Оценка способов измерения гидродинамической нагрузки проточного тракта водосброса №2 Богучанской ГЭС (физическая модель)

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства» г. Москва, Россия

ЗАО «Бюро сервиса и эксплуатации» BSM, г. Москва, Россия

Оценка способов измерения гидродинамической нагрузки проточного тракта водосброса №2 Богучанской ГЭС (физическая модель)

М.В. Землянникова - канд.техн.наук, доцент

В.А. Фартуков - канд.техн.наук, доцент

Аннотация

преобразование сигнал датчик давление

В статье, на основе проведенной оценки возможной гидродинамической нагрузки на проточный тракт водосброса № 2 Богучанской ГЭС, рассмотрены различные методы преобразования параметров потока в сигнал для последующего его анализа. Рассмотрены тензометрические, емкостные, пьезорезистивный, резонансный, индуктивный и ионизационный способ преобразования, а также конструкции датчиков, позволяющие проводить измерения давления. Приведено сопоставление методов и способов измерения давления, конструкции датчиков, их достоинства и недостатки.

Annotation

In an article based on an assessment of possible hydrodynamic load on the spillway flow path number 2 Boguchanskaya HYDROELECTRIC POWER STATIONS, considered various methods of transformation of flow parameters in the signal for subsequent analysis. Considered strain, capacitive, piezoresistive, resonant, inductive, and the ionization method of transformation, as well as the construction of sensors that enable the measurement of pressure. The comparison of methods and techniques for measuring the pressure sensor design, their advantages and disadvantages.

Московскому государственному университету природообустройства было предложено провести комплексное исследование варианта конструкции водосброса № 2 Богучанской ГЭС с отбросом струи в русло реки.

Проведенными расчетами были уточнены параметры и режимы потоков на водосбросе результаты, которые вошли в основу необходимых модельных исследований.

Исследования режимов работы водосброса должны были проводиться на физической модели масштаба 1:60 натуральной величины. В результате этих исследований необходимо определить гидродинамическое воздействие потока на элементы конструкции водосброса, формирующие поток.

Перед началом проведения работ по определению гидродинамических характеристик потока, была проведена предварительная оценка возможных величин амплитудно-частотных параметров водного потока.

Наличие самых низких частот пульсаций потока на модели зависит от скоростей водного потока на каждом исследуемом пролете сооружения, то есть V_min и V_max (минимальные и максимальные величины скорости потока), а также от длины участка, на котором действуют исследуемые пульсации.

Исходя из условий модели, определен возможный диапазон частот пульсаций давления, который находится в пределах от 1.0 до 300 Гц. Величины осреднённых гидродинамических нагрузок на модели находятся в пределах от 10 до 200 мм; при этом размах возможных пульсаций давлений в долях от величины среднего статического давления может достигать 0,05…0,30.

Линейные размеры модели (длина, ширина пролетов и пр.), в силу масштабности по отношению к натурной величине плотины так же накладывают свои требования при оценке параметров водного потока. То есть линейные размеры применяемых датчиков должны соответствовать критерию сбора информации (точечные или площадные).

Исходя из приведенных (основных) требований, производилось определение метода преобразования параметров потока в сигнал для последующего его анализа. Рассматривались тензометрические, емкостные, пьезорезистивный, резонансный, индуктивный и ионизационный способ преобразования, а также конструкции датчиков, позволяющие проводить измерения давлений этими способами.

Основные оценки, а также положительные и отрицательные стороны каждого из рассматриваемого датчика представлены ниже.

Датчик давления состоит из первичного преобразователя давления, в составе которого чувствительный элемент и приемник давления, схемы вторичной обработки сигнала, различных по конструкции корпусных деталей и устройства вывода. Основным различием датчиков между собой является точность измерения давления. Точность измерения зависит от принципа преобразования давления в электрический сигнал: тензометрический, пьезорезистивный, емкостной, индуктивный, резонансный, ионнизационный.

В настоящее время основная масса датчиков давления выпускается на основе чувствительных элементов, принципом которых является измерение деформации тензорезисторов, сформированных в эпитаксиальной пленке кремния на подложке из сапфира (КНС), припаянной твердым припоем к титановой мембране. Иногда вместо кремниевых тензорезисторов используют металлические: медные, никелевые, железные и др.

Принцип действия тензопреобразователей основан на явлении тензоэффекта в материалах. Чувствительным элементом служит мембрана с тензорезисторами, соединенными в мостовую схему. Под действием давления измеряемой среды мембрана прогибается, тензорезисторы меняют свое сопротивление, что приводит к разбалансу моста Уитстона. Разбаланс линейно зависит от степени деформации резисторов и, следовательно, от величины приложенного давления.

Следует отметить принципиальное ограничение КНС преобразователя - неустранимую временную нестабильность градуировочной характеристики и существенные гистерезисные эффекты от давления и температуры. Это обусловлено неоднородностью конструкции и жесткой связью мембраны с конструктивными элементами датчика. Поэтому, выбирая, преобразователь на основе КНС, необходимо учесть величину основной погрешности с учетом гистерезиса и величину дополнительной погрешности.

