Разработка нового метода учета расхода воды в системах водоснабжения: С использованием жидких кристаллов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.04, кандидат технических наук Зоткин, Сергей Петрович

• Зоткин, Сергей Петрович
• кандидат технических наук
• 1997

Оглавление диссертации кандидат технических наук Зоткин, Сергей Петрович

ОГЛАВЛЕНИЕ

В В Е Д Е Н И Е

1. КОНЦЕПЦИЯ ВЫБОРА ТИПА УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА В СИСТЕМЕ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

1.1. Обзор существующих методов и устройств для измерения расхода жидкостных сред

1.2. Характер потребления воды в городе и возможности применения для учета и контроля расходомеров различных конструкций

1.3. Обоснование необходимости создания новой конструкции расходомера на жидких кристаллах в качестве рабочих тел

1.4. Краткие выводы

2. ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ

И СУЩНОСТЬ НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ РАСХОДОМЕРА

2.1. Физические свойства нематических жидких кристаллов

2.2. Экспериментальные исследования по восприятию жидким кристаллом перепада давлений и математическая интерпретация поведения жидкого кристалла при его течении под воздействием разности давлений

2.3. Общий подход к разработке модели жидкокристаллического расходомера

2.4. Краткие выводы

3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО РАСХОДОМЕРА

3.1. Описание конструкции опытного образца жидкокристаллического расходомера и экспериментального гидрав-

лического стенда

3.2. Результаты экспериментов в напорных системах и

их интерпретация

3.3. Исследование эффективности работы жидкокристаллического расходомера в системе оборотного водоснабжения мокрых пылеуловителей

3.4. Метрологические характеристики, принцип тарировки и поверки расходомеров

3.5. Краткие выводы

4. РАСЧЕТ, ПРОЕКТИРОВАНИЕ, ИЗГОТОВЛЕНИЕ И МОНТАЖ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ РАСХОДОМЕРОВ

4.1. Методика расчета жидкокристаллических расходомеров для напорных систем и условия их монтажа

4.2. Разработка алгоритма и программы для ПЭВМ по выбору типа сужающего устройства в требуемом диапазоне измеряемых расходов

4.2.1 Алгоритм для вставки с диафрамой

4.2.2 Алгоритм для потерь напора по длине

4.2.3 Алгоритм для расчета различных типов местных

сопротивлений

4.3. Примеры использования программы для ПЭВМ для проектирования жидкокристаллического расходомера

4.4. Элементы для изготовления, эскизная и проектная документация для отдельных узлов жидкокристаллических

расходомеров

4.5. Краткие выводы

5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ВНЕДРЕНИЯ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ

РАСХОДОМЕРОВ

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка нового метода учета расхода воды в системах водоснабжения: С использованием жидких кристаллов»

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в связи с истощением запасов природных вод особенно остро встает проблема рационального использования водных ресурсов, жесткого контроля за водопотреблением и сокращением потерь воды. Для решения проблемы необходим целый комплекс организационных и технических мероприятий по ликвидации утечек воды при помощи приборов-расходомеров (водомеров, счетчиков воды).

Счетчики воды применялись в коммунальном хозяйстве городов еще в прошлом веке. С течением времени их роль и значение постоянно росли. Помимо промышленности, коммунального и сельского хозяйства, расходомеры широко используются при проведении научных исследований, для управления самыми различными технологическими процессами, для обеспечения автоматизации производства и так далее.

Несмотря на большое разнообразие способов и устройств измерения расхода жидкости и газа в промышленности и коммунальном хозяйстве, проблему определения этой физической величины нельзя считать решенной. Те методы, которые дают полное удовлетворение в одних условиях, оказываются совершенно непригодными для других. Поэтому применяется каждая модель в своем весьма ограниченном пространстве, а проектировщикам представляется возможность предлагать свои варианты усовершенствования существующих конструкций или даже создавать принципиально новые модели.

Одной из проблем, существующих сегодня в области измерения расходов в системах водоснабжения, является унификация средств измерений. Так, на малых диаметрах труб (до 300 мм) на

сегодняшний день наиболее распространены скоростные счетчики воды, а на больших (свыше 300 мм)- расходомеры переменного перепада давлений, ультразвуковые и электромагнитные.

