Разработка и исследование вихревых расходомеров на основе взаимодействия потока жидкости с телом обтекания тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Маштаков, Борис Павлович

• Маштаков, Борис Павлович
• кандидат технических наук
• 1984

Оглавление диссертации кандидат технических наук Маштаков, Борис Павлович

1. Основные условные обозначения .стр.

2. Введение .стр. 7.

3.Глава I. Состояние вопроса по вихревому методу измерения расхода .стр. 24.

Глава 2. Исследование взаимодействия потока жидкости с телом обтекания вихревого расходомера с целью определения частотных характеристик дорожки Кармана.стр. 52.

5. Глава 3. Анализ структуры гидравлического сигнала дорожки Кармана и методов обработки информации в вихревых расходомерах .стр.105.

6. Глава Методика проектирования вихревых расходомеров и анализ погрешностей приборов .стр.158.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование вихревых расходомеров на основе взаимодействия потока жидкости с телом обтекания»

Наиболее эффективным средством повышения производительности труда, улучшения качества продукции и экономии материальных средств является автоматизация производственных процессов. Вопросы комплексной автоматизации не могут быть решены полноценно без разработки точных и высоконадежных измерителей различных физических величин, являющихся основными элементами АСУ ТП, определяющими качество управления.•По данным статистики вес измерений расхода в общем объеме измерении физических величин составляет 19 * 20% и продолжает повышаться, что связано с решением комплексной топливно-энергетической программы в стране. В связи с этим, возрастает необходимость разработки и производства преобразователей расхода с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками. Одновременно ставится задача снижения себестоимости и повышения технологичности при изготовлении приборов. Использование измерителей расхода в комплексе с современными цифровыми и управляющими системами накладывает дополнительное специальное требование - возможность представления информации в частотной форме, что исключает необходимость применения дополнительных электронных устройств типа АЦП.

Совмещение указанных требований приводит к необходимости поиска оптимальных технических решений при реализации широко используемых методов измерения расхода или к теоретической проработке новых принципов измерения.

Существует большое количество методов измерения расхода и количества, основанных на определении таких характеризующих его параметров, как переменный перепад давления, постоянный перепад давления, объем, масса или вес, скорость, гидродинамический напор и т.д. Техническая реализация того или иного метода может быть различной.

Лучшим,с точки зрения точности, является объемный метод измерения (до 0,1%), не связанный с проблемой стабилизации эпюры скорости в рабочей магистрали установки. Однако, данный клаеа устройств (поршневые, винтовые, шестеренчатые, ротационные, ковшевые и др. камерные счетчики) имеет ряд существенных недостатков -сложность конструкции, высокая стоимость, сложность эксплуатации, аналоговый выходной сигнал, критичность к процессу измерения жидкостей с механическими в'ключениями.

Широко распространен косвенный метод измерения расхода, основанный на измерении скорости потока. Данный метод используется в электромагнитных, индукционных, ультразвуковых, вихревых, термо-анемометрических, ионизационных, корреляционных расходомерах и в лазерных допплеровских анемометрах.

С точки зрения точности наиболее перспективен метод лазернойо допплеровскои анемометрии, однако, его применение оправдано лишь при создании образцовых, поверочных установок. Массовое производство затруднено из-за громоздкости аппаратуры, высокой стоимости и сложности в эксплуатации; аппаратура требует высокой квалификации обслуживающего персонала, а вопрос ее аттестации крайне затруднен. Немаловажным является эксплуатация лазерного допплеровского анемометра с точки зрения техники безопасности. Кроме того, данный прибор дает высокую точность измерения (порядка 0,1%) при правильно выбранной координате расположения измерительного объема, в котором располагается интерференционная решетка. Наиболее высокая точность измерения достигается в точке потока, характеризующейся пропорциональным изменением локальной скорости по отношению к измеряемому расходу, однако, координаты оптимальной точки могут быть неоднозначны для различных технологических магистралей. Вопрос же распространения интерференционной картины по всему сечению трубопровода, осуществлявшей бы интегральный просмотр сечения потока до сих пор не решен из-за технических трудностей. Решениеэтого вопроса приводит к еще большему усложнению и удорожанию обрабатывающей аппаратуры. Необходимость применения прозрачного участка трубопровода также накладывает определенные трудности в реализации.

Таким образом, применение рассмотренных методов и средств измерения расхода, обеспечивающих наиболее высокую точность, оправдано лишь в лабораторных условиях или при решении специальных задач, где стоимость, технологичность изготовления и др.характерно тики не имеют решающего значения.

С точки зрения простоты изготовления, надежности работы и низкой себестоимости наиболее приемлемым является применение приборов переменного перепада давления, выполненных в виде сужающих устройств (диафрагмы и сопла различных конфигураций). Принцип измерения основан на определении перепада давления на местном сопротивлении с использованием дифманометров. В настоящее время данный тип приборов имеет наибольшее распространение в отечественной промышленности. Однако, ряд недостатков, таких как малый диапазон изглерения (3*4), нелинейность характеристики (квадратичная зависимость), относительно низкая точность измерения (^2%), неприемлемость измерений при малых числах Рейнольдса ( Не ), значительное изменение характеристики от притупления передней кромки диафрагм в процессе эксплуатации, сложность измерений вязких жидкостей (нефтепродукты) ограничивают область применения расходомеров переменного перепада давления и не полностью отвечают современному уровню производства.

Широкое распространение в промышленности (от 10 до 19% от общего количества измерителей расхода) получили приборы постоянного перепада давления или ротаметры, принцип действия которых основан на изменении высоты подъема поплавкового элемента под действием гидродинамического напора потока.

Данные измерители расхода имеют такие преимущества, как простота и низкая себестоимость приборов, постоянство относительной погрешности по шкале прибора, малые потери напора, относительно высокий диапазон измерения, доходящий до величины 10 : I, возможность измерения малых расходов, наличие местной индикации показаний. Однако, зависимость показаний от физических параметров измеряемой среды, относительно невысокая точность (2 * 3)%, неодназначность показаний при фиксированном расходе в результате пульсаций чувствительного элемента под действием срыва вихрей с его поверхности, непригодность для измерений больших расходов и низкая надежность конструкции (хрупкость стеклянного корпуса) не позволяет отнести этот класс приборов к перспективным.

Широкое распространение в промышленности получили также тахометрические расходомеры, к которым можно отнести шариковые, турбинные и расходомеры со свободно плавающим ротором. Обладая рядом преимуществ - относительно высоким диапазоном измерения (до 10 * I),высокой точностью измерений (1,5 * 1)% для шариковых и до 0,25% для турбинных, данный класс приборов имеет некоторые недостатки.

Тахометрические расходомеры, являясь приборами гидродинамического напора, имеют, также как и приборы постоянного и переменного перепада давления, существенно выраженную зависимость показаний от физических свойств измеряемой среды, а наличие частотного выходного сигнала объясняется не физикой поведения потока в измерительном сечении, а достигается за счет применения подвижных элементов конструкции, что снижает надежность приборов. Кроме того, шариковые расходомеры имеют высокую величину невозвратимых потерь давления (до I кгс/см при номинальном расходе).

Всем тахиметрическим расходомерам свойственна высокая инерционность, приводящая к существенным динамическим погрешностям измерения.

С точки зрения минимальных гидродинамических потерь на измерительном участке трубопровода наиболее приемлемыми являются ультразвуковые, ионизационные, калориметрические, электромагнитные, корреляционные, ядерно-магнитные расходомеры и лазерные доп-плеровские измерители скорости.

За исключением электромагнитных, перечисленным выше приборам свойственен общий существенный недостаток - сложность и громоздкость обрабатывающей электронной аппаратуры, повышающей себестоимость и снижающей надежность устройства в целом. Электромагнитные расходомеры применимы лишь для измерения расхода электропроводных сред, а первичные преобразователи требуют использования большого количества меди.

Приведенная краткая характеристика наиболее распространенных методов измерения расхода позволяет сделать вывод, что одновременное выполнение требований, предъявляемых к современным измерителям расхода, встречает значительные трудности.

Именно этим и объясняется широта спектра, применяемых при реализации измерителей расхода, физических принципов построения приборов и способов их конструктивного исполнения.

