Інформаційно-вимірювальна система градуювання термоанемометричних вимірювальних перетворювачів швидкості газу

Размещено на http://allbest.ru

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Спеціальність 05.11.16 "Інформаційно-вимірювальні системи"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Інформаційно-вимірювальна система градуювання термоанемометричних вимірювальних перетворювачів швидкості газу

Кузнецов Дмитро Миколайович

ДОНЕЦЬК 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Електронна техніка” Донецького національного технічного університету та в СКТБ “Турбулентність” при Донецькому національному університеті МОН України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор,

Заслужений діяч науки і техніки України,

Зорі Анатолій Анатолійович,

Донецький національний технічний університет,

завідувач кафедрою “Електронна техніка”

Офіційні опоненти:доктор технічних наук, професор,

Поджаренко Володимир Олександрович,

Вінницький національний технічний університет

МОН України, завідувач кафедрою “Метрологія і

промислова автоматика”, м. Вінниця кандидат технічних наук,

Суботін Олег Володимирович,

Донбаська державна машинобудівна

академія МОН України, завідувач кафедрою

“Автоматизація виробничих процесів”,м. Краматорськ

Провідна установа: Національний технічний університет України “КПІ”, кафедра “Автоматизація

експериментальних досліджень” МОН України, м. Київ

Захист відбудеться “ 08 ” червня 2005 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 11.052.03 у Донецьком національному технічному університеті (83000, м.Донецьк, вул. Артема, 58) в аудиторії 8.705.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Донецького національного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, другий навчальний корпус.

Автореферат розіслано “ 05 ” травня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцентГ. В. Мокрий

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Значна частина технічних засобів вимірювання обсягів природного газу, який добувається, транспортується і споживається в Україні морально і технічно застаріла, не відповідає сучасним вимогам і вимагає якнайшвидшої заміни. Успішне рішення даної задачі передбачає наявність сучасних витратомірів газу необхідної точності і надійності. Перспективними для трубопроводів великого діаметра (більш 300 мм) є витратоміри, засновані на локальному методі вимірювання витрати по швидкості газу в одній точці поперечного переріза труби, тому що вони технологічні в установці і не вимагають зняття тиску газу в трубопроводі. В якості вимірювальних перетворювачів локальної швидкості СКТБ “Турбулентність” запропоновано використовувати перетворювачі на базі термоанемометра постійної температури з термістором у якості чутливого елемента. Термоанемометричні вимірювальні перетворювачі швидкості газу забезпечують великий динамічний діапазон вимірювань, їх показання не залежать від щільності газу (виміряється масова швидкість), мають вихідний електричний сигнал з рівнем, що не вимагає додаткового підсилення, вимірювальні схеми дуже прості, а дистанційний вимір здійснюється порівняно просто.

Однак, через неможливість виготовлення двох зовсім ідентичних перетворювачів по електричним і конструктивним параметрам, потрібне індивідуальне градуювання кожного з них. Точність і вартість термоанемометричних перетворювачів і витратомірів газу на їх основі багато в чому визначаються точністю градуювальних стендів і витратами на градуювання. Отже, для досягнення максимального техніко-економічного ефекту від застосування витратомірів на основі термоанемометричних перетворювачів швидкості газу необхідно забезпечити ефективне градуювання останніх, що передбачає досягнення високих технічних показників при мінімальних витратах. Успішне рішення поставленої задачі неможливе без створення спеціалізованої інформаційно-вимірювальної системи (ІВС) градуювання.

Робота заснована на розробках і результатах досліджень таких відомих вчених в області термоанемометрії газових потоків як Расмуссен К. і Ларсен Е. (фірма „DISA”, нині „Dantec”, Данія); Коважний Л.С. („Termosistem”, США); Чєбишев П.В. (Всесоюзний електротехнічний інститут імені В.І. Леніна, м. Москва); Смирнов Г.В. (Ленінградський політехнічний інститут, нині Санкт-Петербургський державний політехнічний університет); Попов А.М. (Всесоюзний науково-дослідний інститут імені Д.І. Менделєєва, м. Санкт-Петербург); Епік Е.Я. (інститут технічної теплофізики, м. Київ). Великий внесок у розвиток даного напрямку внесли Шкредов В.М., Украінський Ю.Д., Єрьомін Г.П. - представники школи СКТБ „Турбулентність”, м. Донецьк, засновником якої є видатний вчений І.Л. Повх.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота базується на ряді науково-дослідних робіт (НДР) Донецького національного технічного університету, присвячених методам підвищення точності вимірювань (В1-03, H-8-2001), при виконанні яких автор брав участь як виконавець.

