М.В. Никандров, Л.А. Славутский
(Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова,
г. Чебоксары)
Энергосбережение, энергоэффективность, оптимальное использование производственных мощностей и природных ресурсов стали ключевыми направлениями развития современного предприятия. Один из способов повышения энергоэффективности предприятия - создание автоматизированных информационно-измерительных систем (ИИС) водо- и теплоснабжения. Экономия энергоресурсов происходит за счет более эффективного использования ресурсов, оперативного обнаружения и локализации аварийных ситуаций. Для контроля расхода и учета воды и теплоносителя с 60-х годов прошлого века в промышленности применяются ультразвуковые расходомеры. Неоспоримые достоинства ультразвуковых расходомеров: малое или полное отсутствие гидравлического сопротивления, надежность (так как нет подвижных механических элементов), высокая точность, быстродействие, помехозащищенность - определили их широкое распространение. Существуют три основные методики определения расхода жидкости при помощи ультразвука: времяимпульсный метод, доплеровские измерения, метод сноса ультразвукового сигнала (корреляционные). Времяимпульсный метод - очень распространен, прост по сути, но сложен в реализации, так как требуется измерять с высокой точностью малые промежутки времени. Доплеровские измерения просты в реализации, но обладают меньшей точностью, зависят от характеристик жидкости и наличия фазовых включений для отражения ультразвукового сигнала.
Нами показано, что применение спектральных методов обработки ультразвуковых сигналов для импульсных и доплеровских измерений с использованием современных быстродействующих микропроцессорных средств, может уменьшить статистическую погрешность измерения расхода жидкости и расширить функциональные возможности ультразвуковых расходомеров. Кроме того, позволяет определять расход жидкости в частично заполненных трубопроводах и каналах.
На основе экспериментальных и теоретических исследований показано, что спектральный анализ импульсных ультразвуковых сигналов позволяет увеличить точность измерения расхода жидкости и контролировать профиль скорости потока жидкости в трубопроводе. Дано математическое описание задачи реконструкции полей скоростей звука с и течения v по данным акустических измерений. Эта задача относится к обратным задачам математической физики. В случае медленных течений возможно приближенное решение задачи с помощью линейной инверсии, но для струйных течений такая линеаризация может оказаться недопустимой. Другой подход, который и развивается нами, состоит в том, чтобы обобщить некоторые из результатов, полученных для неподвижной среды при помощи Абелевой инверсии, на рассматриваемый случай среды с течением. Задача рассмотрена в модовой постановке, а именно, когда из эксперимента известны частотные зависимости распространяющихся сигналов. По характеристикам спектров ультразвукового сигнала (положения характерных максимумов) восстанавливается информация о профиле скорости потока жидкости и расход жидкости. Таким образом, профиль скорости потока жидкости может быть восстановлен по частотным характеристикам ультразвукового сигнала, регистрируемого в фиксированной точке волновода [1]. При этом интерференционные биения между модами могут быть зарегистрированы на границе волновода, т.е. на основе полученных результатов может быть разработан накладной ультразвуковой расходомер, позволяющий оценивать не только интегральный расход жидкости, но и профиль потока, который определяется вязкостью жидкости и свойствами стенок волновода. Особую задачу представляет контроль открытого потока в частично заполненном трубопроводе или канале. В этом случае для точного определения расхода необходимо контролировать как профиль скорости потока, так и его глубину. Доплеровский контроль основывается на рассеянии ультразвуковых сигналов на фазовых включениях, концентрация и физические параметры которых значительно варьируются и сильно влияют на точность измерений. Связь между расходом и доплеровским сдвигом нелинейна вследствие изменения глубины и неоднородности потока. Комплексные (импульсный и доплеровских) измерения, позволяют оценить зависимость ультразвуковых сигналов от профиля скорости потока, его глубины и характеристик фазовых включений. Экспериментальные данные сопоставлены с результатами численного моделирования [2]. Спектральный анализ доплеровских сигналов позволяет учесть влияние профиля потока жидкости и амплитудной модуляции сигналов, уменьшить статистическую погрешность измерений, дает возможность комплексного использования в информационно-измерительных системах водо- и теплоснабжения для контроля неоднородных потоков жидкости [3], как в напорных, так и частично заполненных трубопроводах (каналах и сточных коллекторах).
Разработка новых спектральных методов обработки сигналов в ультразвуковой расходометрии и их применение в комплексах водо- и теплоснабжения позволяет расширить функциональные возможности, увеличить точность ультразвуковых расходомеров и повысить эффективность измерительных систем на их основе.
Список литературы
1. Никандров М.В. Контроль профиля потока жидкости по модовой структуре ультразвукового сигнала. / Славутский Л. А., Турханов Д. Б. // Электронный журнал «Техническая акустика» . 2003, 17.
2. Никандров М.В. Уменьшение статистической погрешности доплеровского расходомера при спектральной обработке ультразвукового сигнала / Л.А Славутский // Энергосбережение и Водоподготовка, №6(44)/2006, Москва: 2006 г.
Никандров М.В. Автоматизированная система учета тепловой энергии и теплоносителя на основе ультразвуковой расходометрии / М.В. Александров, Л.А. Славутский, Ф.Ф. Школьник. // Труды академии электротехнических наук Чувашской Республики. Чебоксары: Изд-во ЧувГУ. 2005. 59-62 С.
|
