CC BY
101
УДК 681.26.077.2
Синтез кориолисова расходомера для дозирования компонентов топлива
К.В. Гудков, М.Ю. Михеев, В.А. Юрманов.
Михеев Михаил Юрьевич, Пензенская государственная технологическая академия, кафедра Информационные технологии и системы, заведующий кафедры, профессор, Байдукова 1а, 8(8412)49-60-09, [email protected].
Юрманов Валерий Анатольевич, Пензенская государственная технологическая академия, кафедра Информационные технологии и системы, доцент, к.т.н., Байдукова 1а, 8(8412)49-60-09.
Гудков Кирилл Владимирович, Пензенская государственная технологическая академия, кафедра Информационные технологии и системы, старший преподаватель, аспирант, Байдукова 1а, 8(8412)49-60-09, [email protected].
Аннотация
Предлагается способ поверки Кориолисовых расходомеров на месте их эксплуатации. Описываются варианты элементов конструкции системы, поясняются их физические принципы работы и результаты моделирования воздействия импульсных помех.
Ключевые слова: проверка, Кориолисов расходомер, коэффициент измерительного устройства, грубоискаженные результаты измерений
Gudkov K. V., Miheev M. Y., Yurmanov V. A.
Synthesis of elements of testing systems of dispensing of components of fuel.
Abstrakt:
The Coriolis flow mass meter in place validation method is proposed. System structure is described, physical principles are explained, modeling results, affected by impulse noise are shown.
Keywords: check, Coriolis a flowmeter, factor of the measuring device, roughly deformed results of measurements
Введение.
Реализация систем расхода и дозирования компонентов топлива и прочих жидких сред, в том числе агрессивных, вязких, высокотоксичных, электро и неэлектропроводных на основе кориолисовых расходомеров позволяет достичь относительной погрешности порядка 0,1%[1].
При организации поверочных систем помимо обеспечения метрологических характеристик, также целесообразно отказаться от демонтажа измерительного оборудования и вывода его из эксплуатации.
Последнее условие существенно усиливает требования к метрологическим характеристикам поверочной системы. Это связано с тем, что различные рабочие места характеризуются различным набором дестабилизирующих факторов, которые, как правило, имеют нестационарный характер. Следовательно, аппаратнопрограммные средства поверочного комплекса должны обеспечивать необходимую инвариантность результатов поверки от типа предприятия, от характера его работы и конструктивных особенностей поверяемой системы[2].
Достижение поставленных целей связано с совершенствованием расходомеров, входящих в состав поверочных комплексов.
Анализ конструкций расходомеров.
Принцип измерения расхода жидкости в кориолисовом расходомере основан на измерении параметров потока жидкости, таких как скорость и плотность. На основании этих данных возможно вычисление массового расхода жидкости протекающей по трубке известного сечения(чувствительный элемент расходомера). Скорость потока в трубке определяется с помощью силы Кориолиса. Для определения плотности потока жидкости необходимо колебать трубку на резонансной частоте. Естественная резонансная частота трубки является функцией ее геометрии, конструкционных материалов и массы трубки, состоящей из массы собственно трубки и массы текущей среды в этой трубке. Поскольку масса самой трубки постоянна, плотность текучей среды пропорциональна значению резонансной частоты.
Резонансный режим работы расходомера, наряду с известными достоинствами, приводит к резкому повышению погрешности измерений при наличии помех, попа-
дающих в полосу резонанса. Это проявляется в виде грубо искаженных результатов, количество которых для промышленных предприятий может достигать до 10% от общего числа измерений. Учесть заранее влияние этих помех невозможно т.к. они индивидуальны для конкретного рабочего места расходомера и имеют нестационарный характер.
Для оценки влияния указанных негативных факторов была разработана Simulink модель классического однотрубного кориолисового расходомера, которая позволила провести модельный эксперимент работы расходомера[3].
Модель позволяет провести моделирование процессов основанных на законах теоретической механики в которой понятие гибкое тело отсутствует, поэтому для создания гибкого тела был использован метод приближения.