Мета і задачі роботи: Метою роботи є підвищення точності і швидкодії градуювання термоанемометричних вимірювальних перетворювачів швидкості газу за рахунок застосування спеціалізованої ІВС і зниження витрат на процес градуювання.

Для досягнення мети в роботі поставлені і вирішені наступні задачі досліджень:

Обґрунтувати рівняння градуювальної характеристики термоанемометричних вимірювальних перетворювачів швидкості газу з термістором у скляній оболонці у якості чутливого елемента, що дозволить підвищити точність їх градуювання, а також вимірювань швидкості і витрати газу.

Виконати дослідження метрологічних характеристик аеродинамічного стенда, визначити просторові границі припустимої області градуювання і максимальну кількість одночасно градуйованих перетворювачів, що дозволить підвищити продуктивність градуювання.

Розробити структуру й алгоритм роботи спеціалізованої ІВС градуювання термоанемометричних термісторних вимірювальних перетворювачів швидкості (ТТВПШ) газу, які б забезпечили необхідну точність, швидкодію градуювання і достовірність даних при одночасному зниженні витрат.

Розробити алгоритм опитування вимірювальних каналів ІВС градуювання, інваріантний до рівня пульсацій швидкості повітряного потоку в аеродинамічному стенді, який забезпечив би скорочення часу вимірювань середньої швидкості потоку газу при заданій достовірності вимірювальних даних. градуювання термоанемометричний вимірювальний перетворювач

Автоматизувати процес градуювання за допомогою спеціалізованої ІВС з метою поліпшення техніко-економічних показників ТТВПШ газу.

Об'єкт досліджень: процес вимірювань і градуювання ТТВПШ газу в аеродинамічному градуювальному стенді.

Предмет досліджень: методи і засоби градуювання ТТВПШ газу за допомогою спеціалізованої ІВС.

Методи досліджень. Розробка структури ІВС і удосконалених вимірювальних засобів базуються на використанні положень теорії похибок, цифрових методів обробки даних і підвищення якості метрологічних характеристик вимірювальних каналів. Розроблена методика визначення коефіцієнтів рівняння градуювальної характеристики ТТВПШ газу базується на методах регресійного аналізу. При визначенні метрологічних характеристик аеродинамічного градуювального стенда використаний апарат теорії імовірностей і математичної статистики. Перевірки адекватностей теоретичних положень і математичних моделей реальним процесам виконані методами фізичного експерименту, імітаційного і математичного моделювання з використанням теорії планування й обробки результатів експерименту.

Основні наукові положення і результати, що виносяться на захист та їх новизна:

Уперше запропоновані уточнене рівняння градуювальної характеристики термісторного термоанемометричного вимірювального перетворювача швидкості газу і методика визначення його коефіцієнтів, що враховують наявність градієнта температури в оболонці термістора термоанемометра, і забезпечують підвищення точності градуювання ТТВПШ у середньому в 3,5 рази і похибку вимірювань масової швидкості газу в діапазоні від 1 до 40 кг/м2/с не більш 1 %.

Запропоновано новий алгоритм опитування і первинної обробки вимірювальних даних каналів спеціалізованої ІВС градуювання ТТВПШ, інваріантний до рівня пульсацій миттєвої швидкості потоку, який забезпечує підвищення швидкодії градуювання за рахунок скорочення часу вимірювань середньої швидкості потоку в аеродинамічних трубах.

Встановлено границі просторової області градуювання ТТВПШ з урахуванням припустимої нерівномірності профілю середньої швидкості, рівня пульсацій швидкості і значень моментів розподілу третього і четвертого порядків пульсацій швидкості повітряного потоку в аеродинамічному стенді, що дозволило визначити максимальну кількість одночасно градуйованих перетворювачів і підвищити продуктивність спеціалізованої ІВС градуювання у 4 рази.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується: достатнім рівнем адекватності розроблених моделей; коректністю використання математичного апарата; збіжністю теоретичних і експериментальних результатів досліджень із прийнятною похибкою, апробацією роботи на конференціях, позитивними результатами впровадження.

Наукове значення роботи складається в одержанні рівняння градуювальної характеристики термоанемометра з термістором у якості чутливого елемента, яке дозволяє врахувати вплив градієнта температури в оболонці термістора на умови його теплообміну в потоці газу; розробці алгоритму опитування і первинної обробки даних вимірювальних каналів спеціалізованої ІВС градуювання ТТВПШ, інваріантного до рівня пульсацій миттєвої швидкості потоку, що забезпечує підвищення швидкодії градуювання за рахунок скорочення тривалості вимірювань при заданій достовірності вимірювальних даних.

