Поиск по сайту:
Главная страница » Каталог статей » Статьи о средствах измерений » Вельт И.Д., д.т.н., зав. лаб.; Михайлова Ю.В., к.ф-м.н., зав. лаб.; Терехина Н.В., зав. сект. ОАО «НИИтеплоприбор», "Практическое применение имитационного моделирования электромагнитных расходомеров"

Практическое применение имитационного моделирования электромагнитных расходомеров




Вельт И.Д., д.т.н., зав. лаб.;

Михайлова Ю.В., к.ф-м.н., зав. лаб.;

Терехина Н.В., зав. сект. ОАО «НИИтеплоприбор».

Технические возможности имитационных методов исследования расходомеров определяются уровнем теоретических и экспериментальных знаний о методе измерений расхода, а также развитием технологии и схемного решения прибора. Уже в настоящее время стало возможным применение имитационных методов в метрологии для исследования большинства электромагнитных расходомеров, используемых в России.

Рассмотрим физические основы имитационного моделирования электромагнитного расходомера.

Коэффициент преобразования первичного преобразователя расхода обычно представляют в виде

Kv = U/lv, (1)

где U - напряжение между электродами, вызванное движением потока жидкости; / - ток возбуждения магнитного поля, создаваемый в витках катушки индуктора; v - средняя скорость потока жидкости, протекающего по каналу расходомера.

В (1) коэффициент преобразования Kv представлен как отношение выходной величины преобразователя U/I к его входной величине, т.е. скорости v. Правая часть (1) содержит только текущие параметры, возникающие на входе и выходе первичного преобразователя расходомера, которые никак не отражают конструктивное содержание самого преобразователя.

Используя методы теории подобия и размерностей, выразим коэффициент преобразования Kv через некоторые обобщенные конструктивные параметры прибора. На основе анализа размерностей рассматриваемый коэффициент можно описать с помощью некой гипотетической взаимоиндуктивности М, отражающей связь индуктора с потоком измеряемой жидкости, и характерного линейного размера, который примем равным диаметру канала D:

KV=M/D. (2)


Представление коэффициента преобразования Kv выражением (2) выполнено с помощью всего двух конструктивных параметров прибора. Здесь характеристический коэффициент М выступает как основной «обобщенный» параметр конструкции первичного преобразователя, определяющий функцию преобразования скорости потока в электрический сигнал.

Очевидно, рассматриваемая взаимоиндуктивность отражает конструкцию индуктора, его расположение на трубе относительно электродов и распределение магнитного поля в рабочей зоне канала, поскольку именно от этих параметров зависит выходной сигнал расходомера.

Далее обратим внимание на то, что М зависит не только от конструкции индуктора и его положения на трубе, но и от некоторых условий кинематики потока жидкости. Например, некоторые расходомеры чувствительны к перестройке профиля потока между ламинарным и турбулентным течениями, а также к изменению асимметрии структуры потока, влиянию неоднородности распределения в канале состава измеряемой среды (пульпы) и т. п. Эти факторы изменяют Kv, а следовательно, изменяют взаимоиндуктивность между индуктором и потоком измеряемой жидкости в рабочей зоне канала. Таким образом, связь между индуктором и рабочей зоной канала зависит и от некоторых условий эксплуатации расходомера.

Очевидно, на значение М влияют также такие конструктивные параметры прибора, как, например, размер электрода, форма канала расходомера, качество изоляционного покрытия внутренней поверхности трубы и т. п.

Из изложенного следует, что взаимоиндуктивность между индуктором и потоком жидкости является основным фактором, определяющим конструктивное решение расходомера, информативность сигнала об измеряемом расходе, чувствительность к условиям эксплуатации.

Из сопоставления выражения (1) и (2) нетрудно подсчитать значение М для какого-либо расходомера. В большинстве выпускаемых промышленностью расходомеров М находится в пределах 10'6 - 10'7 Гн. При прочих равных условиях с увеличением диаметра канала пропорционально возрастает связь индуктора с потоком жидкости.

Выражение коэффициента преобразования через взаимоиндуктивность между индуктором и потоком жидкости подсказывает способ имитационного моделирования расходомера.