Вихревые расходомеры, начинающие получать все большее применение в промышленности и рассматриваемые в данной работе, наиболее полно отвечают комплексу указанных выше требований. Физической основой работы данных приборов является эффект вихре образования в исследуемом потоке, возникающий либо при формировании поступательно-вращательной струи, либо при обтекании тел, помещенных в измеряемую среду.

На рис.1 показано продольное сечение измерительного участка трубопровода указанных приборов.

В первом случае вращение потока создается принудительно специальной вихревой камерой. Вращающийся поток, выходя из камеры в область расширения, теряет устойчивость под действием положительного в направлении потока О. градиента давления и начинает пре-цессировать, при этом частота прецессии пропорциональна величине расхода в широком диапазоне измерений. Фиксация частоты прецессии производится сенсором А1 либо дифференциально включенными сенсорами А1 А г.

Первое сообщение о возможности создания подобных приборов принадлежит Б.Воннегуту и относится к 1954 г., /119/.

За рубежом ведущей фирмой, работающей над созданием вихревых расходомеров с принудительной закруткой потока,является " РсзсИегьРаг1ег" СШй.

В СССР широко известны работы, проводящиеся в данном направлении СКБнефтехимприбор (г.Баку), где достаточно полно теоретически и экспериментально были исследованы свойства поступательно-вращательного движения потока. На основании проведенных исследовании были разработаны объемные и массовые расходомеры нефтепродуктов, а также счетчики количества и дозаторы.

Во втором случае, вихреобразование является следствием взаимодействия потока с неподвижным телом обтекания, конфигурация которого может быть весьма различной, но должна обеспечивать устойчивую в широком диапазоне измерений генерацию вихрей.

Формирование вихрей происходит в пограничном слое тела обтекания и объясняется вязкостными свойствами измеряемой среды, при этом отрыв вихрей происходит поочередно с боковых кромок или поверхностей тела обтекания. Одновременный срыв вихрей невозможен ввиду того, что поле давлений в зоне вихреобразования распределяется таким образом, при котором формирование одного из вихрей препятствует одновременному формированию противоположного вихря,а) 6)Измеритаддае учасвд- труОодровода шрещрасходомеров.

Ряс.2. Зона взаимодействия потока с телом обтекания вихревого расходомера.а срыв вихря с одной стороны перераспределяет поле давлений таким образом, при котором создаются благоприятные условия для сворачивания пограничного слоя с другой стороны тела обтекания. В начальный же момент взаимодействия потока с телом обтекания всегда возникнут приоритетные условия для более быстрого образования вихревой формации на определенной поверхности тела обтекания, как и в любом релаксационном генераторе.

Движение вихрей, расположенных в шахматном порядке, происходит по расширяющимся ( ) траекториям, как показано на рис.1., образуя, так называемую, зону вытеснения. Фиксация следования вихрей производится либо сенсором Аа либо дифференциально включенными сенсорами Аа,А2 в спутном потоке, или сенсорами, расположенными непосредственно на теле обтекания и реагирующими на реакцию, испытываемую телом обтекания при отрыве вихрей.

Частота вихреобразования в зоне взаимодействия потока с телом обтекания в широком диапазоне измерений пропорциональна расходуй.

Первое количественное исследование этого явления было выполнено Струхалем в 1878 г. Экспериментально установленная связь между частотой вихреобразования и скоростью обтекания имела вид:и 6 с! {1)частота вихреобразования; местная скорость потока в сечении тела обтекания;характерный: размер тела обтекания (рис.1).гдеV,В 1911 г. Карман и Рубах /107/, рассматривая стабильность рядов вихрей в идеальной жидкости бесконечного потока,показали, что условие стабильности вихреобразования имеет вид:С/х ЧЬ- , откуда /1 = 0,28062 (2)где Ли I - расстояния между вихрями в поперечном и продольном сечении потока, соответственно (рис. I).

В 1962 г. явление вихреобразования было исследовано Биркгофом /Ю5/, установившим неоднозначность функциональной связи между формой тела обтекания и частотой срыва вихрей при фиксированном значении скорости обтекания. Математически эта неоднозначность была им сформулирована через безразмерный критерий гидродинамического подобия - число Струхаля в виде:/ш , (3)с/где- число Струхаля.

С физической точки зрения число Струхаля имеет смысл отношения конвективной составляющёй сил инерции к локальной составляющей тех же сил, т.е. характеризует составляющие сил инерции, зависящие от времени /95/.

Для конкретной формы тела обтекания число Струхаля имеет определенное значение, сохраняющее относительное постоянство в широком диапазоне скоростей обтекания и чисел Рейнольдса. Величина числа Рейнольдса определяется по характерному размеру с/ и,б данном случае, определяется выражением:Бе = -V- , (4)где V - кинематическая вязкость измеряемой среды. Таким образом, функциональная зависимость числа Струхаля от числа Ве полностью определяет метрологические возможности вихревого расходомера обтекания.

В настоящее время данная функция хорошо изучена применительно к телу обтекания, выполненному в виде цилиндра.В работе /30/ показано, что функция 5К(Ве) для цилиндра может быть представлена в видеSA(Be) = -0,15538 + 0,248X5((gBe) - 0,04563( <gBe)2 --0,0Q088(f^ Be)3 + 0,00056(^йе)^.

По данным фирмы " Jokogawa EfeCfr-íc Voz/ís, Lid использующей в качестве тела обтекания цилиндр, нелинейность3 5числа Струхаля в диапазоне чиселРейнольдса /2-10-у * /10^/ для газов и в диапазоне чисел Рейнольдса /4-Ю3/ * /1,4-Ю4/ для жидкостей не превышает /32/.

Первое сообщение об использовании информативных свойств дорожки Кармана для целей измерения расхода относится к 1969г. /101/, где, в частности, говорится : "Согласно мнению специалистов в области измерения расхода, последующие два десятилетия будут принадлежать приборам, работающим на основе принципа колебательного движения потока, точно так же,как 1950 - 1960 годы были годами доминирования турбинных и магнитных измерителей потока".

По отношению к расходомерам переменного и постоянного перепада давления, к электромагнитным, ультразвуковым, ионизационным, калориметрическим, термоанемометрическим и т.д. вихревые расходомеры имеют преимущество в наличии частотного выходного сигнала.

Преимущество по отношению к электромагнитным расходамерам заключается также в некритичности требований к измеряемой среде с точки зрения электропроводности и в меньшей металлоемкости.

Отсутствие дополнительных погрешностей от пространственной ориентации вихревых расходомеров является дополнительным их преимуществом по отношению к ротаметрам.

Существенным преимуществом вихревых расходомеров является возможность их применения в трубопроводах большого диаметра (до 3 м и выше).

Сравнение.двух принципов создания вихревых расходомеров (рис. I) приводит к выводу, что по некоторым параметрам (величина гидродинамических потерь, технологичность и простота изготовления, меньшая металлоемкость и стоимость) вихревые расходомеры обтекания имеют некоторое преимущество по отношению к вихревым расходомерам с принудительной закруткой потока.

Оба указаниях способа формирования вихревого.движения потока характеризуются тем, что энергия и частота вихреобразования существенно вероятностные величины, причем стохастические свойства потока по второму способу выражены более сильно, чем по первому.

На рис. 2 показано мгновенное положение вихревой формации в зоне взаимодействия потока с телом обтекания. Линиями "а,а" обозначены границы зоны вытеснения, точкой А - место отрыва вихря:.

В зависимости от мгновенного состояния потока, даже при фиксированном числе положение точки отрыва и пространственное положение границ зоны вытеснения - величины, носящие вероятностныйхарактер. Вследствие этого, фактическое значение характерного размера тела обтекания с1' будет отличаться от с( на вероятностную величину Л с[.

Контур зоны вытеснения будет определяться подъёмной силой, действующей на вращающуюся массу вихря, определяющейся известным соотношением/95/ :где Р - плотность измеряемой среды;Г - циркуляция вихря. Как известно из /95/, величина Г определяется по соотношению:ггде Ч-т - радиус ядра вихря;УЪт - вектор касательной скорости. Таким образом, подъёмная сила оцределится, как:-о Ух^.

