СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ КОНТРОЛИРУЕМОЙ СРЕДЫ
CONTROLLED MEDIUM PRESSURE MEASUREMENT

Изобретение относится к измерительной технике и активному неразрушающему контролю и может быть использовано для измерения давления контролируемой среды. Разработанный способ может быть использован для обнаружения дефектов в работе энергетических устройств, работающих на основе вибрационного (пульсирующего, детонационного) сгорания топлива, применяемых в энергетике и транспорте.
Способ включает измерение характера вибрационной составляющей изменения давления во времени для энергетического устройства, позволяет отработать старт-стопный режим, режим пуска, длительной работы и останова энергетического устройства, переходные режимы при изменении основных (частота резонанса, расход и состав топлива и воздуха) и дополнительных (давление топлива, температура рабочей среды) параметров работы энергетического устройства, дает возможность регистрировать и обрабатывать результаты измерений, сравнивать частотные характеристики в различных точках рабочего пространства устройств, оценивать наличие дефектов в их работе.
атм
изм
изм
атм
Известен способ измерения давления среды [ГОСТ 2405-88. Манометры, вакуумметры, мановакуумметры, напоромеры, тягомеры и тягонапоромеры. Общие технические условия]. Атмосферное давление P воздействует на один конец U-образной трубки, частично заполненной рабочей жидкостью. Другой конец трубки с помощью различного рода подводящих устройств соединен с областью измеряемого давления P При P>P жидкость, находящаяся в части подведенного измеряемого давления, будет вытесняться в часть, соединенную с атмосферой. В результате между уровнями жидкостей, находящимися в разных частях U-образной трубки, образуется столб жидкости, высота которого - измеряемое избыточное давление. Однако данный способ приемлем для определения амплитуды колебания среды; характер изменения давления среды с помощью него определить невозможно.
Известен способ измерения давления (см. патент РФ 2349886, кл. G01L 9/08), заключающийся в размещении сенсора давления в исследуемую среду, размещении на сенсоре давления датчика температуры, регистрации выходных сигналов сенсора давления и датчика температуры. По этим сигналам определяют давление среды, формируют в исследуемой среде механические колебания с частотой, большей возможной частоты колебаний рабочего давления среды, выделяют из выходного сигнала сенсора переменный сигнал с частотой заданных механических колебаний. По этому сигналу и выходным сигналам сенсора и датчика температуры определяют функции диагностики, по отклонению которой от номинального значения судят о погрешности измерения давления.
Недостатками существующего способа являются сложность калибровки и привязки единиц измерения датчиком к единицам давления, при этом датчик акустически не изолирован от окружающей среды, что приводит к зависимости измерения от любого шума.
Наиболее близким способом к заявленному изобретению является способ измерения артериального давления (см. патент РФ 2158107, кл. A61B 5/02, 2000), когда компрессором накачивается воздух в манжету до достижения величины давления заведомо большей, чем максимальное давление у пациента, после чего через клапан декомпрессии начинается снижение давления в манжете, в процессе чего в блок принятия решения поступают сигналы колебаний давления в манжете с датчика давления. На микропроцессор данные сигналы поступают через аналого-цифровой преобразователь. Все эти сигналы, кроме того, регистрируются многоканальным регистратором.
Недостатком известной системы является низкая помехоустойчивость измерений, особенно в условиях неравномерного и интенсивного колебания давления среды, то есть именно тогда, когда измерения давления представляют большой практический интерес.
При запуске котла, двигателя внутреннего сгорания или их переходных режимах форма измерения давления во времени искажается, что может приводить к неверному измерению и техническому заключению о работоспособности энергообъекта. Недостатком также является функциональная недостаточность способа, заключающаяся в ограниченном спектре исследуемых объектов.
Целью изобретения является повышение точности и информативности способов измерений давления, создание возможности измерения и прогнозирования работы системы в нестационарных условиях вибрационного горения, оценка наличия дефектов в работе энергетических устройств.
Преимущества предложенного решения по сравнению с аналогами следующие:
1. Возможность измерения параметров рабочего процесса при высоких температурах среды в теплонапряженной зоне энергетического устройства (свыше 700°С).
