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.
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.