4. Динамика

4.  ДИНАМИКА

В этой главе будет рассмотрено влияние внешних факторов на появление и развитие расходомеров. Механизмы этого влияния мы бу­дем называть динамикой развития расходомеров. Применение расходо­меров к новым потокам, открытие новых физических эффектов, тех­нология изготовления отдельных частей расходомера и даже климати­ческие условия - все эти факторы находят свое отражение в расходо­мерах.

Пример 14. А.с.112260. 1. Прибор для определения расхода в крупном водоеме ...

2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что, с целью произ­водства измерения в зимних условиях, дренированные трубки имеют электрообогрев, включаемый при работе при­бора.

Эффект отражения внешних факторов в технических системах об­щеизвестен. Его используют, например, археологи для определения уровня развития древнего общества по сохранившимся орудиям труда.

4.1.  Возникновение и развитие расходомеров обязано двум фак­торам:

1. Расходомеры стали необходимы.

2. Появились условия создания расходомеров.

Развитие промышленности в середине XIX века привело к возник­новению задачи контроля различных потоков: пара в паровых машинах, нефти в нефтеперерабатывающих заводах и т.д.

С другой стороны к этому времени уже были изучены основные свойства газов (закон Бойля - 1660 г., Шарля - 1787 г., Авогадро - 1811 г.), природа теплоты (механический эквивалент теплоты - 1843 г.) и электромагнитного поля (открытие электромагнитной индукции Фарадеем - 1831 г.), свойства света (интерференция - 1807 г., из­мерение скорости света – 1850 г.).

Все это привело к появлению первых расходомеров:

- переменного перепада давления - XIX век;

- обтекания - 1868 г.;

- переменного уровня - 1919 г.;

- тахометрические - до 1929 г. (а.с. 7529).

Мы видим, что это, в основном, механические расходомеры (теп­ловые расходомеры тоже появились довольно рано), хотя свет, маг­нитное поле и звук были уже достаточно изучены. Объяснить это мож­но двумя причинами. Во-первых, мир техники в то время был механи­ческим. Во-вторых, еще не вступили в силу внутренние механизмы развития расходомеров. Механические расходомеры вполне справлялись с возложенными на них задачами, и незачем было "возиться" с созда­нием полевых.

4.2. В процессе возникновения новых типов расходомеров участ­вуют все те же два фактора:

- необходимость измерения расхода новых потоков;

- применение новых физических эффектов для их измерения.

Покажем это на примере возникновения электромагнитных, звуко­вых (ультразвуковых) и вихревых расходомеров.

4.2.1. "Несмотря на то, что индукционный метод измерения рас­хода был известен давно (впервые на возможность использования за­кона электромагнитной индукции для измерения скорости течения жид­костей было указано самим Фарадеем), электромагнитные расходомеры, реализующие этот метод, принадлежат к числу сравнительно новых приборов. Их появление было обусловлено рядом специфических требо­ваний медицины и биологии... Период их промышленного освоения (1953-1955 гг.)..." (Лит. 2, стр.160, 161)

Что же изменилось за период между высказыванием идеи (1831 г.) и ее реализацией (1955 г.)?

Как уже отмечалось во введении, картотека, на которой основа­на данная работа, ограничена 1928 годом. Однако уже первое изобре­тение в этой картотеке относится к применению магнитного поля.

Пример 15. А.с.4769. 1.Водомер, в котором движение поплавка, под­держиваемого ртутным столбом, находящимся под влиянием разности давления в трубке Вентури, передается на ось пишущего механизма, характеризующийся применением маг­нитной передачи, включенной между поплавком и пишущим приспособлением.

В этом изобретении магнитное поле применяется для передачи перемещения ртути в дифманометре, т.е. во вторичном приборе.

Затем магнитное поле стали применять в расходомерах более смело.

Пример 16. А.с.37897 (1934 г.). Индукционный парометр, отличающий­ся тем, что он выполнен в виде муфты 6 с диафрагмой, помещенной внутри патрубка 1, предназначенного для при­соединения к паропроводу, причем муфта 6 снабжена об­моткой 8, а патрубок 1 обмоткой 3, с целью указания расхода пара по отклонению стрелки соединенного с об­моткой 8 счетчика 16, при продвижении давлением пара обмотки 8 внутри обмотки 3, соединенной с источником переменного тока.

В этом изобретении магнитное поле применили уже в качестве носителя (рис.2.6.), П₄ - магнитное поле.

Эти два изобретения отражают процесс освоения техники, и в том числе расходомерами магнитного поля. Совершенствовались способы применения,  вторичный прибор  и  т.д.