Основным элементом имитационной модели может являться индукционная катушка, размещаемая в канале расходомера и связанная магнитным потоком с его индуктором. Эта взаимосвязь характеризуется неким своим коэффициентом Мк. Изменяя конструкцию индукционной катушки, распределение ее витков и положение в канале, можно обеспечить Мк различного значения, в том числе и равным или кратным М. Иными словами, имитируя с помощью индукционной катушки взаимоиндуктивную связь индуктора с каналом прибора, можно воспроизвести коэффициент преобразования расходомера Kv беспроливным способом, т. е. без потока жидкости. Если при этом достигнута явная и однозначная функциональная связь между элементами конструкции модели и оригинала, а также условиями эксплуатации расходомера, то модель может быть средством метрологических исследований прибора.

Рассмотрим эти зависимости.

Если существует взаимоиндуктивная связь между индуктором и каналом расходомера, то должен существовать магнитный поток, обеспечивающий эту связь. Магнитный поток в канале создается исключительно током, протекающим по виткам катушки индуктора, поскольку жидкость имеет низкую электропроводность, и магнитным полем, образуемым токами в измеряемой среде, можно пренебречь. Обозначим этот поток Ф0. Он не зависит от условий эксплуатации расходомера, одинаков как при пустом канале, так и при движении жидкости по нему, не зависит от распределения скорости по сечению канала и т. п. Очевидно, не весь магнитный поток Ф0 образует исследуемую взаимоиндуктивную связь между индуктором и движущейся по каналу жидкостью, а только та его часть, которую можно описать выражением

где В - индукция магнитного поля; W - объемная весовая функция; v -вектор скорости потока; т - объем активной зоны канала.

Магнитный поток Ф является составной частью потока Ф0. Магнитный поток Ф зависит от кинематики потока в той же мере, что и рассмотренная выше взаимоиндуктивная связь М индуктора с жидкостью, но при этом он не может превысить Ф0.

Очевидно, чем ближе поток Ф к Ф0 и чем меньше он зависит от условий эксплуатации, тем более оптимальна конструкция расходомера, тем выше метрологические характеристики прибора.

Выражение (3) позволяет выявить зависимость потока Ф и взаимоиндуктивности М от конструктивных параметров расходомера и других условий: внешнего магнитного поля и распределения скорости в канале. Функция W отражает вес, вносимый струей потока с вектором скорости v на величину Ф. Как известно, функция W определяется только диаметром канала, протяженностью изолированного участка, местоположением и размерами электродов, она не зависит ни от скорости, ни от внешнего магнитного поля. Подробное аналитическое исследование объемной весовой функции приведено в [1]. Заметим, что если канал расходомера не целиком заполнен жидкостью или имеется неоднородное распределение состава измеряемой среды по рабочему объему, например, при измерении расхода пульпы, то эти факторы отражаются на весовой функции W.

Аналитически можно задавать и определять искомый магнитный поток Ф как функцию распределения в канале скорости измеряемой среды. В самом общем виде распределение скорости потока можно моделировать выражением (2)

где vz - компонента скорости, направленная вдоль оси канала; г, & - цилиндрические координаты с центром на оси канала; R - радиус канала; п, т,а - коэффициенты, характеризующие режим потока. Первый член правой части - осесимметричная составляющая профиля скорости, а второй член -спектр пространственных гармоник.

Итак, задача имитационного моделирования расходомера состоит в том, чтобы с помощью индукционной катушки и элементов электроники выделить магнитный поток Ф и преобразовать его в электрическое напряжение, равное U. Тогда беспроливным способом воспроизводя напряжение U = f(v) на входе измерительного устройства расходомера можно построить метрологическую характеристику в зависимости от задаваемых конструктивных размеров канала и условий эксплуатации.

Используя известное свойство описания магнитного поля в некотором замкнутом объеме через нормальную компоненту индукции к поверхности, замыкающей этот объем, можно существенно сократить необходимую информацию о магнитном поле.

Тогда искомый магнитный поток можно выразить через распределение магнитного поля Вп на внутренней поверхности канала и поверхностную весовую функцию Wn следующим образом (3):

где S - поверхность канала.