Другая проблема водоснабжения - непроизводительные расходы воды или утечки, которые практически не фиксируются вышеупомянутыми приборами в силу своей незначительности, но, приводят к значительным потерям воды, проявляясь в течение длительного периода времени.

Решению обозначенных проблем может способствовать применение принципиально новой модели жидкокристаллического расходомера, разработанного автором и творческим коллективом сотрудников ряда научно - исследовательских и учебных институтов (МГСУ, Московская государственная академия приборостроения и информатики), благодаря применению в качестве рабочего тела сверхчувствительного нематического жидкого кристалла (НЖК), реагирующего на перепады давлений менее 1 Па (0,1 мм.вод.ст.).

Целью диссертационной работы является разработка нового эффективного метода и конструкции устройства для учета расхода воды на основе использования в качестве рабочих тел жидких кристаллов, а также оценка возможности применения принципиально новой модели жидкокристаллического расходомера на различных участках системы городского водоснабжения, а также промводоснабжения, и разработка программного обеспечения для IBM совместимых персональных ЭВМ для расчета тарировочных характеристик и настроек прибора на различные диапазоны измеряемых расходов и диаметров труб.

Научная новизна работы заключается в следующем: • исследованы свойства нематических жидких кристаллов и установлены закономерности по восприятию ими перепадов дав-

лений в напорных трубопроводах при течении жидкости и газа; на базе полученных данных разработан новый метод учета расхода жидкостных и газовых сред;

• разработаны принципы конструирования и расчета новой унифицированной конструкции расходомера на жидких кристаллах для измерения количества протекающей жидкости в широком диапазоне расходов на напорных трубопроводах различных диаметров и рассчитаны типы оптимальных местных сопротивлений на участках водопроводной сети, обеспечивающие требуемый диапазон восприятия перепадов давлений для стандартных жидкокристаллических ячеек.

На защиту выносятся следующие основные положения:

• Закономерности восприятия нематическими жидкими кристаллами перепадов давлений в напорных трубопроводах при течении жидкости и газа;

• Принципиально новый тип устройства для измерения расхода (Патент СССР № 1719944. Авторы: Зоткин С.П. и др. Опубликовано 15.03.92. Открытия. Изобретения. Бюл. № 10).

• Тарировочные характеристики жидкокристаллического расходомера.

• Методика и алгоритмы расчета жидкокристаллического расходомера.

Практическая значимость работы состоит в разработке и проектировании (с помощью ПЭВМ) новой унифицированной и экономичной конструкции жидкокристаллического расходомера для ключевых узлов системы городского водоснабжения (регулирующий узел, ЦТП, стояк, отдельная квартира), а также систем промводоснабжения.

Испытания нового прибора проводились в лабораториях МГСУ, МГАПИ (Московской государственной академии приборо-

строения и информатики), НИИ "Промзданий", а изготовление пробной партии приборов осуществлялось в МГАПИ. Испытания показали, что благодаря своей высокой чувствительности жидкокристаллический расходомер может успешно конкурировать с широко распространенными в системах водоснабжения скоростными счетчиками воды и расходомерами переменного перепада давления и одновременно найти применение в самых разных отраслях науки и техники (в медицине для измерения расхода крови, в строительстве - для фиксации горизонтального положения водопроводных коммуникаций, которое определяется по нулевому расходу, и проч.).

Внедрение жидкокристаллического расходомера в систему городского водоснабжения может стать важным шагом на пути создания автоматизированной системы наблюдений за расходованием воды в населенном пункте на всех участках от регулирующего узла до отдельной квартиры при помощи унифицированных приборов с обработкой результатов единым вычислительным

(о

в простейшем случае одним персональным компьютером).

Заключение диссертации по теме «Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов», Зоткин, Сергей Петрович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведен ретроспективный анализ способов и средств измерения расхода жидкостных сред в напорных трубопроводах; установлено, что на сегодняшний день отсутствует универсальный тип устройства для городского и промышленного водоснабжения с единой системой учета объема потребляемой воды в целях ее рационального использования и снижения утечек.

2. Экспериментально показано, что в качестве потенциального объекта исследований в области водометрии (т.е. для разработки универсальной конструкции высокоточного расходомера ) могут служить нематические жидкие кристаллы, обладающие уникальными физическими свойствами, в том числе по восприятию перепада давлений, доступностью и невысокой стоимостью; установлены закономерности восприятия нематическими жидкими кристаллами перепадов давлений в напорных трубопроводах при течении жидкости и газа.