Таким образом, к тому времени, когда потребовался бесконтакт­ный способ измерения расхода, индукционный способ был не только известен, но было подготовлено его применение. Магнитное поле при­менялось в расходомерах как бы снизу: начиная от четвертого эле­мента и до второго - эффектора.

Дальнейшее развитие электромагнитных расходомеров связано с их применением к новым потокам: открытый канал (пример 6, 7), жид­кий металл (пример 9) и т.д. Однако на этом этапе большую роль для их развития играет стремление к ИКР, устранение внутренних проти­воречий, т.е. кинематика. Это привело к динамизации и повышению управляемости магнитного поля.

Пример 17. А.с.346583. Индукционный способ измерения расхода элек­тропроводящих сред путем создания постоянного магнитно­го поля и измерения наведенной ЭДС на электродах преоб­разователя, отличающийся тем, что, с целью исключения влияния ЭДС электрохимических процессов, изменяют зна­чения магнитной индукции поля на определенную величину, измеряют соответственное изменение наведенной ЭДС на электродах преобразователя и по отношению величины из­менения ЭДС на электродах к соответствующему изменению величины магнитной индукции определяют расход среды.

В этом изобретении для решения задачи магнитное поле, которое обычно стараются стабилизировать, сделали изменяющимся. Можно при­вести много примеров того, как принцип динамизации применялся к магнитному полю. Вначале от постоянного магнитного поля перешли к переменному. Затем появились расходомеры с бегущим магнитным полем. По аналогии с тахометрическими расходомерами (а.с.7529 пример 3) скорость бегущего магнитного поля сделали изменяющейся так, чтобы она равнялась скорости течения потока.

Пример 18. А.с.142783. Устройство для бесконтактного измерения скорости течения электропроводной жидкости в трубопро­водах нулевым методом с использованием бегущего магнит­ного поля, создаваемого плоским статором, и фазочувст­вительной измерительной схемы, отличающееся тем, что, с целью исключения зависимости показаний измерительного прибора от электропроводности контролируемой жидкости, в нем применены две измерительные катушки, расположен­ные... на противоположных сторонах измерительного учас­тка трубопровода и включенные на вход фазочувствитель­ной схемы, и следящая система, управляемая выходным сигналом схемы и обеспечивающая автоматическое уравне­ние скорости бегущего магнитного поля со скоростью те­чения контролируемой жидкости.

Еще раз отметим, что возникновение и развитие электромаг­нитных расходомеров во многом обязано влиянию внешней среды, т.е. динамике. Так, в приведенных только что а.с.142783 и а.с.346583, к динамизации магнитного поля привела задача применения элктромаг­нитных расходомеров к новым потокам. В первом из них этому мешает электропроводность жидкости, а во втором - электрохимические про­цессы.

Однако динамика приводит только к таким изменениям расходоме­ров, которые не противоречат законам статики и кинематики.

Так, если явление электрической индукции, применяемое в элек­тромагнитных расходомерах, представить в вепольной форме [10], то мы получим схему, аналогичную изображенной на рис.2.3.

С другой стороны появление электромагнитных расходомеров со­ответствовало также законам кинематики: это был новый шаг в стрем­лении расходомеров к идеалу, уменьшению добавки.

4.2.2. Теперь рассмотрим появление и развитие звуковых и вих­ревых расходомеров.

Акустический метод измерения расхода не имел такой предисто­рии, как у электромагнитных расходомеров, но в своем развитии про­ходит те же этапы.

На первом этапе, когда звуковые расходомеры еще не точны и ненадежны, их применение оправдывалось только острой необхо­димостью.

Пример 19. А.с.58211. Способ определения средней скорости речного или иного потока, отличающийся тем, что на одном пунк­те потока возбуждают (например, взрывом) в потоке зву­ковые колебания и одновременно замеряют на втором пун­кте, отстоящем от первого на достаточном расстоянии, момент взрыва и момент прихода звуковой волны по пото­ку, а затем повторяют операцию, производя взрыв на втором пункте, с тем, чтобы по разности получаемых при этом скоростей звука судить об измеряемой средней ско­рости течения.

Описанный способ измерения расхода довольно груб и не точен. Однако его применение позволяет решить задачу, которую сложно ре­шить другими способами: измерить среднюю скорость речного потока. Таким образом, внешние факторы приводят к возникновению нового ти­па расходомера.

Дальнейшее развитие акустического способа измерения связано с определением скорости потоков, которые поддаются измерению и дру­гими способами.

На втором этапе, когда новый способ измерения определен, вы­яснены его слабые и сильные стороны, наряду с динамикой, на разви­тие звуковых расходомеров начинает влиять и кинематика. Устраняют различные источники погрешности, применяют ультразвук (а.с. 114352, 127077) и т.д.

