Расширение функциональных возможностей измерителя объемного расхода жидкости за счет алгоритмической избыточности

УДК 681.121.89

РАСШИРЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИЗМЕРИТЕЛЯ ОБЪЕМНОГО РАСХОДА ЖИДКОСТИ ЗА СЧЕТ АЛГОРИТМИЧЕСКОЙ ИЗБЫТОЧНОСТИ

П.И. Артамонов

Пенза, Г осударственная технологическая академия Аннотация:

Предложен простой способ определения диэлектрической проницаемости жидкости при измерении ее расхода в устройстве с мерным гидроцилиндром, основанный на использовании алгоритмической избыточности.

Ключевые слова: расход жидкости, алгоритмическая избыточность, мерный гидроцилиндр, диэлектрическая проницаемость.

Annotation:

A simple method for determining the dielectric constant of the liquid in the measurement of its flow in the device with a measured hydraulic cylinder, based on using algorithmic redundancy.

Keywords:

fluid flow, algorithmic redundancy, measuring cylinder, the dielectric constant.

Задача повышения точности, надежности и технологичности средств измерения расхода жидкостей, в частности, нефтепродуктов остается

актуальной несмотря на значительные усилия разработчиков соответствующей аппаратуры.

В большинстве систем измерения и контроля расхода жидкости используются методы косвенного определения объемного или массового расхода - через измерение уровня, плотности, температуры, скорости потока с

последующим расчетом искомого результата по, как правило, эмпирическим соотношениям. Как следствие, в процессе определения расхода возникают методические погрешности, для уменьшения которых используются различные конструктивные и технологические усовершенствования. Это приводит в конечном итоге к высокой стоимости расходомеров, недостаточной эксплуатационной и метрологической надежности.

Серьезные трудности при использовании косвенных методов возникают при измерениях расхода нефтепродуктов, т.к. в производственных условиях существует значительный разброс таких параметров нефтепродуктов как плотность, вязкость, загазованность, примесь воды. Все эти параметры изменяются в зависимости от температуры.

В значительной степени от перечисленных недостатков свободны способы прямого измерения объемного расхода. Они подразумевают подачу жидкости к потребителю через мерную емкость и измерение времени опорожнения этой емкости. В то же время в известных расходомерах с мерным цилиндром (см., например, [1], использующихся на морских нефтяных платформах) существует серьезная проблема, заключающаяся в относительно малой длительности единичного хода поршня, что затрудняет точность измерения соответствующего интервала времени простыми средствами. Также возникает необходимость использовать достаточно сложные системы интерполяции для измерения длительности неполных («дробных») ходов поршня. Эти проблемы частично решаются увеличением числа поршней и усложнением порядка их подключения. Так, например, в четырехпоршневых расходомерах топлива фирмы «Ono Sokki Co. Ltd» (Япония) происходит поочередное заполнение топливом из бака и опорожнение во впускной коллектор двигателя внутреннего сгорания четырех мерных цилиндров малого объема. Точность контроля расхода обеспечивается здесь путем подсчета числа тактов работы расходомера. Существенным недостатком этого расходомера является сложная система распределения потоков топлива.

В предложенном способе прямого измерения объемного расхода топлива [2] указанные недостатки поршневых расходомеров устраняются за счет использования оригинального мерного гидроцилиндра со свободным разделительным поршнем. Расходуемая жидкость протекает через реверсивно заполняемый мерный гидроцилиндр, а величина объемного расхода определяется по числу циклов заполнения - опорожнения цилиндра. Объем, соответствующий неполному ходу, определяется по положению поршня в цилиндре.

Схема мерного гидроцилиндра приведена на рис. 1. Цилиндрический корпус 1, имеющий калиброванные внутренний диаметр D и длину L внутренней полости, ограничен торцевыми стенками 2 и 3, на которые размещены или нанесены электроды 4 и 5, соответственно. Электроды являются обкладками емкостного датчика. Торцевые стенки 2 и 3 имеют патрубки 6 и 7 с каналами 8 и 9 для втекания и вытекания жидкости в полость гидроцилиндра и обратно.

Рис. 1. Схема мерного гидроцилиндра со свободным разделительным поршнем

Внутри гидроцилиндра размещен свободный поршень 10 с уплотнительными кольцами 11, имеющий толщину Н. Электроды 4...5 являются чувствительными элементами служащими для определения положения поршня

10. Значения D, L и Н определяют калиброванный полезный объем внутренней полости гидроцилиндра.

В принципе, для упрощения реализации способа, моменты завершения хода поршня можно фиксировать с помощью концевых выключателей, например, герконов. Однако, использование емкостных датчиков кроме фиксации промежуточного положения поршня дает дополнительные возможности, а именно: определение диэлектрической проницаемости

жидкости, фиксацию наличия и определение концентраций фаз жидкости, а также корректировку температурных изменений геометрических размеров цилиндра. Эти возможности могут быть реализованы за счет введения структурно - алгоритмической избыточности [3].

Рассмотрим способ определения диэлектрической проницаемости расходуемой жидкости. Для упрощения выкладок пренебрежем толщиной поршня. С учетом того, что электроды 4 и 5 образуют конденсатор, электрическая эквивалентная схема может быть предоставлена следующим образом (рис. 2).

1 >< к к >< І к < к / S |\ D X X X X X X X X 2

ч /

N

< L >

Рис. 2.

Для определения диэлектрической проницаемости єж перекачиваемой жидкости определяется емкость Сі2 конденсатора с обкладками 1 и 2 в двух крайних положениях поршня. Пусть первое соответствует полностью

S

заполненн°му ЖИД,™ цшшидру. Тогда С' =*.*, L, где (S = pЛ При

нахождении поршня в другом крайнем положении цилиндр пуст. Примем, что он заполнен воздухом (для которого єв ~ 1). Тогда емкость С' =є0єв —.

/j

С' є

Определив отношение -22 = _^ @ єж, получим информацию о диэлектрической

С є

^12 св

проницаемости расходуемой жидкости. Результат может быть уточнен усреднением по определенному числу циклов.

При измерении расхода неполярных жидкостей, для которых справедливо соотношение Клаузиуса-Мосотти, характеризующее функциональную связь плотности жидкости и ее диэлектрической проницаемости [4], возможно определение также плотности расходуемой жидкости.

Литература

1. Kinghom F.C. Challenging areas in flow measurement/ «Measurement and Control», 1998, 21, №8, р. 229-235 (англ.).

2. Артамонов П.И., Свистунов Б.Л., Харитонов П.Т. Способ прямого измерения объемного расхода жидкости / Сб. тр. Международной НТК «Проблемы автоматизации и управления в технических системах». - Пенза, 2011.

3. Свистунов Б.Л. Классификация способов построения инвариантных средств измерения параметров электрических цепей / Датчики и системы, №2, 2003.

4. Скворцов Б.В., Конюхов Н.Е., Астапов В.Н. Приборы и системы контроля качества углеводородных топлив. - М.: Энергоатомиздат, 2000.