2. Акустическая изолированность системы преобразования механического сигнала в аналоговый, что повышает точность измерения при самых низких амплитудах давлениях и уменьшает время измерения.
3. При испытании энергетического устройства для анализа выводятся не только величины максимального, среднего и минимального давления рабочей среды, но и динамика изменения давления в течение заданного периода времени, что позволяет оценить достоверность измерения при наличии каких-либо погрешностей и, в случаях, когда помехи привели к ошибочному измерению, не учитывать полученные значения; провести перенастройку амплитуды колебаний для полученной кривой изменения давления, не меняя общую картину процесса (в случае настройки амплитуды на требуемую величину); оценить взаимосвязь колебаний в различных точках рабочего тракта энергетического устройства; оценить влияние второстепенных параметров рабочего процесса на давление в камере сгорания устройства (например, влияние конфигурации рабочего пространства).
Поставленная цель достигается тем, что давление среды в по крайней мере одной точке замера по импульсной трубке воспринимается механико-электрическим преобразователем, размещенным в теплозвукоизолированной акустической емкости, в котором механическое колебание преобразуется в электрический сигнал электронной схемой, состоящей из источника ЭДС и сопротивления, при этом сигнал передается на устройство аналого-цифрового преобразования, где формируется цифровой сигнал в безразмерных единицах, перевод в размерности давления которого осуществляется с помощью двух U-образных манометров, настроенных так, что один из них измеряет максимальное давление, а второй - минимальное, при этом обратный клапан в случае измерения максимального давления пропускает перепад уровней жидкости в сторону атмосферы и блокирует в сторону измеряемой среды; в случае измерения минимального давления - пропускает в сторону измеряемой жидкости и блокирует в сторону атмосферы; с помощью программных сред вычислительного блока ЭВМ производится преобразование цифрового сигнала изменения звука в давление в безразмерных единицах, а также перевод из безразмерных единиц в размерности давления для измерения и прогнозирования работы энергетической системы в нестационарных условиях вибрационного горения, оценки наличия дефектов в работе энергетических устройств.
Для наглядности на фиг.1 приведена схема измерения давления, на фиг.2 показаны результаты исследования с помощью предлагаемого способа и сопоставление с известным способом измерения давления.
На фиг.1 схематично показано измерительное устройство, состоящее из теплозвукоизолированного корпуса 1, в котором размещена акустическая емкость 2, импульсная трубка 3, одним концом связанная с акустической емкостью, и теплозвукоизоляция 4, заполняющая свободное пространство корпуса 1. В акустической емкости 2 размещен механико-электрический преобразователь, в частности угольный микрофон 5, включенный в электрическую схему, состоящую из источника ЭДС 6 и сопротивления 7. Выход сигнала соединен устройством аналого-цифрового преобразования и регистрации 8.
Схема измерения характера колебания давления состоит из присоединенной импульсной трубки 3 к объекту измерения 9, контактной трубки 10, установленной в гильзу 11 и зафиксированной в ней с помощью теплозвукоизоляционного материала 12.
min
max
изм
aт
Схема измерения амплитуды колебаний состоит из двух U-образных манометров 13 для измерения давления среды, соединенных импульсной трубкой 3 с обратным клапаном 14, установленных так, что для измерения минимального давления P он размещен в направлении манометра 13, а для измерения максимального давления Р размещен в обратном направлении. Здесь P - измеряемое давление среды, P - атмосферное давление.
Устройство для реализации предложенного способа работает следующим образом. В зависимости от задачи испытаний выбирается, по крайней мере, одна точка измерений, в которой будет измеряться давление среды. В объекте измерения 9 предварительно устраивается гильза 11, в которой фиксируется контактная трубка 10. Во избежание тепловых и шумовых воздействий на систему измерения применяется теплозвукоизоляционный материал 12. Контактная трубка 10 одной стороной соединяется с импульсной трубкой 3, а другой - размещается в объекте измерения 9 таким образом, чтобы взаимодействовать со средой. Производится тарирование системы измерения амплитуды колебания давления с помощью стандартных методов и контрольно-измерительных приборов (условно не показаны).
