образования. Задача измерения положения границ раздела в этом случае сводится к выбору функций, которые образуют систему уравнений, имеющих единственное решение для измеренных резонансных частот при известных параметрах слоев и диапазонов изменения определяемых величин. Выбор таких функций преобразования может оказаться сложной задачей даже для небольшого числа слоев, но конкретные практические примеры подтверждают возможность решения этой задачи.
ЛИТЕРАТУРА
1. Викторов В. А., Лункин Б. В., Совлуков А. С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — С. 27.
2. Криксунова Н. А., Лункин Б. В. Инвариантные измерения положения границы раздела двух сред на основе радиоволнового датчика // Автоматика и телемеханика. — 1991. — № 10. — С. 169—170.
3. Лункин Б. В. Основы теории чувствительных элементов слоистой структуры радиоволновых датчиков // Тр. ИПУ РАН. — 2002. — Т. XVI. — С. 9.
Статья представлена Институтом проблем управления им.
В. А. Трапезникова РАН.
Борис Васильевич Лункин — канд. техн. наук, ст. научн. сотрудник, зав. лабораторией;
E-mail: lunbv@ipu.rssi.ru
Нина Абрамовна Криксунова — научн. сотрудник.
® (495) 334-88-30
E-mail: krikni@ipu.rssi.ru □
УДК 681.586'33
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА МАСШТАБНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ РАСХОДОМЕРОВ
И. Д. Вельт, Ю. В. Михайлова
Рассмотрены методы и средства исследования электромагнитных расходомеров, основанные на воспроизведении нормированного потока жидкости с помощью проливной расходомерной установки и на имитационном моделировании прибора. Приведена сравнительная оценка возможностей и характеристик обоих вариантов.
При исследовании и разработке электромагнитных расходомеров возникает ряд вопросов, ответы на которые позволят оптимизировать конструкцию приборов. Технические вопросы, решение которых требует проведения эксперимента, можно разбить на три группы:
• выбор элементов конструкции первичного преобразователя — конструкции канала, его формы, длины изолированного участка, размеров и конструкции электродов и индуктора, характеристики распределения магнитного поля и др;
• зависимость сигнала от структуры потока жидкости — влияние распределения скорости по сечению канала, вызванное изменением числа Рейнольдса, влияние асимметрий потока от расположенной близко к прибору трубопроводной арматуры (колен, задвижек, обратных клапанов), влияние неоднородности фазового распределения измеряемой среды в рабочем сечении канала и т. п.;
• влияние на показания расходомера помех механической и электромагнитной природы — пульсаций скорости потока, сигнала поляризации электродов, термо-ЭДС, различных помех.
Решение этих задач в эксперименте возможно только при наличии соответствующих метрологических средств, позволяющих детально исследовать функции влияния каждого из факторов на метрологическую характеристику прибора.
Существует два метода экспериментального исследования расходомеров: проливный с использованием расходомерной установки и беспроливный на основе средств имитационного моделирования расходомеров.
ИССЛЕДОВАНИЯ НА РАСХОДОМЕРНОЙ УСТАНОВКЕ
Допустим, что имеется образцовая проливная расходомерная установка достаточно высокой точности, измеряемой средой в которой служит чистая водопроводная вода определенной температуры, на мерном участке установки обеспечивается осесимметричная кинематическая структура потока жидкости, сглажены пульсации скорости и т. п. Однако множество других факторов, определяющих структуру потока в измерительном сечении канала расходомера, — характер и распределение по сечению канала осевой и танген-
циальнои скорости потока, углов смачивания на различных участках поверхности канала, в особенности на гидрофобных покрытиях, и состояние пограничного слоя на этих участках, уровень и полярность ЭДС-поляризации, термо-ЭДС, амплитуд, фаз спектра гармоник помех промышленной частоты и многие другие остаются количественно не известными, хотя они могут заметно влиять на результат измерения расхода электромагнитным методом. Не известны также их изменения во времени.
В зависимости от состояния смоченности поверхности канала распределение скорости потока различно. При углах смачивания более 90° жидкость не "прилипает" к поверхности канала и скользит по ней. Выраженная гидрофобность отдельных участков поверхности канала вызывает нестабильный и существенный перекос (асимметрию) распределения скорости потока в канале, приводящий к большой погрешности прибора.
