Устройство генерации колебаний потока жидкости с дополнительными регуляторами проходного сечения
ART 86644
Авторы:
А.
А. Кузин, А.
И. Сойко
А.
А. Кузин, А.
И. Сойко Библиографическое описание статьи для цитирования:
Кузин
А.
А.,
Сойко
А.
И. Устройство генерации колебаний потока жидкости с дополнительными регуляторами проходного сечения // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2016. – Т. 11. – С.
3046–3050. – URL:
http://e-koncept.ru/2016/86644.htm.
Аннотация. В работе рассмотрено устройство генерации колебаний потока жидкости с дополнительными регуляторами проходного сечения, позволяющими генерировать колебания потока жидкости в гидравлическом замкнутом контуре различных форм и амплитуд. Данные устройства могут использоваться в медицинской практике (при поверке средств измерений артериального давления и частоты сердечных сокращений), в испытательных гидравлических системах для динамических исследований импульсов генерируемого расхода и т. д.
Ключевые слова:
устройство генерации колебаний, регулятор проходного сечения потока, импульсы генерируемого потока
Текст статьи
Кузин Александр Андреевич,Студент КНИТУКАИ им. А.Н. Туполева, Казаньa250896@rambler.ru
Сойко Алексей Игоревич,Кандидат технических наук, доцент кафедры стандартизации, сертификации и технологического менеджмента, КНИТУКАИ им. А.Н. Туполева, Казаньalexsoiko@yandex.ru
Устройство генерации колебаний потока жидкости
с дополнительными регуляторами проходного сечения
Аннотация.В работе рассмотрено устройство генерации колебаний потока жидкости с дополнительными регуляторами проходного сечения, позволяющими генерировать колебания потока жидкости в гидравлическом замкнутом контуре различных форм и амплитуд. Данные устройства могут использоваться в медицинской практике при поверке средств измерений артериального давления и частоты сердечных сокращений, в испытательных гидравлических системах для динамических исследований импульсов генерируемого расхода и т.д.Ключевые слова:устройство генерации колебаний, регулятор проходного сечения потока, импульсы генерируемого потока
Объектом исследования являются устройства генерации колебаний с дополнительными регуляторами проходного сечения, с помощью которого изучаются импульсы генерируемого потока различных форм и амплитуд в замкнутом гидравлическом контуре установок для поверки средств измерений артериального давления и частоты сердечных сокращений. Целью работы является исследование форм импульсов давления в измерительном канале экспериментальной установки для поверки средств измерений, содержащих каналы измерения артериального давления и частоты сердечных сокращений. Метод генерации колебаний на базе предложенных устройств позволяет повысить точность формируемых импульсов давления и достоверность результатов контроляисследуемых параметров при поверке средств измерений, содержащих каналы измерения артериального давления и частоты сердечных сокращений. Существующие методы, способы и устройства генерации колебаний [1, 2, 3, 4] позволяют воспроизводить в испытательном участке колебания синусоидальной формы, что не позволяет их использовать для создания калиброванного импульса, близкого по форме к пульсовой волне. Кроме этого, техническое решение устройств такое, что позволяет снизить погрешность в результате измерений за счет уменьшения перепада давления; устранить наличие гидравлического удара; расширить возможности получения расхода жидкости различных форм и амплитуд за счет различных исполнений форм и сечений ротора и наличий дополнительных регуляторов проходного сечения. Приблизить процесс поверки средств измерений к реальным процессам измерения артериального давления и частоты сердечных сокращений современными средствами измерений и измерительными системами, позволяет существенно снизить методическую составляющую погрешности самой поверки. Предложенное устройство генерации колебаний с дополнительным регулятором проходного сечения потока является основным элементом экспериментальных поверочных установок средств измерений, содержащих каналы измерения артериального давления и частоты сердечных сокращений и позволяет создавать формы импульсов