При работе объекта измерения 9 давление среды по импульсной трубке 3 воспринимается механико-электрическим преобразователем 5, при этом сторонние шумы окружающей среды гасятся за счет теплозвукоизоляции 4. В преобразователе 5 полученный звуковой сигнал преобразуется электрической схемой, состоящей из источника ЭДС 6 и сопротивления 7 в аналоговый сигнал, передаваемый на устройство аналого-цифрового преобразования 8, в частности звуковую карту ПК, где формируется цифровой сигнал, представляющий собой, в частности, периодический процесс изменения звука в безразмерных единицах во времени.
Измерение амплитуды колебаний давления с помощью двух U-образных манометров 13, настроенных так, что один из них настроен на измерение максимального давления, а второй - на измерение минимального. По импульсной трубке 3 давление среды передается рабочей жидкости манометра 13, на которую со стороны открытой его части воздействует атмосферное давление, заставляя уровень жидкости изменяться в зависимости от того, какое давление выше - измеряемое или атмосферное. Клапан 14 в случае измерения максимального давления пропускает перепад уровней жидкости в сторону атмосферы и блокирует в сторону измеряемой среды; в случае измерения минимального давления - наоборот: пропускает в сторону измеряемой жидкости и блокирует в сторону атмосферы.
С помощью программных сред вычислительного блока ЭВМ (условно не показан) производится преобразование цифрового сигнала изменения звука в давление в безразмерных единицах, а также перевод из безразмерных единиц в размерности давления.
Путем обработки данных устройства аналого-цифрового преобразования 8 и манометров 13 на ЭВМ можно получить частотно-импульсный характер распространения термоакустических колебаний в координатах Р-τ.
Например, известна формула [Кнорре, Г.Ф. Теория топочных процессов / Г.Ф.Кнорре, К.М.Арефьев, А.Г.Блох. - М.: Энергия, 1966. - 491 с.: ил.] для передаточной функции, представляющей собой соотношения колебаний давления P на входе и выходе из канала как по его длине по координате х, так и во времени по координате τ. Это комплексная функция, которая зависит от фазовой скорости ω распространения волн давления и коэффициента затухания k.
<mrow><mi>p</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mo>−</mo><msub><mi>c</mi><mi>z</mi></msub><mi>ρ</mi><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mi>υ</mi></msub><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ω</mi><mi>τ</mi><mo>+</mo><mfrac><mi>π</mi><mn>2</mn></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><msup><mi>e</mi><mrow><mi>ω</mi><mi>k</mi><mi>x</mi></mrow></msup><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
υ
z
Здесь для характеристики волнового периодического процесса введена общая тригонометрическая гармоническая функция, где ΔP - изменения давления в процессе термоакустических колебаний среды. Для определения величины изменения давления в процессе термоакустических колебаний среды (в результате вибрационного горения) можно использовать рад следующих уравнений (2)-(5), где c - скорость звука в рассматриваемой среде, ρ - плотность среды.
Скорость звука в исследуемой среде (в м/с) определяется по уравнению (2):
<mrow><msub><mi>c</mi><mi>z</mi></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mi>γ</mi><mo>⋅</mo><mi>R</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>T</mi><mi>g</mi></msub></mrow><mi>M</mi></mfrac></mrow></msqrt><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где γ - показатель адиабаты среды;
R - универсальная газовая постоянная;
g
T - температура среды;
M - молярная масса среды.
Повышение давления от звуковой волны (в Па) может быть определено на основании уравнения (3):
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mi>z</mi></msub><mo>=</mo><mn>9800</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ρ</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>c</mi><mi>z</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>τ</mi><mi>g</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
g
где τ - время цикла.