3. Установлено, что унифицированными устройствами для измерения расходов воды в напорных трубопроводах могут являться расходомеры переменного перепада с жидкокристаллическими датчиками в качестве рабочих тел, воспринимающими перепады давлений менее 1 Па (0,1 мм.вод.ст.), что позволяет фиксировать незначительные величины расходов, в том числе сопоставимые с утечками в системах водоснабжения; на базе полученных данных разработан новый метод учета расхода жидкостных и газовых сред и получен патент №1719944 на устройство для измерения перепадов давлений.

4. Проведен полный комплекс гидравлических и аэродинамических экспериментов по выявлению оптимального типа сужающего устройства, работающего в паре с жидкокристаллической ячейкой; определено, что наибольший диапазон перепадов давлений, удовлетворяющий соответствующей стандартной ячейке, обеспечивается диафрагмой.

5. Получены математические зависимости "расход - показания вторичного прибора", которые являются базовыми для тарировки жидкокристаллического расходомера; установлены диапазоны измеряемых величин расходов (Ртт/Ртах) для унифицированной конструкции жидкористаллического расходомера в широком интервале диаметров; определены требования к точности измерения на основе учета погрешностей составных элементов расходомера (ячейки, клапана, мембраны, вставки и т.д.).

6. Разработана методика (алгоритмы и программы) расчета жидкокристаллических расходомеров, позволяющая проектировщику найти оптимальное решение при выборе типа сужающего устройства в требуемом диапазоне измерения расходов; разработаны принципы поверки расходомера и ее периодичность.

7. Внедрение новой конструкции жидкокристаллического расходомера предполагается осуществить в системах оборотного водоснабжения мокрых вентиляционных пылеуловителей (ПВМ) по мере изготовления серийной партии приборов (на заводах "Уралмаш" /г.Екатеринбург/ и ГАЗ /г.Нижний Новгород/).

8. Оценена коммерческая стоимость жидкокристаллического расходомера на основе затрат на изготовление отдельных элементов (корпуса, ячейки ЖК, мембраны, клапана и т.д.) для различных диаметров труб.

9. Эффект от внедрения жидкокристаллического расходомера может выражаться в снижении денежных затрат (при установке прибора на диаметрах труб более 50 мм), а также в упрощении и удобстве контроля за подачей (расходованием) воды путем съема выходного электрического сигнала с ячейки и поступления его в диспетчерскую на ПЭВМ, которая позволяет контролировать ситуацию одновременно в нескольких точках водоразборной сети.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Зоткин, Сергей Петрович, 1997 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Авторское свидетельство СССР №1185091, Опубликовано

15.10.85, Открытия. Изобретения 1988, Бюллетень 38.

2. Авторское свидетельство СССР №1208483, Опубликовано

30.07.86, Открытия. Изобретения 1986, Бюллетень 28.

3. Авторское свидетельство СССР №1247658, Опубликовано

30.07.86, Открытия. Изобретения 1986, Бюллетень 28.

4. Авторское свидетельство СССР №1290073, Опубликовано

15.02.87, Открытия. Изобретения 1987, Бюллетень 6.

5. Авторское свидетельство СССР №1290074, Опубликовано 15.02.87, Открытия. Изобретения 1987, Бюллетень 6.

6. Авторское свидетельство СССР №1312392, Опубликовано 23.05.87, Открытия. Изобретения 1987, Бюллетень 19.

7. Авторское свидетельство СССР №1315809, Опубликовано 07.06.87, Открытия. Изобретения 1987, Бюллетень 21.

8. Авторское свидетельство СССР №1326890, Опубликовано 30.07.87, Открытия. Изобретения 1987, Бюллетень 28.

9. Авторское свидетельство СССР №1352215, Опубликовано

15.11.87, Открытия. Изобретения 1987, Бюллетень 42.

10. Авторское свидетельство СССР №1368639, Опубликовано

23.01.88, Открытия. Изобретения 1988, Бюллетень 3.

11. Авторское свидетельство СССР №1372187, Опубликовано 07.02.88, Открытия. Изобретения 1988, Бюллетень 5.

12. Авторское свидетельство СССР №1420374, Опубликовано 20.08.88, Открытия. Изобретения 1988, Бюллетень 32.