артериального давления для сличения с поверяемыми средствами измерений [5, 6]. Развитие методов на базе используемых устройств позволяет симулировать различные колебания и ориентировать такие установки на средства измерений различных типов, модификаций, принципов измерений и обработки результатов, а также суточных мониторов, широко используемых в медицинской практике [7]. С целью регулирования пульсаций расхода более сложных форм выходные трубопроводы 4и 5соединены между собой дополнительным трубопроводом 13, в котором установлен регулятор проходного сечения потока, выполненный в виде поршня 11с возможностью вращательного движения, концы которого 12выполнены выступающими в трубопроводы, усеченными и ориентированными друг относительно друга на рис. 1.Поршень 11связан через муфту 14с валом второго двигателя 15и управляется блоком управления 10. Блок управления 10задает частоту вращения вала первого 9 и второго двигателей 15. При вращении вала двигателя 9с укрепленным на нем цилиндрическим ротором 1окна ротора 1периодически совпадают с выходными окнами статора2, причем момент совмещения окон в первом и втором трубопроводах 4и 5находится в противофазе, т.е. при полном совмещении одного из окон ротора 1с окном выходного трубопровода окно другого трубопровода в этот момент времени полностью закрыто. Это достигается при полном совмещении окон статора 2с окнами ротора 1. Одновременно с ротором 1осуществляется и вращение поршня 11в дополнительном трубопроводе 13. Противоположное перекрытие штоками 12поршня 11позволяет регулировать поток жидкости в выходных трубопроводах 4и 5 в противофазе, а также генерировать сложные формы импульсов расхода жидкости в колебательном контуре.
Рис. 1. Регулятор проходного сечения потока с вращательным движением поршня
Уровень открытия отверстия hможно определить как:, (1)где x0–уровень начального открытия отверстия, м; x–ход поршня, м; or–параметр, определяющий направление перекрытия отверстия принимается равным 1, если открывает проходное отверстие, в противном случае –1).Площадь перекрытия A(h выходных каналов в зависимости от положения поршня можно определить:
, (2)где d0–диаметр отверстия, м; z–количество отверстий;Aleak–минимальная площадь перекрытого отверстия, м2; –максимальная площадь выходного отверстия, м2.Пусть закон изменения расхода пульсатором расхода в измерительном канале колебательного контура задается уравнением:y1= Q1·cos(ω1·t+φ1), (3)где Q1–номинальный расход жидкости, определяемый площадью перекрытия выходных окон статора различными формами выходных окон ротора пульсатора расхода, мл/с;ω1 –частота вращения вала двигателя пульсатора расхода;φ1 –начальная фаза колебаний. Последовательно включенный в колебательный контур регулятор проходного сечения обеспечивает изменение закона движения потока жидкости в его выходных трубопроводах по закону:y2= Q2·cos(ω2·t+φ2), (4)где Q2–номинальный расход жидкости, создаваемый регулятором проходного сечения потока, мл/с;ω2 –частота вращения поршня в дополнительном трубопроводе;φ2 –начальная фаза колебаний. Результирующее движение является одномерным и совершается вдоль оси потока жидкости: y= Q1·cos(ω1·t+φ1) + Q2·cos(ω2·t+φ2). (5)Гармонические колебания y1 и y2 являются некогерентными, при этом разность фаз зависит от времени Δφ= φ2–φ1≠ const. Это возможно только, если частоты колебаний различны ω1≠ ω2. При сложении таких колебаний получаются негармонические результирующие колебания. В этом случае разность фаз Δφнепрерывно меняется.При сложении некогерентных колебаний разность фаз Δφ= φ2–φ1изменяется со временем, тогда косинус cosΔφизменяется от 1 до 1, следовательно, амплитуда результирующего движения с течением времени изменяется от разности Q1–Q2 до суммы амплитуд складываемых колебаний Q1+ Q2. Фаза результирующего колебания φt зависит от времени нелинейно. Поэтому, несмотря на то, что вектораy1и y2равномерно вращаются вокруг начала координат, вектор yрезультирующего движения будет вращаться неравномерно, то ускоряясь, то замедляясь.На рис. 2 показана форма импульсов генерируемого давления в измерительном модуле поверочной установки при использовании таких регуляторов потока.