Практична значимість роботи полягає в розробці програмно-апаратних засобів визначення середніх швидкостей і масової витрати газових потоків; реалізації спеціалізованої ІВС градуювання ТТВПШ підвищеної ефективності, яка дозволяє підвищити точність градуювання у 3,5 рази; автоматизації процесу градуювання, що забезпечує скорочення часу градуювання більш ніж у 2,5 рази при одночасному градуюванні 4 перетворювачів; розробці методики метрологічної атестації вимірювальних каналів ІВС; розробці на базі ТТВПШ витратоміра природного газу РГТА-100 (300) для труб діаметром від 300 мм, який забезпечує похибку вимірювань витрати не більш 1,3 % у робочому діапазоні масових швидкостей газу від 1 до 40 кг/м2/с у діапазоні температур від 0 до 45 0С.

Особистий внесок здобувача. Автором особисто розроблена методика розрахунку коефіцієнтів і уточнене рівняння градуювальної залежності ТТВПШ, структура, алгоритм функціонування і програмно-апаратні засоби спеціалізованої ІВС градуювання ТТВПШ, алгоритм опитування і первинної обробки вимірювальних даних каналів спеціалізованої ІВС градуювання, інваріантний до рівня пульсацій миттєвої швидкості потоку, методика метрологічної атестації вимірювальних каналів ІВС градуювання.

Реалізація і використання результатів роботи. Основний зміст роботи складають результати розробок і досліджень, виконаних у СКТБ "Турбулентність" при Донецькому національному університеті (ДонНУ) разом з кафедрою “Електронна техніка” факультету “Комп'ютерні інформаційні технології і автоматики” Донецького національного технічного університету (ДонНТУ) за період з 1998 по 2004 роки.

Основні наукові положення, результати досліджень і спеціалізована ІВС градуювання ТТВПШ підвищеної ефективності впроваджені і використовуються в СКТБ "Турбулентність", ТОВ “Турбулентність-Дон” (м. Ростов-на-Дону) і навчальному процесі ДонНТУ.

Апробація роботи. Основні теоретичні і практичні результати дисертаційної роботи повідомлені, обговорені й одержали схвалення на наступних наукових нарадах, семінарах і конференціях: Всеросійській науково-технічній конференції з міжнародною участю "КомТех-2001" (Таганрог 2001 р.); II науково-практичній конференції "Донбас-2020: Наука і техніка - виробництву" (Донецьк 2004 р.); п'ятому міжнародному науково-практичному семінарі “Практика і перспективи розвитку партнерства в сфері вищої школи” (Таганрог 2004 р.); а також одержали схвалення на конференціях, семінарах і днях науки, які проводилися в Донецькому національному технічному університеті.

Публікації. Основні положення і результати роботи опубліковані у 8 роботах, у тому числі 6 наукових статтях у виданнях, затверджених ВАК України, і 2 доповідях на науково-технічних конференціях.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, викладених на 155 сторінках машинописного тексту, ілюстрованого 64 рисунками. Робота містить 17 таблиць, список використаних джерел із 132 найменувань і 4 додатка.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, визначена мета, поставлені наукові задачі досліджень, сформульовані основні наукові положення і результати, що виносяться на захист, наукова і практична цінність роботи. Вказані відомості про реалізації й апробацію дисертаційної роботи.

У першому розділі - “Аналіз області використання вимірників локальної швидкості газу, методик і засобів їх градуювання. Задачі роботи”, на підставі аналізу вимог до сучасних засобів обліку витрати природного газу в трубах великого діаметра, а також методів і засобів виміру витрати, встановлена доцільність визначення витрати за швидкістю газу в точці середньої в перетині швидкості, яка вимірюється за допомогою термоанемометричного вимірювального перетворювача швидкості (ТВПШ) з термістором у якості чутливого елемента (ЧЕ).

Встановлено, що використання мініатюрного термістора в скляній оболонці в якості ЧЕ термоанемометра (ТА) постійної температури дозволяє значною мірою позбутися недоліків, властивих нитковим і плівковим ТА - підвищити конструктивну надійність, зменшити схильність до забруднення, поліпшити стабільність градуювальної характеристики. Однак, унаслідок наявності градієнта температури в оболонці термістора, використання відомих для ниткових і плівкових ТА рівнянь градуювальної залежності не забезпечує точність вимірювань швидкості газу в межах 1 %, що вимагає уточнення рівняння градуювальної характеристики ТА з термістором у захисній оболонці.