Т.к., величина полностью определяется фактическим характерным размером тела обтекания с/Г то величина /ъ а, следовательно, и контур зоны вытеснения - стохастические параметры.

В связи с тем, что критерий Струхаля принято определять через фиксированный размер а фактическое его значение определяется вероятностной величиной с!' то выражение (3) в более корректной форме должно иметь вид:А' = $\?Ч'М, (5)где - мгновенное значение вероятностнойТевеличины частоты вихреобразования; мгновенное значение вероятностной величины числа Струхаля.

Рассматривая условие устойчивости вихревой дорожки для бесконечного потока, Кочин /34/ показал, что это условие более правильно назвать условием наименьшей неустойчивости, т.к. для расхождения вихрей достаточно бесконечно малого возмущающего воздействия. Однако наличие стенок трубопровода стабилизирует процесс вихреобразования и, как будет показано ниже, возможно такое соотношение размеров конструктивных элементов измерительного участка трубопровода, когда дисперсия частоты вихреобразования будет минимальна.

Число Струхаля является независимым критерия подобия для случая, когда нестационарность движения потока задается граничными условиями ( турбина, винт, колесо и т.д. ), в связи с чем для турбинных расходомеров соотношение (3) вполне приемлемо.

В случае вихревых расходомеров нестационарность потока является следствием стационарного обтекания препятствия, ввиду чего число Струхаля - зависимый критерий подобия.При этом, с тела обтекания срываются вихри, частота срыва которых заранее неизвестна и определяется условиями обтекания. В связи с этим для вихревых расходомеров более приемлемо выражение /5/.

Таким образом, в отношении величины случайной погрешности измерения вихревые расходомеры уступают турбинным, однако введение в измерительный тракт интегратора позволяет свести случайную погрешность практически к нулю без потери приоритета в быстродействии.

Несмотря на показанную картину вероятностного поведения потока в зоне его взаимодействия с телом обтекания,случайная погрешность измерения вихревых расходомеров ниже, чем у электромагнитных, ультрозвуковых,термоанемометрических и т.д. /31/.

Таким образом, в настоящее время, вихревые измерители расхода и количества наиболее полно отвечают комплексу требований, предъявляемых современным уровнем технологических процессов и производства. Широкое внедрение данного типа приборов в народное хозяйство позволит сократить номенклатуру применяемых средств измерения расхода с одновременным улучшением метрологических и эксплуатационных характеристик и снижением затрат на их производство, что,в конечном счете, приведет к значительному экономическому эффекту.

За последние 10 лет в научной и патентной литературе появилось множество публикаций по вихревым расходомерам обтекания, однако основные теоретические положения, определяющие функционирование приборов данного типа, практически отсутсвуют. Конструирование вихревых измерителей расхода, использующих информативные свойства дорожки Кармана, до настоящего времени носит эмпирический характер, а практические рекомендации в литературе неоднозначны и носят, зачастую, противоречивый характер.

Недостаточность информации в литературе по вихревому методу измерения расхода, отсутствие до настоящего времени методики проектирования приборов,с одной стороны, и преимущества БИхревых преобразователей расхода - с другой, определили актуальность и целесообразность работы, явившейся результатом научных исследований, проводимых в Государственном ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском институте теплоэнергетического приборостроения "НИИТеплоприбор" с 1975 г.

Целью настоящей работы является вывод основных теоретических положений функционирования вихревых расходомеров обтекания и создание методики их инженерного проектирования.

Основная часть работы состоит из четырех глав. Первая глава посвящена обзору и анализу научной и патентной литературы, выявлению нерешенных вопросов, формулировке основных направлений исследования.

Вторая и третья главы посвящены исследованию частотных и, соответственно, энергетических характеристик вихревого движения жидкости, возникающего за телом обтекания при его взаимодействии с потоком.

В четвертой главе проведен анализ погрешностей вихревых расходомеров обтекания, предложена методика инженерного проектирования приборов с примером её использования при создании общепромышленного ряда вихревых расходомеров и проведена оценка сходимости теоретических и экспериментальных результатов.

Гл. I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО ВИХРЕВОМУ МЕТОДУ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДАТеоретической основой физики работы вихревых расходомеров обтекания является теория пограничного слоя с функциональным градиентом давления по контуру тела обтекания, помещенного в поток. В литературе /ЮО/ достаточно подробно рассмотрено несколько частных задач: обтекание профиля Жуковского, цилиндра,пластины и т.д. (работы И.Никурадзе, И.Польцина, Ф.Дёнхема,Г.Хохшильда и др.). При этом, основной целью указанных работ являлось снижение сопротивления профиля тела обтекания при его движении в потоке, т.е. выявление условий, при которых вихреобразование минимально.

Тело обтекания является, основным элементом вихревого расходомера и осуществляет преобразование поступательного движения потока в поступательно-вращательное. При этом, тело обтекания выбирают такой формы, которое создавало бы мощное регулярное вихреобразование (дорожку Кармана) в широком диапазоне скоростей. Таким образом, постановка задач в обоих случаях различна.

В настоящее время не установлена однозначная связь между формой тела обтекания и энергетическим спектром гидравлического сигнала спутного потока. Данная связь не может быть получена из основных уравнений Рейнольдса, ввиду несоответствия неизвестных количеству уравнений, описывающих движение жидкости. В связи с недостаточностью исходных данных, Карманом /107/ была рассмотрена идеализированная картина взаимодействия бесконечного потока с цилиндром, в результате чего и было получено условие устойчивости (2) вихревой дорожки.

Известно/29/ э что невозвратимые потери давления, возникающие при обтекании тела, помещённого в трубоцровод, определяются выражением:лРеопр. - 0,5Цр V,2". (7)Однако, использование выражения (6) в (7) для определения одной из важнейших характеристик вихревого расходомера - величины л*сопр. не яРЗДО'гавДявз'ся возможным, ввиду неопределённости величин "и" и и, т.к. выражение справедливо только для цилиндра, движущегося в бесконечной жидкости.

По данным Кармана и Рубаха/34/ несовпадение теоретических и экспериментальных результатов для тела обтекания в виде цилиндра по определению величины С* составило 1,1$, по определению отношения - 0,7$; соответствующие расхождения экспериментальных и теоретических данньцс для тела обтекания в виде прямоугольной пластины составили 12$ и 9,3$.

Как было указано выше (3), неопределённость связи частоты вих*ре образования и формы тела обтекания была сформулирована Биркгофом через критерий Рррухшт*Неопределённость величины числа Струхаля для тела обтекания определённой формы в определённом диапазоне чисел Я6 которую можно заметить при анализе научной литературы, позволяет сделать вывод о большей корректности выражения (5) по отношению к выражению (3).

Например, величина числа Сгрухаля для цилиндра, определяемая по выражению (I) равна 0,1667; в работах/118/,/111/ она оценивается величиной, равной 0,2; в работе ДОЗ/ - 0,19; в работе /105/- 0,2-0,21. Таким образом, вариация числа £>К по отношению к величине 0,1667 составляет 26$.

Данные о величине числа ¿'К. для других форм тел обтекания отсутствуют.

Расхождение данных для одной формы тела обтекания позволяет сделать вывод о том, что число Струхаля является сложной функцией многих аргументов, носящих детерминированный (систематический) и стохастический характер:«V? ^ К (£ йСсист. 9 2 бь стохасг.), (8)' }Аргументы, носящие детерминированный характер, определяются систематическими параметрами данного тела обтекания совместно с измерительным участком трубопровода. Для тела обтекания определённой формы, выполненного,например, в виде прямоугольной призмы (рис, 8), такими параметрами являются:- отношение характерного размера тела обтекания с1 к диаметру условного прохода измерительного участка трубопровода 1ы т.е. величинао* = ^/Лу; о)- отношение продольного(по потоку) размера тела обтекания К к характерному размеру с1 т.е. величинаР = Ь./с| ; (Ю)- отношение размера от передней кромки тела обтекания (или от крайней точки поверхности тела обтекания вверх по потоку) до точки расположения сенсора tí к продольному размеру тела обтекания /г т.е. величина^ (п)- отношение размера между верхней кромкой тела обтекания и точкой расположения сенсора tz к величине диаметра условного прохода измерительного участка трубопровода Д, т.е. величина(12)-отношение длины линейного участка трубопровода перед датчиком к величине диаметра Л у т.е. величина)Г3= (13)-отношение длины линейного участка трубопровода после датчика к Ну т.е. величинаЪ = ; (и)-величина числа В.б определяемая согласно выражению (4).