Данный метод моделирования основан на приближенном отображении гибкого тела последовательностью твердых тел, соединённых между собой пружинящими и амортизирующими элементами. Жесткость пружин и коэффициенты демпфирования амортизаторов описываются функциями материальных свойств и геометрией гибких элементов.
Учитывая ограничения накладываемые на процесс моделирования системой SimMechanics было предложено разделить трубку на ряд дискретных элементов и соединить их между собою системой шарниров обладающими определенными аналитически степенями свободы.
Рассмотрим физику процесса чистого сгиба, происходящую в шарнире, соединяющем два элементарных дискретных участка
Обобщенная сила F на конце каждого тела и обобщенная сила f в узле могут быть выражены с обобщенной матрицей жесткости [K] или [k]:
F = [K ]dX или f = [k]dx,
где dX и dx относительное перемещение приближенного тела и его составных частей соответственно.
Выявим связь между жесткостью всей системы и её отдельными компонентами путём использования коэффициента Якобиана:
[k ] = JT [ K ]J
Полученные значения коэффициентов упругости отдельных элементов составляют упругость материала, основываясь на величинах угла прогиба и на угло-
вую скорость шарнира.
Проведенный ряд имитационных модельных экспериментов позволил выявить влияние совпадения частот внешних помех и резонансной частоты работы расходомера. Первый эксперимент проводился с имитацией условий работы расходомера в идеальных условиях. При проведении эксперимента плотность измеряемого вещества была равна 1 г/см , скорость протекания измеряемого вещества - 1 м/с, резонансная частота колебаний расходомера fp - 225 Гц. Результаты эксперимента приведены на Рисунке 1(график 1). Колебания показания расхода в диапазоне 0,05% обусловленные дискретностью вычислений Simulink модели.
1 — — 1 1 1 — — —
2
1
N._
01 2345678Э10
Рис. 1 Показания расходомера при отсутствии и наличии помех, где Уж - показания скорости жидкости, N - количество измерений, 1 - результаты первого эксперимента, 2 - результаты второго эксперимента.
В ходе проведения второго эксперимента на вход модели подавались помехи, находящиеся за пределами резонансной области, с амплитудой незначительно превышающей пороговое значение Р (Рисунок 2) и сигнал с частотой fn = 250Гц, входящий в зону резонанса моделируемого кориолисова расходомера. Скорость, плотность потока и частота работы расходомера остались неизменными. Результаты эксперимента приведены на Рисунке 1(график 2).При подаче на вход модели сигналов помех, амплитуда которых не превышает порогового уровня P и частота не входит в зону резонанса погрешность измерений погрешность увеличивается до 0,1%. Следовательно данное значение уровня Р является предельным для конкретного предпри-
ятия.
При превышении амплитудами помех порогового уровня появляется вероятность возникновения грубо искаженных результатов измерений. Этот эффект зависит от текущей фазы между сигналами помехи и колебаний расходомерной трубки. Все результаты действия помех попадающих в интервал времени измерения разности фаз между левой и правой частью расходомерной трубки проявляются виде грубо искаженных результатов измерений. Влияние помех в зоне резонанса соответствует поведению резонансной системы. Устранение данной погрешности путем использования фильтров невозможно ввиду близости частот.
Рис. 2. Спектр сигналов расходомера, где Р - пороговый уровень, fp - резонансная частота, fn -шум.
Поскольку данная погрешность обусловлена конструкцией расходомера и способом определения плотности измеряемого вещества возможны два очевидных варианта минимизации её влияния: 1й - изменение конструкции расходомера; 2й -изменение способа определения плотности вещества.
Начнем решать данные задачи последовательно.
Совершенствование конструкции измерительной трубки.
Снижение количества грубо искаженных результатов измерений может быть достигнуто смещением рабочей частоты расходомера за пределы спектра интенсивной области основной доли промышленных помех. Анализ патентов Российской Федерации за последние 20 лет, выявил в качестве одного из перспективных направлений решения данной задачи понижения жесткости расходомерной трубки, что стало возможно с появлением новых конструкционных материалов.
