Прогноз параметров счетчиков жидкости

Современная практика предъявляет все более высокие требования к свойствам техники. Развитие средств измерений (СИ) сопровождается постоянным поиском компромисса между реализуемыми свойствами прибора, техническими возможностями предприятия-изготовителя и экономической целесообразностью использования СИ в эксплуатации.

Предлагавшиеся ранее методы оценки эффективности СИ для определения расхода и количества жидкостей показывали способность прибора отвечать тем или иным требованиям эксплуатации, при этом в явном виде не оценивалась эффективность конструктивного решения, реализующего принцип работы СИ, не указывались пути совершенствования конструкции СИ. В большинстве случаев требования к СИ противоречивы, и улучшение одних характеристик, как правило, достигается за счет ухудшения других. В частности, расширение диапазона функциональных возможностей СИ за счет усложнения его конструкции (увеличения количества деталей) снижает надежность расходомеров и счетчиков жидкости вследствие возрастания количества подверженных отказам элементов. Или, например, требование увеличения эффективности систем автоматической компенсации погрешностей, вызванных влиянием колебаний параметров внешней среды, усложняет электронные схемы приборов, а увеличение пропускной способности вызывает отказы механических частей прибора вследствие коррозионного износа проточных деталей и т. п.

Таким образом, имеются проблемы сопоставительной оценки конструкций СИ и прогнозирования параметров конструкции в пределах типоряда приборов, основанного на одном физическом принципе действия средства измерения. Следует отметить многообразие различных признаков, по которым классифицируются расходомеры и счетчики (например, по точности, диапазонам измерений, виду выходного сигнала и т. п.), однако наиболее общей является классификация по тем физическим явлениям, с помощью которых измеряемая величина преобразуется в выходной сигнал первичного преобразователя расходомера. Можно предположить, что параметры СИ — это проявления технического совершенства прибора, характеризующие уровень современного развития металлообработки и (или) электронной техники, реализующие принцип преобразования потока измеряемой жидкости. Также можно отметить, что колебания параметров потока жидкости и окружающей среды, отрицательно влияющие на свойства прибора, устраняются специальными техническими решениями.

Для поиска аналитических зависимостей между параметрами счетчика воспользуемся анализом размерностей физических параметров «p-теоремой» (Бэкингема) как одним из простых и наиболее эффективных способов объединения нескольких переменных эксперимента; проводимый при этом анализ размерностей позволит получить алгебраическое выражение безразмерного критерия, который отразит близость (подобие) физических процессов, протекающих в анализируемом ряде счетчиков, а для приборов, использующих электронные преобразователи физических величин, искомые закономерности будут распространяться только на гидравлическую (проточную) часть счетчика. Все соответствующие безразмерные характеристики (критерии), основанные на параметрах прибора, отражают совокупность подобных явлений и имеют одинаковое численное значение — критерий подобия в данном случае выступает в роли показателя совокупности свойств (качества) счетчика как физического объекта.

Из выводов p-теоремы следует, что общая форма записи любого критерия подобия должна иметь вид формулы (1) при соблюдении обязательного условия «безразмерности» критерия:

Z1 Z2 Zn

Ku = X1 · X2 · ... · Xn ,(1) где Xi — единица, описывающая физический параметр (показатель); Zi — показатель степень (размерность) при единице основной величины.

При анализе размерностей учитывается возможность выбора произвольных единиц Xi , комбинаторно составленных из параметров прибора и удобных для решения конкретных задач, что расширяет диапазон структур используемых математических функций и функционалов, применяемых для моделирования физических законов, лежащих в основе работы счетчика. Автором предлагается применительно к счетчику как гидравлическому прибору следующая связь (2) между основными физическими параметрами счетчика (критерий подобия):

Z1 Z2 Z3 Z4

Ku = Qном · M · pр · Dу ,(2)

где: Ku — численная величина критерия подобия; Qном — номинальная величина расхода измеряемой жидкости (характеристика мощности счетчика); M — удельная масса (характеристика компактности конструкции счетчика); pр — рабочее давление (характеристика напряженности конструкционного материала, из которого изготовлен счетчик); Dу — диаметр условного прохода счетчика (пространственная характеристика счетчика). При использовании указанных параметров получаем формулу (3), описывающую критерий, в следующем виде:

Ku=[м3·с-1]Z1*[кг1· м-3]Z2·[кг1·м-1·с-2]Z3·[м1]Z4 ,(3)

Соотношения основных физических единиц и показателей размерности для каждого из используемых в формуле параметров показаны в табл. 1. Значение показателя степени при каждой физической единице находится из требования безразмерности критерия из следующей системы уравнений, где уравнения описывают показатели степеней Z для основных физических величин: длины l, массы m, времени q, соответственно.

Таким образом, решение задачи моделирования сводится к решению системы уравнений (4–6), описывающих состояние показателей степени, т. е.:

3·Z1 — 3·Z2 — 1·Z3 + 1·Z4 = 0, (4)

0·Z1 + 1·Z2 + 1·Z3 + 0·Z4 = 0, (5)

-1·Z1 + 0·Z2 — 2·Z3 + 0·Z4 = 0. (6)

После преобразований и решения системы уравнений (приняв Z3 = 1) получим зависимость (7), описывающую критерий подобия:

. (7)

В табл. 2 приведены результаты расчетов по предлагаемой формуле критерия подобия для счетчиков, используемых на предприятиях нефтепродуктообеспечения и в коммунальном хозяйстве. Надо отметить, что имеющиеся отклонения от средней величины критерия гораздо ниже допускаемого отклонения величины критерия ±30%.

Для сопоставления сравниваемых счетчиков можно пользоваться критерием для прогнозирования параметра Х (массы, рабочего давления и т. п.) проектируемого счетчика при прочих равных параметрах, т. е. условно принимаем Ku1 = Ku2, тогда при разных диаметрах приборов можно определить номинальную пропускную способность, или по иной величине рабочего давления измеряемой среды можно определить массу прибора.

Досье на Воду.

Резюме материалов этого номера на английском языке.

Водоснабжение населенных пунктов Курортного района.

ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫЕ ДОБАВКИ ДЛЯ БЕТОНА.

ЗАО «Петербургские дороги»: проектирование дорог и мостов.

Современные геотекстильные материалы для строительства на отечественном рынке.

«БАЛТСПЕЦМОНТАЖПРОЕКТ»: развитие компании в строящемся мегаполисе.

Главная Публикации