Помощь студентам в учебе
Оценка состояния многокомпонентных труб на основе метода кинетического импеданса
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 8
1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ
ИССЛЕДОВАНИЯ 10
1.1 Обзор экспериментальных методов и установок для изучения свойств
многокомпонентных жидкостей 10
1.2 Способы определения состава многокомпонентных сред 17
1.3 Выводы по первому разделу и постановка задач исследования 27
2 ВИБРОАКУСТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ НА ОСНОВЕ КИНЕТИЧЕСКОГО
ИМПЕДАНСА 29
2.1 Проявление пьезоакитвности и пьезоактивный материал 29
2.2 Импеданс свободного преобразователя и кинетический импеданс 31
3 СРЕДА АВТОМАТИЗАЦИИ ИЗМЕРЕНИЙ LABVIEW. ОЦЕНКА
ВОЗМОЖНОСТИ ПРОВЕДЕНИЯ ВИБРОАКУСТИЧЕСКИХ
ИЗМЕРЕНИЙ В АВТОМАТИЗИРОВАННОМ РЕЖИМЕ 40
3.1 Программа LabVIEW 40
3.2 Методика снятия диаграмм кинетического импеданса 41
3.2.1 Выбор аппаратного обеспечения 41
3.2.2 Методика снятия диаграмм кругового кинетического импеданса.47
3.2.3 Алгоритм построения кинетического импеданса 48
3.2.4 Вычисление параметров, необходимых для построения диаграммы
кинетического импеданса 49
3.3 Создания программного модуля 50
3.3.1 Коммутация устройств для обработки сигналов 50
3.3.2 Описание программного модуля 53
3.4 Проведение измерений с помощью программы LabVIEW 55
3.4.1 Проведение измерений в отладочном режиме 56
3.4.2 Проведение измерений в автоматизированном режиме 59
3.5 Проведение измерений с помощью fft-преобразования 62
3.6 Базы данных 70
3.6.1 Базы данных в в Microsoft Excel 70
3.6.2 Базы данных в LabVIEW 75
4 ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ В ХОДЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
ИССЛЕДОВАНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ТРУБ 78
4.1 Проведение измерений в отладочном режиме. Получение и обработка
экспериментальных данных 78
4.1.1 Получение и обработка экспериментальных данных для пустого
сосуда 78
4.1.2 Получение и обработка экспериментальных данных для сосуда,
заполненного чистой водой 80
4.2 Проведение измерений в автоматизированном режиме. Получение и
обработка экспериментальных данных 83
4.2.1 Получение и обработка экспериментальных данных для пустого
сосуда 83
4.2.2 Получение и обработка экспериментальных данных для сосуда,
заполненного чистой водой 85
4.2.3 Получение и обработка экспериментальных данных для сосуда,
заполненного раствором хлорида натрия (насыщение 100%) 87
4.2.4 Получение и обработка экспериментальных данных для сосуда,
заполненного раствором хлорида натрия (насыщение 50%) 89
4.3 Анализ экспериментальных данных. Определение метрологических
характеристик 91
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 95
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 97
ПРИЛОЖЕНИЯ 101
ПРИЛОЖЕНИЕ А 101
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 106
ПРИЛОЖЕНИЕ В 109
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 111
ПРИЛОЖЕНИЕ Д 118
ВВЕДЕНИЕ 8
1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ
ИССЛЕДОВАНИЯ 10
1.1 Обзор экспериментальных методов и установок для изучения свойств
многокомпонентных жидкостей 10
1.2 Способы определения состава многокомпонентных сред 17
1.3 Выводы по первому разделу и постановка задач исследования 27
2 ВИБРОАКУСТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ НА ОСНОВЕ КИНЕТИЧЕСКОГО
ИМПЕДАНСА 29
2.1 Проявление пьезоакитвности и пьезоактивный материал 29
2.2 Импеданс свободного преобразователя и кинетический импеданс 31
3 СРЕДА АВТОМАТИЗАЦИИ ИЗМЕРЕНИЙ LABVIEW. ОЦЕНКА
ВОЗМОЖНОСТИ ПРОВЕДЕНИЯ ВИБРОАКУСТИЧЕСКИХ
ИЗМЕРЕНИЙ В АВТОМАТИЗИРОВАННОМ РЕЖИМЕ 40
3.1 Программа LabVIEW 40
3.2 Методика снятия диаграмм кинетического импеданса 41
3.2.1 Выбор аппаратного обеспечения 41
3.2.2 Методика снятия диаграмм кругового кинетического импеданса.47
3.2.3 Алгоритм построения кинетического импеданса 48
3.2.4 Вычисление параметров, необходимых для построения диаграммы
кинетического импеданса 49
3.3 Создания программного модуля 50
3.3.1 Коммутация устройств для обработки сигналов 50
3.3.2 Описание программного модуля 53
3.4 Проведение измерений с помощью программы LabVIEW 55
3.4.1 Проведение измерений в отладочном режиме 56