Виявлено специфіку градуювання термоанемометрів, обумовлену залежністю їх показань не тільки від швидкості, але й від температури потоку, що вимагає проведення градуювання в замкнутих аеродинамічних трубах при різних температурах газу.

На підставі аналізу вимог до ТВПШ газу і процедури їх градуювання, обґрунтована необхідність підвищення ефективності градуювання з застосуванням спеціалізованої ІВС. Розглянуто типову узагальнену структуру існуючої ІВС градуювання, і запропоновані шляхи підвищення її ефективності.

На підставі проведеного огляду й аналізу методів і засобів градуювання термоанемометричних вимірювальних перетворювачів швидкості газу сформульовані мета і поставлені задачі досліджень.

У другому розділі - “Дослідження термоанемометричного термісторного вимірювального перетворювача швидкості газу”, вирішується задача уточнення рівняння градуювальної характеристики термоанемометра з термістором у захисній оболонці в якості ЧЕ. На підставі аналізу механізму теплообміну розігрітого термістора в потоці газу, базового рівняння градуювальної характеристики ниткового ТА

(1)

і відомих фізичних співвідношень, що випливають із законів теплопередачі, отримане нове уточнене рівняння градуювальної характеристики ТА з термістором:

(2)

де Nu, Re - відповідно числа Нуссельта і Рейнольдса; Tg, Tw - абсолютна температура газу і ЧЕ відповідно; g - теплопровідність газу; А, В, n, L0 і a - постійні коефіцієнти, що підлягають уточненню в процесі індивідуального градуювання ТА.

Сформульовані критерій і методика, що дозволяють у кожному конкретному випадку установити вид рівняння градуювальної характеристики ТА. Сутність критерію полягає в оцінці впливу коефіцієнта теплопровідності матеріалу ЧЕ на похибку вимірювань швидкості газу. Відповідно до запропонованої методики, вибір виду рівняння градуювальної характеристики ТА здійснюється згідно до умови (3).

	(3)

Критичне значення коефіцієнта теплопровідності оболонки ЧЕ Lкр розраховується на підставі мінімальної кількості емпіричних даних за формулою (4)

, (4)

де Numax - значення числа Нуссельта при максимальній швидкості потоку, Nu - припустима похибка вимірювань числа Нуссельта, обумовлена коефіцієнтом теплопровідності оболонки ЧЕ.

Запропонований критерій було використано для обґрунтування рівняння градуювальної залежності термоанемометричного термісторного вимірювального перетворювача швидкості газу, розробленого колективом авторів СКТБ “Турбулентність” при ДонНУ і кафедри “Електронна техніка” ДонНТУ. В якості ЧЕ швидкості і температури газу в розробленому ТТВПШ використовуються мікротермістори в вигляді намистини в скляній оболонці СТ3-19.

Встановлено, що для досягнення необхідної точності вимірювань швидкості газу (похибка не більш 1 %) для розробленого ТТВПШ необхідно використовувати уточнене рівняння градуювальної залежності ТА, що враховує наявність градієнта температури в оболонці термістора.

Для перевірки адекватності запропонованого уточненого рівняння градуювальної характеристики ТА експериментальним даним було виконано експеримент в аеродинамічному стенді АДС-200/250 виробництва ВНДІ імені Д.І.Менделєєва з використанням п'яти ТТВПШ. Гіпотеза про адекватність перевірялася за F-критерієм (критерієм Фішера) і критерієм прийнятної точності апроксимації, у якості якого обране середнє квадратичне відхилення (СКВ) експериментальних даних від апроксимуючої функції. У результаті для п'яти досліджуваних ТТВПШ була підтверджена гіпотеза про адекватність за F-критерієм і за критерієм прийнятної точності апроксимації. Отримані СКВ адекватності знаходяться в межах від 0,27 % до 0,43 % і не перевищують критичного значення 0,5 %.

Встановлено, що уточнене рівняння градуювальної характеристики ТА (2), стосовно до досліджуваних ТТВПШ, забезпечує підвищення точності вимірювань масової швидкості газу у середньому в 3,5 рази відносно базового рівняння (1).

У третьому розділі - “Дослідження метрологічних характеристик аеродинамічного стенда спеціалізованої ІВС градуювання ТТВПШ газу”, виконуються дослідження метрологічних характеристик аеродинамічного стенда спеціалізованої ІВС градуювання ТТВПШ із метою визначення періоду дискретизації вимірювального сигналу швидкості потоку, границь просторової області потоку, придатної для градуювання ТТВПШ і максимальної кількості одночасно градуйованих перетворювачів для підвищення ефективності ІВС.

