Ультразвуковая информационная система дистанционного определения объемного расхода жидкости в безнапорных сетях

Неуклонный роста внимания природоохранных организаций к состоянию окружающей среды и экологической безопасности ставит новые, все более высокие требования к системам контроля и управления сбросом сточных отработанных вод промышленных предприятий и жилого сектора. Широко используемые в настоящее время системы контроля и определения расхода, работающие при непосредственном контакте системы с контролируемым потоком часто оказываются малоэффективными или непригодными для решения ряда важнейших задач, возникающих в области водоснабжения, водоотведения, при организации систем экологического контроля, измерения параметров высоко температурных жидких сред и плазм, жидкостей переменной плотности и вязкости, жидких сред с твердыми и вязкими включениями [67]. К задачам такого класса относятся интегральные измерительные задачи, решение которых должно осуществляться бесконтактным способом.

Один из классов интегральных измерительных задач, имеющих важные практические приложения, составляют задачи определения объемного расхода химически активных жидкостей с твердыми и вязкими включениями.

Интегральные методы измерения расхода играют важную роль в развитии отраслей промышленности так как позволяют достигать более точных [45], стабильных и достоверных показаний по сравнению с традиционными методами.

В последнее время наблюдается рост числа исследовательских работ посвященных измерительной технике, в которых используются интегральные методы измерения и расчета. При определении расхода часто возникает задача рационального по точности, быстродействию, надежности метода построения измерительной системы [77]. Большинство исследований в этой области относится к исследованию информационно-измерительных систем на контактирующих с измеряемой жидкостью датчиках, что накладывает существенные ограничения на параметры контролируемой жидкости.

Одной из прикладных задач является определение параметров химически активных жидкостей, жидкостей с вязкими и твердыми включениями [79]. Работа с такими жидкостями накладывает жесткие требования по надежности, предъявляемые к информационной системе. В настоящее время задача решается изготовлением контактных датчиков из особопрочных материалов с защитными покрытиями [10], что увеличивает срок службы системы. Тем не менее непосредственный контакт с подобного рода жидкостями выводит из строя ее подвижные части.

Актуальность создания бесконтактных систем определения расхода назрела во многих областях, например, при организации распределения потоков на станциях аэрации [56], при определении маршрутов сброса отработанных сточных вод [29], при построении систем экологического контроля.

Различным теоретическим и практическим аспектам разработки и создания измерителей расхода посвящены работы Доублена Е. [84], Шармана Уокса, Линвортса Л. [89], Плаута Д. [92], Шерклифа Ж., Альттруля А. Д. [3], Архипцева Ю. Ф., Белкина И. М., Виноградова Г. В., Леонова А. И. [10], Дуба Я. Т. и Шкурченко В. Л. [26] Землянского В. М. [31], Корсунского Л. М. [38], [39], Курганова A.M. [42], Курганова A.M. и Федорова Н. Ф. [43], Фальковского Н. И. [67], Якубенко А. Е [77] и др. Однако на момент проведения исследований среди рассмотренных не выявлено достаточно надежных, быстродействующих, точных и относительно дешевых измерительноинформационных систем определения параметров потоков химически активных жидкостей различной плотности с твердыми и вязкими включениями. Это вызвано рядом причин, центральной из которых является отсутствие метода определения, который мог быть реализован при помощи удобной в применении, надежной и недорогой системы. При этом жесткие требования, предъявляемые к подобным системам, такие как компактность, малое энергопотребление, высокое быстродействие, точность [92], быстрота и легкость монтажа и обслуживания, а, главное, высокая надежность [39], обеспечивающая работоспособность системы при работе с химически активными, различной вязкости жидкостями с включениями, затрудняет использование известных средств определения расхода. Последнее объясняется следующими обстоятельствами. С одной стороны для обеспечения удовлетворительной точности недостаточно проведения замера в одной точке потока, так как скорости в различных местах сечения измеряемой жидкости существенно отличаются друг от друга [40]. С другой стороны при внедрении нескольких измерительных зондов в поток нарушается динамика движения жидкости и снижается надежность [25] в следствии возрастания числа самых уязвимых с точки зрения надежности элементов измерительной системы.

