CC BY
28
УДК 531.73
Г.М. Садчикова
АНАЛИЗ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ РАСХОДА ПО КРИТЕРИЮ А1
Обосновано применение информационного критерия А1 для прогнозирования возможной точности, а также корректировки конструкции преобразователя расхода на стадии проектирования. Приведен анализ преобразователей расхода различного типа по информационному критерию А1, показана корреляция между информационным критерием и погрешностью измерения.
Информационный критерий, преобразователь расхода, точность измерения, оптимизация конструкции.
G.M. Sadchikova
THE ANALYSIS OF EXPENDITURE CONVERTERS BY А1 CRITERION
In the current work there is a substantiation of informational A1criterion application for possible precision prediction and as adjustment of expenditure converter construction at the design stage. There is an analysis of expenditure converters of various types by informational А1 criterion. There is a point to correlation between the informational criterion and a lapse of measurement.
Informational criterion, expenditure converter, measurement precision, optimization of construction.
В настоящее время существует большое количество разновидностей гидрогазоэлектрических (ГЭП) преобразователей расхода. В частности, в справочнике [1] описано более 300 расходомеров и счетчиков различных конструкций. Необходимы точные критерии, по которым можно выбрать наиболее подходящую модель. Сейчас основной признак классификации ГЭПР - это принцип, на котором основано его действие. Проработка патентной документации США, Германии, Франции, Японии подтвердила, что аналогичный подход к классификации принят и зарубежными коллегами. Профессором В.В. Власовым [2] был предложен новый подход к классификации ГЭП. Суть подхода состоит в следующем.
Для измерения расхода энергоносителей необходимо измерять скорость Vc(S) в каждой точке контрольного сечения Sm:
Q = Ц V (S )dS. (1)
°m
На практике соотношение (1) применения не нашло, поскольку измерить скорость в каждой точке сечения невозможно. Для оценки качества приближения к соотношению (1) был предложен подход с критерием:
A1 = ^~, (2)
S’
JHK
где Ск, Снк - контролируемая и неконтролируемая датчиками скорости соответствующей части сечения, м2.
Для практического анализа более приемлемым является его модификация, исключающая возникновения математической неопределенности:
с
А1 = ^ , (3)
с
где Ск - площадь контролируемого сечения потока, м2; С - общая площадь сечения потока, м2.
В идеале критерий А1 должен быть равен единице, т.е. все сечение потока должно быть под контролем ГЭП, только в этом случае можно уверенно судить о расходе жидкости или газа. Проведен анализ по данному критерию ряда типов расходомеров, представленных в справочнике [1] и патентных разработках различных стран.
Акустические расходомеры. Принцип действия таких расходомеров основан на измерении скорости звуковых волн, зависящей от расхода жидкости или газа, через которые эти волны пропускаются. Рассмотрим фазовый одноканальный расходомер. Контролируемой принимаем ту часть сечения потока, которая попадает непосредственно в зоны действия излучателей-приемников, в данном случае контролируемая площадь пропорциональна площади сечения излучателя, перпендикулярной направлению потока.
А1 = (4)
пй
где а - высота пьезоэлемента; Ь - ширина пьезоэлемента; й - диаметр внутреннего сечения трубы.
Частотный ультразвуковой расходомер.
А1 = -й- = ^, (5)
пй /4 пй
где Ь - ширина пьезоэлемента; й - внутренний диаметр трубы.
Одноканальный ультразвуковой расходомер. В данном расходомере применяются кольцевые пьезопреобразователи, создающие сферическое излучение. В данном случае А1 = 1, т.е. вследствие сферического излучения контролируемым является все сечение потока.
Ротаметры (рис. 1). В ротаметрах величина контролируемого сечения потока является переменной и зависит от положения поплавка в трубке, если трубка имеет конусную форму. В этом случае значение критерия А1 является усредненным и может определяться по следующей формуле:
,1 пЛ2/4 ё2 4ё2
А1 =----2---= —Т =---------------2, (6)
пВ]р/4 Б2ср фтах + йтш)2
где ё - диаметр поплавка в месте сечения с наибольшей площадью; йтах - наибольший внутренний диаметр трубки ротаметра; Ртт - наименьший внутренний диаметр трубки ротаметра.
В том случае, если трубка ротаметра имеет цилиндрическую форму, то критерий А1 определяется по формуле:
пЛ2/4 = ё2 (7)
А1
пО2/4 О 2
где С - наибольший диаметр поплавка; О - внутренний диаметр трубки ротаметра.
Для ротаметра с цилиндрической трубкой критерий А1 есть величина постоянная и зависит от геометрических размеров трубки и поплавка.
Одноструйный счетчик воды с тангенциальной турбинкой и поворотными ребрами (рис. 2). Поворотные ребра служат для изменения соотношения частоты
вращения турбинки к измеряемому расходу жидкости. Положение поворотных ребер влияет на площадь сечения потока, что должно быть учтено при подсчете критерия А1.
A1 =------—-------, (8)
DH -ad cos a
где d - длина лопасти турбинки; а - высота поворотного ребра; b - длина поворотного ребра; D - диаметр цилиндра, в котором установлена турбинка; h - высота турбинки; Н -высота цилиндра; a - угол между фронтальной плоскостью ребра и плоскостью, перпендикулярной направлению потока.
Турбинный преобразователь расхода (рис. 3). Количество лопастей равно 6.
