Оптико-физические измерения
Проведенный анализ дает возможность по особенностям проекции рефрагированной в температурном поле лазерной плоскости судить о характере изменения температуры в пограничном слое в непосредственной близости от нагретого шара в жидкости.
Работа выполнена по гранту Министерства науки и образования Российской Федерации РНП.2.1.2.686.
Л и т е р а т у р а
1. Ринкевичюс Б. С. Лазерная диагностика потоков. — М.: Изд-во МЭИ, 1990.
2. Хауф В., Григуль У. Оптические методы в теплопередаче. — М.: Мир, 1973.
3. Евтихиева О. А. и др. // Измерительная техника. — 2004. — № 6. — С. 15.
4. Артемов В. И. и др. // Оптические методы исследования потоков: Тр. 8-й науч.-техн. конф. / Под ред. Ю. Н. Дубни-щева, Б. С. Ринкевичюса. — М.: Знак, 2005. — С. 478.
5. Лейкин М. В. и др. Отражательная рефрактометрия. — Л.: Машиностроение, 1983.
6. Кравцов Ю. А., Орлов Ю. И. Геометрическая оптика неоднородных сред. — М.: Наука, 1980.
7. Евтихиева О. А., Лапицкий К. М., Расковская И. Л. // Оптические методы исследования потоков: Тр. 8-й науч.-техн. конф. / Под ред. Ю. Н. Дубнищева, Б. С. Ринкевичюса. — М.: Знак, 2005. — С. 332.
Дата одобрения 29.11.2005 г.
МЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
681.121:621.317:537.321
Синтез имитационной модели электромагнитного расходомера
И. Д. ВЕЛЬТ, Ю. В. МИХАЙЛОВА
Рассмотрены принципы построения имитационной модели электромагнитных расходомеров, с помощью которой можно проводить исследования метрологических характеристик приборов.
Ключевые слова: электромагнитный расходомер, поток жидкости, объемный расход, магнитное поле, имитационная модель.
The development of a simulation model of electromagnetic flowmeters, whereby one can conduct researches of the metrology characteristics of devices, is considered.
Key words: electromagnetic flowmeter, fluid flow, volume-flow, magnetic field, simulation model.
При разработке современных электромагнитных расходомеров обычно ставится задача повысить точность измерения при одновременном уменьшении габаритных размеров прибора и потребляемой им мощности.
В этой задаче имеется явное противоречие одного требования другому. Уменьшение размеров и энергопотребления приводит к снижению уровня информативной составляющей сигнала и неизбежному уменьшению отношения полезного сигнала к помехам, а, следовательно, к снижению точности измерения. Разрешается это противоречие применением микропроцессорной техники и усложнением программы цифровой обработки сигналов. Таким образом, алгоритм обработки сигналов приобретает повышенную значимость, так как он дает возможность выделить информативную составляющую сигнала из сложного комплекса помех, возникающих при эксплуатации приборов. Однако качество алгоритма и качество его записи в память исследуе-
мого прибора не всегда могут быть проверены при контрольных и приемосдаточных испытаниях.
На проливных образцовых расходомерных установках, как правило, отсутствует большинство электромагнитных помех, встречающихся при эксплуатации приборов, так как на этих установках специальными мерами обеспечивают высокую защищенность от проникновения помех различной природы (путем исключения источников электромагнитных помех, обычно существующих в промышленных условиях, а также применением экранирования, заземления и т. п.). Измеряемой средой является чистая водопроводная вода в узком диапазоне температуры (20 ± 5 °С). С помощью соответствующих устройств обеспечивают осесимметричную кинематическую структуру потока жидкости в канале, сглаженную пульсацию скорости и т. п.
Реальные условия эксплуатации по физическим свойствам, рабочей температуре измеряемой среды, структуре
потока, составу и уровню помех, естественно, отличаются от этих общепринятых и стандартизованных режимов.
Проведение исследований расходомера в условиях, приближенных к эксплуатационным, возможно с помощью метода имитационного моделирования. Моделирование электромагнитных расходомеров является мощным рациональным методом исследования, поверки и градуировки приборов, и его технические возможности существенно шире возможностей проливных расходомерных установок.