Аргументы, носящае стохастический характер, определяют мгновенное состояние эпюры скорости в сечении тела обтекания.

Мгновенное значение вектора скорости в рассматриваемой точке измерительного сечения трубопровода находится в зонеV! = \/х ± V« гдесредняя скорость в измерительном сечении;\/и,- среднеквадратичное значение пульсационной составляющей скорости.

В гидродинамике принято характеризовать степень нестабильности эпюры скорости не с помощью величины а с помощью коэффициента турбулентности потока /29./, определяющегося выражением£ = Уш/й. (16)В реальных условиях эксплуатации величина 6 определяется множеством случайных факторов.

В связи с этим к стохастическим аргументам рассматриваемой функции (8) можно отнести следующие:- степень турбулентности потока, определяющуюся его неоднородностью (газообразные и твердые включения в потоке жидкости);- степень турбулентности потока, обусловленную.вибрацией трубопровода и акустическими шумами различного происхождения в условиях эксплуатации;- степень турбулентности потока, обусловленную функционированием различных регулирующих устройств (клапанов, вентилей, заслонок, гидронасосов и т.д.), применительно к данному технологическому процессу.

Влияние данных воздействий на функцию (8) не может быть оценено раздольно, как в случае систематических параметров (4), (9)-(14).

Совокупное действие перечисленных выше стохастических воздействий приводит к тому, что выходной сигнал прибора - частота вихре-образования, носит вероятностный характер. При этом можно говорить не о частоте вихреобразования, а о её статистическом законе распределения, математическом ожидании, дисперсии, среднеквадратичном отклонении, коэффициенте вариации и т.д.

Количество систематических параметров и математическое определение каждого из них зависит от формы тела обтекания. В каждом конкретном случае необходим выбор параметров, в наибольшей степени влияющих на величину числа Струхаля. Например, геометрические размеры тела обтекания в виде цилиндра не могут варьироваться по параметру р а математическое выражение для параметров и Уг более удобно цредставлять в радианной мере. Конструктивное выполнение сенсоров может привести к необходимости введения дополнительных систематических параметров (например, геометрические размеры термо или гензочувствительной полупроводниковой структуры, налылённой на поверхность тела обтекания).

В работе/*2*/ приводится выражение для передаточного коэффициента вихревого расходомера обтекания в видеI/ Г Ги, ] (от)К* ' я/ь. - 3)j LMVce^J.

Даняое выражение цредложено японской фирмой üokogawa. Hectic с WozásР Ltd в 1971 г. для гела обтекания, выполненного в виде цилиндра для отношений ^<0,35. Величина числа Струхаля в данной работе не указывается. Как указывается в работе, величина т- (т-1,25) ^/Лу определяет коэффициент сужения потока жидкости, т.е. золу вытеснения, носящую, как было показано выше, вероятностный характер. Таким образом, данное эмпирическое соотношение не позволяет его использовать для любых форм тел обтекания и для любых значений параметра o¿ а его структура не отражает стохастический процесс взаимодействия потока с телом обтекания и не может быть использована для определения влияния на Kq различных систематических параметров, т.е. носит частный характер.

В работе/39/ приводится выражение для передаточного коэффициента вихревого расходомера обтекания в видеU ¿A. Üi] (22)Яз - Я/*. cf/^^Çi - \М3/се/<\Данное выражение предложено английской фирмой Kent Jnst-г и те tits', Lid в 1976 г. для тела обтекания в виде црямоуголь-ной призмы. Коэффициент "К " в данном выражении, характеризующий повышение размера d' над характерным размером гела обтекания d в работе/39/ определяется в пределахJ'К = —г- = I -т 1,5, а величина числа Струхаляс{также не указывается. Таким образом, выражение (22), сходное по структуре с выражением (21) и имеющее ещё большую неоцределён-ность (" К n)t встречает большие трудности при практическом применении.

Из приведённых примеров видно, что необходимо провести вывод универсального выражения для передаточного коэффициента вихревого расходомера, а влияние формы тела обтекания и других систематических параметров определять экспериментально по числу Стру-халя. При этом, детерминированная (без числа Струхаля 6к* ) часть выражения может быть проанализирована методами математического анализа, а результаты анализа смогут быть црименены для тел обтекания любой формы«В работе/3?/ указывается, что выходной сигнал вихревого расходомера, в общем случае, может рассматриваться, как периодический полигармонический процесс» Указывается на преобладание веса 3-ей гармоники в спектре выходного сигнала вихревого расходомера с телом обтекания в виде треугольной призмы, повёрнутой основанием вверх по потоку, и на преобладание веса 1-ой гармоники для тела обтекания в виде цилиндра.

Коэффициент корреляции между частотой гармоник выходного сигнала и величиной измеряемого расхода, как указывается в работе /32/ также является функцией формы тела обтекания. Коэффищент корреляции для третьей гармоники дорожки Кармана, в случае применения треугольной призмы, оценивается величиной 0,99. Коэффициент корреляции для 1-ой гармоники, в случае применения цилиндра, имеющего контур ГООС - величиной 0,98 т 0,9Э. Данные для других форм тел обтекания отсутствуют.

Таким образом, можно сделать вывод о возможности более широкого применения корреляционного анализа выходного сигнала, как средства оценки качества примененной в вихревом расходомере формы тела обтекания.

Сравнение данных научной и патентной литературы относительно возможного диапазона измерений приводит к существенным противоречиям.

Как известно из гидродинамики /29/, большее значение коэффициента лобового сопротивления С* соответствует менее плавнойформе тела обтекания и сдвигает автомодельную область потока в сторону меньших чисел Ее*. Физически это явление связано с тем, что применение острых граней тела обтекания увеличивает коэффициент турбулентности потока £ и процесс вихреобразования наступает при меньших числах Ве; раньше наступает и процесс ка -витации потока.

Данные патентной литературы приводят к выводу о расширении автомодельной области чисел Se, что соответствует расширению диапазона измерения, при использовании тел более плавной формы. Под более плавной формой имеется ввиду форма тела обтекания с менее выраженным положительным градиентом давления по его контуру в направлении потока.

В работе /И6/, например, указывается на величину Be. =10^ÍTflHдля трапециедального тела обтекания (№10,рис. 3), а в работе /108/ указывается на величину Веми = Ю3 для тела обтекания в виде треугольной призмы (№1,рис.3). В работе /108/ указывается значение $еи,у=2*10^ для тела обтекания, согласно №14-,рис. 3. В работах /80/ и /84/ указывается на величину BeMI>=I00 для вихревого расходомера с телом обтекания в виде цилиндра. В работе /89/ для цилиндра дана аналогичная цифра - Вет1.„=Ю0.

На рис. 3,№3 изображено тело обтекания в виде усеченного цилиндра, на основе которого изготовлены вихревые расходомеры /78/. Сравнение с вихревыми расходомерами с телами обтекания в виде цилиндров/80/,/84/,/89/ показывает, что усечение цилиндра по образующим а-а или в-в увеличивают величину 5em;hHa порядок.Величина Be*,;»,» согласно /78/ имеет значение 1000. В отношении Ee«wu сравнение патентных данных /78/, /80/,/84/ и /89/ согласуются с данными научной литературы /29/, т.е. более плавной форме тела обтекнния (цилиндру) соответствует большеезначение Flema.* а менее плавной форме (усечённомуцилиндру) - меньшее значение lie та* (^ю^).

Таким образом, анализируя различные патентные источники можно найти несоответствие их данных с данными научной литературы. Такое противоречие объясняется, по-видимому, тем, что расширение диапазона измерения в сторону малых чисел Я 9 в вихревых расходомерах с цилиндрическим телом обтекания достигается высокой чувствительностью электронной аппаратуры.

