Узел мембранного насоса с магнитогидродинамическим приводом, обеспечивающий контроль степени дефектности мембраны

Техническое решение относится к технике испытания насосов, а именно насосов мембранного типа, и может быть использовано для контроля степени износа или дефектности, включая изначальную дефектность, мембраны мембранного насоса с магнитогидродинамическим приводом.
Известен узел мембранного насоса, обеспечивающий контроль степени дефектности мембраны (патентный документ CN 108661891, опубликован 30.07.2019), содержащий элемент, выполненный из магнитной стали и устанавливаемый на вал двигателя, используемого в качестве привода насоса, датчик Холла, используемый для определения объема перекачиваемой среды, рабочее колесо-ротор, устанавливаемое на выпускной линии насоса для определения объема общего расхода перекачиваемой среды.
При реализации контроля сравнивают объем перекачиваемой среды и объем общего расхода перекачиваемой среды и по результату сравнения делают вывод о дефектности, повреждена мембрана или нет. Известное техническое решение обеспечивает возможность выявления только одной, крайней, степени износа мембраны или дефектности - её разрыва. Промежуточную степень износа и незначительную степень дефектности мембраны, предшествующие её разрыву, известным средством выявить невозможно.
В качестве ближайшего к заявляемому техническому решению принят узел мембранного насоса с магнитогидродинамическим приводом, обеспечивающий контроль степени дефектности мембраны (патентный документ - патент на полезную модель RU 132843, опубликован 27.09.2013), содержащий источник питания, приводную мембрану камеры перекачки, магнитогидродинамический привод, выполненный в виде приводной камеры, заполненной токопроводящей жидкостью, являющейся магнитогидродинамическим каналом, стенки которой снабжены расположенными напротив друг друга электродами, при этом указанная приводная камера торцом соединена с приводной мембраной, а между электродами включен источник питания.
В описании к указанному патенту приведены сведения о принципиальной возможности обеспечения контроля степени дефектности мембраны.
Приводная мембрана является элементом, подверженным износу и возникновению дефектов. Контроль над работоспособностью и целостностью приводной мембраны в описанном узле возможен посредством измерения ЭДС. Варьируя силу тока и напряженность магнитного поля, в отношении исправной приводной мембраны, с отсутствием дефектов, или мембраны, которая не эксплуатировалась и дефекты в ней отсутствуют, задают требуемый характер совершаемого ею движения. Возникновение повреждений мембраны вносит изменения в заданный характер движения, что отражается в фактических значениях наводимой ЭДС в каждый момент времени. Сравнение фактического значения ЭДС с нормативным в каждый момент времени позволяет точно отслеживать степень износа, дефектности, приводной мембраны, что обеспечивает возможность проведения ремонтно-профилактических работ только при критическом износе или повреждении приводной мембраны, до наступления негативных последствий и аварийного прекращения работы насоса.
В описании раскрыта лишь принципиальная возможность для осуществления контроля. Существенным недостатком рассмотренного технического решения является отсутствие практической реализации контроля. Таким образом, практически неосуществимо проведение на месте диагностики степени дефектности мембраны для своевременного выявления возможности возникновения разрыва мембраны и предотвращение в результате разрыва мембраны утечек рабочего тела насоса - токопроводящей жидкости магнитогидродинамического канала и перекачиваемой среды с наступлением фатальных последствий в случае, если среда агрессивная или взрывоопасная. Кроме того, для приведенного решения характерна регламентная замена мембраны, с ориентированием на средний срок службы. Как следствие, замене может подлежать мембрана с фактически невыработанным на 100% ресурсом.
Разработка предлагаемого узла мембранного насоса с магнитогидродинамическим приводом, обеспечивающего контроль степени дефектности мембраны, направлена на преодоление технической проблемы получения средства, обеспечивающего экономические выгоды, связанные с исключением возможных затрат на устранение последствий утечки рабочего тела насоса и перекачиваемой среды в случае разрыва мембраны, наступившего в результате отсутствия надлежащего контроля, а также позволяющего снизить затраты на приобретение расходных материалов - мембран, приобретая их по мере износа, а не ориентируясь на регламентный срок замены мембран, экономить на стоимости ремонта, заменяя в трактах перекачки насоса не все мембраны, а только выборочно, с критическим износом, за счет достижения нижеследующего технического результата.