3.4.2 Проведение измерений в автоматизированном режиме 59
3.5 Проведение измерений с помощью fft-преобразования 62
3.6 Базы данных 70
3.6.1 Базы данных в в Microsoft Excel 70
3.6.2 Базы данных в LabVIEW 75
4 ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ В ХОДЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
ИССЛЕДОВАНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ТРУБ 78
4.1 Проведение измерений в отладочном режиме. Получение и обработка
экспериментальных данных 78
4.1.1 Получение и обработка экспериментальных данных для пустого
сосуда 78
4.1.2 Получение и обработка экспериментальных данных для сосуда,
заполненного чистой водой 80
4.2 Проведение измерений в автоматизированном режиме. Получение и
обработка экспериментальных данных 83
4.2.1 Получение и обработка экспериментальных данных для пустого
сосуда 83
4.2.2 Получение и обработка экспериментальных данных для сосуда,
заполненного чистой водой 85
4.2.3 Получение и обработка экспериментальных данных для сосуда,
заполненного раствором хлорида натрия (насыщение 100%) 87
4.2.4 Получение и обработка экспериментальных данных для сосуда,
заполненного раствором хлорида натрия (насыщение 50%) 89
4.3 Анализ экспериментальных данных. Определение метрологических
характеристик 91
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 95
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 97
ПРИЛОЖЕНИЯ 101
ПРИЛОЖЕНИЕ А 101
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 106
ПРИЛОЖЕНИЕ В 109
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 111
ПРИЛОЖЕНИЕ Д 118
Актуальность темы: Современная промышленность - нефтяная, химическая, энергетическая и другие отрасли часто сталкиваются с проблемой идентификации и анализа многокомпонентных сред, следовательно исследования в данном вопросе являются важными, актуальными и необходимыми.
В населённых пунктах можно увидеть большое разнообразие трубопроводов, по которым обычно транспортируется газ, движется нефть или течёт вода. Одним и более проблемным местом из всех проблем России и её энергетики является отложение накипи в трубопроводах как горячей, так и холодной воды.
Образование накипи способствует снижению пропускной способности трубопроводов, что означает повышение давления для прокачки требуемого количества воды. Повышение давления - это не только затратное дело (увеличится потребляемая электроэнергия насоса), но и риск образования течи, ведущая к дальнейшему разрушению трубопровода.
Задача идентификации и определения состава многокомпонентной жидкости - это важная метрологическая задача, определяющая точность измерения расхода и состава жидкости.
Научная новизна работы состоит в том, что в результате выполнения магистерской диссертации разработана методика снятия диаграмм кругового кинетического импеданса и эквивалентных параметров резонансной механической цепи.
Практическая значимость заключается в том, что результаты работы имеют прикладное значение для оценки технического состояния многокомпонентных труб, принятия упреждающих мер для повышения надежности длительно эксплуатируемых трубопроводов в условиях ограниченности финансовых и материальных ресурсов при проведении реконструкции и ремонта дефектных участков.
Целью работы является обеспечение автоматизированного проведения частотных измерений околорезонансных характеристик многокомпонентных труб
и применение метода кинетического импеданса для оценки состава.
Задачи:
1) провести аналитический обзор литературы и поставить задачи исследования;
2) описать виброакустические измерения на основе кинетического импеданса;
3) оценить возможность проведения виброакустических измерений в автоматизированном режиме и разработать автоматизированный программный модуль в среде LabVIEW для оценки состояния многокомпонентных труб;
4) обработать результаты, полученных в ходе эксперимента исследования многокомпонентных труб
В населённых пунктах можно увидеть большое разнообразие трубопроводов, по которым обычно транспортируется газ, движется нефть или течёт вода. Одним и более проблемным местом из всех проблем России и её энергетики является отложение накипи в трубопроводах как горячей, так и холодной воды.
