УДК 681.121.4.662.76
ПЕРВИЧНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ РАСХОДА ГАЗА И ЖИДКОСТИ НА ЧАСТОТНЫХ АЭРОГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ЭФФЕКТАХ
М.М. Беляев
Основное внимание уделено первичным измерительным преобразователям расхода (ППР) газа и жидкости, работающим на эффекте вихреобразования с помощью тела обтекания и без него за счет взаимодействия струи со стенками проточной камеры. Приведены характеристики ППР, описаны их свойства и особенности, рассмотрены конфигурации и указана возможность геометрического моделирования их струйных частей с целью построения типорядов.
Измерительные струйные преобразователи, вырабатывающие информативный частотный сигнал, пропорциональный контролируемому расходу, строятся на различных физических эффектах [1]. В настоящей статье рассмотрены ППР газа и жидкости, разработанные в Институте проблем управления РАН.
Наиболее простой частотный ППР (рис. 1), работающий на взаимодействии струй, был разработан на базе струйного генератора. Струя 1 отклоняется от своей оси то в одну, то в другую сторону под воздействием управляющих струй 2 отрицательной обратной связи. Частота
Рис. 1. Схема ППР на базе струйного генератора: 1 — струя контролируемого потока (/] — длина ее пути); 2 — управляющие струи (/2 — длина пути обратной связи)
Рис. 2. Схема вихревого ППР с телом обтекания: 1 — вихри; 2 — тело обтекания (/] — длина пути прямого потока, 12 — длина пути потока обратной связи, вызывающей завихрение)
колебаний струи зависит от скорости контролируемого потока.
В частотном ППР вихревого типа (рис. 2) используется известный способ вихреобразования. Вихри 1 образуются за плохообтекаемым телом 2 в виде так называемой дорожки Кармана. Частота следования вихрей зависит от скорости контролируемого потока. В этой разработке по-новому решена задача съема и преобразования информативного пневмогидродинамического частотного сигнала, возникающего в процессе вихреобразования. Задача была актуальна, поскольку сложность известных решений съема сигнала сдерживала дальнейшее развитие вихревых ППР с телом обтекания.
Принципиально новой разработкой института явился вихревой ППР без тела обтекания [2, 3], в котором вихреобразование обусловлено взаимодействием струй со стенками проточной камеры. На рис. 3 показан механизм возникновения вихрей. Конфигурация проточной камеры обеспечивает условия, при которых сформированная из контролируемого потока струя 1 при вылете из прямоугольного сопла инжектирует струи 2, а при влете в глухой канал образует отраженные (обратные) струи 3. Обратные струи 3 в момент запуска (рис. 3, а) в силу своего неустойчивого равновесного начального взаимодействия со струей 1 оказываются неравными с одной и другой от нее стороны (рис. 3, б), что создает большее давление на струю 1 снизу (по рисунку). Струя 1 оттесняется вверх. Усиленная снизу таким образом обратная струя 3, сформировавшись, захватывается инжектируемыми струями 2 (рис. 3, в) и ими свертывается в вихрь, внутри которого возникает вакуумная зона В, перетягивающая струю 1 на свою
сторону (рис. 3, г). В результате завершается процесс образования первого вихря и создается ситуация для зарождения с другой стороны (сверху) нового вихря. Таким образом, вихри поочередно срываются то с одной, то с другой стороны с частотой следования /, пропорциональной скорости V контролируемого потока.
Для всех частотных струйных ППР зависимость выходной частоты колебаний динамического дав-
Рис. 3. Механизм возникновения вихрей
в ППР без тела обтекания: 1 — струя контролируемого потока; 2 — инжектируемые струи; 3 — отраженные струи; В — вакуумная зона
32
Sensors & Systems • № 2.2001
Рис. 4. Схема вихревого ППР с телом обтекания и пластиной съема информативного сигнала: 1 — тело обтекания; 2 — пластина съема сигнала
Рис. 6. Электрическая схема пьезометрического преобразователя: ДЭ-пьезоэлемент с разделенной обкладкой
Рис. 5. Конструктивная схема передающего узла съема информативного сигнала: 1 — корпус ППР; 2 — воспринимающая пластина; 3 — передаточное звено; 4 — скользящий шарнир; 5 — балансир; 6 — пьезометрический преобразователь
ления от скорости контролируемого потока/= <р(К) является основной характеристикой расходомера. Частота колебаний струи определяется временем прохождения потоком пути /] свободного полета струи и пути 12 возврата сигнала обратной связи. Параметрические длины /] и 12 задаются геометрической конфигурацией струйной части ППР.
В генераторном ППР (см. рис. 1) полезный сигнал на участке /] распространяется со скоростью переноса частиц струи, являющейся контролируемой скоростью потока, а на участке 12 (по внешнему каналу обратной связи), в основном, с неизменной скоростью звука Узв. Поэтому для генераторного ППР зависимость частоты от скорости потока имеет вид /« (К//,) + (Кзв//2).