Техническим результатом является:
реализация выявления на месте дефектности мембраны каждого перекачиваемого тракта, присутствующего в насосе;
предотвращение утечки рабочего тела насоса и перекачиваемой среды;
достижение полного использования ресурса мембраны каждого перекачиваемого тракта, присутствующего в насосе.
Технический результат достигается узлом мембранного насоса с магнитогидродинамическим приводом, обеспечивающим контроль степени дефектности мембраны, содержащим источник питания, приводную мембрану камеры перекачки, магнитогидродинамический привод, выполненный в виде приводной камеры, заполненной токопроводящей жидкостью, являющейся магнитогидродинамическим каналом, стенки которой снабжены расположенными напротив друг друга электродами, при этом указанная приводная камера торцом соединена с приводной мембраной, а между указанными электродами включен источник питания, кроме того, в узле выполнены Фурье-анализатор электрического сигнала и компаратор, при этом Фурье-анализатор включен между указанными электродами, а также электрически соединен другим своим выводом с входом компаратора с возможностью подачи на вход компаратора, на один его вывод, опорного сигнала, а на другой его вывод - сигнала, соответствующего текущему измерению Фурье-анализатора, компаратор выходом электрически соединен с источником питания с возможностью подачи на источник питания сигнала-команды к отключению.
В узле мембранного насоса приводная камера, заполненная токопроводящей жидкостью и являющаяся магнитогидродинамическим каналом, выполнена герметичной, с герметичным соединением с приводной мембраной на её торце.
В узле мембранного насоса приводная камера, заполненная токопроводящей жидкостью и являющаяся магнитогидродинамическим каналом, заполнена в качестве токопроводящей жидкости жидким металлом.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемой фигурой.
На фиг. 1 приведена блок-схема узла мембранного насоса с магнитогидродинамическим (МГД) приводом, обеспечивающего контроль степени дефектности мембраны, для насоса, в котором реализовано два перекачивающих тракта, где: 1 - источник питания; 2 - мембрана; 3 - мембрана; 4 - электрод; 5 - электрод; 6 - МГД-канал; 7 - Фурье-анализатор; 8 - компаратор.
МГД-привод обеспечивает бесконтактное воздействие на рабочую среду силами электромагнитного происхождения. В МГД-насосе, образно говоря, присутствует электрическая, магнитная и гидравлическая цепи. Направления векторов индукции магнитного поля, плотности тока и оси МГД-канала являются ортогональными друг относительно друга. Тракт для токопроводящей жидкости - жидкого металла располагается в зазоре, который пересекают в поперечном направлении линии магнитного поля от имеющегося в составе МГД-насоса источника магнитного поля, выполненного, например, в виде постоянного магнита с магнитопроводом. Для ввода тока стенки заполненной токопроводящей жидкостью (жидким металлом) приводной камеры - МГД-канала снабжены расположенными напротив друг друга электродами, каждый из которых подключен к источнику питания.
Предлагаемое техническое решение разработано именно для мембранного насоса с МГД-приводом. Поскольку в МГД-приводе движущимся телом (рабочим телом) является жидкость - жидкий металл, то имеющаяся дефектность мембраны отражается на течении металла и, как следствие, на наводимой в нём магнитным полем ЭДС. Как приведено в описании к патенту на полезную модель RU 132843, для данного типа насоса имеются все необходимые предпосылки для практической реализации контроля, обеспечивающего достижение указанного технического результата и решение технической проблемы. Для практической реализации предпосылок в предлагаемом техническом решении узел насоса в составе источника питания, приводной мембраны камеры перекачки и магнитогидродинамического привода с МГД-каналом снабжен (см. фиг. 1) Фурье-анализатором электрического сигнала и компаратором. Фурье-анализатор электрического сигнала подключен к электродам МГД-привода насоса с образованием измерительной электрической цепи для измерения ЭДС, наводимой в жидком металле.