Рис. 2. Форма импульсов давления при наличии дополнительного регулятора проходного сечения потока
Устройства могут найти применение в приборостроительной промышленности при метрологической аттестации средств измерений, связанных с измерением давления и расхода жидкости. Например: поверка приборов для измерения кровяного давления, исследования динамических характеристик расходомеров на испытательных участках трубопровода, где необходимо знать кривую расхода и т.д. Дальнейшая оценка динамических параметров кривой давления позволит с заданной точностью осуществлять передачу размера единицы артериального давления и частоты сердечных сокращений поверяемым средствам измерений.
Ссылки на источники1. А. с. 637722 СССР. Генератор переменного расхода / А.А. Иванов, В.А. Решетников, В.Г. Закатин. –№ 2325950/1810; заявл. 16.02.1976; опубл. 15.12.1978, Бюл. № 46. 2. А. с. 1013764 СССР. Гидромеханический пульсатор / Э.С. Островский, –№ 2700963/1810; заявл. 15.12.1978; опубл. 23.04.1983, Бюл. № 15. 3.Балабышко, А.М.Роторные аппараты с модуляцией потока и их применение в промышленности / А.М. Балабышко, В.Ф. Юдаев. –М.: Недра, 1992. –176 с. 4. Промтов, М.А.Пульсационные аппараты роторного типа: теория и практика: монография / М.А. Промтов. –М.: Машиностроение1, 2001. –260 с.5. Пат. РФ № 2477839 Российская Федерация, МПК G01F25/00. Генератор пульсирующих потоков / О.Р. Каратаев, Р.Н. Каратаев, А.И. Сойко и др.; заявитель и патентообладатель КГТУ им. А.Н. Туполева. –№ 2011130803, заявл. 22.07.2011; опубл. 20.03.2013, Бюл. № 86. Пат. РФ № 2477618 Российская Федерация, МПК А61В 5/00. Установка пульсирующих потоков жидкости для комплектной поверки автоматизированных сфигмоманометров / Р.Н. Каратаев, А.И. Сойко, А.И. Хрунина и др.; заявитель и патентообладатель КГТУ им. А.Н. Туполева. –№ 2011130711, заявл. 21.07.2011; опубл. 20.03.2013, Бюл. № 87. Каратаев, Р.Н. Установки пульсирующих потоков жидкости для комплектной поверки неинвазивных сфигмоманометров: монография / Р.Н. Каратаев, А.И. Сойко –Казань: Издво Казан. гос. техн. унта, 2015. –200 с.
Сойко Алексей Игоревич,Кандидат технических наук, доцент кафедры стандартизации, сертификации и технологического менеджмента, КНИТУКАИ им. А.Н. Туполева, Казаньalexsoiko@yandex.ru
Устройство генерации колебаний потока жидкости
с дополнительными регуляторами проходного сечения
Аннотация.В работе рассмотрено устройство генерации колебаний потока жидкости с дополнительными регуляторами проходного сечения, позволяющими генерировать колебания потока жидкости в гидравлическом замкнутом контуре различных форм и амплитуд. Данные устройства могут использоваться в медицинской практике при поверке средств измерений артериального давления и частоты сердечных сокращений, в испытательных гидравлических системах для динамических исследований импульсов генерируемого расхода и т.д.Ключевые слова:устройство генерации колебаний, регулятор проходного сечения потока, импульсы генерируемого потока