13. Авторское свидетельство СССР №1428922, Опубликовано 07.10.88, Открытия. Изобретения 1988, Бюллетень 37.

14. Авторское свидетельство СССР №1438629, Опубликовано 15.11.88, Открытия. Изобретения 1988, Бюллетень 42.

15. Авторское свидетельство СССР №1483265, Опубликовано 30.05.89, Открытия. Изобретения 1989, Бюллетень 20.

16. Александров В.Б. "Методика унифицированных расчетов среднего суточного расхода газов и жидкостей по РД 50-213-80", Ж- Измерительная техника, Издательство стандартов, 1989, №5, с. 26-27.

17. Алексеев В.Е., Ваулин A.C. и др. Программирование на языке ФОРТРАН - 77. М.: Высшая школа, 1993. - 159 с.

18. Альтшуль А.Д., Киселев П.Г. Гидравлика и аэродинамика, М.: Стройиздат, 1975. - 323 с.

19. Артемьев В.Г., Голубев С.М. Справочное пособие для работников экологических служб, М., Издательство стандартов, 1990. - В 2-х книгах - 960 с.

20. Базаров И.П., Геворкян Э.В., Статистическая физика жидких кристаллов, Издательство МГУ, 1992 - 496 с.

21. Бар-Слива В.И., Камышев J1.A. "Теоретическая модель турбинного расходомера с Т-образными лопатками". Ж- Измерительная техника, Издательство стандартов, 1989, №6, с.21-22.

22. Блинов J1.M., Электро и магнитооптика жидких кристаллов, М.: "Наука",1978 - 384 с.

23. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения, -М.: Наука, 1988. - 480 с.

24. Вистинь Л.К, Чистяков И.Г., Вайнштейн БД. Влияние электрических полей на структуру и свойства жидких кристаллов, Издательство Болгарского физического журнала, 3 том, №3, 1996, стр. 290-316.

25. Вистинь Л.К-, Лагунов A.C., Ламекин В.Ф., Жидкие кристаллы в устройствах информатики, М.: Рикел: Радио и связь, 1995 - 207 с.

26. Готра З.Ю., Вистинь JI.K-, Индикаторные устройства на жидких кристаллах, М.: Сов. Радио, 1980 г. - 340 с.

27. Же В. де, Физические свойства жидкокристаллических веществ - М.: Мир, 1982 - 151 с.

28. Железняков Г.В. Гидрометрия, М.: Колос, 1972. - 255с.

29. Жен П де. Физика жидких кристаллов, - М.: Мир, 1977. -400 с.

30. Звенигородский Э.Г., Каминский Ю.Д., Мартынова В.И., Проскурнев С.Ю. "Высокочастотные лазерные измерители расхода", Ж- Приборы и системы управления, Издательство машиностроения, 1989, №10, с. 35-36.

31. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям, М.: Машиностроение, 1975. - 559 с.

32. Капустин А.П., Капустина O.A., Акустика жидких кристаллов, М.: "Наука", 1986 - 247 с.

33. Капустин А.П., Экспериментальные исследования жидких кристаллов, М.: "Наука", 1978 - 368 с.

34. Кедров B.C., Ловцов E.H. Санитарно - техническое оборудование зданий, М.: Высшая школа, 1989. - 495 с.

35. Кедров B.C., Сомов М.А., Пальгунов П.П. Водоснабжение и канализация, М.: Стройиздат, 1984. - 319 с.

36. Киселев П.Г. Справочник по гидравлическим расчетам, М.: Стройиздат, 1974. - 312 с.

37. Киясбейли А.Ш., Лифшиц Л.М. Счетчики и расходомеры жидкости с овальными шестернями, М.: Машиностроение, 1983 -144 с.

38. Кожинов И.В., Добровольский Р.Г. Сокращение потерь питьевой воды при эксплуатации систем водоснабжения, М. Стройиздат, 1988, 344 с.

39. Кремлевский П.П. Измерение расхода многофазных потоков, Л., Машиностроение, 1982, 214с.

40. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества, Л., Машиностроение, 1989, 700с.

41. Лобачев П.В. Шевелев Ф.А. Расходомеры для систем водоснабжения и канализации. М. Стройиздат, 1985, 304 с.

42. Лотонов М.А., Гладких В.М., Салюк Г.В. "Экономический подход к выбору стратегии эксплуатации средств измерений". Ж-Измерительная техника, Издательство стандартов, 1989, №5, с. 63-64.