Образование накипи способствует снижению пропускной способности трубопроводов, что означает повышение давления для прокачки требуемого количества воды. Повышение давления - это не только затратное дело (увеличится потребляемая электроэнергия насоса), но и риск образования течи, ведущая к дальнейшему разрушению трубопровода.
Задача идентификации и определения состава многокомпонентной жидкости - это важная метрологическая задача, определяющая точность измерения расхода и состава жидкости.
Научная новизна работы состоит в том, что в результате выполнения магистерской диссертации разработана методика снятия диаграмм кругового кинетического импеданса и эквивалентных параметров резонансной механической цепи.
Практическая значимость заключается в том, что результаты работы имеют прикладное значение для оценки технического состояния многокомпонентных труб, принятия упреждающих мер для повышения надежности длительно эксплуатируемых трубопроводов в условиях ограниченности финансовых и материальных ресурсов при проведении реконструкции и ремонта дефектных участков.
Целью работы является обеспечение автоматизированного проведения частотных измерений околорезонансных характеристик многокомпонентных труб
и применение метода кинетического импеданса для оценки состава.
Задачи:
1) провести аналитический обзор литературы и поставить задачи исследования;
2) описать виброакустические измерения на основе кинетического импеданса;
3) оценить возможность проведения виброакустических измерений в автоматизированном режиме и разработать автоматизированный программный модуль в среде LabVIEW для оценки состояния многокомпонентных труб;
4) обработать результаты, полученных в ходе эксперимента исследования многокомпонентных труб
В данной квалификационной работе было проведено изучение существующих методов анализа параметров многокомпонентных жидкостей, выявлены достоинства и недостатки этих методов. Был подробно изучен виброакустический метод на основе метода кинетического импеданса и методика построения импеданс-диаграмм.
Также были изучены возможности среды программирования LabVIEW, принципы построения программ и работа с внешними устройствами. В среде LabVIEW была разработана программа, позволяющая автоматизировать процесс виброакустических измерений параметров многокомпонентной жидкости. С помощью данной программы было проведено экспериментальное исследование.
В ходе проведения эксперимента были выявлены определенные закономерности и сделаны выводы о связи между экспериментальными данными и параметрами многокомпонентной жидкости. Прямые зависимости выявить не удалось, но была доказана перспективность исследований в данном направлении.
1. Разработана автоматизированная лабораторная установка, обладающая высокой чувствительностью к изменению параметров жидкости. Виртуальная часть установки реализована в вычислительной среде LabVIEW и представляет собой программный генератор сигналов и модуль обработки входного сигнала, включающий полосовой фильтр четвертого порядка и блок выделения параметров основной гармоники (амплитуда и разность фаз), а также блок графического представления и анализа диаграмм кинетического импеданса.
2. Обнаружено, что наиболее зависимым от концентрации раствора (плотность) является диаметр диаграммы кинетического импеданса. При этом можно отметить, что влияние на диаметр температуры и давления незначительно.
3. Чувствительность информационных виброакустических параметров к изменению концентрации раствора составляет:
4. Чувствительность по диаметру 15 Ом/%;
5. Чувствительность по частотному квадрантному промежутку 1 Гц/%;
6. Чувствительность по резонансной частоте 12,5 Гц/%.
7. Выявлена достаточно высокая погрешность измерений при снятии диаграмм кинетического импеданса, что связано с изменением давления в герметичном измерительном сосуде в процессе вибрационного воздействия на жидкость и, как следствие, ее дегазации. В предположении нормального закона распределения вероятности погрешности многократных измерений СКО среднего арифметического составляет на частоте резонанса 4%, а с удалением от частоты резонанса погрешность уменьшается до 1-2%.
8. При автоматизации виброакустических измерений время для снятия и построения диаграммы кинетического импеданса из 100 точек составляет 20-30 с. для неоптимизированной программы, что сравнимо с постоянной времени изменения состава жидкости в трубопроводах. Это позволяет говорить о возможности проведения измерений состава жидкости в реальном масштабе времени.
