Вимірювання витрати газоподібних середовищ із змінною газодинамічною структурою потоку

Abstract

Дисертаційна робота присвячена дослідженню впливу змінної газодинамічної структури потоку на точність вимірювання витрати газоподібних середовищ методом змінного перепаду тиску. Шляхом аналізу фізичної суті процесу вимірювання витрати нестаціонарного потоку виявлено причини виникнення та виконано класифікацію додаткових складових невизначеності вимірюваного значення витрати нестаціонарного потоку. Для кількісного визначення цих складових невизначеності удосконалено методику оцінювання додаткової складової невизначеності, яка зумовлена нелінійністю залежності витрати від перепаду тиску та методику оцінювання додаткової складової невизначеності, що виникає внаслідок відсутності інерційного члена у підкореневому виразі квазістаціонарного рівняння витрати. Розроблено математичну модель пневматичного каналу перетворювача тиску (перепаду тиску). Розроблено експериментальну установку для дослідження динамічних властивостей пневматичного каналу та виконано експериментальні дослідження, за результатами яких підтверджено адекватність цієї моделі. Шляхом застосування лінеаризованої математичної моделі пневматичного каналу досліджено залежність частоти резонансу від конструктивних характеристик каналу та розроблено рекомендації для уникнення резонансу в пневматичному каналі перетворювачів тиску (перепаду тиску). Розроблено експериментальну витратовимірювальну установку та проведено дослідження впливу виступів у внутрішню порожнину вимірювального трубопроводу витратоміра змінного перепаду тиску на коефіцієнт витікання діафрагми. На основі результатів виконаних експериментальних досліджень розроблено нові аналітичні залежності для кількісної оцінки додаткової невизначеності коефіцієнта витікання діафрагми, яка зумовлена впливом виступів у внутрішню порожнину вимірювального трубопроводу. Удосконалено рівняння комбінованої невизначеності вимірюваного значення витрати, шляхом введення додаткових складових невизначеності, які зумовлені нестаціонарністю потоку газоподібного середовища та впливом виступів у внутрішню порожнину вимірювального трубопроводу, що дає можливість розширити область застосування методу змінного перепаду тиску для вимірювання витрати потоків із змінною газодинамічною структурою. Результати дисертаційної роботи впроваджено у науково-дослідних та виробничих підприємствах, що займаються дослідженням, проектуванням, виробництвом та налагодженням систем вимірювання витрати енергоносіїв. Диссертационная работа посвящена исследованию влияния изменяемой газодинамической структуры потока на точность измерения расхода газов методом переменного перепада давления. Путем анализа физической сущности процесса измерения расхода нестационарного потока выявлены причины возникновения и выполнено классификацию дополнительных составляющих неопределенности измеряемого значения расхода нестационарного потока. Для количественного определения этих составляющих неопределенности усовершенствована методика оценки дополнительной составляющей неопределенности, обусловленной нелинейной зависимостью расхода от перепада давления и методику оценки дополнительной составляющей неопределенности, возникающей вследствие отсутствия инерционного члена в подкоренном выражении квазистационарного уравнения расхода. Разработана математическая модель пневматического канала преобразователя давления (перепада давления). Разработана экспериментальная установка для исследования динамических свойств пневматического канала и выполнены экспериментальные исследования, по результатам которых подтверждена адекватность этой модели. Путем применения линеаризованной математической модели пневматического канала исследована зависимость частоты резонанса от конструктивных характеристик канала и разработаны рекомендации для предотвращения резонанса в пневматическом канале преобразователей давления (перепада давления). Разработана экспериментальная расходоизмерительная установка и проведено исследование влияния выступов во внутреннюю полость измерительного трубопровода расходомера переменного перепада давления на коэффициент истечения диафрагмы. На основе результатов выполненных экспериментальных исследований разработаны новые аналитические зависимости для количественной оценки дополнительной неопределенности коэффициента истечения диафрагмы, которая обусловлена влиянием выступов во внутреннюю полость измерительного трубопровода. Усовершенствовано уравнения комбинированной неопределенности измеряемого значения расхода, путем введения дополнительных составляющих неопределенности, обусловленных нестационарностью потока газообразной среды и влиянием выступов во внутреннюю полость измерительного трубопровода, что позволяет расширить область применения метода переменного перепада давления для измерения расхода потоков с переменной газодинамической структурой. Результаты диссертационной работы внедрены в научно-исследовательских и производственных предприятиях, занимающихся исследованием, проектированием, производством и наладкой систем измерения расхода энергоносителей. The dissertation work is devoted to research of influence of a variable gas-dynamic flow structure on the accuracy of flow rate measurement for gaseous fluids by means of the differential pressure method. By analyzing the physical principle of the process of flow rate measurement for non-stationary flow the additional components of uncertainty of the measured value of the flow rate are revealed and classified for non-stationary flow. To define the values of these components of uncertainty, the technique for estimating the additional component of uncertainty caused by the nonlinear dependence between the flow rate and the differential pressure is improved. The technique for estimating the additional component of uncertainty caused by the absence of the inertial term in the sub-root expression of the quasi-stationary flow equation is also improved. The mathematical model of the pneumatic channel of the pressure (differential pressure) transducer was developed. The experimental setup for studying the dynamic properties of the pneumatic channel was developed and the experiments were carried out. The adequacy of the developed model was confirmed by the results of the experimental study. The dependence of the resonance frequency on the design characteristics of the channel was investigated by applying a linearized mathematical model of the pneumatic channel. The recommendations for avoiding the resonance in the pneumatic channels of pressure (differential pressure) transducers were developed. The experimental flow measuring facility was developed and the study of the influence of protrusions at the internal surface of the measuring pipe of a differential pressure flow meter on the discharge coefficient of orifice plates was carried out. Based on the results of experimental studies, new analytical dependences were developed for quantitative assessment of the additional uncertainty of the orifice plate discharge coefficient, caused by the influence of protrusions at the internal surface of the measuring pipe. The equation of combined uncertainty of the measured flow rate value is improved by introducing additional components of uncertainty, caused by non-stationary flow of gaseous fluid and by the influence of protrusions at the internal surface of the measuring pipe. The improved equation provides the possibility to expand the scope of the differential pressure method for measurement of flow rate of gaseous fluids with variable gas-dynamic flow structure. The results of the dissertation were implemented in R&D and production companies involved in research, design, production and installation of fluid energy carriers metering systems.