Дослідження ультразвукових витратомірів палива
Автор: Патригура Михайло Анатолійович
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Прилади і системи точної механіки
Інститут: Інститут комп'ютерних технологій, автоматики та метрології
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2020-2021 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: Об’єкт дослідження: процес розповсюдження ультразвукових сигналів у витратомірі палива. Предмет дослідження: методи підвищення точності вимірювання витрат рідини. Мета - реалізація конструкції ультразвукового витратоміру палива, що дасть змогу забезпечити оперативний контроль і оптимізацію споживання палива двигуном трактора. Перелік завдань, які були зроблені: провести огляд існуючих систем вимірювання витрат палива; провести дослідження систем подачі палива на прикладі двигуна трактора Versatile 2375; здійснити розрахунок швидкості палива в трубці подачі палива; визначити схему розміщення витратоміру в системі подачі палива; здійснити аналіз конструкції витратоміру; моделювання руху потоку палива в програмному середовищі Solidworks flow simulation; визначення факторів, що впливають на точність виміру витрати палива; розробка стартап-проекту. Для вирішення поставлених завдань необхідно було здійснити пошук, вивчення та практичне використання апаратурних і методичних шляхів підвищення точності вимірювання витрати. В першому розділі здійснено огляд різновидів витратомірів, їх застосування витратомірів, а також принцип дії поширених промислових витратомірів. Детально розглянуто різні існуючі види систем контролю подачі палива [1]. В розділі 2 розглянуті основні технічні характеристики трактора Versatile 2375. Проаналізовано та зроблено розрахунки системи подачі палива та діапазону витрати палива. Дослідивши та проаналізувавши проблеми, які виникають при контролі витрат палива, запропоновано схему контролю. Визначення витрат запропоновано здійснювати за рахунок визначення різниці між об’ємом подачі та об’ємом повернення палива [2]. Ця схема є оптимальною і не вимагає додаткового втручання в паливну систему. Така конструкція дає змогу використовувати п’єзоелементи, що забезпечить достатньо високу чутливість. В розділі 3. для дослідження руху потоку палива в запропонованій конструкції витратоміра, використав програмне забезпечення Flow simulation, що дало можливість визначити характер руху рідини та події, які впливають на точність вимірювання витрати палива Flow simulation - програмне забезпечення, повністю інтегроване в SolidWorks, для розрахунку рідинних і газових потоків всередину і назовні моделі SolidWorks; також з його допомогою можна розрахувати теплопередачу між цими моделями, конвекцією, випромінювання і теплопровідність за допомогою технології обчислювальної гідрогазодинаміки (CFD) [3]. В ході дослідження було проаналізовано три варіанти конструкції. У третій конструкції запропоновано трубки подачі палива розмістили під кутом 450 , як показано на рис. 3.6. В результаті отримано лінійну залежність зміни швидкості та вимірювального параметру електричного сигналу - зміни різниці фази. Траєкторія руху потоку палива і незначне виникнення завихрень не призводять до значних похибок вимірювання витрати палива. Цей варіант конструкції запропоновано використати для розробки і побудови витратоміру [4]. Розділі 4 містить розрахункову частину, де проводились розрахунки розмірів п’єзоперетворювача, акустичного тракту, та фактори які впливають на точність. Вказані причини, які можуть викликати появу похибок показів в ультразвукових витратомірах. Виконано розрахунок акустичного тракту, отримано рівняння виміру витрати палива, визначені основні фактори, що впливають на точність виміру, зокрема: залежність показів від профілю швидкостей або числа Рейнольдса (Re); зміна швидкості поширення ультразвуку в середовищі внаслідок зміни його параметрів - тиску і температури, а також його концентрації; похибки, що вносяться електронної вимірювально-перетворювальної схемою, також отримана функція перетворення, завдяки якій були виведені коефіцієнти впливу. В 5 розділі розроблений стартап-проект, метою якого є проведення маркетингового аналізу стартап-проекту для визначення можливості його ринкового впровадження та можливих напрямів реалізації цього впровадження. Ідея стартап-проекту є розробка ультразвукового витратоміру палива. Новизною цієї розробки є те, що витратомір може встановлюватись на систему палива малого діаметру. Зміст ідеї, напрямки застосування та вигоди для користувача наведені у таблиці 5.1. Таблиця дає цілісне уявлення про зміст ідеї та можливі базові потенційні ринки, в межах яких потрібно шукати групи потенційних клієнтів. Основними напрямки застосування ідеї є установка витратоміру на автомобілі, аграрну та іншу техніку і його промислове використання для контролю витрат [5]. Основними перевагами є контроль витрат палива в реальному часі «online» та одночасно визначення місця знаходження та режиму роботу автомобіля чи аграрної техніки [6]. В ході аналізу стартап-проекту було підтверджено рентабельність проекту розроблення ультразвукових витратомірів палива та можливість впровадження продукту в обіг з огляду наявності цільової аудиторії, яка зацікавиться даним продуктом. В ході досліджень в якості альтернативи було вибрано удосконалення конструкції витратоміру та дослідження методів підвищення точності визначення витрати палива. В подальшому є можливості виведення проекту на міжнародний ринок. Це обумовлено тим, що їх можна встановлювати з системою GPS/GLONASS, а головне, що ультразвукові витратоміри даного типу за рахунок своєї конструкції дозволяють здійснювати контроль витрати палива в трубках діаметром 10 мм, що є великою перевагою над компаніями-конкурентами. Ключові слова: витратомір палива, п’єзоелектричний перетворювач, паливна система трактора, похибки вимірювання витрати палива, моделювання в SolidWorks, передача даних в режимі «on line».