Способ определения параметров передачи колебаний по жидкостному тракту элементов трубопроводных систем

Изобретение относится к метрологии, в частности к способам измерения параметров передачи колебаний по жидкостному тракту. Способ определения параметров передачи колебаний по жидкостному тракту элементов трубопроводных систем заключается в том, что параметры передачи определяются с помощью измерений колебательного давления звукового поля, создаваемого возбудительным устройством в рабочей среде при двух или более вариантах акустического нагружения, в трех сечениях для каждого из двух измерительных патрубков, установленных до и после элемента, с учетом частотных зависимостей затухания и скорости звука в рабочей среде. Технический результат – повышение точности измерений. 1 ил.

 

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;

- подстрочными символами _2-2 и _5-5 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:

- Z₂₅ - переходной акустический импеданс для сечений 2-2 и 5-5;

- Z₅₅ - акустический импеданс в сечении 5-5;

- надстрочными символами и обозначен n-ый вариант граничного условия.

Переходной акустический импеданс Z₂₅ и акустический импеданс Z₅₅ определяется по формулам:

В формулах обозначены:

- ρ - плотность рабочей среды;

- c_4-6- скорость звука в рабочей среде на отрезке трубы между сечениями 4-4 и 6-6;

- S_5-5 - площадь поперечного сечения 5-5;

- γ_4-6 - постоянная распространения акустических колебаний в рабочей среде на отрезке трубы между сечениями 4-4 и 6-6;

-l_4-6 - длина отрезка трубы между сечениями 4-4 и 6-6;

- H₄₅ - частотная передаточная функция для сечений 4-4 и 5-5;

- H₆₅ - частотная передаточная функция для сечений 4-4 и 2-2;

- H₄₂ - частотная передаточная функция для сечений 4-4 и 2-2;

- H₆₂ - частотная передаточная функция для сечений 6-6 и 2-2;

- надстрочным символом обозначен n-ый вариант граничного условия.

Частотные передаточные функции H₄₅,H₆₅, H₄₂ и H₄₅ следует определять по формулам:

В формулах обозначены:

- p - колебательное давление в соответствующем сечении;

- надстрочным символом обозначен n-ый вариант граничного условия;

- подстрочными символами _4-4, _2-2, _6-6 и _5-5 обозначены соответствующие измерению сечения.

Постоянную распространения γ_4-6 следует определять по формуле:

Скорость звука в рабочей среде c_4-6 следует определять по формуле:

где обозначены:

- - частота.

Для коэффициента четырехполюсника В

где обозначены:

- H₂₅ - частотная передаточная функция для сечений 2-2 и 5-5;

- S_5-5 - площадь поперечного сечения 5-5;

- Z₅₅ - акустический импеданс в сечении 5-5;

- надстрочными символами и обозначен n-ый вариант граничного условия.

Частотную передаточную функцию H₂₅ следует определять по формуле

где обозначены:

- p - колебательное давление в соответствующем сечении;

- надстрочным символом обозначен n-ый вариант граничного условия;

- подстрочными символами _2-2 и _5-5 обозначены соответствующие измерению сечения.

Для коэффициента четырехполюсника С

где обозначены:

- S_2-2 - площадь поперечного сечения 2-2;

- Hν₂₅ - частотная передаточная функция для сечений 2-2 и 5-5;

- Z₅₅ - акустический импеданс в сечении 5-5;

- надстрочными символами и обозначен n-ый вариант граничного условия.

Частотную передаточную функцию Hν₂₅ следует определять по формуле

В формуле обозначены:

- H₃₆ - частотная передаточная функция для сечений 3-3 и 6-6;

- Н₁₃ - частотная передаточная функция для сечений 1-1 и 3-3;

- H₄₅ - частотная передаточная функция для сечений 4-4 и 5-5;

- H₆₅ - частотная передаточная функция для сечений 6-6 и 5-5;

- H₄₆ - частотная передаточная функция для сечений 4-4 и 6-6;

- Н₁₂ - частотная передаточная функция для сечений 1-1 и 2-2;

- Н₃₂ - частотная передаточная функция для сечений 3-3 и 2-2;

- γ_4-6 - постоянная распространения акустических колебаний в рабочей среде на отрезке трубы между сечениями 4-4 и 6-6;

- l_4-6 - длина отрезка трубы между сечениями 4-4 и 6-6;

- γ_1-3 - постоянная распространения акустических колебаний в рабочей среде на отрезке трубы между сечениями 1-1 и 3-3;

- l_1-3- длина отрезка трубы между сечениями 1-1 и 3-3;

- с_4-6 - скорость звука в рабочей среде на отрезке трубы между сечениями 4-4 и 6-6;

-с_1-3- скорость звука в рабочей среде на отрезке трубы между сечениями 1-1 и 3-3;

- надстрочным символом обозначен n-ый вариант граничного условия.

Частотные передаточные функции H₃₆, H₁₃, H₄₆, Н₁₂ и H₃₂ следует определять по формулам:

В формулах обозначены:

- p - колебательное давление в соответствующем сечении;

- надстрочным символом обозначен n-ый вариант граничного условия;

- подстрочными символами _3-3, _6-6, _1-1 и _2-2 обозначены соответствующие измерению сечения.

Постоянную распространения γ_1-3 следует определять по формуле:

Скорость звука в рабочей среде с_4-6 следует определять по формуле:

где обозначены:

- - частота.

Для коэффициента четыр ехполюсника D

где обозначены:

- S_2-2 - площадь поперечного сечения 2-2;

- S_5-5 - площадь поперечного сечения 5-5;

- Z₅₂ - переходной акустический импеданс для сечений 5-5 и 2-2;

- Z₅₅ - акустический импеданс в сечении 5-5;

- надстрочными символами и обозначен n-ый вариант граничного условия.

Переходной акустический импеданс Z₅₂ определяется по формуле

В формуле обозначены:

- ρ - плотность рабочей среды;

- γ_1-3 - постоянная распространения акустических колебаний в рабочей среде на отрезке трубы между сечениями 1-1 и 3-3;

- l_1-3 - длина отрезка трубы между сечениями 1-1 и 3-3;

- с_1-3- скорость звука в рабочей среде на отрезке трубы между сечениями 1-1 и 3-3;

- H₁₂ - частотная передаточная функция для сечений 1-1 и 2-2;

- H₃₂ - частотная передаточная функция для сечений 3-3 и 2-2;

- S_2-2 - площадь поперечного сечения 2-2;

- H₁₅ - частотная передаточная функция для сечений 1-1 и 5-5;

- H₃₅ - частотная передаточная функция для сечений 3-3 и 5-5;

- надстрочным символом обозначен n-ый вариант граничного условия.

Частотные передаточные функции H₁₅ и H₃₅ следует определять по формулам:

В формулах обозначены:

- p - колебательное давление в соответствующем сечении;

- надстрочным символом обозначен n-ый вариант граничного условия;

- подстрочными символами _1-1, _5-5 и ₃-₃ 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.

Способ определения параметров передачи колебаний по жидкостному тракту элементов трубопроводных систем, заключающийся в том, что параметры передачи определяются с помощью измерений колебательного давления звукового поля, создаваемого возбудительным устройством в рабочей среде при двух или более вариантах акустического нагружения, в трех сечениях для каждого из двух измерительных патрубков, установленных до и после элемента, с учетом частотных зависимостей затухания и скорости звука в рабочей среде.