СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПЕРЕДАЧИ КОЛЕБАНИЙ ПО ЖИДКОСТНОМУ ТРАКТУ ЭЛЕМЕНТОВ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ
METHOD OF DETERMINING PARAMETERS OF OSCILLATIONS TRANSMISSION ON A LIQUID PATH OF ELEMENTS OF PIPELINE SYSTEMS

Способ определения параметров передачи колебаний по жидкостному тракту элементов трубопроводных (название изобретения)
Изобретение относится к машиностроению и судостроению, в частности к способам определения параметров передачи колебаний, распространяющихся по жидкостному тракту, элементов трубопроводных систем.
(область техники, к которой относится изобретение)
Наиболее близким техническим решением по технической сущности является патент №1188642 «Способ измерения параметров распространения акустических колебаний в гидравлических системах» авторов Кима Я.А., Селезского А.И. Лесняка А.Н., Горина С.В. (прототип).
Основным недостатком прототипа является то, что данный способ не учитывает затухания акустических волн в рабочей среде, следовательно, его применение не может быть распространено на жидкости с более высокими показателями вязкости, чем вода.
Скорость звука в прототипе предполагается постоянной во всем измеряемом диапазоне частот и является по справочным данным расчетной величиной. Однако, наличие газопаровых включений, присутствующих в рабочей среде при «открытом» способе измерений, описанном в прототипе, приводит к частотным зависимостям скорости звука и коэффициента затухания акустических волн. Учитывая тот факт, что данные зависимости представляют собой семейство кривых, определяемых концентрацией газопаровых включений, их размеров и др., то рассматриваемый прототип будет давать значительную погрешность определяемых параметров передачи.
Следует отметить, что в прототипе акустический импеданс границы раздела «жидкость-газ» условно принят равным нулю, однако данный импеданс имеет не нулевое значение и является частотно зависимым параметром. Величина импеданса и вид частотной зависимости определяется оформлением торца установки и уровнем воды в ней, что в свою очередь влияет на итоговую погрешность определяемых параметров передачи.
Задача, решаемая изобретением, это повышение точности определения параметров передачи колебаний по жидкостному тракту элементов трубопроводных систем в широком диапазоне частот, расширение диапазонов физических условий, при которых возможно проведение измерений.
Сущность изобретения заключается в том, что использование данного способа позволит с высокой точностью определять параметры передачи колебаний по жидкостному тракту элементов трубопроводной системы. Данные параметры используются при акустическом расчете трубопроводных систем.
Изобретение поясняется фигурой: на фиг. 1 - изображена схема проведения измерений колебательного давления в шести сечениях двух измерительных патрубков, между которыми установлен исследуемый элемент трубопроводной системы.
Исследуемый элемент трубопроводной системы I устанавливается между двумя измерительными патрубками II и III. Патрубок II с конца противоположному присоединенному исследуемому элементу подключается к устройству возбуждения акустических колебаний IV, в роли которого может использоваться: излучающий гидрофон; поршневая система с переменной частотой работы. Патрубок III с конца противоположному присоединенному исследуемому элементу подключается к устройству переменной акустической нагрузки V, в роли которого может использоваться: поочередное использование дополнительных трубопроводов с разными длинами и изготовленных из материалов имеющих различные акустические параметры; установка в трубопровод пористых материалов или гибких вставок; специальное устройство, меняющее свои акустические характеристики под воздействием внешних факторов, а также использование различных по своим акустическим характеристикам жидких сред. Установка должна обеспечивать герметичность, возможность изменения статического давления, а также при необходимости оборудована системой деаэрации жидкости, например, путем вакуумизации. В измерительные патрубки вмонтированы шесть гидрофонов, по три в каждый. Условием установки гидрофонов является то, что расстояние между гидрофоном в сечении 2-2 и гидрофоном в сечении 1-1 равно расстоянию от гидрофона в сечении 2-2 и гидрофоном в сечении 3-3. Аналогично для гидрофона в сечении 5-5 расстояние до гидрофона в сечении 4-4 равно расстоянию от гидрофона в сечении 5-5 до гидрофона в сечении 6-6. Измерение колебательного давления и последующий спектральный анализ производится шестиканальным спектральным анализатором с возможностью вычисления прямого преобразования Фурье из отношения двух сигналов (частотную передаточную функцию). Использование данной схемы позволяет однозначно экспериментально определять и учитывать при расчете параметров передачи частотные зависимости затухания акустических волн и скорости их распространения в рабочей среде для серии независимых измерений.