Введение понятия «поверхностная весовая функция Wn» позволило не только описать магнитный поток Ф при существенно меньшем объеме необходимой информации о магнитном поле в рабочей зоне канала, но и открыть реальную возможность создания относительно простой конструкции индукционной катушки с распределением витков по цилиндрической поверхности или плоскости, рассекающей рабочий объем канала. Следует заметить, что поверхностная весовая функция Wn зависит от кинематической структуры потока, т. е. распределения скорости в канале, и от всех факторов, определяющих объемную весовую функцию W [3]. Иными словами, различное распределение витков на поверхности или плоскости индукционной катушки соответствует различной конструкции канала и распределению скорости измеряемой жидкости в его поперечном сечении. Нужно создать такую конструкцию индукционной катушки, с помощью которой можно из общего магнитного поля выделить искомый магнитный поток Ф, воспринять и преобразовать его в электрический сигнал.

Если это осуществить, открывается принципиальная возможность моделирования взаимоиндуктивной связи М индуктора с рабочей зоной канала с помощью индукционной катушки, размещаемой в трубе расходомера. С помощью такой модели можно проводить исследования его метрологических характеристик. Изменяя конструктивные параметры индукционной катушки и ее положение в канале расходомера, можно моделировать различные конструкции прибора, структуры потока измеряемой среды и даже ее состав. Иными словами, с помощью такой имитационной модели открывается возможность всестороннего исследования метрологических характеристик расходомера, не прибегая к применению проливной расходомерной установки.

Рассмотренные принципы моделирования заложены в установку Поток-Т, предназначенную для градуировки и поверки электромагнитных расходомеров.

Установка включает в себя: набор преобразователей магнитного поля (индукционных катушек) типа «Сенсор»; согласующий блок; интерфейсную плату с аналого-цифровым и цифро-аналоговым преобразователями; программное обеспечение; персональную ЭВМ типа IBM PC; магазины электрического сопротивления; набор нутромеров и микрометров.

Установка имеет следующие характеристики:

- диаметр условного прохода расходомера.............25 - 4000 мм

- верхний предел измерения по объемному расходу.......0,01 - 350000 м3/ч

- имитируемая рабочая среда - вода при температуре...............10 - 180 °С

- основная погрешность..........±0,2 %

- межповерочный интервал........2 года

- полный срок службы, не менее____15 лет

- габаритные размеры:

- сенсоров ............от (170x46x10) до (435x280x10) мм

- согласующего блока. 135х50х125)мм

- масса:

- сенсоров................0,2 - 2,8 кг

- согласующего блока, не более.. 0,8 кг Установка размещается на рабочем столе, защищена патентами России.

Штатные сенсоры установки Поток-Т представляют собой плоские индукционные катушки, изготовленные печатным способом. Они моделируют идеализированную конструкцию прибора и условия эксплуатации, а именно: канал расходомера имеет диаметр, равный условному диаметру, электроды «точечные», длина изолированного участка 3-4 размера условного диаметра расходомера, поток электропроводной жидкости порядка 10'4 См/м, осесимметричный, предельно турбулентный и т.п. Эти условия являются наиболее близкими для большинства расходомеров общепромышленного назначения и для режимов их поверки на проливной расходомерной установке. Создавать индивидуальную конструкцию сенсора под каждый расходомер желательно, но практически не представляется возможным не по техническим, а по экономическим соображениям. Поэтому отклонения некоторых параметров конструкции расходомера и кинематической структуры потока от заложенных в конструкцию сенсора учитываются с помощью поправочных коэффициентов. Эти коэффициенты определяются расчетом и посредством сопоставительных испытаний проливным и бес-проливным способами представительной серии приборов.

Методика испытаний расходомеров с помощью установки Поток-Т изложена в рекомендациях [4].

Ограничения вариантов конструкций сенсоров и применение поправочных коэффициентов, безусловно, снижают точность поверки приборов с помощью установки Поток-Т, а необходимость организации и проведения сопоставительных испытаний для определения этих коэффициентов увеличивает трудоемкость, стоимость и сроки внедрения имитационного метода поверки. Обнаруживается прямая зависимость точности поверки прибора имитационным методом от уровня технологии, качества изготовления расходомера и стабильности его конструктивного решения.