Особое значение имеет жесткость воды, всегда содержащей некоторое количество минеральных веществ, нерастворимых солей, ржавчины (заметим, что ржавчина — Fe2Oз • ИН2О немагнитна и неэлектропроводна) и т. п. Все эти компоненты постепенно создают на поверхности канала тонкий налет, существенно снижающий угол смачивания, полностью доводя поверхность канала до гидрофильного состояния. В этом состоянии пограничный слой формируется на всей поверхности канала, структура потока становится осесим-метричной и стабильной, что в конечном итоге приводит к стабильной работе прибора. Время выхода вновь изготовленного прибора на стабильный режим зависит от многих причин: первоначальной чистоты и размера площади поверхности канала, состава воды, температуры, скорости потока и т. п. и составляет от нескольких часов до нескольких суток непрерывной работы на расхо-домерной установке. Эффекты, вызываемые временной гидрофобностью поверхности канала, особенно существенны для расходомеров малого диаметра (10...40 мм), для которых пограничный слой составляет значительную долю поперечного сечения канала. Распределение магнитного поля у таких приборов близко к однородному, что, как известно, повышает чувствительность к асимметрии кинематической структуры потока. У расходомеров с Бу 50...100 мм эти эффекты проявляются в меньшей степени, а расходомеры с Бу более 200...300 мм к ним практически не чувствительны.
Проливная расходомерная установка не позволяет изменять плотность измеряемой среды для исследований зависимости показаний прибора от числа Рейнольдса, изменять асимметрию структуры потока, вводить помехи механического и электромагнитного происхождения. Поэтому она не подходит для масштабных исследований
расходомеров на определение функций влияния перечисленных характеристик потока.
На расходомерной установке весьма сложно проводить испытания расходомеров с целью выявления зависимости их характеристик от изменения конструкции, например, зависимости гра-дуировочной характеристики прибора от неточности установки электрода. Для этого придется изготовить не менее двух образцов приборов, у которых электроды установлены на разные расстояния. Полученные при этом различия показаний этих приборов на проливной расходомерной установке не обязательно будут вызваны только изменением величины смещения электродов. Действительно, у такой установки сопоставимые изменения сигналов возможны также за счет неточности изготовления остальных элементов конструкции прибора, которые по условиям эксперимента у всех приборов должны быть строго одинаковыми.
Следовательно, испытания приборов на проливной расходомерной установке с целью определения зависимости их характеристик от изменения конструктивных параметров требуют, с одной стороны, трудоемких работ по изготовлению многочисленных макетов приборов, а с другой — не позволяют получить необходимой точности измерений, даже если сама проливная расходо-мерная установка имеет сколь угодно малую погрешность.
Проливная расходомерная установка по своему принципу действия консервативна, не предназначена для проведения разносторонних исследований расходомеров, а ее единственным численно выраженным информативным параметром является расход воды через канал прибора, измеренный соответствующими средствами. Нередко можно получить различные показания одного и того же прибора на разных высокоточных расхо-домерных установках.
Возможно, именно поэтому большинство разработчиков приборов не проводит масштабных исследований электромагнитных расходомеров, а изменения конструкции приборов производятся интуитивно, в меру понимания физики процесса.
ИССЛЕДОВАНИЯ С ПОМОЩЬЮ ИМИТАЦИОННЫХ МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ
Имитационный метод как бы специально предназначен для проведения испытаний приборов в самых широких масштабах изменения условий измерений. С помощью имитационной модели можно нормировать и воспроизводить, и в большинстве случаев весьма просто, практически все интересующие нас факторы, определяющие как конструкцию расходомера, структуру потока, так и помехи различной природы.
Имитационная модель электромагнитного расходомера содержит два основных устройства:
— устройство для моделирования конструктивных параметров расходомера и структуры потока в его канале;
— устройство, моделирующее помехи электромагнитной и механической природы.
Основной элемент первого из этих устройств — преобразователь магнитного поля в виде индукционной катушки с распределением витков по так называемой поверхностной весовой функции, зависящей от конструкции электродов, геометрии канала, кинематической структуры потока, распределения фазового состава измеряемой среды в канале, уровня заполнения жидкостью канала при безнапорном потоке. Это позволяет исследовать метрологические характеристики расходомера при изменении каждого из вышеперечисленных факторов в отдельности или их всех вместе, применив катушку, выполненную с учетом той поверхностной весовой функции, которая отражает какой-либо исследуемый фактор или их совокупность и поддается точному расчету. Преобразователи магнитного поля технологичны, они изготовляются с высокой точностью автоматизированным способом с применением фотопечати.
Основной элемент второго устройства — интерфейсная плата АЦП-ЦАП с процессором и программным обеспечением для воспроизведения по отдельности или в совокупности всего комплекса электрических сигналов, соответствующих помехам различной природы при эксплуатации расходомера.
Рассмотрим возможности метода имитационного моделирования электромагнитных расходомеров.
Разность потенциалов и на электродах ра
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.