В научной и патентной литературе часто встречается несоответствие в определении зависимости амплитуды выходного сигнала вихревого расходомера от величины измеряемого расхода. Например,в /32/и /55/ указывается о незначительной зависимости величины сигнала в диапазоне измерения; в указывается на квадратичную зависимость, а в говорится о падении амплитуды выходного сигнала на малых расходах до уровня шумов.

Указанная неоднозначность данных, приводимых в литературе в отношении диапазона измерения и энергетических параметров выходного сигнала, объясняется различным выбором физической реализации гидравлического сигнала дорожки Кармана и различными методами преобразования неэлектрической величины в электрическую.

В качестве физических реализаций сигнала используются различные физические параметры вихрей дорожки Кармана:- давление;- перепад давления;- скорость;- изменение скорости;- изменение температуры;- плотность;- изменение плотности.

Основными методами преобразования не электрической величиныб электрическую, применяемыми в вихревых расходомерах обтекания, являются:- тензометрический;- термоанемометрический;- акустический;- оптический.

Непосредственное преобразование неэлектрической величины в электрическую приводит к необходимости создания сложных электродных преобразователей, использующих в структуре измерительного тракта контуры автоматической регулировки усиления, следящие фильтры и амплитудные дискриминаторы со следящим уровнем порога срабатывания. С целью упрощения и удешевления црибора часто применяется промежуточное преобразование одной неэлектрической величины в другую неэлектрическую величину, например, в перемещение, либо в угол ловорота вводимого для этого в конструкцию прибора чувствительного элемента.

Для решения затронутых вопросов необходимо цровести аналитическое исследование гидравлического сигнала дорожки Кармана и дать рекомендации по выбору метода его преобразования в электрическую форму.

Другим важным воцросом является исследование турбулентного поля жидкости в зоне взаимодействия потока с телом обтекания с целью выбора оптимального значения координат расположения сенсоров.

В литературе имеются сведения об уровне турбулентности применительно к плоским и круглым каналам, а также сведения о турбулентном поле в пограничном слое пластины, обтекаемой потоком /№/ По данным Лауфера, Липмана и Шубауэра, проводившими исследования с помощью термоанемонетров, уровень турбулентности максимален и достигает на десятипроцентном удалении(по отношению к характерному размеру потока) от обтекаемой поверхности, минимален (3%) в центре потока и равен нулю на поверхности обтекания. Однако, эти данные не применимы к условиям обтекания трёхмерных препятствий. В настоящее время в связи с появлением лазерного допплеровского измерителя скорости (ЛДИС), имеющего большую точность измерения и не вносящего в поток дополнительной турбулентности, появились предпосылки для решения этой задачи.

Использование ЛДИС позволяет определить величину турбулентности в которая, фактически, является функцией четырёх систематических аргументов:6 «чэ £ /г, ±)9 (23)где- координаты расположения сенсоров;- время осреднения;/г - частота турбулентности.

Данная функция (23) позволяет провести анализ отношения дорожки Кармана. До настоящего времени вопрос о величине "^дорожки Кармана остаётся открытым.

В случае получения величины ¿/N>1 может отпасть необходимость в постановке задачи оптимальной линейной фильтрации, связанной с технически сложной реализацией оптимального фильтра.

Как было указано выше, гидравлические потери в вихревом расходомере определяются общим соотношением (7), где величина Сх неизвестна.

В спутном потоке, образующем зону вытеснения за телом обтекания, перепад давления на измерительном участке трубопровода определяется/29/ выражениемл п ^ Умеет.

Л Рсопр. = Он —^---(24)где Умеет. - местная скорость потока.

Величина Умеет, определяется /29/ соотношениемУиест. = (25)где- миделево сечение тела обтекания; Т - поправочный коэффициент.

В работе /29/ указано, что величина учитывает влияние формы тела обтекания и контур зоны вытеснения.

Как было показано выше, пространственное положение границ зоны вытеснения носит стохастический характер, аналогично коэффициенту "К" в выражении (22), т.е. Т - величина вероятностная.

К такому же выводу приводит и анализ графиков функций Сх ffàj и M (fie) для шара и цилиндра/32/,/100/,/29/. одна из рассматриваемых функций является зеркальным отражением другой, при этом, величина произведения Cr'Sk как для шара, так и для цилиндра сохраняет относительное постоянство (0,25) в широком диапазоне чисел Кс выходящем за пределы автомодельной области.Если значения Он и SA для шара и для цилиндра отличаются, примерно, в два раза, го произведение этих величин, как для шара, гак и для цилиндра практически неизменно, т.е. в гораздо меньшей степени зависит от формы тела обтекания.

В связи с этим необходимо более подробное исследование связи величин Ct и Л которая даст возможность упростить методику расчёта вихревых расходомеров.

Таким образом, на основании анализа литературы можно сделать вывод о целесообразности исследования взаимодействия потока жидкости с телом обтекания вихревого расходомера как с частотных, так и с энергетических позиций.

Поскольку тело обтекания является элементом, определяющим основные характеристики вихревого расходомера, го в данной работепроведён анализ предложенных конструкций тел обтекания за период, начиная с 1970 г. Анализ проведён по данным 131 публикации и имеет целью сопоставить конструктивные особенности тела обтекания с параметрами рассматриваемого вихревого расходомера.

Мнения авторов по выбору формы тела обтекания весьма различны, но, тем не менее, многообразие конфигураций тел обтекания можно свести к 38 характерным видам, показанным на рио. 3 ? 6.

Рассматривая тела обтекания по конструктивным признакам, можно ввделить пять характерных вариантов исполнения.

На рис. 3 (№ I - 14) представлен наиболее часто встречающийся вариант (группа А) тела обтекания в виде жёстко закреплённой в измерительном участке трубопровода призмы различного сечения.

Группа А характеризуется наиболее высокой технологичностью изготовления тел обтекания и меньшими габаритами измерительного участка трубопровода.

На рис. 4 представлена группа В тел обтекания, жёстко закреплённых в измерительном участке трубопровода, но имеющих так называемые "вихревые ловушки". "Вихревая ловушка" образует такое по контуру тела обтекания распределение градиента давления, которое обеспечивает концентрацию энергии вихреобразования в определённой зоне, например зона в конструкции тела обтекания № 18. При этом, по мнению авторов повышается стабильность вихреобразования и помехозащищённость цре образователя Н э в / э Б располагающегося, как правило, в зоне ^.

В последнее время в литературе всё чаще стали встречаться конструктивные варианты в виде двух жёстко закреплённых призм, имеющих различную форму поперечного сечения и различное взаиморасположение. На рис. 5 (№ 21 - 29) представлена эта группа тел обтекания (группа С). По мнению авторов такое расположение тел снижает погрешность цри измерениях малых расходов, повышает ста-мобильность вихреобразования и снижает лобовое сопротивление прибора за счэт уменьшения ширины зоны вытеснения в спутном потоке.

Группа Д, представленная на рис. 6 (№ 30 т 34),характеризуется упругом креплением тела обтекания в измерительном участке трубопровода. Отличительной особенностью такой конструкции является использование дополнительного преобразования НЭВ1 (изменение перепада давления на боковых поверхностях тела обтекания с частотой вихреобразования) в НЭВ2 (угловое перемещение тела обтекания с той же частотой).

Сохраняя высокую технологичность группы А, приборы с телами обтекания группы Д оказываются, в конечном счёте, более простыми, надёжными и дешёвыми, т.к. преобразователь НЭВ2/ЭВ црост в реализации и имеет высокую чувствительность, позволяющую упростить Й.Т. прибора.

Данная конструкция характерна для приборов, изготавливаемых фирмами "РоЛого Сотрет у * и « УейИпдкаи* Е1есЬи Сотр. „(США).

Существенными недостатками таких конструкций являются:- неравномерность АЧХ преобразователя НЭВ1/НЭВ2, объясняющаяся резонансными свойствами механической системы датчика и приводящая к сужению диапазона измерения сверху;- повышенная нелинейность характеристики прибора, объясняющаяся неоднозначными условиями обтекания колеблющегося на различных расходах с различной амплитудой тела обтекания, что эквивалентно изменению характерного размера и ^" тела обтекания в диапазоне измерения;- восприимчивость механической резонансной системы датчикак вибращям для случая совпадения спектра вибраций с полосой пропускания механической системы прибора.