Трудность использования измерительной системы с одним или несколькими зондирующими датчиками, измеряющими локальную скорость потока, связана с определением интегрального расхода в связи с изменением локальной скорости потока в сечении контролируемой жидкости [19]. Значительный вклад в развитие теории и практики интегральных систем определения расхода внесли работы Курганова A.M. [41], Курганова A.M. и Федорова Н. Ф. [43], Шерклифа Ж. А. [94], Патент Германии N 4 016 529 [52] и др. Однако, с другой стороны, возможности использования интегральных методов определения расхода с помощью существующих измерительных систем ограничены резким ростом объема оборудования, его сложностью, увеличением времени измерения [28], что также затрудняет их использование при достижении приемлемой точности определения расхода. В связи с этим в настоящее время является актуальной проблема разработки и создания новых измерительно-информационных систем интегрального безконтактного определения расхода, отличающихся, с одной стороны, высокой точностью, а, с другой стороны, надежностью, быстродействием и простотой эксплуатации.

Множество исследований посвящено применению корреляционных методов, не требующих непосредственного контакта датчиков с потоком [12]. Корреляционные методы позволяют получать и сравнивать характерные признаки одной и той же области на поверхности жидкости, полученные двумя сканаторами, расположенными по оси течения потока [94]. По временной задержке распознавания одной и той же картины сканаторами определяют интегральную скорость зондируемого пятна на поверхности жидкости. Для получения закона распределения скоростей на поверхности жидкости и интегрального значения поверхностной скорости необходимо сканировать всю поверхность потока, но в этом случае усложняется задача определения сходства, так как поверхностная скорость жидкости изменяется в широких пределах от стен лотка к геометрическому центру потока. Относительно быстро изменяются признаки, характерные для одного и того же участка поверхности жидкости с течением времени [20], что особенно сильно сказывается при ветре, турбулентности, сложности.

40 геометрии форм лотка [71] и делает невозможным применение метода для решения многих важных прикладных задач.

Идея решения задачи интегрального определения расхода жидкости была изложена в патенте Германии [52], где точность определения расхода зависит от частоты узлов координатной сетки закона перемещения зонда измерения локальной скорости потока. Однако предложенная в [52] структура предназначена для решения частных задач, а, именно измерения чистых однородных жидкостей, причем точность определения расхода достигается с существенным ущербом для быстродействия.

Таким образом, обобщая вышесказанное, можно сделать вывод, что в настоящее время является актуальной научно-техническая задача, обеспечения измерения химически активных жидкостей различной плотности с твердыми и вязкими включениями, имеющая важное значение для промышленности. Задача включает разработку метода и ультразвуковой информационно-измерительной системы дистанционного определения объемного расхода жидкости в безнапорных сетях, отличающейся, с одной стороны, высокой точностью определения расхода, а, с другой стороны, простотой эксплуатации, надежностью и быстродействием. Решению данной задачи и посвящена настоящая диссертация.

Целью настоящей работы является создание ультразвуковой информационной системы дистанционного определения объемного расхода жидкости в безнапорных сетях, включая разработку структуры и алгоритма функционирования системы, а также методик обработки результатов измерения уровня и поверхностной скорости жидкости для повышения точности определения расхода.

Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи:

1) обоснование бесконтактного метода определения объемного расхода в безнапорных сетях;

2) разработка способа определения объемного расхода при дистанционном измерении уровня и поверхностной скорости жидкости;

3) разработка методики расчета параметров закона распределения скоростей на поверхности жидкости по показаниям бесконтактного датчика;

4) разработка методики определения объемного расхода при измерении уровня и поверхностной скорости жидкости;

5) разработка структурного состава системы определения объемного расхода по уровню и скорости жидкости;

6) разработка опытного образца системы определения объемного расхода жидкости;

7) экспериментальная проверка соответствия предложенных решений поставленным задачам.

Предметом исследований являются комплексное рассмотрение вопросов, связанных с построением, функционированием, проектированием, аппаратной реализацией и применением информационно-измерительных систем, ориентированных на определение расхода химически активных жидкостей, жидкостей с вязкими и твердыми включениями.

Методы исследований. При выполнении работы использовалась методы математической статистики, теории радиолокации, теории звуколокации, теории планирования эксперимента. Для выполнения поставленных задач применялись методы экспериментального исследования с использованием аппаратно-программного комплекса на базе персональной ЭВМ и специально разработанных программных средств, методы синтеза измерительных устройств, методы математического моделирования, численные методы.

Научная новизна. В результате проведенных исследований решена задача, имеющая важное значение для городского хозяйства, промышленности и заключающаяся в разработке ультразвуковой информационной системы дистанционного определения объемного расхода жидкости в безнапорных сетях, включающая в себя разработку структуры и алгоритма функционирования системы, а также методик обработки результатов измерения уровня и поверхностной скорости жидкости для повышения точности определения расхода.

1. Впервые разработан и реализован бесконтактный способ интегрального определения объемного расхода по измеренным значениям уровня и поверхностной скорости жидкости, позволяющий решить известную задачу новым способом.