4. Чувствительность по диаметру 15 Ом/%;
5. Чувствительность по частотному квадрантному промежутку 1 Гц/%;
6. Чувствительность по резонансной частоте 12,5 Гц/%.
7. Выявлена достаточно высокая погрешность измерений при снятии диаграмм кинетического импеданса, что связано с изменением давления в герметичном измерительном сосуде в процессе вибрационного воздействия на жидкость и, как следствие, ее дегазации. В предположении нормального закона распределения вероятности погрешности многократных измерений СКО среднего арифметического составляет на частоте резонанса 4%, а с удалением от частоты резонанса погрешность уменьшается до 1-2%.
8. При автоматизации виброакустических измерений время для снятия и построения диаграммы кинетического импеданса из 100 точек составляет 20-30 с. для неоптимизированной программы, что сравнимо с постоянной времени изменения состава жидкости в трубопроводах. Это позволяет говорить о возможности проведения измерений состава жидкости в реальном масштабе времени.
Также были изучены возможности среды программирования LabVIEW, принципы построения программ и работа с внешними устройствами. В среде LabVIEW была разработана программа, позволяющая автоматизировать процесс виброакустических измерений параметров многокомпонентной жидкости. С помощью данной программы было проведено экспериментальное исследование.
В ходе проведения эксперимента были выявлены определенные закономерности и сделаны выводы о связи между экспериментальными данными и параметрами многокомпонентной жидкости. Прямые зависимости выявить не удалось, но была доказана перспективность исследований в данном направлении.
1. Разработана автоматизированная лабораторная установка, обладающая высокой чувствительностью к изменению параметров жидкости. Виртуальная часть установки реализована в вычислительной среде LabVIEW и представляет собой программный генератор сигналов и модуль обработки входного сигнала, включающий полосовой фильтр четвертого порядка и блок выделения параметров основной гармоники (амплитуда и разность фаз), а также блок графического представления и анализа диаграмм кинетического импеданса.
2. Обнаружено, что наиболее зависимым от концентрации раствора (плотность) является диаметр диаграммы кинетического импеданса. При этом можно отметить, что влияние на диаметр температуры и давления незначительно.
3. Чувствительность информационных виброакустических параметров к изменению концентрации раствора составляет:
4. Чувствительность по диаметру 15 Ом/%;
5. Чувствительность по частотному квадрантному промежутку 1 Гц/%;
6. Чувствительность по резонансной частоте 12,5 Гц/%.
7. Выявлена достаточно высокая погрешность измерений при снятии диаграмм кинетического импеданса, что связано с изменением давления в герметичном измерительном сосуде в процессе вибрационного воздействия на жидкость и, как следствие, ее дегазации. В предположении нормального закона распределения вероятности погрешности многократных измерений СКО среднего арифметического составляет на частоте резонанса 4%, а с удалением от частоты резонанса погрешность уменьшается до 1-2%.
8. При автоматизации виброакустических измерений время для снятия и построения диаграммы кинетического импеданса из 100 точек составляет 20-30 с. для неоптимизированной программы, что сравнимо с постоянной времени изменения состава жидкости в трубопроводах. Это позволяет говорить о возможности проведения измерений состава жидкости в реальном масштабе времени.
4. Чувствительность по диаметру 15 Ом/%;
5. Чувствительность по частотному квадрантному промежутку 1 Гц/%;
6. Чувствительность по резонансной частоте 12,5 Гц/%.
7. Выявлена достаточно высокая погрешность измерений при снятии диаграмм кинетического импеданса, что связано с изменением давления в герметичном измерительном сосуде в процессе вибрационного воздействия на жидкость и, как следствие, ее дегазации. В предположении нормального закона распределения вероятности погрешности многократных измерений СКО среднего арифметического составляет на частоте резонанса 4%, а с удалением от частоты резонанса погрешность уменьшается до 1-2%.
8. При автоматизации виброакустических измерений время для снятия и построения диаграммы кинетического импеданса из 100 точек составляет 20-30 с. для неоптимизированной программы, что сравнимо с постоянной времени изменения состава жидкости в трубопроводах. Это позволяет говорить о возможности проведения измерений состава жидкости в реальном масштабе времени.