Объектом исследования являются устройства генерации колебаний с дополнительными регуляторами проходного сечения, с помощью которого изучаются импульсы генерируемого потока различных форм и амплитуд в замкнутом гидравлическом контуре установок для поверки средств измерений артериального давления и частоты сердечных сокращений. Целью работы является исследование форм импульсов давления в измерительном канале экспериментальной установки для поверки средств измерений, содержащих каналы измерения артериального давления и частоты сердечных сокращений. Метод генерации колебаний на базе предложенных устройств позволяет повысить точность формируемых импульсов давления и достоверность результатов контроляисследуемых параметров при поверке средств измерений, содержащих каналы измерения артериального давления и частоты сердечных сокращений. Существующие методы, способы и устройства генерации колебаний [1, 2, 3, 4] позволяют воспроизводить в испытательном участке колебания синусоидальной формы, что не позволяет их использовать для создания калиброванного импульса, близкого по форме к пульсовой волне. Кроме этого, техническое решение устройств такое, что позволяет снизить погрешность в результате измерений за счет уменьшения перепада давления; устранить наличие гидравлического удара; расширить возможности получения расхода жидкости различных форм и амплитуд за счет различных исполнений форм и сечений ротора и наличий дополнительных регуляторов проходного сечения. Приблизить процесс поверки средств измерений к реальным процессам измерения артериального давления и частоты сердечных сокращений современными средствами измерений и измерительными системами, позволяет существенно снизить методическую составляющую погрешности самой поверки. Предложенное устройство генерации колебаний с дополнительным регулятором проходного сечения потока является основным элементом экспериментальных поверочных установок средств измерений, содержащих каналы измерения артериального давления и частоты сердечных сокращений и позволяет создавать формы импульсов артериального давления для сличения с поверяемыми средствами измерений [5, 6]. Развитие методов на базе используемых устройств позволяет симулировать различные колебания и ориентировать такие установки на средства измерений различных типов, модификаций, принципов измерений и обработки результатов, а также суточных мониторов, широко используемых в медицинской практике [7]. С целью регулирования пульсаций расхода более сложных форм выходные трубопроводы 4и 5соединены между собой дополнительным трубопроводом 13, в котором установлен регулятор проходного сечения потока, выполненный в виде поршня 11с возможностью вращательного движения, концы которого 12выполнены выступающими в трубопроводы, усеченными и ориентированными друг относительно друга на рис. 1.Поршень 11связан через муфту 14с валом второго двигателя 15и управляется блоком управления 10. Блок управления 10задает частоту вращения вала первого 9 и второго двигателей 15. При вращении вала двигателя 9с укрепленным на нем цилиндрическим ротором 1окна ротора 1периодически совпадают с выходными окнами статора2, причем момент совмещения окон в первом и втором трубопроводах 4и 5находится в противофазе, т.е. при полном совмещении одного из окон ротора 1с окном выходного трубопровода окно другого трубопровода в этот момент времени полностью закрыто. Это достигается при полном совмещении окон статора 2с окнами ротора 1. Одновременно с ротором 1осуществляется и вращение поршня 11в дополнительном трубопроводе 13. Противоположное перекрытие штоками 12поршня 11позволяет регулировать поток жидкости в выходных трубопроводах 4и 5 в противофазе, а также генерировать сложные формы импульсов расхода жидкости в колебательном контуре.
