Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 5
1. ВИХРЕВОЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА, ОСНОВАННЫЙ
НА ЭФФЕКТЕ ДОРОЖКИ КАРМАНА, И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЙ
ИССЛЕДОВАНИЯ 11
1Л. Основы теории вихреобразования 11
1.2. Теоретические предпосылки создания вихревого
расходомера 17
13. Возможные варианты построения вихревых расходомеров,
использующих в своей работе эффект дорожки Кармана 20
1А Выводы 21
2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВИХРЕВЫХ
РАСХОДОМЕРОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПОДВИЖНЫХ
И УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ 22
2.1, Расходомер с деформируемой в потоке пластиной 22
2Л J. Основные физические предпосылки работы
расходомерас деформируемой в потоке пластиной 22
X1X Конструкция расходомера с деформируемой в потоке
пластиной 25
2Л.З. Испытания расходомера с деформируемой в потоке
пластиной 28
2.2. Вихревой расходомер с колеблющимся цилиндром,
укреплённым на плоской пружине 30
2,2Л. Взаимодействие плохообтекаемого тела с
движущимся потоком 30
2.2.1 Вихревой расходомер с колеблющимся цилиндром 40
13. Выводы 42
3. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ВАРИАНТОВ ВИХРЕВЫХ
РАСХОДОМЕРОВ, НЕ ИМЕЮЩИХ ПОДВИЖНЫХ ЧАСТЕЙ 43
Стр.
3.1. Вихревой расходомер с индукционным съёмом сигнала 43
3,1. 1. Вывод уравнения вихревого расходомера с
индукционным съёмом сигнала 46
3.1.2, Исследование сигнала, снимаемого с электродов
датчика расхода 49
3,1 Л. Экспериментальные исследования вихревого
расходомера с индукционным съёмом сигнала 52
ЗЛ,4. Особенности расходомера с индукционным съёмом
сигнала 72
3.2- Вихревой расходомер с применением термочувствительных
элементов 72
3.3. Выводы 76
# 4 ИССЛЕДОВАНИЕ И СОЗДАНИЕ ПРОМЫШЛЕННОГО
ВИХРЕВОГО РАСХОДОМЕРА ВИР С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
КОЛЕБЛЮЩЕГОСЯ ДИСКА 77
4.1. Принцип действия и исследование особенностей работы
расходомера ВИР 77
Ф 4. LL Обработка выходного сигнала вихревого расходомера
с колеблющимся диском 81
4.2. Исследование зависимости показаний расходомеров ВИР
от влияния вязкости и плотности измеряемой среды 92
4.3- Разработка теоретических основ выбора формы и размеров
щ обтекаемого тела вихревого расходомера ВИР 96
4.3, L Выбор формы о&гекаемого тела вихревого расходо
мера ВИР и вопросы его крепления в трубопроводе 96
43.2. Определение оптимального отношения характерного размера о&гекаемого тела к внутреннему диаметру
трубопровода 98
4.4. Вывод и анализ уравнения колебаний диска в камере
Стр.
вихревого расходомера 106
4AL Зависимость амплитуды колебаний диска от
параметров расходомера и измеряемой среды 111
4-5. Определение области применения вихревого расходомера
ВИР 120
4-6, Расчет погрешности вихревого расходомера ВИР от
влияния температуры измеряемой среды 123
4.7. Внедрение 126
4.8, Выводы Ї27
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 128
ЛИТЕРАТУРА 131
ПРИЛОЖЕНИЕ I Протокол об изготовлении и проведешш па Старорус
ском приборостроительном заводе Государственных заводских контроль
ных испытаний установочной серии вихревых расходомеров ВИР 137
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Акт о проведении промышленных испытаний вихревого
расходомера ВИР- 50 (D=50mm) в течение 2000 часов 138
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Схема проведения промышленных испытаний 139
Введение к работе
Необходимость контроля физических параметров (температуры; давления, расхода и т. п.) различных технология еских процессов является весьма актуальной для всех областей техники. Возможности такого контроля существенно расширяются в последние годы в связи с внедрением информационно- компьютерных технологий.