На рис. 6 35 *г 38) представлена группа Е тел обтекания,характеризующаяся жёстким креплением основного (первого по потоку) тела обтекания и упругой связью с этим телом хвостовика, совершающего вынужденные колебания под действием колеблющейся измеряемой среды.

Тела обтекания этой группы наиболее полно реализуют преимущества тел обтекания группы В и группы Д.

В связи с тем, что резонансная частота механической системы датчика в данном случае может быть получена более высокой (меньшая масса подвижной системы датчика), го возможен частотный разнос частот вихре образования и резонансной частоты; при этом выравнивается дорезонансная область АЧХ преобразователя НЭВ1/НЭВ2 и ослабляется воздействие вибрационных помех.

Недостаток, связанный с изменением фактической величины,характерного размера "с/и в диапазоне измерения также снижается благодаря тому, что дорожка Кармана генерируется неподвижным, а не колеблющимся, как в приборах группы Д, конструктивным элементом тела обтекания.

Существенным недостатком тел обтекания группы Е является высокая технологическая сложность изготовления.

Приборы этой группы в последнее время наиболее часто встречаются в патентной литературе.

Основным изготовителем цриборов этой группы является фирма " РисЬег & Рог£ег « (США).

Таким образом, оцределяя принадлежность рассматриваемого тела обтекания по конструктивным признакам к определённой группе (Ат Б), можно заранее составить представление о характеристиках проектируемого вихревого расходомера.

В таблице I приведены номера тел обтекания, согласно рис. Зт 6, форма которых была использована при создании вихревых расходомеров, начиная с 1970 г.

Как видно из гистограмм, при конструировании вихревых расходомеров большинство разработчиков отдают предпочтение телам обтекания группы А, а внутри этой группы - жестко закрепленному цилиндру.

Несмотря на существенный недостаток такого тела обтекания,связанный с изменением фактической величины характерного размера " cfn из-за смещения точки отрыва вверх по потоку при увеличении расхода и приводящий к существенной нелинейности щибора /32/, /80/, /74/, данное тело обтекания нашло широкое применение благодаря наилучшей технологичности и восцроизводимости при изготовлении.

Основным изготовителем вихревых расходомеров с телом обтекания в виде цилиндрической призмы являются японские фирмы, применяющие специальные меры линеаризации характеристики во вторичной электронной аппаратуре.

Тело обтекания в виде треугольной призмы (рис. 3, № I) нашло широкое применение благодаря повышенной энергии вихреобразования, однако дорожка Кармана у таких тел развивается на фоне мощных турбулентных пульсащй, неинформагивного характера. В связи с этим, в вихревых расходомерах на основе треугольной призмы иногда применяют меры к снижению уровня турбулентных шумов путем подкатил потока с помощью сужающих устройств, расположенных за телом обтекания Л2/* /67АТела обтекания, выполненные в виде цилиндра, в конструкцаи которых предусмотрена фиксация характерного размера с помощьювыточек и срезов (рис. 3, Jfc 3-8), занимают третье место по при* » *менению. Вихревые расходомеры на основе этих тел обтекания имеют большую (по сравнению с цилиндром) линейность, более стабильное и мощное вихре образование, но восцроизводимость характеристик в условиях серийного производства ниже /32/.

Широкое распространение также нашли вихревые расходомеры на основе прямоугольной призмы. Данные тела обтекания применены в вихревых расходомерах, выпускаемых фирмой " Geozg Kent(Англия).

Одним из методов стабилизации процесса вихреобразования,Рис. 7 Гистограммы распределения частоты црименения групп и форм тел обтеканияt -I* DVЪля точки Аti maJ.- Кг<*гг0,5?ис. 8 Тело обтекания в виде прямоугольной призмыснижения гидродинамических потерь и повышения линейности прибора является по данным патентной литературы/2/ - /V»/11/»/1^/» /I8/t/2V,/25/,/28/,/W,/«/,/7I/,/73/ - /75/,/78/,/81/,/88/, /102/,/103/,/III/,/115/, организация в теле обтекания специального канала, соединяющего зоны вихреобразования и образующего контур Г00С. Аналогичную роль в группе С тел обтекания выполняет промежуток между первым и вторым по потоку телом обтекания ( рис, 3, te 21 - 28 ).

Одной из мер, существенно повышающей стабильность вихре-* образования по данным патентной литературы /40/, /20/, /76/, /58/, но увеличивающей гидродинамические потери в приборе, является выполнение измерительного участка трубопровода с меньшим диаметром, чем диаметр основной магистрали.

Проведенный анализ научной и патентной литературы приводитк следующим выводам«1. Для расширения диапазона измерения прибора в сторону больших расходов необходимо применять формы тел обтекания с умеренно возрастающим по контуру тела в направлении потока положительным градиентом давления с целью отдаления процесса кавитацщ.

2. Для расширения диапазона измерения прибора в сторону меньших расходов необходшло применять формы тел обтекания с резко выраженным по контуру тела обтекания в направлении потока положительным градиентом давления с целью турбулизации потока на малых числах Не.

3. Увеличение линейности прибора достигается:- конструктивными мерами по стабилизации точка отрыва пограничного слоя;- применением контура ГООС в теле обтекания;- использованием системы тел (группа С) ;- применением методов формирования эпюры скорости (использование прямых участков до и после тела обтекания; использование сужающих устройств в измерительном участке трубопровода);- выбором величины параметра , обеспечивающим максимальное вовлечение в процесс вихреобразования потока измеряемой среды;- применением "вихревых ловушек" в конструкции тел обтекания;- применениемдетола многоточечного съёма информации по профилю скорости (использование каналов ГООС по всему профилю тела обтекания /8% /89А /П0/» /67/;V ■. "г * „ г- применением методов линеаризации характеристики во вторичной электронной аппаратуре.

4. Уменьшение гидродинамических потерь на измерительном участке трубопровода достигается:- уменьшением величины параметра ;- применением контура ГООС в геле обтекания;- применением системы тел (группа С).

5. Снижение себестоимости прибора достигается применением промежуточного преобразования НЭВ1/НЭВ2, обеспечивающего упрощённое построение И.Т., т.е. применением групп Д и Е тел обтекания.

Изложенные выше рекомендации, основанные на анализе патентной литературы носят качественный характер д ж дают подхода к целенаправленному проектированию вихревых измерителей расхода. Анализ научной литературы, проведённый выше также указывает на необходимость проработки целого ряда вопросов. В связи с этим, представляется целесообразным построение исследований согласно приведённой на рис. 9 структурной схеме.

Итогом исследований взаимодействия потока жидкости с телом обтекания, проведённых в двух основных направлениях - с частотных (I) и энергетических (П) позиций является разработка методики инженерного проектирования вихревых расходомеров, позволяющей находить оптимальные решения при различных заданных характеристиках прибора.

Основными вопросами, требующими решения являются:- вывод передаточного коэффициента вихревого расходомера( К<а ) в форме, позволяющей проведение анализа его универсальной части ( К ад ), не зависящей от формы тела обтекания, числа И^ и состояния потока;- формулировка критерия, количественно характеризующего приемлемость рассматриваемой формы тела обтекания для использования в вихревом расходомере;анализ стохастической части передаточного коэффициента и его вероятностных характеристик по варьируемым систематическим параметрам для выбранного, согласно сформулированному вышекритерию, тела обтекания;- определение оптимальных значений систематических параметров;- вывод, в общей форме, аналитического выражения, описывающего гидравлический сигнал дорожки Кармана;- вывод, в общей форме, аналитического выражения, определяющего величину дорожки Кармана;- экспериментальное определение среднеквадратичного уровня турбулентных шумов дорожки Кармана и уточнение величины отношения % гидравлического сигнала для оптимальной формы тела обтекания;- анализ универсальной составляющей модуля гидравлического сигнала дорожки Кармана ( К^), не зависящего от формы тела обтекания, числа Яе и'состояния потока;- вывод аналитического выражения для гидродинамических потерь на измерительном участке трубопровода прибора;- анализ работы измерительного тракта и вывод АЧХ звена, обеспечивающего оптимальную обработку информации вихревого расходомера;- синтез оптимального измерительного тракта;- определение фу нкциональной связи и - для выбранного тела обтекания; экспериментальное определение зависимости коэффициента использования давления ( К и.д. ) от координат расположения сенсора;- анализ погрешностей вихревого расходомера;- разработка инженерной методики проектирования вихревых расходомеров*