Значение ЭДС, наводимое в жидком металле при его движении в магнитном поле, является строго пропорциональным расходу насоса. Это позволяет определять и контролировать расход с высокой точностью непосредственно в процессе работы насоса. На расход влияет дефектность мембраны, возникающая, в частности, в результате износа при её эксплуатации.
Фурье-анализатор, подключенный к электродам, производит разложение прямоугольного сигнала, содержащее бесконечное число гармоник. Периодический сигнал на электродах насоса раскладывается посредством Фурье-преобразования на гармонические составляющие, гармоники. Набор гармоник и их амплитуды существенно разнятся для дефектных и целых, новых, мембран. Источник питания, подключенный к электродам, формирует токовый сигнал (и сигнал напряжения), близкий к прямоугольной форме. В отношении новой мембраны, с отсутствием дефектов, в соответствии с Фурье-разложением токового сигнала (или сигнала напряжения), вырабатываемого источником питания, формируют эталонный набор гармоник и их амплитуд, с которым на протяжении срока эксплуатации насоса с данной мембраной проводят непрерывно сравнение, вырабатываемых ею сигналов. Возникновение каких-либо дефектов в мембране на протяжении срока эксплуатации, например, внутренних трещин, влияет на МГД течение рабочего тела (жидкого металла) насоса в МГД-канале. В связи с этим в Фурье-разложении токового сигнала по сравнению с эталоном появляются изменения. Так, происходит подавление одних гармоник и усиление других.
Эталонный набор гармоник с их амплитудами хранится в процессоре, на базе которого реализован Фурье-анализатор и компаратор, в виде части кода программы, обеспечивая требуемый опорный сигнал на одном из входных выводов компаратора. В опорном сигнале учитываются данные о критических, пороговых, значениях расхождения эталонных и измеряемых в течение эксплуатации насоса величин. Пороговые значения изменений гармоник, при которых мембрана находится в состоянии, являющимся близком к разрушению, определяются экспериментально по исследованию подавления одних гармоник и усиления других гармоник. При достижении порогового значения при сравнении опорного сигнала и сигнала, поступившего от мембраны, подвергнутого обработке Фурье-анализатором и соответствующего критическому значению, компаратор на выходе вырабатывает сигнал, являющийся командой на остановку работы насоса посредством отключения источника питания.
Таким образом, вышерассмотренные особенности предлагаемого узла насоса обеспечивают реализацию выявления на месте дефектности мембраны, предотвращение утечки рабочего тела насоса и перекачиваемой среды, достижение полного использования ресурса мембраны.
В обобщенном случае реализации предлагаемый узел мембранного насоса с магнитогидродинамическим приводом, обеспечивающий контроль степени дефектности мембраны, содержит источник питания 1, приводную мембрану 2 (или 3) камеры перекачки, магнитогидродинамический привод, выполненный в виде приводной камеры, заполненной токопроводящей жидкостью, являющейся магнитогидродинамическим каналом - МГД-каналом 6, стенки которой снабжены расположенными напротив друг друга электродами - электрод 4 и электрод 5, при этом указанная приводная камера торцом соединена с приводной мембраной, Фурье-анализатор 7 электрического сигнала и компаратор 8 (см. фиг. 1). Приведенный вариант состава узла относится к насосу с одним трактом для перекачки. В случае варианта узла насоса с двумя трактами для перекачки в нем выполнены источник питания 1, приводная мембрана 2 и приводная мембрана 3 камеры перекачки, магнитогидродинамический привод, выполненный в виде приводной камеры, заполненной токопроводящей жидкостью, являющейся магнитогидродинамическим каналом - МГД-каналом 6, стенки которой снабжены расположенными напротив друг друга электродами - электрод 4 и электрод 5, Фурье-анализатор 7 электрического сигнала и компаратор 8, при этом указанная приводная камера своим торцом соединена с одной стороны с приводной мембраной 2, а с другой стороны - с приводной мембраной 3 (см. фиг. 1). К электроду 4 и электроду 5 подключен двумя выводами источник питания 1. При этом Фурье-анализатор 7 включен между указанными электродами, образуя измерительную цепь наводимого магнитным полем значения ЭДС. Кроме того, Фурье-анализатор 7 электрически соединен другим своим выводом с входом компаратора 8 с возможностью подачи на вход компаратора 8, на один его входной вывод, опорного сигнала, а на другой его входной вывод - сигнала, соответствующего текущему измерению, производимому Фурье-анализатором 7. Компаратор 8 выходом электрически соединен с источником питания 1 с возможностью подачи на источник питания 1 сигнала-команды к отключению.