Предложенный способ работает следующим образом.
Как известно, параметры передачи колебаний исследуемого элемента с отрезками трубопроводов от элемента до сечений 2-2 и 5-5, определяются как коэффициенты четырехполюсника A, В, C, и D системы уравнений:
В формуле обозначены:
- р - колебательное давление в соответствующем сечении;
- S - площадь сечения измерительного патрубка в соответствующем сечении;
- υ - колебательная скорость в соответствующем сечении;
- надстрочными символами  и  обозначен n-ый вариант граничного условия;
2-2
5-5
- подстрочными символами  и  обозначены соответствующие измерению сечения.
Используя возможность спектрального анализатора вычислять прямое преобразование Фурье из отношения двух сигналов, коэффициенты передачи следует определять по формулам:
Для коэффициента четырехполюсника А
где обозначены:
25
- Z - переходной акустический импеданс для сечений 2-2 и 5-5;
55
- Z - акустический импеданс в сечении 5-5;
- надстрочными символами  и  обозначен n-ый вариант граничного условия.
25
55
Переходной акустический импеданс Z и акустический импеданс Z определяется по формулам:
В формулах обозначены:
- ρ - плотность рабочей среды;
4-6
- c- скорость звука в рабочей среде на отрезке трубы между сечениями 4-4 и 6-6;
5-5
- S - площадь поперечного сечения 5-5;
4-6
- γ - постоянная распространения акустических колебаний в рабочей среде на отрезке трубы между сечениями 4-4 и 6-6;
4-6
-l - длина отрезка трубы между сечениями 4-4 и 6-6;
45
- H - частотная передаточная функция для сечений 4-4 и 5-5;
65
- H - частотная передаточная функция для сечений 4-4 и 2-2;
42
- H - частотная передаточная функция для сечений 4-4 и 2-2;
62
- H - частотная передаточная функция для сечений 6-6 и 2-2;
- надстрочным символом  обозначен n-ый вариант граничного условия.
45
65
42
45
Частотные передаточные функции H,H, H и H следует определять по формулам:
В формулах обозначены:
- p - колебательное давление в соответствующем сечении;
- надстрочным символом  обозначен n-ый вариант граничного условия;
4-4
2-2
6-6
5-5
- подстрочными символами , ,  и  обозначены соответствующие измерению сечения.
4-6
Постоянную распространения γ следует определять по формуле:
4-6
Скорость звука в рабочей среде c следует определять по формуле:
где обозначены:
-  - частота.
Для коэффициента четырехполюсника В
где обозначены:
25
- H - частотная передаточная функция для сечений 2-2 и 5-5;
5-5
- S - площадь поперечного сечения 5-5;
55
- Z - акустический импеданс в сечении 5-5;
- надстрочными символами  и  обозначен n-ый вариант граничного условия.
25
Частотную передаточную функцию H следует определять по формуле
где обозначены:
- p - колебательное давление в соответствующем сечении;
- надстрочным символом  обозначен n-ый вариант граничного условия;
2-2
5-5
- подстрочными символами  и  обозначены соответствующие измерению сечения.
Для коэффициента четырехполюсника С
где обозначены:
2-2
- S - площадь поперечного сечения 2-2;
25
- Hν - частотная передаточная функция для сечений 2-2 и 5-5;
55
- Z - акустический импеданс в сечении 5-5;
- надстрочными символами  и  обозначен n-ый вариант граничного условия.