Рис. 1. Регулятор проходного сечения потока с вращательным движением поршня
Уровень открытия отверстия hможно определить как:, (1)где x0–уровень начального открытия отверстия, м; x–ход поршня, м; or–параметр, определяющий направление перекрытия отверстия принимается равным 1, если открывает проходное отверстие, в противном случае –1).Площадь перекрытия A(h выходных каналов в зависимости от положения поршня можно определить:
, (2)где d0–диаметр отверстия, м; z–количество отверстий;Aleak–минимальная площадь перекрытого отверстия, м2; –максимальная площадь выходного отверстия, м2.Пусть закон изменения расхода пульсатором расхода в измерительном канале колебательного контура задается уравнением:y1= Q1·cos(ω1·t+φ1), (3)где Q1–номинальный расход жидкости, определяемый площадью перекрытия выходных окон статора различными формами выходных окон ротора пульсатора расхода, мл/с;ω1 –частота вращения вала двигателя пульсатора расхода;φ1 –начальная фаза колебаний. Последовательно включенный в колебательный контур регулятор проходного сечения обеспечивает изменение закона движения потока жидкости в его выходных трубопроводах по закону:y2= Q2·cos(ω2·t+φ2), (4)где Q2–номинальный расход жидкости, создаваемый регулятором проходного сечения потока, мл/с;ω2 –частота вращения поршня в дополнительном трубопроводе;φ2 –начальная фаза колебаний. Результирующее движение является одномерным и совершается вдоль оси потока жидкости: y= Q1·cos(ω1·t+φ1) + Q2·cos(ω2·t+φ2). (5)Гармонические колебания y1 и y2 являются некогерентными, при этом разность фаз зависит от времени Δφ= φ2–φ1≠ const. Это возможно только, если частоты колебаний различны ω1≠ ω2. При сложении таких колебаний получаются негармонические результирующие колебания. В этом случае разность фаз Δφнепрерывно меняется.При сложении некогерентных колебаний разность фаз Δφ= φ2–φ1изменяется со временем, тогда косинус cosΔφизменяется от 1 до 1, следовательно, амплитуда результирующего движения с течением времени изменяется от разности Q1–Q2 до суммы амплитуд складываемых колебаний Q1+ Q2. Фаза результирующего колебания φt зависит от времени нелинейно. Поэтому, несмотря на то, что вектораy1и y2равномерно вращаются вокруг начала координат, вектор yрезультирующего движения будет вращаться неравномерно, то ускоряясь, то замедляясь.На рис. 2 показана форма импульсов генерируемого давления в измерительном модуле поверочной установки при использовании таких регуляторов потока.
Рис. 2. Форма импульсов давления при наличии дополнительного регулятора проходного сечения потока
Устройства могут найти применение в приборостроительной промышленности при метрологической аттестации средств измерений, связанных с измерением давления и расхода жидкости. Например: поверка приборов для измерения кровяного давления, исследования динамических характеристик расходомеров на испытательных участках трубопровода, где необходимо знать кривую расхода и т.д. Дальнейшая оценка динамических параметров кривой давления позволит с заданной точностью осуществлять передачу размера единицы артериального давления и частоты сердечных сокращений поверяемым средствам измерений.
Ссылки на источники1. А. с. 637722 СССР. Генератор переменного расхода / А.А. Иванов, В.А. Решетников, В.Г. Закатин. –№ 2325950/1810; заявл. 16.02.1976; опубл. 15.12.1978, Бюл. № 46. 2. А. с. 1013764 СССР. Гидромеханический пульсатор / Э.С. Островский, –№ 2700963/1810; заявл. 15.12.1978; опубл. 23.04.1983, Бюл. № 15. 3.Балабышко, А.М.Роторные аппараты с модуляцией потока и их применение в промышленности / А.М. Балабышко, В.Ф. Юдаев. –М.: Недра, 1992. –176 с. 4. Промтов, М.А.Пульсационные аппараты роторного типа: теория и практика: монография / М.А. Промтов. –М.: Машиностроение1, 2001. –260 с.5. Пат. РФ № 2477839 Российская Федерация, МПК G01F25/00. Генератор пульсирующих потоков / О.Р. Каратаев, Р.Н. Каратаев, А.И. Сойко и др.; заявитель и патентообладатель КГТУ им. А.Н. Туполева. –№ 2011130803, заявл. 22.07.2011; опубл. 20.03.2013, Бюл. № 86. Пат. РФ № 2477618 Российская Федерация, МПК А61В 5/00. Установка пульсирующих потоков жидкости для комплектной поверки автоматизированных сфигмоманометров / Р.Н. Каратаев, А.И. Сойко, А.И. Хрунина и др.; заявитель и патентообладатель КГТУ им. А.Н. Туполева. –№ 2011130711, заявл. 21.07.2011; опубл. 20.03.2013, Бюл. № 87. Каратаев, Р.Н. Установки пульсирующих потоков жидкости для комплектной поверки неинвазивных сфигмоманометров: монография / Р.Н. Каратаев, А.И. Сойко –Казань: Издво Казан. гос. техн. унта, 2015. –200 с.