Каждая фирма-разработчик и изготовитель расходомеров периодически совершенствуют расходомеры, меняют их схемные и конструктивные решения, элементную базу, применяемые материалы и программное обеспечение. Это приводит к изменению поправочных коэффициентов и к необходимости их уточнения путем повторных сопоставительных испытаний приборов. Тем не менее, количество типов и модификаций расходомеров, для которых применима установка Поток-Т, продолжает увеличиваться. Объем сопоставительных испытаний, естественно, также быстро растет. Увеличивается временной разрыв между началом производства модернизированной конструкции какой-либо серии приборов и возможностью ее поверки имитационным методом. В применении имитационного метода поверки заинтересованы все, в том числе изготовитель расходомеров, однако, к большому сожалению, в этой области практически отсутствует прямая деловая связь между разработчиками приборов и установки, поэтому полный качественный контроль за набором поправочных коэффициентов постепенно становится все более затруднительным.

Необходим иной подход к решению задачи применения имитационного метода к поверке расходомеров, позволяющий большинство исследований проводить без использования поправочных коэффициентов, а вычисление самих коэффициентов осуществлять без организации специальных сопоставительных испытаний серии приборов проливным и бес-проливным методами.

В (1) коэффициент преобразования первичного преобразователя получен из предположения, что входным параметром расходомера является средняя скорость потока измеряемой среды в канале. В качестве входного параметра прибора в данном случае целесообразно принять объемный расход измеряемой среды Q.

Тогда коэффициент преобразования первичного преобразователя принимает вид

а коэффициент преобразования измерительного устройства можно представить выражением

Киу = al/U,

где а - выходной сигнал измерительного устройства.

Если расходомер отградуирован правильно и выходной сигнал представлен в единицах измерения расхода, то соблюдается соотношение

а - Q ≤ Δq,

где Δq - нормированная абсолютная погрешность измерения расхода. Произведение коэффициентов преобразования первичного преобразователя и измерительного устройства в этом случае равно единице в пределах допускаемой погрешности.

Очевидно, что высокая строгость имитационного моделирования расходомера нужна при градуировке и первичной поверке вновь изготовленного расходомера или после ремонта первичного преобразователя расходомера, поскольку требуется установить с необходимой точностью функциональную связь задаваемого объемного расхода с элементами конструкции и условиями эксплуатации прибора. В этом случае, применяя установку Поток-Т, никак нельзя обойтись без поправочных коэффициентов, определяемых сопоставительными испытаниями,поскольку они позволяют модель идеализированного расходомера приблизить к модели исследуемого прибора.

Заметим, что практически все расходомеры, выпускаемые промышленностью, градуируются с помощью проливных расходомерных установок. Поэтому 90-95 % случаев применения установки Поток-Т к электромагнитным расходомерам предназначены исключительно для вторичной поверки приборов в условиях их эксплуатации.

Что касается вторичной поверки расходомера, то ситуация иная. Когда прибор отградуирован, неважно каким методом: имитационным или проливным, тем самым в пределах допускаемой погрешности установлена зависимость показаний прибора от объемного расхода, т.е. основная задача имитационного моделирования, которая возникает при первичной поверке прибора с помощью установки Поток-Т, уже решена: установлена рассматриваемая функциональная связь между объемным расходом, всеми элементами конструкции расходомера и кинематикой потока. Такая же ситуация возникает при необходимости
ремонта или замены электронного блока расходомера.

Теперь задачей поверки является только контроль состояния этой функциональной связи. Эта задача может решаться без моделирования прибора в строгом его понимании. Достаточно составить набор параметров, определяющих градуировочную характеристику расходомера, периодически его контролировать и сверять между собой. При этом необходимо соблюдать следующие условия. Первое, чтобы набор параметров был достаточным для определения метрологической характеристики прибора. Второе, чтобы эти параметры были доступны для измерений без пропускания потока жидкости через канал. Третье, чтобы эти параметры были предварительно измерены у правильно работающего прибора, т. е., желательно, непосредственно после его градуировки или перед началом эксплуатации. В отдельных случаях, видимо, возможно эти параметры измерить у прибора, находящегося в эксплуатации, до окончания срока межповерочного интервала. И четвертое, все эти параметры должны быть занесены в паспорт или в электронную базу данных прибора, для того чтобы было с чем сравнивать при последующих поверках.