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Маштаков, Борис Павлович

Основные результаты работы сводятся к следующему:

- предложен вывод и анализ передаточного коэффициента вихревого расходомера, определяющего отношение частоты срыва вихрей с поверхности тела обтекания к величине измеряемого расхода (выражения 33,34,35,36);

- предложен и подтвержден практически корреляционно-энергетический критерий выбора форш тела обтекания для целей создания вихревого расходомера; выполнение требований, сформулированных в критерии, обеспечивает получение высоких метрологических характеристик прибора при одновременном получении высокой надежности измерений (выражение 59);

- получены экспериментальные зависимости стохастической составляющей передаточного коэффициента вихревого расходомера - числа Струхаля от числа Рейнольдса для тела обтекания, выполненного в виде прямоугольной призмы, имеющей контур гидравлической отрицательной обратной связи (рис.22,23, таблицы 1+38 приложения 2) и определены пределы автомодельности потока жидкости в измерительном сечении трубопровода (рис.22); полученные зависимости полностью определяют метрологические характеристики прибора для рассматриваемой зоны чисел Я6 ;

- определено влияние конструктивных параметров прибора на зависимость и указаны оптимальные зоны параметров (рис.26, 28,35,36);

- разработаны номограммы и графики, позволяющие проводить инженерное проектирование первичных преобразователей с заданными характеристиками (рис.26 * 30, рис. 32 * 36);

- даны рекомендации по выбору конструктивных параметров при создании приборов с теми или иными улучшенными характеристиками;

- показана принципиальная возможность создания вихревого счетчика количества жидкости с погрешностью к текущему значению *0,37% в диапазоне измерений^ 50:1 и создания расходомера с приведенной погрешностью в диапазоне измерений ~90:1;

- получены аналитические выражения, определяющие зависимость информативной и шумовой составляющих гидравлического сигнала дорожки Кармана (выражения 88,91,83,94,96,98,98,101,102), а также величины гидравлических потерь от величины измеряемого расхода (95);

- показано, что отношение "сигнал/шум" гидравлического сигнала дорожки Кармана практически неизменно в автомодельной области чисел Рейнольдса и, по крайней мере, выше величины 40 дБ (выражения 103,104, ПО, 111,112,113);

- показано, что несмотря на высокое отношение "сигнал/шум" гидравлического сигнала дорожки Кармана, обработка информации в диапазоне расходов выше, чем 10:1 крайне затруднена;

- предложено аналитическое выражение оптимальной АЧХ дополнительного корректирующего звена, введение которого в измерительный тракт осуществляет нормирование амплитудного значения напряжения на входе амплитудного дискриминатора во всем возможном диапазоне вихреобразования, что резко увеличивает диапазон измерения прибора (129);

- предложен синтез нормирующего звена, включенного в структуру измерительного тракта на этапе преобразования первой неэлектрической величины во вторую;

- предложен первичный преобразователь вихревого расходомера, конструкция которого учитывает оптимальные значений- параметров ft , , ;

- определено влияние координат расположения сенсоров на энергию вихреобразования, используемую для целей измерения рис.60, 61.);

- определен вид функции Сх(£е, , , У2) и установлена связь между стохастическими величинами G* и Sh* (рис.62, 63, выражения 150, 151, 152 );

- предложена методика инженерного проектирования вихревых расходомеров и проведен анализ погрешностей приборов (Гл.4);

-приведен пример использования данной методики при проектировании вихревых расходомеров.

Разработанная методика применена при проектировании нормального ряда вихревых расходомеров ВИР и ВИР-М, что позволило создать приборы с погрешностью измерения ? IJ5 в диапазоне расходов 90:1 при величине потерь давления не более 0,04 мПа.

Применение разработанной методики позволило реализовать первичные преобразователи с повышенным ресурсом работы, что стало возможным благодаря синтезированному нормирующему звену, чувствительный элемент которого (свободно плавающий диск) не достигает при своем движении стенок приемной полости первичного преобразователя (выполнение условия 143).

Результаты проведенных исследований нашли применение при создании:

- расходомеров ВИР, серийно выпускаемых с 1983 г« заводом "Староруссприбор";

- расходомеров жидкости ВИР-М, серийно выпускаемых с 1984 г. ;

- опытных образцов струйных расходомеров "РАСТР", разработанных в НИИТеплоприборе.

Расходомеры ВИР и "РАСТР" являлись экспонатами международной выставки "Автоматизация - 83".

В настоящее время расходомеры ВИР-М представлены к аттеоша-ции по высшей категории качества.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Б гл.1 работы на основании анализа научной и патентной литературы по вихревому методу измерения расхода были сформулированы основные вопросы, требующие решения для возможности целенаправленного проектирования вихревых расходомеров жидкости.

Все вышеуказанные вопросы в данной работе были решены путем проведения теоретических и экспериментальных исследований, согласно разработанной структурной схеме исследований (рис.9).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Маштаков, Борис Павлович, 1984 год

1. Вихревой расходомер,З.Г.Наринская,Б.П.МАШТАКОВ,М.Д.Силин,

2. Л .Н .Шонин, Авт. свид .№901824,-Б юлл .изобр. ,1982 ,№4, (&01 ? 1/32 ).

3. Вихревые расходомеры,"Кэйрёкен мюсу",1976,24,№7, 5-6.

4. Вихревые расходомеры,"Пуранто эндзиниа",1976,8,№10,102-103.

5. Вихревой расходомер,Ю.С.Трелин»И.С.Радовский,В.П.Зайцев, МИФИ, ( & 01 П/32 ), 681.121.89. ,15,12,1975.

6. Гнеденко Б.В.,Беседы о математической статистике,М.,"Знание" 1968,48 с.

7. Дельта-расходомер,Пер.74/20182,Кэйрё камри,1973,т.22,№2, с.18-19,Указатель переводов,1975,№7.

8. Ю.Зайдель А.Н.,Элементарные оценки ошибок измерения,Л.»"Наука", 1968,96 с.1..Заявка Англии № 1377542, 1974, (&01 П/04).

9. Заявка Англии № 1411246, 1975, (б01 П/00), Изобретенияза рубежом, 1976,№2. 13.Заявка Англии № 1401272, 1975, (&01 Р1/00, (г 01 Р5/00), Изобретения за рубежом, №18,1976.

10. Заявка Англии № 1460460Д977(&01/£ 1/05).

11. Заявка Англии № 1468128 Д977(&01 В 15/07, &01 Р5/14, &011.9/08).

12. Заявка Англии№ 2066463, 1981, (0 01П/32 ).17.3аявка Франции № 2301808,1976, (601П/32 ).

13. Заявка Франции № 2357868,1978, (&01Р1/32).

14. Заявка Франции № 2363784,1978, (601 Р1/32 ).

15. Заявка Франции № 7508655,1976, (601 ' ^1/56).21 .Заявка ФРГ № 2453973,1976, (&01 Р5/00, &01 Р1/32).

16. Заявка ФРГ № 2712219,1978,(0 01 Р5/00, С 01Р1/32).23 .Заявка ФРГ № 3032578,1982., (МКЙ С 01 П/32, С 01Г1/78 ).

17. Заявка Японии № 49-32152, 1974, (&01П/32).

18. Заявка Японии № 51-13428,1976, (&01 Р1/32), Избретения за рубежом, №18, 1976.

19. Заявка Японии № 52-33975,1977 (&01Р1/32).

20. Заявка Японии № 52-33976,1977 (Ь01 П/32).

21. Заявка Японии № 52-42063,1977, (Ь 01Р1/32).

22. Идельчик И.Е.,. Справочник по гидравлическим сопротивлениям, М.»"Машиностроение",1975,559 с.

23. Исследование вихревого и лазерного методов измерения расхода газообразных и жидких сред»Заключительный отчет по НИР (тема 0272555610), "НИИТеплоприбор", № 08033345, М.,1976.

24. Киясбейли А. Ш., Перельштейн. М.Е., Вихревые счетчики-расходомеры, М.,"Машиностроение",1974,160 с.

