задачНеймана для уравнений Пуассона и Лапласа для электрического и магнитногопотенциалов соответственно.
Предложена и реализована методика, описывающая с достаточной точностью(погрешность ~ 1,0 %) распределение магнитного поля рассеяния МГД ЛМП визмеряемой среде в зависимости от их конструктивных и геометрическихпараметров.
В диссертационной работе впервые получено аналитическое выражение,определяющее характер и степень влияния структуры измеряемого потока напоказания МГД ЛМП при различных их исполнениях. Полученное выражение являетсяосновополагающим при разработке и построении расходомеров для трубопроводовбольших диаметров на базе МГД ЛМП.
На основе решения задачи синтеза и его анализа определены оптимальныегеометрические, конструктивные и метрологические параметры МГД ЛМПприменительно к измерению расхода жидкостных сред в трубопроводах большихдиаметров с погрешностью порядка 1,0 %.
В соответствии с полученными результатами выполненных теоретическихисследований разработаны и изготовлены экспериментальные образцы МГД ЛМП дляизмерения расхода в заполненных трубопроводах больших диаметров.
Разработана методика экспериментальных исследований созданных МГД ЛМП наспециальной градуировочно-испытательной установке СГИУ-1 и рабочем эталонерасхода РОУ-180.
Выполнены экспериментальные исследования, подтвердившие достоверностьполученных в диссертации результатов, сделанных выводов, положений,рекомендаций, правильность конструктивного исполнения МГД ЛМП, а такжепоказавшие, что созданные расходомеры обладают линейной градуировочнойхарактеристикой и погрешностью измерения расхода не более 1,0 %, что находитсяна уровне лучших серийно выпускаемых расходомеров малых и средних диаметров.
Основные результаты работы реализованы в МГД ЛМП ИСП-204, прошедшихгосударственные приемочные и контрольные испытания и занесенных вГосударственный реестр средств измерительной техники, допущенных к применению вУкраине, под номером У1190-99; нашли практическое применение в ГНПО«Метрология», Харьковском центре стандартизации, метрологии исертификации, а также в ОАО «Донуглеводоканал», г. Донецк инаучно-технической фирме «ЛИТ», г. Харьков – организациях, непосредственнозанимающихся учетом и распределением водоресурсов.
Ключевые слова: электромагнитный расходомер, задача синтеза, градиентскорости, метрологические исследования.