Скорость движения среды в звуковой волне (в м/с) определяется следующим образом:
<mrow><mi>υ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mi>z</mi></msub></mrow><mrow><mi>ρ</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>c</mi><mi>z</mi></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Повышение давления среды (в Па) может быть рассчитано по уравнению (5):
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mi>υ</mi></msub><mo>=</mo><mn>9800</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ρ</mi><mo>⋅</mo><mi>υ</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>τ</mi><mi>g</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Скорость движения среды (в м/с) может быть определена из соотношения (6):
<mrow><mi>υ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>υ</mi><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ω</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><msup><mi>e</mi><mrow><mi>ω</mi><mi>k</mi><mi>x</mi></mrow></msup><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Пример реализации предлагаемого способа приведен для исследования частотно-импульсного характера распространения термоакустических колебаний в действующем котле пульсирующего горения типа ПВ на основе резонатора Гельмгольца при следующих условиях:
1. Давление в газовом патрубке - 102 кПа;
2. Давление в воздушном патрубке - 100 кПа (атмосферное давление);
3
3. Расход топлива - 3 6 м/ч;
4. Температура воды на входе в котел - 44°С;
5. Температура воды на выходе из котла - 50°С;
6. Коэффициент избытка воздуха - 1,25;
7. Частота резонансная - 33 Гц;
8. Показатель адиабаты дымового газа γ - 1,4.
Исследования проводились в три этапа.
1. Получение аналогового сигнала с его преобразованием в цифровой с помощью звукового редактора ЭВМ.
2. Математическая обработка звукового сигнала в периодический процесс.
3. Определение значений амплитуд колебаний.
На первом этапе с помощью встроенной в Windows программы «ЗВУКОЗАПИСЬ» получен звуковой сигнал с преобразователя сигнала 5 - угольного микрофона и записан в виде файла с расширением *.wav. Подготовка к математической обработке звукового файла произведена с помощью звуковой программы Sound Forge 4.5. Математическая обработка звукового файла производилась с помощью программы MathCAD 11 Enterprise Edition и дополнительного пакета Signal Processing, предназначенного для обработки звуковых сигналов. Было произведено считывание сигнала из звукового файла, получение полной информации о нем и построение исходного графика сигнала. Далее для перехода из размерностей напряжения в размерности давления проведено тарирование сигнала с помощью U-образного манометра.
Для сравнения данные по амплитуде давления соотнесены с результатами аналогичных экспериментов корейских исследователей [Keel, S.I.A Study of the Operating Characteristics of a Helmholtz-type Pulsating Combustor / S.I.Keel, Hyun Dong Shin // Institute of Energy. V. 64, 99. -1991] для камеры Гельмгольца с аэродинамическим клапаном - PCS (Pulsating Combustion System). Результаты двух экспериментов сведены в таблицу.
Таблица
Величина
PCS
ПВ-400
Максимальная амплитуда, кПа
113,8
111,1
Минимальная амплитуда, кПа
93.1
91,5
На фиг.2 представлены результаты исследований частотных характеристик по способу [Keel, S.I. A Study of the Operating Characteristics of a Helmholtz-type Pulsating Combustor / S.I.Keel, Hyun Dong Shin // Institute of Energy. V. 64, 99. - 1991] и предлагаемому способу. Здесь поз.A.I и А.2 - фрагменты колебаний давления в котле PCS и ПВ-400 соответственно, Б.1 и Б.2 - один цикл процесса вибрационного горения котла PCS и ПВ-400 соответственно. Ввиду того, что исследования проводились на двух котлах одинакового принципа действия разными способами измерения давления, видно, что данные, полученные первым способом, несут большие шумовые помехи, что отражается при обработке каждого цикла периодического процесса колебания давления. Эти помехи влияют как на величины амплитуд колебания давления, так и на характер изменения давления во времени, а ошибка измерения повлияет на результат испытания котла и последующие мероприятия по повышению его эффективности.
На основании результатов экспериментального исследования с применением указанного способа процесс изменения давления в тракте котла пульсирующего горения стало возможным представить в виде диаграммы с описанием происходящих при этом процессов (фиг.2). Здесь: А-В - увеличение давления в процессе сгорания топливно-воздушной смеси; В-А' - процесс охлаждения дымовых газов; C-F - процесс поступления природного газа через газопульсирующий клапан; D-E - процесс поступления воздуха через воздушно-пульсирующий клапан; А-А' - время 1 цикла (определяется акустическими свойствами резонатора).