25. Киясбейли &.Щ.,Перельштейн М.Е.,'Вихревые измерительны© При-»1 ' боры, М.,"Машиностроение", 1978, 151 с.

26. Комаров Ю.А.»Маштаков Б.П.,Силин М.Д.,Фомина В.И.Донин Л.Н., Тахометрический расходомер, Авт.свид.№1002837,"Бюллетень изобретений", 1983, №9.

27. Кочин Н.Е.,Кибель И.А.,Розе Н.В., Теоретическая гидромеханика, ч.1, М., ГИФЛ, 1963, 583 с.

28. Кремлёвский П.П.,Расчёт и конструирование расходомеров,!., "Машиностроение", 1978, 224 с.

29. Маштаков Б.П.,Комаров Ю.А., Никитин Б.И.,Печуро М.С.,Шонин Л.Н., Метрологические исследования параметров вихревой дорожки Кармана, Тезисы докладов 11-ого Всесоюзного совещания по теоретической метрологии, Л.,1983,262 с.

30. Маштаков Б.П., Анализ передаточного коэффициента вихревого расходомера обтекания, Метрология №11, 1983,26-31 с.

31. Патент Англии № 1401272, 1975, (501 Г1/00).

32. Патент Англии № 1430062, 1976, (601'П/00),(001 Р5/00).л .

33. Патент Англии № 1437557, 1976, С&01 Г 1/32).41 .Патент Англии № 1500704, 1978,(001 Р1/32).42 .Патент ГДР №106471, 1974, ( О 01 Р 1/04 ).

34. Патент ГДР №127531, 1977,(001 Р5/00 ).

35. Патент США №3823610, 1974, (0 01 П/00, & 01 Р5/Ю).

36. Патент США №3868500,1975,(&01 П/00, 001 Р5/Ю).- 46.Патент США № 3878715, 1973, (&01 Р1/00, &01 Р5/Ю).

37. Патент США №3878716,1975, ( 0 01 Р1/00, й 01 Р5/Ю).

38. Патент ША № 3888120,1975, ( Б01 ? Х/00, й 01 Р5/00).

39. Патент США № 3946608,1976, ( & 01 Г1/32).

40. Патент США № 3948097,1976,(001 ? 1/32). 51 .Патент США № 3948897,1976, (&01 Р1/32).

41. Патент США № 13979954,1976,(&01 Р1/32).

42. Патент США № 3991613, 1976, (&01 Р1/32).

43. Патент СНА № 3996796, 1976, (&01 Р1/32). 55¿Патент ША № 4005604,' 1977, (&0ГР 1/32). 56.Патент США<№ 4005664,1977,(001 Р1/32). 56.Патент СИ!А № 4011754, 1977, (&01 Р1/32).

44. Патент США № 4030355,1977,(0 01 Р1/32).

45. Патент США № 4052895, 1977,(&01 ? 1/32).

46. Патент США №4074571, 1978, (GOI FI/00).

47. Патент США №4083240, 1978, ( G Ol F1/32).

48. Патент США №4068020, 1978, (&0IF 1/32).

49. Патент США №4116058, 1978, (G0IFI/32). 64 .Патент США №4123940, 1978, ( & Ol F1/32 ).

50. Патент США №4281553, 1981, (G0IFI/32).

51. Патент США №4275602, 1981, (G0IFI/32). 67*Патент США №3940986, 1976, (G0IFI/32). 68 .Патент 011А №4063522, 1977, ( G Ol F 1/32 ).

52. Патент ФРГ №22591171,1977, ( GOI Р5/00,& Ol FI/32).

53. Патент ФРГ №24579671,1978, (GOI Р5/00).

54. Патент Японии №47-70983,1977, (G0IFI/32).

55. Патент Японии №49-24698, 1974, (&0I Р5/00).

56. Патент Японии №49-42070, 1974, (G0IFI/00).

57. Патент Японии №50-3180 , 1975, (&0IFI/32). 75 .Патент Японии №50-3181 Д975, ( GOl F1/32 ). 76.Патент Японии №50-36755,1975 , (G0IFI/32). 77»Патент Японии №50-36776 ,1975, (001 F 1/32).

58. Патент Японии №51-13428, 1976, (G0IFI/32).

59. Патент Японии №51-13429, 1976, (GOIFI/32),

60. Патент Японии №52-13427, 1977, Ooi Р5/00). 81 .Патент Японии №52-25346, 1977, (&0I Р5/00).

61. Патент Японии №52-33975, 1978, (G0IFI/32).

62. Патент Японии №52-33976, 1977, (GOI F 1/32).

63. Патент Японии №52-36430, 1977 ,COOI Р5/00),

64. Патент Японии №52-43580, 1977, ( & Ol F 1/32).

65. Патент Японии №53-19417, 1978, (OOIFI/32).

66. Патент Японии №53-19418, 1978,< G Ol F 1/32).

67. Патент Японии №53-31374, 1978, (&0IFI/86).

68. Патент Японии №54-19188, 1979, (GOI FI/32).

69. Патент Японии №54-21110, 1978 (GOI FI/32). 91 .Патент Японии №54-22106, 1979 (GOI Р5/00).

70. Патент Японии №56-36367, 1981, ( fr Ol F1/32,fr Ol P5/0I).

71. Патент Японии №56-45091,1981, (&0I F1/32,G Ol P5/0I).

72. Патент Японии №56-31530, I98I,(G0I FI/32, G Ol P5/0I). 95Л1овх ИЛ. Техническая гидромеханика , Л.,"Машиностроение",1976, 502 с.

73. Рабинович Е.З.,Гидравлика,ГИФМЛ, М., 1963, 408 с.

74. Силин М.Д.,Маштаков Б.П.,Наринская З.Г.,Шонин Л.Н., Исследование вихревого расходомера ВИР,"Средства полученияи обработки информации",Труды НИИТеплоприбора, М.,1982,74 с.

75. Трофимов А.И.,Кербель Б.М.,Шлитов 0.С.»Вихревой расходомер, Авт.свид. №847046, 1981 (G0IFI/32).

76. Фабрикант Н.Я., Аэродинамика, М., "Наука", 1972 , 389 с. ЮО.Шлихтинг Г.,Теория пограничного слоя, М.,ИЛ, 1956, 528 с.

77. Bi-ikhoH, "kappte Ph«*.M , 1962,Z4, 1.

78. FltfGtng in the gaps in p?oce*4 f !öwm<?teiing, "Рюсем. Sng.H, 1975, Бес., 62-63.107* Kaiman Th. und Rußach H., ÜBez den Mechanismusde6 Ftüsöigkeit* und iu/twidezatandea, "Phy^ikaiUche

79. Zeit ichaift;', 13, ¿912,^9-50.

80. Kästner H.X, Der WiißeExähEe^ein Du-zchf lussgeiäte ohne Bewegliche TeLte, "fUgePungstechn. Pza*.", 1978,20, /f!S, ZZ9 -232.

81. Klveruon &c£6eit, PxomtUng newcomeis ¿oa tough ¿Eow meauiementi, Mack. De*., £976,4*, d-i , 78-4i.

82. HO. Hogo Su^umL, KeuTc Kapii, "D.ünstium. Conti, fitlo c , 3ap. 1975, 6-ii.

83. Korruya KinicKi, "Hydxaut and pf»em. £976 , £5 , , <9-22.

84. Kopp lohn, Soioko Oitai, Lignid voztex shedding Jtowmetei, "Adv. ümtzutn." l/oE.30,Patilt, PitUbuiq, Pa, £975, *IQJi-*l0/4.

85. Laufe? 3., Jnveitigation of tinBuleht j-low in atwo dt-me/nionaf chqnnel,NRCfl>TN tf-2(23, £950, ako TR *M053,£g51.

86. WavaA O^MeZic/ta lychiaiti a pzutaka tekutiny

87. Zatozeti na odtihavdni vnzu, "Stiojzenitvi", /977,27, № Ii ,702-703.1X5. New itowmeteis in age-otd ctoak, "Pu6tLc Woiki Coniti.and Ttamp"., 1976, flec., 4-6. 116. Schneide? HJ., JNT£RKMQ-7^, Betiiefameiiyeiäte