В вихревых расходомерах сигнал на переключение струи распространяется со скоростью Кконторо-лируемого потока как на участке /], так и на участке /2, поскольку отсутствует внешний канал для обратной связи и весь процесс переключения осуществляется на струйном уровне. Для вихревого ППР с телом обтекания путь /] и путь внутренней обратной связи /2 показаны на рис. 2. Зависимость частоты от скорости для вихревых ППР имеет
ВИД /« К/(/, + /2).
Эта зависимость указывает на принципиальную линейность характеристики вихревых ППР, проходящей, в отличие от характеристики генераторных ППР, через начало координат. Тем не менее, их характеристики могут быть представлены в обобщенном виде как /= А У, где постоянный коэффициент/1 = БЬ/^/ представляет отношение числа Стру-халя (не изменяющегося в широких пределах изменения числа Рей-нольдса [1]) к параметрическому размеру с! (например, диаметру круглого тела обтекания). Эта зависимость дает выражения выходных характеристик ППР: /= В\ при измерении объемного расхода и / = В2 0т при измерении массового расхода, в которых В\ =8Ь/(/*£/) и В2 =[8Ь/(^)] (1/р), где Р- площадь проходного сечения струйной части расходомера и р — плотность контролируемой среды.
Для восприятия информативной частоты колебаний струй и преобразования ее в электрический выходной частотный сигнал ППР наиболее часто применяются термоане-мометрические, пьезометрические и тензометрические чувствительные
элементы. Термоанемометры внедряются непосредственно в контролируемый поток в зоне наибольших его пульсаций. Пьезометрические и тензометрические чувствительные элементы связываются с телом, воспринимающим силовые воздействия колебаний динамического давления. В вихревых расходомерах с телом обтекания производства ведущих фирм для съема информативного сигнала чувствительные элементы устанавливают на само тело обтекания или на звенья, с ним непосредственно связанные. Анализ показал, что сложность и высокая стоимость распространенных вихревых расходомеров вызваны функциональной перегруженностью тела обтекания, которое, кроме своей прямой функции генерирования вихрей, одновременно выполняет дополнительную функцию носителя чувствительного элемента, воспринимающего силовые воздействия этих вихрей. Совмещение этих функций приводит к смешиванию полезных и вредных воздействий, последние из которых (например, воздействие лобового напора) затем приходится выделять и компенсировать различными хитроумными способами путем нагромождения дополнительных сенсоров и обработки полученных с них сигналов сложными системами.
Исходя из этого, было предложено передать функцию считывания вихрей не связанному с телом
обтекания элементу, в качестве которого была выбрана тонкая, хорошо обтекаемая пластина, размещенная по оси потока в тени тела обтекания и в одной с ним плоскости, как это показано на рис. 4. Пластина своими боковыми гранями воспринимает силовые воздействия вихрей, которые передаются за пределы рабочей зоны оригинальным звеном, инвариантным не только к изменениям температуры и статического давления внутри рабочей зоны, но и к вибрациям по всем трем осям [4]. Схема такого передающего звена показана на рис. 5. Исследования показали, что при достаточном удалении пластины от тела обтекания и соответствующей ее ширине отношение полезного сигнала к шуму подавляюще высокое. Это позволило применить простую дифференциальную схему (рис. 6) обработки информативного сигнала с одним поделенным пополам пьезометрическим элементом.
Для правильной работы ППР важны оптимальная конфигурация и определенное соотношение геометрических размеров его струйной части. Оптимальные размеры конструктивных элементов струйной части ППР должны обеспечивать устойчивый требуемый аэрогидродинамический эффект, максимальный диапазон измерений, высокую чувствительность, приемлемую форму выходного частотного сигнала, а
Датчики и Системы • № 2.2001_ 33
Рис. 7. Конфигурация струйной части вихревого ППР с телом обтекания
Рис. 8. Конфигурация струйной части вихревого ППР без тела обтекания
м
с
Рис. 9. Выходная характеристика вихревого ППР с телом обтекания (Д = 50 мм)
также возможность геометрического моделирования с целью создания типорядов ППР на разные расходы. Для удобства построения типорядов полученные в результате исследований размеры геометрических форм струйных частей вихревых ППР были выражены через единый параметрический размер Ду — диаметр условного проходного сечения ППР.
200
Рис. 10. Выходная характеристика вихревого ППР без тела обтекания (Ду = 25 мм)
Так, для вихревого ППР с телом обтекания (с учетом применения описанного узла съема сигнала) получены следующие соотношения размеров (рис. 7): диаметр трубопровода равен Ду-, ширина тела обтекания а = 0,25 Ду; толщина тела обтекания Ь = 0,20Ду; с = 0,04Ду; расстояние между телом обтекания и подвижной пластиной чувствительного элемента съема выходно-
го сигнала /= (0,7-5-1,0) Ду; расстояние между пластиной съема сигнала и неподвижным защитным элементом (экраном) К = 0,01 Ду, с/ = = 0,10Ду-, т = 0,3 Ду, п = 0,04Ду; угол а = 7° — независимый размер.
По этим размерам был выстроен типоряд ППР с диаметрами условного прохода 50, 100 и 250 мм при диапазоне измерений каждого 1:15.
Для вихревого ППР без тела обтекания получены след
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.