25
Частотную передаточную функцию Hν следует определять по формуле
В формуле обозначены:
36
- H - частотная передаточная функция для сечений 3-3 и 6-6;
13
- Н - частотная передаточная функция для сечений 1-1 и 3-3;
45
- H - частотная передаточная функция для сечений 4-4 и 5-5;
65
- H - частотная передаточная функция для сечений 6-6 и 5-5;
46
- H - частотная передаточная функция для сечений 4-4 и 6-6;
12
- Н - частотная передаточная функция для сечений 1-1 и 2-2;
32
- Н - частотная передаточная функция для сечений 3-3 и 2-2;
4-6
- γ - постоянная распространения акустических колебаний в рабочей среде на отрезке трубы между сечениями 4-4 и 6-6;
4-6
- l - длина отрезка трубы между сечениями 4-4 и 6-6;
1-3
- γ - постоянная распространения акустических колебаний в рабочей среде на отрезке трубы между сечениями 1-1 и 3-3;
1-3
- l- длина отрезка трубы между сечениями 1-1 и 3-3;
4-6
- с - скорость звука в рабочей среде на отрезке трубы между сечениями 4-4 и 6-6;
1-3
-с- скорость звука в рабочей среде на отрезке трубы между сечениями 1-1 и 3-3;
- надстрочным символом  обозначен n-ый вариант граничного условия.
36
13
46
12
32
Частотные передаточные функции H, H, H, Н и H следует определять по формулам:
В формулах обозначены:
- p - колебательное давление в соответствующем сечении;
- надстрочным символом  обозначен n-ый вариант граничного условия;
3-3
6-6
1-1
2-2
- подстрочными символами , ,  и  обозначены соответствующие измерению сечения.
1-3
Постоянную распространения γ следует определять по формуле:
4-6
Скорость звука в рабочей среде с следует определять по формуле:
где обозначены:
-  - частота.
Для коэффициента четыр ехполюсника D
где обозначены:
2-2
- S - площадь поперечного сечения 2-2;
5-5
- S - площадь поперечного сечения 5-5;
52
- Z - переходной акустический импеданс для сечений 5-5 и 2-2;
55
- Z - акустический импеданс в сечении 5-5;
- надстрочными символами  и  обозначен n-ый вариант граничного условия.
52
Переходной акустический импеданс Z определяется по формуле
В формуле обозначены:
- ρ - плотность рабочей среды;
1-3
- γ - постоянная распространения акустических колебаний в рабочей среде на отрезке трубы между сечениями 1-1 и 3-3;
1-3
- l - длина отрезка трубы между сечениями 1-1 и 3-3;
1-3
- с- скорость звука в рабочей среде на отрезке трубы между сечениями 1-1 и 3-3;
12
- H - частотная передаточная функция для сечений 1-1 и 2-2;
32
- H - частотная передаточная функция для сечений 3-3 и 2-2;
2-2
- S - площадь поперечного сечения 2-2;
15
- H - частотная передаточная функция для сечений 1-1 и 5-5;
35
- H - частотная передаточная функция для сечений 3-3 и 5-5;
- надстрочным символом  обозначен n-ый вариант граничного условия.
15
35
Частотные передаточные функции H и H следует определять по формулам:
В формулах обозначены:
- p - колебательное давление в соответствующем сечении;
- надстрочным символом  обозначен n-ый вариант граничного условия;
1-1
5-5
3
3
- подстрочными символами ,  и - обозначены соответствующие измерению сечения.
Использование более 2-х граничных условий необходимо в случаях, когда выбранная пара граничных условий акустической нагрузки в некоторых частотных областях имеет близкие значения, т.е. когда выполняется одно или несколько равенств:
В этом случае в данном частотном диапазоне при расчете параметров передачи, одно из первоначальных условий заменяется на дополнительное.
Предлагаемый способ обеспечивает определение параметров передачи в диапазоне частот от 0 до 10000 Гц при температуре рабочей среды, которой является жидкость, от температуры кристаллизации до температуры кипения в условиях избыточного давления от 0 до 10 МПа. Способ учитывает частотную зависимость величины затухания акустических волн в измерительных патрубках, а также частотную зависимость скорости звука в рабочей среде, что позволяет определять параметры передачи колебаний элементами трубопроводных систем в различных жидких средах и в средах с наличием газопаровых включений. Погрешность предложенного способа определяется погрешностью измерительного тракта.