2. Разработана новая структура системы определения объемного расхода, позволяющая определять расход жидкости без непосредственного контакта датчиков с потоком.

3. Впервые разработана и подтверждена моделированием методика пересчета измеренных локационным датчиком показаний в значение поверхностной скорости, что позволяет осуществлять определение расхода в открытых каналах бесконтактным интегральным способом. Разработана методика определения параметров закона распределения скоростей на поверхности жидкости, что позволяет за одно измерение получать значение интегральной поверхностной скорости.

4. Создана модель процесса определения параметров жидкости, позволяющая проверить работоспособность метода в различных условиях эксплуатации и выбрать рациональные значения параметров установки системы.

5. Разработанное аппаратное и программное обеспечение, позволяет проводить оперативное дистанционное обнаружение и классификацию аварий в безнапорной сети.

В процессе исследований получены следующие новые научные результаты, которые выносятся на защиту:

1. Разработана структура системы бесконтактного определения объемного расхода, включающая бесконтактный датчик уровня наполнения лотка, бесконтактный интегральный датчик поверхностной скорости жидкости, вычислитель, производящий обработку результатов измерения с целью получения объемного расхода.

2. Предложена методика расчета параметров закона распределения поверхностной скорости измеряемой жидкости с учетом геометрии форм лотка, позволяющая определять параметры распределения поверхностной скорости по показаниям бесконтактного доплеровского датчика.

3. Разработана методика обработки результатов определения уровня и поверхностной скорости жидкости с целью получения ее объемного расхода.

4. Получены соотношения между наполнением и гидравлическим радиусом, площадью живого сечения необходимые для измерения объемного расхода в лотках наиболее часто встречающихся формкруглого, прямоугольного, параболического.

5. Разработана структура системы определения объемного расхода по уровню и скорости жидкости, позволяющая достичь относительно высокой точности определения расхода жидкости без непосредственного контакта датчиков системы с контролируемым потоком.

6. Предложен алгоритм определения признаков аварий в системе безнапорной транспортировки жидкости, позволяющий классифицировать, характеризовать и находить место аварии.

Практическая ценность результатов работы.

1. Разработанный критерий оценки параметров определителей расхода позволяет рационально выбирать измерительную систему в соответствии с заданными условиями эксплуатации.

2. Разработанный бесконтактный способ интегрального определения объемного расхода по измеренным значениям уровня и поверхностной скорости жидкости позволяет повысить точность и быстродействие системы определения расхода.

3. Разработанная структура системы определения объемного расхода позволяет повысить долговечность и надежность системы.

4. Разработанная методика определения объемного расхода при измерении уровня и поверхностной скорости позволяет измерять параметры химически активных жидкостей с включениями, повысить быстродействие по сравнению с аналогичными системами.

5. Разработанная измерительно-информационная система определения маршрута движения диагностической мобильной станции в безнапорных канализационных сетях позволяет повысить точность измерений, надежность аппаратуры в безнапорной сети и сократить расходы в следствие уменьшения времени диагностических работ.

6. Разработанная система определения аварийного состояния безнапорной канализационной сети позволяет достичь экономии при содержании сети вследствие выявления аварий на ранних стадиях развития.

7. Система определения объемного расхода сточных вод позволяет осуществить рациональное управление работой насосных агрегатов станций аэрации.

Результаты внедрения. Результаты диссертационной работы использованы при выполнении ОКР «Разработка ультразвукового определителя расхода сточных вод в безнапорных сетях» .

В ПУЭКС ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» макет системы прошел успешные испытания на. центральной станции аэрации г. Санкт-Петербурга и показал эффективность заложенных решений.

Апробация работы. Основные положения проведенных исследований докладывались и обсуждались на 8 научно-технических конференциях: «Экстремальная робототехника», «Системы управления.

14 конверсия — проблемы" и других.

Публикации. Результаты теоретических и экспериментальных исследований нашли свое отражение в 9 печатных работах, в том числе выдан патента России на изобретение «Определитель объемного расхода жидкости» .

Представленный комплекс исследований был проведен автором в 1993;1999 годах. Большое влияние на формирование научных интересов и взглядов автора оказали работы Альттруля А. Д., Курганова A.M., Федорова Н. Ф., Доублена Б., Шармана Уокса, Линвортса Л., Рлаута Д., Шерклифа Ж. и др. Автор выражает глубокую благодарность всем сотрудникам отдела метрологического контроля Центральной станции аэрации города Санкт-Петербурга, возглавляемого Пулином Олегом Викторовичемсотрудникам кафедры Водоснабжения Санкт-Петербургского Архитектурного университета, и профессору кафедры Курганову Анатолию Матвеевичу, сотрудникам НПТО «Техносенсор», ПУЭКСа без чьей помощи и поддержки не могли быть проведены большинство экспериментальных исследований.