З метою визначення періоду дискретизації вимірювального сигналу швидкості потоку була визначена нормована кореляційна функція потоку Bx() і встановлений максимальний інтервал кореляції м=0,1 с за рівнем 0,1Bx(0). Період дискретизації був прийнятий рівним максимальному інтервалові кореляції Т0=м с, на підставі чого можна вважати, що кореляційний зв'язок між вибірками сигналу відсутній. Подальші дослідження виконувалися при Т0=0,1 с.

На підставі огляду сформульовані вимоги, які встановлюють, що градуювання ТТВПШ допускається в області потоку з нерівномірністю профілю середньої швидкості не більш 0,5 %, рівнем пульсацій швидкості не більш 5 % і законом розподілу останніх близьким до нормального. При цьому відстань між перетворювачами повинна бути не менш п'яти їхніх діаметрів.

Для визначення границь просторової області потоку, придатної для градуювання ТТВПШ, розроблені методика і виконані дослідження характеристик повітряного потоку аеродинамічного стенда. Дослідження виконувалися в трьох вимірювальних перетинах при різних швидкостях потоку із двадцятьма вимірювальними точками в кожному

У результаті були визначені: профілі середньої і пульсуючих швидкостей, а також значення коефіцієнтів асиметрії й ексцесу пульсацій миттєвої швидкості потоку при різних швидкостях у різних вимірювальних перетинах

На підставі результатів досліджень повітряного потоку аеродинамічного стенда визначено, що для градуювання ТТВПШ газу класу точності 1,0 припустимо використовувати область потоку, обмежену координатами , z R, у якій забезпечуються необхідні умови для градуювання.

Максимальна кількість вимірювальних перетворювачів, що можуть бути встановлені в припустиму область градуювання, обмежено їх геометричними розмірами і допусками на мінімальну відстань між ЧЕ. Запропоновано раціонально розміщати перетворювачі в припустимій області градуювання радіально, рівномірно по периметру окружності, що є границею припустимої області градуювання. При цьому отримана залежність відстані між перетворювачами від їхньої кількості, на підставі якої визначена максимальна кількість одночасно градуйованих ТТВПШ - 4.

У четвертому розділі - “Розробка спеціалізованої ІВС градуювання ТТВПШ підвищеної ефективності”, виконаний розрахунок похибок вимірювальних каналів спеціалізованої ІВС градуювання ТТВПШ газу. Отримано метрологічну модель абсолютної інструментальної похибки вимірювань ТТВПШ

, (5)

де EТА, Тg - граничні значення невиключених систематичних похибок (НСП) результатів прямих вимірів вихідної напруги ТА і температури потоку відповідно; К - коефіцієнт, обумовлений прийнятою довірчою імовірністю і числом складових похибок прямих вимірів.

Дослідження частинних похибок результату непрямого виміру швидкості потоку, що входять у (5), дозволили визначити найбільш жорсткі, з погляду забезпечення точності вимірювань, умови градуювання - це максимальна температура і мінімальна швидкість потоку. Подальші дослідження метрологічних характеристик (МХ) ТТВПШ виконувалися саме для цих умов.

На підставі аналізу результатів розрахунку і моделювання похибок, виконаного в п. 4.1 дисертації, сформульовані технічні вимоги до ІВС, основними з яких є:

Абсолютна похибка вимірювань температури потоку повинна бути не більш 0,3 0С.

Нестабільність температури потоку в аеродинамічній трубі не повинна перевищувати 0,1 0С.

Відносна похибка вимірювального каналу швидкості по вихідному сигналу ТА не повинна перевищувати 0,25 %.

Абсолютна похибка вимірювань атмосферного тиску в діапазоні від 700 до 800 мм.рт.ст. не повинна перевищувати 1,1 мм.рт.ст.

Нестабільність швидкості оборотів гвинта приводного електродвигуна аеродинамічного стенда не повинна перевищувати 0,5 % у діапазоні від 4 до 100 об/с.

Розроблена структурна схема спеціалізованої ІВС градуювання ТТВПШ підвищеної ефективності (рис.6) і алгоритм її роботи дозволяють в автоматичному режимі виконувати одночасне градуювання чотирьох вимірювальних перетворювачів у діапазоні швидкостей і температур повітряного потоку відповідно від 1 до 40 кг/м2/с і від 15 до 45 С з похибкою вимірювань масової швидкості не більш 1 %.