43. Медзвелия М.Л. Экспериментальные исследования гидравлических сопротивлений при движении жидкостей разной вязкости в открытых руслах : Диссертация на соискание степени канд. техн. наук: Спец. 05.23.16. - М. МИСИ, 1992 - 147 с.

44. Некрасов Б.Б. Гидравлика. М.: Машиностроение, 1967.

45. Пирумов А.И., Обеснып зание воздуха, М.: Стройиздат, 1984 - 296 с.

46. Пистун Е.П. Международный стандарт по измерению расхода. Ж- Измерительная техника, Издательство стандартов, 1983, №11, с. 22-24.

47. Правила 27-54 по применению и поверке расходомеров с нормальными диафрагмами, соплами и трубами Вентури. М.: Стандартгиз, 1960. - 167 с.

48. Правила 28-64 измерения расхода жидкостей, газов, и паров стандартными диафрагмами и соплами, М.: Издательство стандартов, 1964. - 147 с.

49. Правила измерения расхода газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами РД 50-213-80 М.: Издательство стандартов, 1982. - 319 с.

50. Проспект фирмы "Schlumberger Industries" (Франция).

51. Пугачев B.C. Основы автоматического управления, М: Наука, 1963. - 680 с.

52. Саади К- С. Рациональная схема всасывающих коммуникаций насосной станции: Диссертация на соискание степени канд. техн. наук: Спец. 05.23.16. - М. МИСИ, 1991 - 153 с.

53. Сапунов В.Н., Григорьев Е.В., Персиянов Т.В., Гальперин C.B. "Датчик расхода топлива", Ж- Приборы и системы управления, Издательство машиностроения, 1989, №3, с.22-23.

54. Сборник действующих такс сборов за государственную поверку средств измерений. М., Издательство стандартов, 1978. -28 с.

55. Сомов М.А. Водопроводные системы и сооружения, М.: Стройиздат 1988 - 398 с.

56. Турчак Л.И. Основы численных методов, М.: Наука, 1977. - 320 с.

57. Хабибуллаев П.К-, Г ^о-чян Э.В., Лагунов A.C., Реология жидких кристаллов., Издательство ФАН, 1992 - 300 с.

58. Цейтлин В.Г. Расходоизмерительная техника, М.: Издательство стандартов, 1977. - 240 с.

59. Цейтлин В.Г. Техника измерения расхода и количества жидкостей, газов и паров, М.: Издательство стандартов, 1981. -192 с.

60. Шевелев Ф.А. Шевелев А.Ф. Таблицы для гидравлических расчетов водопроводных труб : Справочное пособие. М.: Стройиздат, ¡984 - 116 с.

61. Шелапутин И.Д. "Метод расчета и оптимизации акустических систем ультразвуковых уровнемеров и расходомеров." Ж-Измерительная техника, Издательство стандартов, 1983, №11, с.34-36.

62. Шмигора В.Н., Зильберг П.А., Чичельницкий В.И., "Корреляционный датчик расхода ДРК-1", Ж- Приборы и системы управления, Издательство машиностроение, 1989, №6, с.24-26.

63. Яковлев C.B., Мясников И.Н., Кравцов М.В., "Расходомеры в комбинированных установках водоочистки", Ж-Водоснабжение и санитарная техника, Стройиздат, 1989, №1, с.6-7.

64. Balandin V.A. , Gevorkian E.V. and Pasechnic S.V., Mol. Mat., 1996, Vol. 6. pp. 45-51.

65. Ezhov S.G.,. Pasechnic S.V. and Balandin V.A. , Pis'rna v Zh. Tech. Fiz., 10, 479 (1984).

66. Guernrnonpzez P. Le technique de comptage de l'eau. L'eau et l'industrie. 1981. №54, p.56.

67. ISO 5167 Measurement of fluid flow by means of orifice plates, nozzles and venturi tubes inserted in circular cross-section conduits running full. 1st edition, 1980.

68. Pasechnic S.V., Larionov A.N., Balandin V.A. et Nozdrev V.F., J. Physique 45 (1984) 441-449.

69. United States Patent № 4.480.483. Date of Patent Nov 6.

1984.

70. Zanchetta P., Truttman F. La mesure de debit par ultrasons. L'eau et l'industrie. 1981. №5, p.34.