Выводы по разделу.

1. Испытания системы определения расхода подтвердили работоспособность разработанного метода и сконструированного прибора в безнапорных сетях с жидкостями различных температур, плотностей и вязкости и химической активности. Результаты испытаний подтверждают работоспособность метода и системы с заданными характеристиками.

2. Разработанная методика проведения лабораторных и натурных испытаний, позволяет подтвердить соответствие характеристик разработанной системы поставленным требованиям? Методика позволила объективно оценить работоспособность системы в лабораторных и натурных условиях эксплуатации с получением параметров чувствительности, стабильности, повторяемости измерений, оценки достоверности измеренных величин.

3. Лабораторные исследования подтвердили работоспособность системы при работе с потоками имеющими скорость в пределах от 0 м/с до 2,1 м/с с ошибкой не более 2,5%- проверка стабильности датчика скорости показала, что отклонения при измерении подвижной жидкости составляют не более 2,5% от измеряемой величины, при работе по неподвижной жидкости не более 0,03 м/соценка точности работы датчика уровня показала, что ошибка не превышает 0,6% от измеряемой величины.

4. Натурные исследования показали работоспособность системы при работе во время атмосферных осадков, скорости ветра от 0 до б м/с при температуре от 0 до 16 °Спроверка стабильности показала, что разброс измеренных значений скорости и уровня не превышает от измеренной величины 3,8% и 0,05 м соответственнопостроение эпюр скорости и уровня показывает повторяемость измерений с ошибкой не более 3%.

5. Сравнение результатов теоретических и практических исследований показало, что ошибка моделирования процесса движения жидкости в лотке не превышает 2,9%, ошибка вычисления параметров закона распределения скорости не превышает 4,8%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Целью исследования является разработка ультразвуковой информационной системы дистанционного определения объемного расхода жидкости в безнапорных сетях, включающая в себя разработку структуры и алгоритма функционирования системы, а также методик обработки результатов измерения уровня и поверхностной скорости жидкости для повышения точности определения расхода.

Задачами исследования, вытекающими из поставленной цели исследования, являются.

1) обоснование бесконтактного метода определения объемного расхода в безнапорных сетях;

2) разработка способа определения объемного расхода при дистанционном измерении уровня и поверхностной скорости жидкости;

3) разработка методики расчета параметров закона распределения скоростей на поверхности жидкости по показаниям бесконтактного датчика;

4) разработка методики определения объемного расхода при измерении уровня и поверхностной скорости жидкости;

5) разработка структуры аппаратных средств системы определения объемного расхода по уровню и скорости жидкости;

6) экспериментальная проверка адекватности предложенных решений. Результатом исследования является.

1. Разработана структура системы бесконтактного определения объемного расхода, включающая бесконтактный датчик уровня наполнения лотка, бесконтактный интегральный датчик поверхностной скорости жидкости, вычислитель, производящий обработку результатов измерения с целью получения объемного расхода.

2. Предложена методика расчета параметров закона распределения поверхностной скорости измеряемой жидкости с учетом геометрии форм лотка, позволяющая определять параметры распределения поверхностной скорости по показаниям бесконтактного доплеровского датчика.

3. Разработана методика обработки результатов определения уровня и поверхностной скорости жидкости с целью получения ее объемного расхода.

4. Получены соотношения между наполнением и гидравлическим радиусом, площадью живого сечения необходимые для измерения объемного расхода в лотках наиболее часто встречающихся формкруглого, прямоугольного, параболического.

5. Разработаны структуры датчиков уровня и скорости системы определения объемного расхода, позволяющие достичь относительно высокой точности определения расхода жидкости без непосредственного контакта датчиков системы с контролируемым потоком.

6. Предложен алгоритм определения признаков аварий в системе безнапорной транспортировки жидкости, позволяющий классифицировать, характеризовать и находить место аварии.

Таким образом полученные результаты являются решениями поставленных задач, а совокупность результатов позволяет заключить о достижении цели исследования.

Полученные в ходе исследования результаты предлагается использовать на станциях аэрации, канализационных сетях, в местах контролируемого сброса сточных вод.

Разработанный определит ель расхода получил внедрение в ГУП Водоканал Санкт-Петербурга. На разработанную систему определения расхода получен патент России.