З метою скорочення часу опитування вимірювальних каналів ІВС, зниження тривалості градуювання і підвищення достовірності вимірювальних даних розроблено алгоритм опитування і первинної обробки даних вимірювальних каналів (ВК) ІВС, інваріантний до рівня турбулентності потоку (рис.7). Сутність запропонованого алгоритму полягає у визначенні безпосередньо в процесі вимірювань мінімального обсягу вибірки миттєвих значень вимірювального сигналу швидкості потоку, достатнього для мінімізації випадкової складової сумарної похибки результату вимірювань до рівня, який дозволяє зневажити нею в порівнянні з невиключеною систематичною похибкою. Умова, при якій випадковою похибкою вимірювань можна зневажити, визначається нерівністю:

(6)

де n - обсяг вибірки; sv і v - відповідно НСП і СКВ випадкової похибки результатів спостережень швидкості потоку.

Встановлено, що використання розробленого алгоритму опитування ВК ІВС градуювання ТТВПШ забезпечує:

- інваріантість похибки вимірювань середньої швидкості потоку від рівня його турбулентності;

задану достовірність р результату вимірювань середньої швидкості потоку;

скорочення часу вимірювань у 2,5 рази при р=0,95.

З метою визначення параметрів динамічної моделі аеродинамічної труби було виконано експериментальні дослідження й отримана крива перехідного процесу зміни температури повітря в АТ. Перехідний процес описується рівнянням виду

, (7)

де 1 і 2 - постійні часу, що характеризують теплову інерційність повітря і дерев'яної обшивки аеродинамічної труби відповідно; Тmin, k1 і k2 - постійні коефіцієнти, С.

Рівнянню (7) відповідає передатна функції АТ виду

, (8)

У результаті регресійного аналізу визначені невідомі коефіцієнти передатної функції (8) і отримана динамічна модель труби, яка складається з паралельного з'єднання двох аперіодичних ланок з різними постійними часу. Запропонована модель використана для імітаційного моделювання контуру управління температурою потоку, що входить до складу підсистеми управління режимами градуювання ІВС. У результаті моделювання отримана оцінка часу встановлення температури в аеродинамічній трубі при використанні пропорційно-інтегрально-диференціального регулятора, яка надалі використана для розрахунку ефективності ІВС.

У п'ятому розділі - “Оцінка ефективності, метрологічна атестація і рекомендації до використання спеціалізованої ІВС градуювання”, виконана оцінка підвищення ефективності розробленої ІВС градуювання ТТВПШ газу відносно базової системи. Обрано узагальнений критерій ефективності ІВС, визначені частинні показники технічної й економічної ефективності. Встановлено, що за рахунок використання уточненого рівняння градуювальної характеристики ТТВПШ, одночасного градуювання чотирьох перетворювачів і застосування алгоритму опитування вимірювальних каналів, інваріантного до рівня турбулентності потоку, вдалося підвищити ефективність ІВС градуювання приблизно в 5,9 рази.

Виконано обґрунтування методик визначення похибок зразкового вимірювального каналу масової швидкості газу і ВК на базі ТТВПШ. Розроблено програму і методику метрологічної атестації ВК ІВС градуювання ТТВПШ, відповідно до якої виконані експериментальні дослідження МХ ВК системи й отримане свідоцтво про позитивні результати метрологічної атестації.

Спеціалізована ІВС градуювання ТТВПШ підвищеної ефективності впроваджена і використовується у відділі №1 СКТБ “Турбулентність” при ДонНУ. Алгоритм її роботи реалізований у середовищі програмування Delphi. Крім того, результати роботи використані в СКТБ при розробці витратоміра природного газу РГТА-100 (300), внесеного до Реєстру Російської Федерації, а також у ТОВ “Турбулентність-Дон” м. Ростов-на-Дону при розробці і впровадженні автоматизованої системи збору й обробки вимірювальних даних градуювання і перевірок лічильників-витратомірів газів різних типів (у тому числі термоанемометричних) з використанням соплової перевірочної установки СПУ-ПГ-2М.

Розробки за темою дисертації широко використовуються в навчальному процесі кафедри “Електронна техніка” ДонНТУ при читанні лекцій і проведенні лабораторних робіт з дисциплін "Основи сенсоелектроніки" і "Основи метрологічного забезпечення приладів і систем", а також у НДРС і дипломному проектуванні.

Основні наукові і практичні результати дисертаційної роботи дозволяють зробити наступні висновки.