Разработана новая рекомендация [5], нормирующая процедуру вторичной поверки расходомеров рассмотренным методом с помощью установки Поток-Т. Согласно этой рекомендации принимаются два основных параметра, с помощью которых контролируется градуировочная характеристика расходомера, это калибровочные факторы первичного преобразователя и измерительного устройства.

Калибровочный фактор первичного преобразователя KF вычисляется по результатам измерения взаимоиндуктивной связи М между индуктором и потоком измеряемой среды, а также измерений диаметра канала и расстояния между электродами. Эти измерения выполняются с помощью установки Поток-Т. Поскольку не требуется знать абсолютное значение М, а достаточно измерить его относительную величину, нет необходимости применять поправочные коэффициенты, определяемые сопоставительными испытаниями серии приборов этого типа. Под калибровочным фактором измерительного устройства Км понимается обратная величина коэффициента преобразования измерительного устройства, представленного (4). Методика измерений, естественно, должна быть одинаковой как непосредственно после градуировки расходомера, так и при последующих его поверках.

Таким образом, выстроенная по этим параметрам имитационная модель оказывается достаточной в такой мере, при которой она однозначно характеризует установленную ранее, например, проливным методом реальную градуировочную характеристику прибора, а, следовательно, контролирует также установленную ранее взаимоиндуктивную связь индуктора с потоком жидкости. Иными словами, с помощью калибровочных факторов весьма просто проводить вторичную поверку расходомера беспроливным методом. При этом отпадает необходимость в поправочных коэффициентах, определяемых с помощью сопоставительных испытаний. Повышается точность поверки расходомера и вероятность отбраковки заведомо негодного прибора.

В рекомендациях [5] подробно изложена методика и процедура измерений этих параметров поверяемого расходомера беспроливным методом и оформление протоколов испытаний.

В период ограниченного срока эксплуатации прибора, т. е. в пределах не более двух межповерочных интервалов, допускается проводить поверку расходомеров большого диаметра (Ду > 300 мм) без съема прибора с трубопровода и остановки потока измеряемой среды. Контролирующими параметрами прибора в этом случае выступают: калибровочный фактор измерительного устройства, омическое сопротивление и сопротивление электрической изоляции катушки индуктора.

Еще одно преимущество рассматриваемого метода состоит в том, что комплекс паспортных данных достаточен, чтобы по ним определить поправочные коэффициенты, необходимые при первичной поверке и градуировке расходомера. Достаточно иметь паспортные данные нескольких приборов одного типа, подвергнуть их статистической обработке и вычислить поправочные коэффициенты без трудоемких сопоставительных испытаний. Это значительно удешевляет внедрение имитационного метода и установки Поток-Т в промышленность.

В заключение, можно отметить, что некоторые иностранные фирмы применяют похожие методики контроля метрологических характеристик расходомеров, находящихся в эксплуатации. Фирмы заносят в паспорт и электронную базу данных присущие данному типу приборов калибровочные параметры и некоторые другие сведения о приборе, с помощью которых в дальнейшем проводится периодический контроль работоспособности прибора.

Список литературы

1. Bevir М.К. Theory of Induced Voltage Electromagnetic Flowmeasurement. // IEE Trans. Magn. -1970, 6, №2, p.315-320.

2. Salami LA. // Trans. Inst. Measurement and Control. -1984, 6, № 4, p. 197.

3. Вельт И.Д., Михайлова Ю.В. Имитационное моделирование электромагнитных расходомеров // Приборы и системы управления. - 1997, № И, с. 28.

4. МИ 2299-2005. Методика поверки с применением установки «Поток-Т» (аппаратно-программная версия 2005).

5. МИ 3164-2008. Методика поверки с применением имитационной установки «Поток-Т».


Добавить комментарий


Главная страница » Каталог статей » Статьи о средствах измерений » Вельт И.Д., д.т.н., зав. лаб.; Михайлова Ю.В., к.ф-м.н., зав. лаб.; Терехина Н.В., зав. сект. ОАО «НИИтеплоприбор», "Практическое применение имитационного моделирования электромагнитных расходомеров"