Именно отсутствие единого подхода, который предусматривал бы создание на базе теории взаимодействия потока измеряемой среды с чувствительным элементом соответствующего математического аппарата, определение критериев оптимизации, разработку алгоритмов оптимизации и программного обеспечения, верификацию полученных результатов, т.е. создание не отдельных  подходов, а системы оптимального проектирования крыльчатых счетчиков воды и определили проблематику данной статьи.

Целью работы была разработка такой системы, которая необходима для исследования разных конструкций крыльчатых счетчиков в разных условиях эксплуатации и для поиска оптимальных вариантов создания прибора, благодаря которым можно было бы обеспечить высокие метрологические показатели во всем диапазоне измерения. Для реализации этой цели были решены следующие научно-технические задачи:

• проведен анализ состояния и выявлены тенденции развития скоростного метода измерения расхода и количества жидкостей, на котором и работают крыльчатые счетчики; оценены перспективы создания крыльчатых средств измерения расхода с высокими метрологическими характеристиками;
• разработана математическая модель крыльчатых счетчиков;
• проведено математическое моделирование работы крыльчатых счетчиков в условиях установившихся и неустановившихся потоков с целью оценки возможностей их использования при быстропеременных расходах воды;
• проанализированы метрологические характеристики разных крыльчатых счетчиков на предмет их улучшения;
• на основании выбранной стратегии методов оптимизационного исследования разработаны комплексные алгоритмы оптимизации конструкций крыльчатых счетчиков;
• разработано программное обеспечение, необходимое для реализации алгоритмов математического моделирования и комплексных алгоритмов оптимизации;
• проведен анализ результатов экспериментальных исследований существующих конструкций крыльчатых счетчиков для подтверждения правильности выбранных принципов оптимального проектирования счетчиков.

Опустив особенности создания математической модели крыльчатых счетчиков, которая достаточно хорошо была описана ранее [1,2], остановимся детальнее на вопросах оптимизации. Постановка задачи оптимизации параметров крыльчатых первичных преобразователей расхода воды предусматривает, помимо создания уже упомянутой математической модели, формализацию критериев оптимальности, наложение ограничений и, наконец, выбор метода оптимизации.

Независимо от условий работы крыльчатых счетчиков-расходомеров наиболее важным является такой критерий оптимизации, как минимальная относительная погрешность.

Анализ математической модели показал, что среди конструктивных параметров крыльчатых преобразователей расхода наиболее важными с точки зрения нахождения их оптимальных значений являются (см. рис. 1):

• внешний радиус крыльчатки rкр;
• количество лопастей k;
• относительный радиус втулки rвт = f(rкр);
• радиальный зазор в корпусе вращения крыльчатки, ';
• торцевой зазор в корпусе вращения крыльчатки, ;
• высота лопасти Н;
• длина входного патрубка L;
• угол отклонения оси патрубка от горизонтальной оси первичного преобразователя 2.

В результате приходим к выводу, что задача оптимизации при существовании ограничений является достаточно сложной и для получения практического метода решения, учитывая характер целевой функции [3], наложенные явные ограничения на проектные параметры, а также возможности ЭВМ, мы разработали свой алгоритм. Особенность стратегии состоит не в выборе малости шага, а в возможности перебора на предмет получения минимума целевой функции всех возможных комбинаций проектных параметров.

В целом разработанный метод оптимизации позволяет легко учесть наложенные на область поиска ограничения и выгодно отличается от остальных методов прямого поиска простотой и удобством программирования.

Для написания программного продукта была выбрана среда программирования DELPHI. Программа предусматривает такие возможности:
1. Введение данных (конструктивных параметров первичного преобразователя расхода крыльчатого типа, физических характеристик измеряемой среды (рис. 2, а), характера изменения расхода (рис. 2, б)) с помощью удобного интерфейса.

2. Расчет и вывод в реальном времени всех информативных графических зависимостей, с помощью которых можно доскональноизучить особенности взаимодействия чувствительного элемента счетчика с потоком, оценить метрологические характеристики прибора при изменении его конструктивных параметров и характеристик измеряемой среды (рис. 3).
3. Проведение оптимизации конструкции первичного преобразователя расхода (рис. 4).

Для удобства работы программа была разбита на несколько общих блоков:

• «Динамический режим»
• «Статический режим»
• «Оптимизация»

Итак, улучшение метрологических и эксплуатационных характеристик крыльчатых счетчиков-расходомеров возможно за счет выбора рациональных соотношений между их геометрическими размерами. Поскольку геометрических параметров, определяющих метрологические характеристики прибора, много и на метрологические характеристики влияют не только отдельно взятые параметры, а также их соотношения, то становится понятным стремление отыскать оптимальные значения параметров теоретическим, а не сложным и затратным экспериментальным путем.

Литература
1. Гришанова І.А., Коробко І.В. Основні аспекти створення математичної моделі засобів вимірювання витрат енергоносіїв // Наук. вісті НТУУ «КПИ». — 2001. — 12, № 3. — С. 121-128.
2. Гришанова И.А., Коробко И.В. К вопросу о создании математической модели скоростных средств измерения расхода энергоносителей с тангенциальным подводом жидкости // Сб. докл. ХІІІ научнотехнической конф. с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления «Датчик-2001». — Москва, 2001. — С. 272-274.
3. Gryshanova I., Korobko I. Research on developing propeller flowmeters with increased accuracy // Proc. of HT/FED'04 ASME Heat Transfer/Fluids Engineering Summer Conf. July 11-15, 2004. — Charlotte, North Carolina, USA. — 2004.