Аппаратная реализация Фурье-анализатора 7 и компаратора 8 выполнена на базе программируемого процессора типа STM или ATMega, представляющие собой микросхемы, запрограммированные на выполнение соответствующей программы. В соответствии с программой, выполняемой процессором, Фурье-анализатор 7 осуществляет анализ входного сигнала, выделяя определенные гармоники, состав которых определяется экспериментально. Компаратор 8, согласно с выполняемой процессором программой, сравнивает указанные гармоники с эталонным набором гармоник, хранящимся в процессоре, и формирует сигнал-команду на отключение источника питания 1 при превышении определенного эталоном порога анализируемыми гармониками.
Для ввода тока электроды 4 и 5 могут быть встроены в стенки приводной камеры, являющейся МГД-каналом 6. Кроме того, в качестве электродов 4 и 5 могут быть приварены к стенкам канала токоведущие шины. Насос может работать как на постоянном, так и на переменном токе.
Как указано выше, в МГД-насосе может быть реализовано один или два перекачиваемых тракта, соответственно, в составе предлагаемого узла может быть выполнение одной приводной мембраны перекачиваемого тракта или двух приводных мембран - по приводной мембране для каждого перекачиваемого тракта. В последнем случае если одна приводная мембрана совершает прямой ход, то вторая мембрана в это же время совершает обратный ход. При этом сигналы от определенной мембраны с трещиной, находящейся в состоянии совершения прямого хода и в состоянии совершения обратного хода, отличаются. Поскольку в первом случае (при растяжении мембраны) трещина увеличивается, а во втором случае (при сжатии мембраны) - уменьшается. Отсюда следует, что возможно не только отслеживать работоспособность в целом, но и контролировать степень дефектности каждой из приводных мембран. При ремонте, таким образом, необходимо производить замену только той приводной мембраны или каждой из обеих приводных мембран, в отношении которой требуется действительная замена. Стоимость и временные затраты замены одной мембраны и обеих мембран существенно разнятся.
Кроме того, необходимо отметить следующее.
Приводная камера, заполненная токопроводящей жидкостью и являющаяся магнитогидродинамическим каналом - МГД-канал 6 выполнена герметичной, с герметичным соединением её на торце с приводной мембраной 2 и/или приводной мембраной 3, в зависимости от количества реализованных в насосе трактов для перекачки. Приводная камера, заполненная токопроводящей жидкостью и являющаяся магнитогидродинамическим каналом - МГД-каналом 6, заполнена в качестве токопроводящей жидкости жидким металлом.
Предлагаемый узел мембранного насоса с магнитогидродинамическим приводом (см. фиг. 1), обеспечивающий контроль степени дефектности мембраны, функционирует следующим образом.
Источник питания 1, включенный между электродами 4 и 5 обеспечивает знакопеременный ток через МГД-канал 6. При этом наличие магнитного поля (направлено перпендикулярно плоскости изображения фиг. 1) обеспечивает возникновение движущей силы, под действием которой совершают движения каждая из приводных мембран 2 и 3. Фурье-анализатор 7, включенный между электродами 4 и 5, образуя измерительную цепь, производит разложение измеряемого близкого к прямоугольной форме сигнала. Компаратор 8 сравнивает гармоники от разложенного измеряемого сигнала с опорным (эталонным) сигналом, соответствующим исправным мембранам. При этом сравнение осуществляется в отношении двух эталонных наборов для приводной мембраны, один из которых получен для прямого хода мембраны, а второй - для обратного хода мембраны. При выявлении разницы между гармониками, соответствующими эталонным и измеряемым сигналам, в пределах порогового значения, компаратор 8 вырабатывает сигнал-команду на отключение, подаваемый на источник питания 1. Источник питания 1 отключается, и насос прекращает работу.