Пример 20. А.с.162334. Импульсный ультразвуковой способ измерения расхода жидкости, основанный на измерении разности час­тот повторения импульсов, распространяющихся по потоку и против потока контролируемой среды, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения и быстродейс­твия прибора, расход жидкости определяют по разности частот повторения двух генераторов импульсов, излучаю­щих импульсы по потоку и против потока с такими часто­тами повторения, при которых отношение времени распрос­транения ультразвука между излучателем и приемником для каждого генератора к периоду повторения импульсов соот­ветствующего генератора равно постоянной величине боль­ше единицы.

В этом примере механизмы кинематики привели к динами­зации эффектора.

Развитие ультразвуковых расходомеров частично подготовило элементы 3 и 4 модели расходомера для возникновения вихревых рас­ходомеров. Рассмотрим их развитие.

Первый этап. Вихревые расходомеры еще очень слабые. Их приме­нение возможно только для определенного класса задач.

Пример 21. А.с.163385. Сигнализатор расхода, выполненный в виде спиральной завихряющей камеры, вмонтированной в трубо­провод, микрофона и сигнального реле, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения вихревого звука в трубопроводе расположена резонансная полость, настроенная на частоту, пропорциональную заданному зна­чению расхода.

Пример 22. А.с.17996О. Способ измерения дебита фонтанирующих газо­вых и газоконденсатных скважин, отличающийся тем, что характеристику шумовых явлений, сопровождающих выделе­ние продукта из скважины, сравнивают с тарировочными кривыми.

Возникновение вихревых расходомеров, относящихся к классу ме­ханических (эффектор - завихряющая камера), не противоречит закону увеличения степени идеальности расходомеров. Так, если в тахомет­рических расходомерах для определения степени "закрученности" по­тока винтообразными лопастями приходилось вводить магнитный шарик (пример 9), то в вихревых - поток сам сообщает это с помощью зву­ковых колебаний.

 

Второй этап. Выяснились основные недостатки и противоречия вихревых расходомеров. Повышается роль кинематики в их развитии:

компенсация внешнего шума (а.с. 183121), создание более устой­чивого завихрения (а.с.211816) и др. Однако в имеющемся у автора фонде (до 1968 г.) нет примеров для, широко распространенного в расходомерах, принципа динамизации эффектора, примененного в вих­ревых расходомерах. Учитывая новизну этих расходомеров, можно предположить, что соответствующее изобретение появится после 1968 года.

4.3. Приведенные примеры показывают, что динамика приводит только к таким изменениям расходомеров, которые не противоречат статике и кинематике. Влияние внешних факторов отличается на раз­личных этапах развития расходомеров и для различных типов. На пер­вом этапе основная роль развития расходомера принадлежит динамике. На втором этапе роль динамики уменьшается, а кинематики - возрас­тает. Можно выделить и третий этап, когда роль динамики в развитии сводится до минимума.

Различное влияние динамики на развитие расходомеров можно за­метить, сравнив развитие электромагнитных и ультразвуковых расхо­домеров: первые развивались больше под влиянием внешних факторов, вторые - более самостоятельно.

Пример 23. А.с.77346. Способ сухого электромагнитного обогащения мелких руд, отличающийся тем, что, с целью сгущения электромагнитных силовых линий в зоне расположения об­рабатываемой руды для повышения извлечения магнитных материалов, в обрабатываемую мелкую руду вводят крупные куски сильного магнитного минерала, например, магнетита.

Сравнив это изобретение с аналогичным решением по а.с. 224826 (пример 2), можно убедиться, что электромагнитные расходомеры име­ют очень много аналогов, ввиду распространенности магнитного поля. Эта особенность проявилась и в том, что магнитное поле стало при­меняться в расходомерах "снизу": вначале в 4-м, затем в третьем и только потом в качестве второго элемента модели расходомера.

В ультразвуковых расходомерах все происходило иначе. Звук в расходомерах применили сразу в качестве эффектора, и только затем были соответственно изменены элементы 3 и 4. Это привело к тому, что хотя акустический метод измерения появился и раньше, но разви­вался медленнее, чем электромагнитный (рис.4.2).

 

Тип расходомера	до 50000 а.с.	от 50000 до 100000 а.с.	от 100000 до 150000 а.с.	от 150000 до 200000 а.с.
Переменного перепада давления	10	9	7	7
Ультразвуковой	-	1	3	11
Электромагнитный	-	-	8	21
Вихревой	-	-	1	4

Рис.4.2.

Количество изобретений на расходомеры различного типа за разные периоды времени.

ДАЛЕЕ