В системах технологического контроля различных сред широкое распространение получили расходомеры различных типов* Физические принципы, особенности конструкции и области применения различных расходомеров подробно обсуждены в отечественной «зарубежной литературе [1-22, 41,42], Анализ расходомеров различных типов показывает, что весьма перспективными являются вихревые расходомеры, использующие в
0 своей работе эффект дорожки Кармана Они имеют ряд преимуществ, вы-
годно отличающих их перед другими расходомерами. Это, прежде всего, высокая точность, широкий диапазон измерения, малая зависимость показаний от влияния вязкости, плотности и температуры измеряемой среды, простота конструкции и высокая надёжность работы, возможность изме-
# рения расхода как жидких, так и газообразных сред. Кроме того, работу
вихревого расходомера отличает малая потеря давления; дискретный выходной сигнал и линейная характеристика.
Вихревыми называются расходомеры, основанные на измерешш частоты колебаний, возникающих в потоке в процессе вііхрсобразования.
у Вихревые расходомеры являются новыми приборами. Первые их
конструкции появішнсь в шестидесятых годах прошлого века. Большой вклад в разработку вихревых расходомеров внесен Перельштейном М.Е.
С его непосредственным участием в СКБ Нефтехнмпрнбор был создан ряд образцов таких приборов [23-25]. Первые зарубежные публикации о вихревь[х расходомерах, создававшихся на основе эффекта дорожки Кармана, появились в 1969г. [26J. Специалисты в этой области работают
над созданием различных обтекаемых тел и элементов съёма выходного сигнала.
Ведущие зарубежные фирмы "Easttch Jnc" "Fischer and Porter", "Kent" (США), "Oval Geat Engineering Co" (Япония), "Bopp and Reuthef3 (Германия), "METRA" (Франция) предлагают различные конструкции вихревых расходомеров со следующими характеристиками:
точность, % 0,5; 1,0,
диапазон измерения, 1:40?
повторяемость результатов, % 0,2,
давление в трубопроводе, мПа 2,5 - %
выходной сигнал, мА 0-5, 0-20,
Актуальность настоящей работы диктуется отсутствием единого подхода к теоретическим предпосылкам построения вихревых расходомеров, работа которых основана на эффекте дорожки Кармана.
При разработке подобных приборов необходимо было опираться на отечественную технологию и опыт в области создания расходомеров,
В зависимости от способа организации вихреобразования применяются два существенно отличных друг от друга типа преобразователей расхода.
В первом га них поток закручивается тем или иным способом, приобретает врашательно-поступательное движеіше, при котором на выходе потока из суженной части трубы в расширенную, его ось начинает преиес-сировать н создает при этом пульсации давления. Измерительный преобразователь вихревого расходомера такого типа представляет собой заверитель, вмонтированный в трубопровод, с помощью которого поток за-вихряется (закручивается) и поступает в цилиндрический патрубок. На выходе из патрубка в расширяющейся области установлен электроакустический преобразователь, воспринимают^ н преобразующіш вихревые колебания потока в электрический сигнал.
Завихрения потока формируются таким образом, что внутренняя область вихря — ядро, поступая в патрубок, совершает только вращательное двіокение. На выходе же га патрубка в расширяющуюся область ядро те* ряет устойчивость и начинает асимметрично вращаться вокруг продольной оси патрубка [23].
Во втором Time преобразователей расхода вшри периодически возникают при обтекании потоком какого - либо тела и образуют при этом пульсации давления (эффект дорожки Кармана).
Вихревые расходомеры, в основе которых использован эффект дорожки Кармана, более перспективны, так как имеют меньшие потерн напора (0,03мПа вместо 0,1мПа) и большіш диалазон измерения (1:40 против 1:10).
Вышесказанное определило актуальность темы диссертационной
работы.
Цель диссертационной работы состояла в разработке теоретических и практических вопросов создания серийных расходомеров, работающих на эффекте дорожки Кармана и методов их реализации на отечественной технологической базе.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить сле
дующие задачи:
L На основе анализа закономерностей вихреобразования обосновать тео
ретические предпосылки создания вихревых расходомеров, исполь
зующих в своей работе эффект дорожки Кармана.
4 2- Провести анализ различных методов преобразовашія вихревых колеба-
ний в потоке жидкости пли газа в электрические сигналы и разработать эффективную помехоустойчивую схему выделения полезной информации на фоне различных помех. 3. На основе математического моделирования процесса вихревых колебаний и экспериментальных исследований разработать методику опреде*
лешга оптимальных конструктивных параметров генератора вихревых колебании (обтекателя) ~ главного источника полезной шформации. 4. Разработать вихревые расходомеры различного типа и на основе теоре-тияеского и экспериментального анализа их работы предлонаггь серийный вариант отечествешюго вихревого расходомера.