ВИСНОВКИ

Проведені дослідження дозволили одержати нові, науково обґрунтовані теоретичні і практичні результати, що у сукупності є істотними для підвищення точності вимірів масової швидкості газу за допомогою термоанемометричних термісторних вимірювальних перетворювачів швидкості з урахуванням градієнта температури в оболонці термістора термоанемометра. Сформульовано критерій, обґрунтовані методи і засоби підвищення ефективності ІВС градуювання ТТВПШ на базі системного підходу шляхом підвищення її продуктивності за рахунок скорочення тривалості найбільш тривалих операцій, одночасного градуювання максимальної кількості перетворювачів, підвищенні точності вимірювань і достовірності результатів градуювання структурно алгоритмічними методами й апаратними засобами.

Основні наукові висновки і результати роботи полягають у наступному:

Запропоноване уточнене рівняння градуювальної характеристики ТТВПШ газу, яке враховує наявність градієнта температури в оболонці термістора термоанемометра і забезпечує підвищення точності, градуювання в середньому в 3,5 рази і похибку вимірювань масової швидкості газу в діапазоні від 1 до 40 кг/м2/с не більш 1 %.

Розроблено критерій і методику вибору рівняння градуювальної характеристики термоанемометрів з різними чутливими елементами, а також алгоритм розрахунку коефіцієнтів уточненого рівняння градуювальної характеристики ТТВПШ, яке враховує градієнт температури в оболонці термістора.

У результаті дослідження похибок ТТВПШ встановлено, що максимальна похибка вимірювань витрати за допомогою ТТВПШ має місце при мінімальній швидкості і максимальній температурі газу. Для цих умов сформульовані вимоги до точності вимірювальних каналів швидкості термоанемометра і температури газу, згідно яким, абсолютна похибка каналу виміру температури газу Tg у діапазоні від 0 до 45 С не повинна перевищувати 0,3 С і відносна похибка каналу швидкості термоанемометра повинна бути не більш 0,25 %.

Виконано дослідження параметрів повітряного потоку аеродинамічного стенда АДС-200/250 за запропонованою методикою і розроблено програмно-апаратні засоби, що дозволило встановити:

- період дискретизації вимірювального сигналу швидкості газу в аеродинамічному стенді, що забезпечує максимальну швидкодію вимірювань;

- границі просторової області градуювання аеродинамічного стенда з урахуванням припустимої нерівномірності профілю середньої швидкості, рівня пульсацій швидкості і значень моментів розподілу третього і четвертого порядків пульсацій швидкості повітряного потоку;

- максимальна кількість одночасно градуйованих ТТВПШ, що підвищує продуктивність ІВС.

Розроблено структуру й алгоритм функціонування спеціалізованої ІВС градуювання ТТВПШ, що забезпечують повну автоматизацію процесу градуювання одночасно 4-х перетворювачів у діапазоні масових швидкостей і температур повітряного потоку відповідно від 1 до 40 кг/м2/с і від 15 до 45 С з відносною похибкою по середній швидкості не більш 1 %.

Запропоновано алгоритм опитування і первинної обробки вимірювальних даних каналів спеціалізованої ІВС градуювання ТТВПШ, інваріантний до рівня пульсацій миттєвої швидкості потоку, що забезпечує підвищення швидкодії градуювання за рахунок скорочення часу вимірювань середньої швидкості потоку в аеродинамічних трубах при заданій достовірності вимірювальних даних.

Сформульовано критерій ефективності спеціалізованої ІВС градуювання ТТВПШ, виділені частинні показники технічної й економічної ефективності і визначені їхні вагові коефіцієнти. Установлено, що за рахунок використання уточненого рівняння градуювальної характеристики ТТВПШ і одночасного градуювання чотирьох перетворювачів у діапазоні масових швидкостей і температур повітряного потоку відповідно від 1 до 40 кг/м2/с і від 15 до 45 С, підвищена ефективність ІВС градуювання приблизно в 5,9 рази.

ОПУБЛІКОВАНІ ПРАЦІ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Украинский Ю.Д., Кузнецов Д.Н., Украинский Д.Ю. Подсистема измерения и учета расхода природного газа для трубопроводов большого диаметра// Науковi працi Донецького державного технiчного унiверситету. Серiя: Обчислювальна технiка та автоматизацiя, випуск 12: - Донецьк: ДонДТУ, ТОВ “Лебiдь”. - 1999.- С. 320-327.

