ЛИТЕРАТУРА
1. Изделия приборостроения. Методика расчета показателей безотказности. Рекомендуемый материал I'M 25446-90, М.: 1990.
2. Петрухин Б.П., Шавыкин H.A. Методика оценки показателей безотказности технических средств систем управле-ния // Приборы и системы управления. 1998. N»8.
3. Шавыкин H.A.. Петрухин В.П.. Жидамирова Е.М. Методика оценки безотказности технических средств. Препринт. М.: Институт проблем управления РАН, 1998.
Ь'орис Петрович Петрухин - канд. техн. наук. зав. лабораторией Института проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН (ИПУ РАН)
Николай Александрович Шавыкин ведущий инженер ИПУ РАН S (095) 334-88-11 E-mail: bppet@ipu.ru.
УДК 681.586-33
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МЕТОД ДИАГНОСТИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ПОТОКА ПУЛЬПЫ В ТРУБОПРОВОДЕ
И.Д. Вслы
Показана возможность построения электромагнитного расходомера, позволяющего получать информацию не только об объемном расходе двухфазной сроды, но и о кинематической структуре ее потока и распределении по сечению трубопровода его фазового состава.
Пульпа представляет собой двухфазную среду, одна фаза которой состоит из различного рода включений в виде твердых частиц, а другая образуется непрерывной жидкостью. Доля твердых частиц в угольной, песковой и магнетитовой пульпе составляет но массе от 50 до 90%.
Распределение и.юшосш н скорости мошка пульпы: г— радиус канала трубопровода, У р — средний по сечению канала скорость, г — средняя но сечению канала плотность
Пульпа перекачивается но горизонтальным фубо-I фонолам только при турбулентном режиме потока, поскольку при ламинарном режиме твердая фаза выпадает
в осадок п закупоривает трубопровод. Однако при турбулентном режиме трубопровод быстро изнашивается. Наиболее экономичен режим, когда скорость перемещения пульпы близка к критической, т. е. граничной между турбулентным и ламинарным режимами. Но при гаком режиме транспортирования пульпы ее фазовый сосшв и кинематическая структура становятся максимально неоднородными по вертикали поперечною сечения канала. На рисунке приведены эпюры скорости и концентрации твердой фазы пульпы при скорости потока, близкой к критической. Для оперативного расчета критических условий п поддержания оптимальных параметров энергетических режимов гндротранспортирования пульпы необходима информация не только о расходе, но и о фазовом составе и кинематической структуре потока [1].
Несмотря на чрезвычайно большое разнообразие характеристик состава пульпы и режимов ее транспорти-рования, можно выделить, по крайней мере, два обобщенных параметра, удобных для оценки асимметрии структуры потока - ординату местоположения средней скорости у и ординату местоположения средней плотности д-р по вертикальной осп, перпендикулярной оси канала с началом координат в центре канала. Очевидно, что при предельно больших скоростях потока имеют место равномерные распределения скоросш потока и плотности ее состава иуг=у - 0. При уменьшении скорости пульпы ордината установится положительной, а ордината V отрицательной (см. рисунок). Таким образом, линейный раз-мер \=у>>-у(), является характерным, т.к. определяет интенсивность асимметрии ноля скоростей и фазового соста-
12
Sensors & Systems • Nsl, 2001
на потока пульпы. Чем больше размер Л, чем больше деформация поля скоростей н распределения неоднородности фазового состава пульпы. Отношение А/О (/_) - диаметр канала) можно примять за критерии подобия, характеризующий интенсивность изменения структуры потока. Каждому значению отношения )Л) можно подобрал» эмпирические описания распределений скорости потока и плотности фазового состава пульпы.
Описание кинематической структуры потока и измерительном сечении можно представить в виде:
V = V,
1-Н
Г
ч'/
я-1
где р, 0 цилиндрические координаты с центром на оси канала, 1'0- скорость потока на оси канала, ¿0, Ь{, Аи -эмпирические коэффициенты, г - радиус канала, а распределение фазового состава в канапе можно представить в виде
л
р =
*-о
где м,04 - эмпирические коэффициенты.
Расход пульпы можно измерять различными способами и устройствами: с помощью мерных емкостей; потра-екюрни струи, вытекающей из калиброванного торца трубопровода; по перепаду давления на сужающих устройствах; ультразвуковыми, термоансмомстрическими, ко реляционными и электромагнитными расходомерами [2].
Однако ряд специфических эксплуатационных условий гидротранспорта, а также требования к относительно высокой точности, надежности и технологичности приборов существенно сокращают практические возможности реализации указанных способов и средств измерения расхода.