Экспериментально было выявлено, что наиболее целесообразно использовать комбинированную конструкцию расходомерной трубки, располагая участки трубки с пониженной жесткостью в узловых точках колебательной системы. Кориолисово отклонение расходомерной трубки имеет ту же форму, что и изгибные колебания второго порядка, при которой смещение расходомерной трубки имеет противоположный знак на любой стороне от центральной точки расходомерной трубки. Расположение участков пониженной жесткости в точках наибольшей амплитуды колебаний второго порядка повышает чувствительность системы на реакцию Кориолисовой силы. Расположение участка пониженной гибкости в центре колебательной системы повышает амплитуду колебаний, что вызывает увеличение силы Кориолиса и снижение резонансной частоты колебательной системы. Расположение участка пониженной гибкости на краях расходомерной трубки уменьшает влияние жесткозакрепленных краев трубки на Кориолисову силу и снижает влияние внешних помех на измерительную систему.
Проведенный ряд имитационных модельных экспериментов с входными параметрами плотности измеряемого вещества - 1 г/см3, скорости протекания измеряемого вещества - 1 м/с, резонансной частоой колебаний расходомера fp - 225 Гц без наличия помех позволил выявить зависимости чувствительности расходомера от изменения комбинаций расположения участков пониженной жесткости и их коэффициентов жесткости. В эксперименте были рассмотрены 3 варианта расположения участков пониженной жесткости. Первый вариант: участки пониженной жесткости расположены в точках крепления трубки к трубопроводу и в центре; второй вариант: добавлены участки пониженной жесткости в узловых точках колебаний второго порядка; третий вариант: участки пониженной жесткости, расположенные в узловых
точках колебаний второго порядка, увеличены по длине в два раза по сравнению со вторым вариантом. Результаты эксперимента представлены на Рисунке 3.
Рис. 3. Влияние участков пониженной жесткости на чувствительность расходомера.
Видно, что наибольшей чувствительностью обладает расходомер реализованный по третьему варианту. Изменение жесткости на 50% позволило повысить чувствительность расходомера в 1,5 раза, но не позволило сместить рабочую частоту расходомера за пределы спектра интенсивной области основной доли промышленных помех.
Проанализируем линейность показаний кориолисового расходомера в конструкцию которого введены ГУ. Скорость потока жидкости будет изменятся от 1 м/с до 7 м/с. При этом плотность жидкости будет оставаться неизменной. Коэффициент упругости ГУ также будет изменяться на 50 - 90% относительно алюминиевой трубки кориолисового расходомера и соответствовать по жесткости полимерным материалам. Результаты моделирования представлены на Рисунке 4. Некоторая нелинейность при скорости дикости в 5 м/с и жесткостью ГУ в 65% обусловлена неточно-
стью измерений и не имеет физической зависимости.
1 50
Рисунок 4. Зависимость показаний АТ от скорости потока Проведем исследования влияния неоднородностей ГУ, которые приводят к изменению коэффициентов жесткости(Рисунок 5). Предположим, что коэффициент жесткости ГУ не одинаков и разница достигает 2%. При этом скорость жидкости в расходомерной трубке составляет 10 м/с, а плотность 1 кг/см3. Данные параметры жидкости остаются неизменными в ходе эксперимента. При разнице коэффициентов упругости, достигающей 2%, ГУ расположенных в узловых точках колебаний второго порядка наблюдается рост чувствительности расходомера, обусловленный возрастанием разности фаз ввиду различия частот колебаний концов расходомерной трубки. А при аналогичной разнице коэффициентов упругости подводящих ГУ наблюдается снижение чувствительности расходомера, обусловленное смещением узла колебаний второго рода относительно датчиков.
Рисунок 5. Влияние погрешности жесткости ГУ При проведении эксперимента с уменьшением коэффициента жесткости ГУ было видно очевидное снижение количества шума в сигнале приходящем с датчика. Результат работы имитационной модели представлен на Рисунке 6.