Следовательно, при вращении турбинки меняется контролируемая площадь сечения. Она зависит от угла поворота турбинки. Контролируемое сечение имеет максимальную площадь в том случае, если одна из лопастей турбинки перпендикулярна направлению движения потока. При угле наклона
лопасти турбинки по отношению к движению потока 30°, контролируемая площадь сечения принимает минимальное значение. В общем случае критерий А1 определяется по формуле:
A1 = 2b( DL/2cos aL + d/2)
= (D - L - d/2) d ’
где b - ширина лопасти турбинки; D - диаметр турбинки; a - угол между лопастью и плоскостью, перпендикулярной плоскости движения потока; d - высота цилиндра, в котором расположена турбинка; L - расстояние от оси вращения турбинки до оси трубы;
D - диаметр цилиндра, в котором расположена турбинка.
Рис. 1. Ротаметр
Рис. 2. Счетчик с тангенциальной турбинкой
Рис. 3. Турбинный преобразователь
Электромагнитные расходомеры. Действие электромагнитных расходомеров основано на взаимодействии движущейся электропроводной жидкости с магнитным полем. В рассматриваемом расходомере (рис. 4) измеряется разность потенциалов на электродах, которая пропорциональна объемному расходу. Разность потенциалов создается всем потоком жидкости, но вклад отдельной точки жидкости тем больше, чем ближе расположена эта точка к электроду [1], что отображается весовой функцией Ш. Наибольшее влияние оказывает та часть потока, которая ограничена изолиниями весовой функции Ш = 5 и Ш = 8. Поэтому за площадь контролируемого сечения примем площадь сечения потока, ограниченную изолинией с Ш = 5.
2 51к 85к
А1 = —= —у , рБ / 4 рБ
где 8к - площадь контролируемого сечения потока, ограниченного изолинией с весовой функцией Ш = 5; Б - внутренний диаметр трубы.
Поляризационный преобразователь расхода (рис. 5). Выходным параметром является ток, величина которого пропорциональна расходу жидкости, протекающей через проточную часть. Ток поляризации зависит не только от напряженности поля в межэлектродном промежутке и скорости жидкости в проточной части, но и от градиента напряженности и скорости по длине проточной части.
Так как преобразователь расхода имеет цилиндрическую форму и скорость жидкости в проточной части не постоянная, первое слагаемое уравнения полного тока, зависящее от напряженности поля и градиента скорости, по всему объему проточной части не равно нулю. Второе слагаемое уравнения полного тока зависит от скорости жидкости и градиента напряженности по оси у. Так как поле неравномерно только на краях электродов, градиент напряженности не равен нулю примерно в 1/2 объема проточной части, так как в другой половине проточной части поле равномерно и вторая составляющая уравнения полного тока на этом участке преобразователя расхода не работает. Следовательно, можно сделать вывод, что для гидроэлектрического поляризационного преобразователя расхода с плоскопараллельными электродами критерий А1 = 0,75, что значительно выше, чем для рассмотренных выше наиболее часто используемых турбинных, электромагнитных и акустических преобразователей расхода.
Рис. 4. Электромагнитный ПР Рис. 5. Поляризационный ПР
Количественные значения критерия для различных типов расходомеров сведены в таблицу. Коэффициент корреляции между величиной критерия А1 и погрешностью (в % от измеряемой величины) составил (-0,69). При подсчете коэффициента корреляции не учтены оптические расходомеры, так как высокая точность измерения (0,2%-1%) может быть обеспечена лишь в лабораторных условиях, в промышленности такие преобразователи расхода не применяются. Величину корреляции можно считать достаточно высокой с учетом того, что на точность измерения влияет не только конструкция ПР, но и вторичный преобразователь.
Количественные значения критерия А1
Тип расходомера Критерий А1 (максимальный) Погрешность измерения (средняя)
Вихревые с обтекаемым телом 0,2 2
Тепловые 0,3 4
Парциальные 0,3 5
Корреляционные Q,3 4
Концентрационные Q,4 3
Меточные с физико-химическими метками Q,4 3
Шариковые Q,4 2,5
Акустические Q,5 2,5
Переменного перепада давления Q,5 2,5
Электромагнитный Q,5 2,5
Турбинные Q,6 2
Постоянного перепада давления Q,6 2
Турбосиловой Q,7 2
Меточные с ионизационной меткой Q,9 1,5
Г ироскопические 1 1,5
Применение критерия А1 позволяет прогнозировать возможную точность преобразователя расхода, а также вносить корректировку в конструкцию преобразователя на стадии проектирования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества / П.П. Кремлевский. Л.: Машиностроение, 1989. 701 с.
2. Анализ первичных измерителей гидроэлектрических преобразователей расхода в системах управления по первому векторно-рейтинговому критерию Власова / В.В. Власов, Г.М. Садчикова; СГТУ. Саратов, 1994. 48 с. Библиогр.: с. 46-47. Деп. в ВИНИТИ 22.02.94. № 453-В94.
Садчикова Галина Михайловна -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология и автоматизация машиностроения» Балаковского института техники, технологии и управления (филиала) Саратовского государственного технического университета
Sadchikova Galina Mikhailovna -
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of «Technology and Automation of Machine Building» of Balakovo Institute of Engineering, Technology and Management (branch) of Saratov State Technical University
Статья поступила в редакцию 17.G6.1G, принята к опубликованию 3G.G9.1G