Имитационное моделирование обеспечивает следующие преимущества:
1) неограниченный диапазон имитируемых расходов;
2) исследование приборов с диаметрами каналов от малых значений (порядка нескольких миллиметров) до неограниченно больших (до 2000 мм и более);
3) высокую точность средств исследования и поверки (пределы погрешностей не превышают 0,15—0,20 %);
4) возможность исследований приборов при условиях испытаний, максимально приближенных к реальным условиям эксплуатации, т. е. моделирование:
потока жидкости в широком диапазоне физических свойств (вязкости, плотности, температуры и т. п.);
неоднородности состава измеряемой среды (дисперсности, многофазности);
потоков с различной кинематической структурой, при любых числах Re, при осенесимметричных распределениях скорости, а также с различными уровнями и частотным спектром пульсаций;
помех различной природы (тепловой шум, электромагнитные помехи промышленной сети, радиочастотные помехи, одиночные импульсы, механические вибрации, гидравлические удары и т. п.);
5) возможность поверки приборов как на месте их эксплуатации, так и в условиях поверочной лаборатории;
6) высокую производительность метрологических средств, полную автоматизацию обработки результатов исследований, протоколирования и ведения архива;
7) портативность комплекса средств имитационной поверки (небольшие габаритные размеры, масса и потребляемая мощность).
С помощью имитационного моделирования проведение исследований электромагнитных расходомеров существенно проще, чем в натурных условиях.
Следует отметить, что в настоящее время еще не все возможности имитационного метода реализованы.
Если ставится задача исследования метрологических характеристик расходомера без пропускания потока жидкости через канал прибора, то модель электромагнитного расходомера должна имитировать сигнал по физическим параметрам, одинаковым с сигналом моделируемого прибора, но без движущегося потока жидкости, т. е в модели следует использовать иной принцип преобразования.
Непременным условием является точность пересчета характеристик модели и оригинала, которая должна быть достаточно высокой, чтобы удовлетворять поставленным задачам.
Как известно [1], информативная составляющая сигнала, возбуждаемого между электродами расходомера, описывается выражением
и = Г [В х W] V d т,
(1)
где и — напряжение между электродами, возникающее при движении потока жидкости по каналу расходомера; W — объемная весовая функция; т — объем активной зоны канала; В — индукция магнитного поля; V — скорость потока.
Функция W определяется только диаметром канала, протяженностью изолированного участка, местоположением и размерами электродов. Она не зависит ни от скорости, ни от внешнего магнитного поля. Представление и в виде (1) удобно при исследовании и разграничении зависимости сигнала от конструктивных параметров и внешних условий: внешнего магнитного поля и распределения скорости.
Сигнал и можно также выразить через распределение магнитного поля Вп на внутренней поверхности канала и поверхностную весовую функцию 1Мп следующим образом [2]:
и = V,
[Вп х М ],
(2)
где ^ — средняя скорость потока; 3 — поверхность канала.
Введение понятия поверхностной весовой функции позволило описать сигнал расходомера при существенно меньшем объеме необходимой информации о магнитном поле в рабочей зоне канала и, тем самым, не только открыть реальную возможность исследования электромагнитных расходомеров беспроливным способом, но и значительно упростить расчеты прибора. Поверхностная весовая функция М зависит от кинематической структуры потока (т. е. распределения скорости в канале) и от всех факторов, определяющих объемную весовую функцию М [2].
Для того чтобы установить аналогию между электромагнитным расходомером и его имитационной моделью, необходимо определить их общие признаки с точки зрения общей теории преобразователей. Такой подход позволяет в качестве имитационной модели подобрать преобразователь, основанный на другом принципе преобразования, но обладающий теми же общими функциональными свойствами.
Рассмотрим первичный преобразователь (ПП) электромагнитного расходомера как систему, которая преобразует энергию потока жидкости и питания индуктора в электрическую энергию, выделяемую через электроды и поступающую на вход измерительного устройства.
Первичный преобразователь электромагнитного расходомера можно рассматривать с позиции теории преобразователей как систему, которая преобразует энергию потока жидкости и питания электромагнита в электрическую энергию, выделяемую на выходе. Следовательно, ПП является шестиполюсником. Однако его можно рассматривать и в виде четырехполюсника, имеющего внутренний источник энергии.
Примем в качестве входных параметров эквивалентного четырехполюсника параметры, характеризующие энергию питания индуктора. Это позволит установить определенную аналогию между ПП и его имитационной моделью.
Эквивалентный четырехполюсник является активным, необратимым, неавтономным, т. е. рассматриваемый преобразователь не содержит независимых источников энергии, а активность его обусловлена энергией потока жидкости, которая создает сигнал на электродах только при под-
5
ведении извне энергии для создания магнитного поля. Он описывается матрицей
± MJ2
U1 Z11 0 11
U2 Z21 Z22 12
где U1 — напряжение питания индуктора; U2 — напряжение между электродами; I, — ток питания индуктора; ^у — параметры четырехполюсника; 12 — ток, протекающий через электроды и входную цепь измерительного устройства.
Методом матричного моделирования можно построить множество различных эквивалентных схем ПП, составленных из элементов электротехники и электроники, которые можно рассматривать как его имитационные модели. Согласно правилам матричного моделирования схема с несимметричной матрицей должна содержать усилитель. Некоторые из схем моделей приведены в [3].
Если предусмотреть соответствующую балансную цепь и ее настройку р
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.