т оо
90
SO
VO
єо
50
40
ЗО
20
Таким образом, проведенные эксперименты позволяют сделать вывод о том, что использование полимерных материалов в составе комбинированной конструкции кориолисова расходомера позволяет повысить его чувствительность и снизить влияние внешних вибрационных воздействий. В частности расположение ГУ в уз-
ловых точках колебаний второго порядка существенно влияет именно на чувствительность расходомера. ГУ, исполняющие функцию подводящих участков, расположенные на концах расходомерной трубки существенно снижают влияние внешних вибрационных воздействий. А благодаря расположению ГУ в центре Комбинированной конструкции кориолисова расходомера возможно достигнуть повышения амплитуды колебаний, что приведет к увеличению чувствительности.
Но в тоже время ограничение изменения жесткости на уровне 50% находится на грани возможности современных конструкционных материалов, поэтому дальнейшее развитие данного направление ограничивается возможностями технической реализации. Так же повышение амплитуды колебаний расходомера не позволит сместить рабочую частоту расходомера из зоны промышленных шумов. Следовательно, необходимо менять конструкцию измерительной части расходомера и отказываться от использования физического эффекта резонанса при определении плотности протекающей жидкости.
Совершенствование кориолисова расходомера.
Один из вариантов технической реализации новой конструкции кориолисова расходомера основан на задании колебания абсолютно жесткой расходомерной трубки в горизонтальной плоскости относительно центра. Под абсолютной жесткостью понимается, что значением изгиба трубки можно пренебречь. При протекании жидкости через колеблющуюся измерительную трубку возникает сила Кориолиса, оказывающая аддитивное воздействие равномерное по длине трубки. Воздействие фиксируется датчиками перемещения/давления. Кроме того, колебание трубки вызывает возникновение сил инерции, пропорциональных плотности жидкости, значение которых фиксируется теми же датчиками. Для подвода жидкости к расходомерной трубке используются участки пониженной жесткости, что обеспечивает свободное колебание трубки и снижения влияния на расходомер воздействия помех со стороны трубопровода.
Была разработана Simulink модель данного кориолисова расходомера с использованием пакета SimMechaniks. При проведении эксперимента учитывалось виляние внешних помех амплитуда которых не превышает порогового уровня P, плот-
ность измеряемого вещества 1 г/см3, скорость протекания измеряемого вещества - 1 м/с. При такой конструкции расходомера перенос частоты в низкую область не вызывает технических проблем. Например, при частоте колебаний 50 Гц было достигнуто повышение чувствительности в 1,5 раза и снижение влияния грубо искаженных результатов на 30%.
Заключение.
Использование новой конструкции кориолисовых расходомеров в составе поверочных комплексов позволяет минимизировать влияние помех на результаты поверки. Следовательно может быть создана достоверная информационная картина распределения помех на конкретном рабочем месте в соответствии ритмом работы данного предприятия и осуществлены по минимизации их влияния [4].
Список литературы
1. Патент №2249183 РФ. Кориолисов расходомер и способ его изготовления/ Ван Клив Крейг Брэйнерд, Ланхам Грегори Трит, Оллила Кертис Джон, Листер Эрнест Дэйл заявитель/ Майкро Моутттн, Инк (US) правообладатель. - Заявл. 13.06.2000: за-рег. 27.09.2003 - Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.
2. Патент №2262670 РФ. Устройство и способ проверки расходомера/ Антоние-вич Милован заявитель/ Майкро Моутттн, Инк (US) правообладатель. - Заявл. 22.05.2002: зарег. 10.02.2005 - Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.
3. Гудков К. В. Анализ тенденций развития обобщенных структур Кориолисовых расходомеров // Труды международной научно-технической конференции Современные информационные технологии - Выпуск 9, Весенняя сессия. Пенза: ПГТА, 2009г. - C. 62-65.
4. Патент №2007129984 РФ. Способ повышения точности проверки расходоме-ра/Михеев М.Ю., Юрманов В. А., Володин К.И., Гудков К.В., Куц А.В. заявители/ Пензенская государственная технологическая академия правообладатель. - Заявл. -06.08.2007 зарег. 20.02.2009 - Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.