Например, известны попытки применения расходомеров с сужающими устройствами для измерения расхода двухфазных сред. 11редполагалось, что можно пользоваться уравнением расхода, выведенным для однородной среды при одинаковой ее плотности по сечению трубы. Однако это предположение справедливо только при условии, если тяжелая фаза равномерно распределена среди более легкой фазы, имеет не только одинаковую с ней скорость, но и одинаковое ускорение при входе в сужающее устройство. Тяжелые частицы пульпы при входе в сужающее устройство отстают от легких и щюходят через ею отверстие с меньшими скоростями. В сходящейся части сужающего устройства повышается концентрация тяжелой фазы, а в расходящейся части эта концентрация понижается, что ведег к существенным пофешностям измерения.
Для измерения двухфазных потоков применяют ненормализованные трубы Венту рн. Этн трубы требуют индивидуальной фадунровки, в отличие от нормализованных труб Вентури, применяемых для измерения расхода однофазных сред. При измерении двухфазных сред
сужающими устройствами возможна «закупорка» трубопровода из-за осаждения твердой фазы в местах расширения трубопровода. Кроме того, изменение размеров сужающих устройств вследствие быстрого износа приводит к значительным дополнительным ио1рсшностям. Отверстия, предназначенные для отбора давления, засоряются и закупориваются.
Ультразвуковые расходомеры также мало пригодны для измерения пульпы последующим причинам: пульпа вызывает существенное потощенне ультразвука, что резко снижает точность измерения и чувствительность прибора; перестройка профиля потока и изменение концентрации пульпы также влияют на точность измерения; необходимость введения множества поправок для коррекции изменений показаний от влияющих факторов 'затрудняет фадуировку расходомера.
Основным препятствием применения корреляционных методов для измерения расхода пульпы являются малый размер частиц твердой фазы и неоднородность состава пульпы, приводящие к слабой корреляции между сигналами в рабочих сечениях. Поэтому для достижения приемлемой точности ^необходимо обрабатывать большие массивы исходных данных, что в конечном итоге приводит к увеличению времени измерения.
Наиболее перспективен электромагнитный метод измерения [2]. Он позволяет измерять расход без нарушения режимов потока, в канале расходомера отсутствуют какие-либо выступающие элементы и подвижные детали. Сигнал электромагнитного расходомера слабо зависит от профиля потока, электропроводности, вязкости среды и друтнх характеристик жидкости. Изменения сигнала в зависимости от магнитной проницаемости относительно просто компенсировать соответствующими устройствами.
Исследования электромагнитного метода измерения расхода показали, что возможно создание расходомера, который позволял бы, кроме определения объемного расхода смеси, диагностировать кинематическую структуру потока и распределение по поперечному сечению канала его фазового состава [3]. Иными словами, получить дополнительную информацию, необходимую для оперативного расчета критических условий и поддержания оптимальных параметров энергетических режимов пщротранспортнрования пульп. Отметим, что ранее подобная задача не ставилась.
Рассмотрим формирование сигнала в первичном преобразователе электромагнитного расходомера при различных режимах потока.
Разность потенциалов I/, снимаемую с электродов первичного преобразователя, можно представить в виде
и = \dxV\BxlV\
(О
где интегрирование ведется по всему рабочему объему канала т, т.е. там, где магнитное поле В и скорость V неравны нулю; функция Грина,/•-радиус-
вектор.
Датчики и Системы • N¡1, 2001
13
При однофазном потоке функция IV, имеющая смысл весовою множителя для элемента объема г/т, определяется исключительно геометрией канала, местом расположения и формой электродов. При двухфазном потоке функция IV зависит, кроме тага, от распределения не-одпородное гей электропроводности.
Представим разность потенциалов (1) в виде двух составляющих: и ~ип + {/„, где
(Уа= \diV\BxW] и„ ш
«н
та и т„ - части рабочего обьема, расположенные, соответственно. выше и ниже плоскости, проходящей через ось канала и линию, соединяющую электроды.
Если магнитное иоле в канате расходомера сформировано традиционным образом и }.Ю - 0, то Ц, = (У,,, и сштгал и пропорционален обьемному расходу пульпы. По мере снижения скорости за счег увеличения асиммет-рии потока (твердые компоне1ггы смещаются в нижнюю часть трубопровода, а деформации поля скоростей - в верхнюю) происходит перераспределение сигнала между составляющими С/а и {/„. Т.е. ип> ин, причем насколько увеличивается значение ¿/в, настолько примерно уменьшается значение С/н> а их сумма остается приблизительно одинако-вой. Иными словами, сигнал расходомера мало зависит от перестройки профиля скороеш и игменения распределения фазовою состава по рабочему объему канала.
Рассмотрим формирование сигнала на электродах при антисимметричном магнитном поле относительно линии, соединяющей электроды. Такое поле образуется, если обмотки индуктора включены навстречу другдру1у.
Сигнал па электродах в этом случае также зависит ог скорости движения пульпы, однако и = (/3- (/„. При скоростях, много больших критической, в силу однородности распределения электропроводности и поля скоростей | ив | = 11/н |, сигнал на электродах равен нулю.
Однако но мере уменьшения скорости увеличивается отношение ХЛ), все больше нарушается симметрия весовой функции и поля скоростей, причем увеличение конси
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.