К преимуществам можно отнести хорошую защищенность чувствительного элемента от воздействия любой агрессивной среды, налаженное серийное производство, низкую стоимость.

Практически все производители датчиков проявляют интерес к использованию интегральных чувствительных элементов на основе монокристаллического кремния. Это обусловлено тем, что кремниевые преобразователи имеют на порядок большую временную и температурную стабильности по сравнению с приборами на основе КНС структур.

Кремниевый интегральный преобразователь давления (ИПД) представляет собой мембрану, выполненную из монокристаллического кремния с диффузионными пьезорезисторами, подключенными в мост Уинстона. Чувствительным элементом служит кристалл ИПД, установленный на диэлектрическое основание с использованием легкоплавкого стекла или методом анодного сращивания.

Для измерения давления чистых неагрессивных сред применяются, так называемые, Low Сost - решения, основанные на использовании чувствительных элементов либо без защиты, либо с защитой силиконовым гелем.

Основным преимуществом пьезорезистивных датчиков является более высокая стабильность характеристик, по сравнению с КНС преобразователями. ИПД на основе монокристаллического кремния устойчивы к воздействию ударных и знакопеременных нагрузок. Если не происходит механического разрушения чувствительного элемента, то после снятия нагрузки он возвращается к первоначальному состоянию, что объясняется использованием идеально упругого материала.

Емкостные преобразователи используют метод изменения емкости конденсатора при изменении расстояния между обкладками. Известны керамические или кремниевые емкостные первичные преобразователи давления и преобразователи, выполненные с использованием упругой металлической мембраны. При изменении давления мембрана с электродом деформируется и происходит изменение емкости.

В элементе из керамики или кремния, пространство между обкладками обычно заполнено маслом или другой органической жидкостью.

Достоинством чувствительного емкостного элемента является простота конструкции, высокая точность и временная стабильность, возможность измерять низкие давления и слабый вакуум.

К недостаткам этого емкостного элемента можно отнести нелинейную зависимость емкости от приложенного давления.

Резонансный принцип используется в датчиках давления на основе вибрирующего цилиндра, струнных датчиках, кварцевых датчиках, резонансных датчиках на кремнии. В основе метода лежат волновые процессы: акустические или электромагнитные. Это и объясняет высокую стабильность датчиков и высокие выходные характеристики прибора.

При прогибе мембраны, происходит деформация кристалла кварца, подключенного в электрическую схему и его поляризация. В результате изменения давления частота колебаний кристалла меняется.

Преимуществом резонансных датчиков является высокая точность и стабильность характеристик, которая зависит от качества используемого материала.

К недостаткам можно отнести индивидуальную характеристику преобразования давления, значительное время отклика, невозможность проводить измерения в агрессивных средах без потери точности показаний прибора.

Индукционный способ основан на регистрации вихревых токов (токов Фуко). Чувствительный элемент состоит из двух катушек, изолированных между собой металлическим экраном. Преобразователь измеряет смещение мембраны при отсутствии механического контакта. В катушках генерируется электрический сигнал переменного тока таким образом, что заряд и разряд катушек происходит через одинаковые промежутки времени. При отклонении мембраны создается ток в фиксированной основной катушке, что приводит к изменению индуктивности системы. Смещение характеристик основной катушки дает возможность преобразовать давление в стандартизованный сигнал, по своим параметрам прямо пропорциональный приложенному давлению.

Преимуществом такой системы, является возможность измерения низких избыточных и дифференциальных давлений, достаточно высокая точность и незначительная температурная зависимость.

Однако датчик чувствителен к магнитным воздействиям, что объясняется наличием катушек, которые при прохождении переменного сигнала создают магнитное поле.

В большинстве случаев требуется несколько параметров преобразователей: точность, стабильность выходных характеристик, надежность, долговечность, низкая цена. Таким требованиям, удовлетворяют пьезорезистивные датчики давления и КНС-преобразователи, однако теряется точность и стабильность выходных характеристик, по сравнению с преобразователями на монокристаллическом кремнии. Поскольку в основном требуется высокая стабильность выходных характеристик при невысоких температурах, то интегральные индукционные преобразователи давления являются в этом случае оптимальным решением, при невысокой цене.

Исходя из этого анализа и сопоставления характеристик различных датчиков измерения параметров водного потока, мы остановились на индукционном способе преобразования давления и соответственно индукционном датчике.

Библиографический список

1. Марсден Дж., Чорин А. Математические основы механики жидкости. - М.- Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2004. 198 с.

2. Панфилов Д.И., Иванов В.С. Датчики фирмы Motorola. - М.: ДОДЭКА, 2000. 120 с.

3. Методы практического конструирования при нормировании сигналов с датчиков. По материалам семинара Practical design techniques for sensor signal conditioning. - СПб: АВТЭКС.

4. Ильинская Л.С., Подмарьков А.Н. Полупроводниковые тензодатчики. Библиотека по автоматике. -М.-Л.: Энергия, 1996. Вып. 189. 110 с.

Размещено на Allbest.ru