По результатам выполненной работы были подучены авторские свидетельства ПС по делам юобретений и открытий СССР:
а.с. N613205 "Расходомер",
а.с. N798486 "Вихревой расходомер",
ас. N901824 "Вихревой расходомер",
ас. N1002837 "Тахометрнческий расходомер".
Основные результаты диссертации опубликованы в статьях: 1. "Вихревой расходомер ВИР" {Средства получеїтя л обработки idi-
* формации - Сборник научных трудов, М,, НИИТеплоприбор, 1982,
о29-Зб).
2Ч " Вихревые расходомеры и возможности их применения для автотранспортных средств ** Материалы 49 - ой Международной научно - технической конференции ААИ, М, МАМИ» 2005, С-32-34,
* а также доложены на:
3-ей и 5-ой научно-технических конференцій Методы и приборы для измерения расходов ц количеств жвдкости, газа и пара" в г, Ленинграде.
Основные положения диссертационной работы обсуждались на сек-
Ф циях Ученого Совета Государственного научно-исследовательского инсти-
тута теплоэнергетического приборостроения, докладывались, на семинаре в Институте механики МГУ ям. Ломоносова 19 ноября 2004 года.
Действующий образец вихревого расходомера ВИР-50 экспошь ровался на Международной выставке "Автомапоацня-33" в 1983 г, и других выставках.
Объём диссертации: 136 печатных листов.
Диссертация состоит из четырёх глав,
В главе 1 описаны закономерности вихреобразоваиш за телом обтекания при движении измеряемого потока. Даны теоретические предпосылки создания вихревых расходомеров, использующих в своей работе эффект дорожки Кармана; показаны их преимущества и ограничения к примене-нию.
В главе 2 рассмотрены особенности работы вихревого расходомера с деформируемой в потоке пластиной и с колеблющимся цилиндром, укрепленном на плоской пружине. Наряду с их положительными качествами: простой конструкцией к электрической схемой обработки сигнала, суще-
щ ствуют недостатки в их работе, присущие приборам с механической под-
вижной системой - это зависимость их работы от внешних вибрационных воздействий, большая ішерционность, а также нелинейность характеристики.
В главе 3 Рассмотрены вихревые расходомеры, не имеющие под-
* вижных частей: вихревой расходомер с индукционным съёмом сигнала и
вихревой расходомер с применением термочувствительных элементов. Рассмотренным в главе расходомерам, кроме положительных качеств: высокая надёжность, и частотный выходной сигнал; таюке присущи некоторые недостатки: ограниченная область применения, сложность в изготов-
щ лении и т. п.
В главе 4 рассмотрен серийный вариант вихревого расходомера ВИР. Освещены вопросы, касающиеся принципа действия, конструкции и особенностей работы расходомера ВИР; вопросы обработки выходного сигнала, а таюке исследована зависимость показаний расходомеров ВИР от влияния вязкости и плотности измеряемой среды; даны теоретические основы выбора формы и расчёта размеров обтекаемого тела, рассмотрены
вопросы его крепления в трубопроводе. Выведено уравнение колебаний диска в камере, проведен его анализ и даны критерии, позволяющие разрабатывать вихревые расходомеры на различные условия работы. Кроме того, определена область применения вихревого расходомера, и дан пример расчёта погрешности расхододіера от температуры измеряемой среды.
Перечень принятых обозначений Q - расход измеряемой среды; U - скорость в трубопроводе; f - частота вихревых колебаний; (о- круговая частота вихревых колебаний; d - характерный размер тела обтекания; D - внутрешшй диаметр первичного преобразователя;
Sh - число Струхаля;
Re - число Рейнольдса;
р - плотность жидкости или газа;
д - коэффициент динамической вязкости;
v - коэффициент кинематической вязкости;
и - скорость в канале тела обтекания;
а - радиус вихревого шнура;
1 - расстояние между вихрями вдоль потока;
h - расетояігае между вихрями поперёк потока;
Г - циркуляция;
* ft- возмущающая сила, возникающая в процессе вихреобразования;
Х- перемещение диска в камере вихревого расходомера ВИР; X - скорость перемещения диска в камере вихревого расходомера ВИР; X - ускорение перемещения диска в камере вихревого расходомера ВИР; t-текущее время.