2. Зорi А.А., Украiнський Ю.Д., Кузнецов Д.M. Cистема автоматизації градуювання первинних вимірювальних перетворювачів термоанемометрів// Науковi працi Донецького державного технiчного унiверситету. Серiя: Обчислювальна технiка та автоматизацiя, випуск 20: - Донецьк: ДонДТУ. - 2000.- С. 260-268.

3. Зори А.А., Кузнецов Д.Н. Повышение эффективности градуировки первичных измерительных преобразователей термоанемометров// Науковi працi Донецького державного технiчного унiверситету. Серiя: Обчислювальна технiка та автоматизацiя, випуск 25: - Донецьк: ДонДТУ. - 2001.- С. 183-189.

4. Зори А.А., Кузнецов Д.Н. Программно-аппаратные средства градуировки и отбраковки первичных измерительных преобразователей термометров и термоанемометров по температуре// Науковi працi Донецького державного технiчного унiверситету. Серiя: Обчислювальна технiка та автоматизацiя, випуск 38: - Донецьк: РВА ДонДТУ. - 2002.- С. 240-245.

5. Кузнецов Д.Н. Исследование погрешностей определения скорости газа по методу измерения динамического давления для ИИС градуировки термоанемометров// Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація. Випуск 58: - Донецьк: Вид-во ДонНТУ. - 2003. - С.75-80.

6. Кузнецов Д.Н., Зори А.А. Исследование поля скоростей рабочего участка аэродинамической установки для градуировки датчиков. Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація. Випуск 74: - Донецьк: ДонНТУ. - 2004. - С.300-305.

7. Зори А.А., Кузнецов Д.Н. Методы и программно-аппаратные средства автоматизированной системы градуировки первичных измерительных преобразователей термоанемометров// Известия ТРТУ. Тематический выпуск: Материалы Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Компьютерные технологии в инженерной и управленческой деятельности". Таганрог: ТРТУ. - 2002. - №2 (25). - С.148-150.

8. Кузнецов Д.Н., Зори А.А. Повышение точности измерения расхода природного газа в газопроводах большого диаметра// II науково-практична конференція "Донбас-2020: Наука і техніка - виробництву", 03-04 лютого 2004 року. - С.671-674.

Особистий внесок автора в публікації, написані в співавторстві, полягає в наступному: [1] - аналіз недоліків термоанемометрів і шляхів їхнього подолання; [2] - структурна схема системи автоматизації градуювання; [3] - моделювання амплітудно-частотної характеристики цифрового фільтра з кінцевою імпульсною характеристикою; [4] - методика обробки результатів градуювання і критерій відбору термісторів для термометрів і термоанемометрів; [6] - програмно-апаратні засоби і методика досліджень характеристик повітряного потоку в аеродинамічному градуювальному стенді; [7] - функціональна схема автоматизованої системи градуювання термоанемометричних вимірювальних перетворювачів швидкості газу; [8] - алгоритм опитування вимірювального каналу середньої швидкості газу, інваріантний до рівня дестабілізуючих факторів.

АНОТАЦІЯ

Кузнецов Д.М. Інформаційно-вимірювальна система градуювання термоанемометричних вимірювальних перетворювачів швидкості газу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.16 - інформаційно-вимірювальні системи. - Донецький національний технічний університет. - Донецьк, 2005.

Дисертація присвячена вирішенню задачі підвищення ефективності градуювання термоанемометричних термісторних вимірювальних перетворювачів швидкості (ТТВПШ) газу, які використовуються у складі витратомірів газу для труб великого діаметра, з використанням спеціалізованої інформаційно-вимірювальної системи (ІВС) і аеродинамічного градуювального стенда.

У роботі поставлені і вирішені задачі підвищення точності градуювання ТТВПШ газу шляхом уточнення рівняння градуювальної характеристики термоанемометра з термістором у скляній оболонці в якості чутливого елемента, підвищення продуктивності ІВС градуювання за рахунок одночасного градуювання максимально можливої кількості ТТВПШ, збільшення швидкодії градуювання шляхом розробки і застосування алгоритму опитування вимірювального каналу середньої швидкості потоку ІВС градуювання, інваріантного до рівня турбулентності потоку.

Ключові слова: градуювання, термоанемометр, вимірювальний перетворювач швидкості, інформаційно-вимірювальна система, рівняння градуювальної характеристики, точність, алгоритм, швидкодія, достовірність.

АННОТАЦИЯ

Кузнецов Д.Н. Информационно-измерительная система градуировки термоанемометрических измерительных преобразователей скорости газа. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.16 - информационно-измерительные системы. - Донецкий национальный технический университет. - Донецк, 2005.

Диссертация посвящена решению задачи повышения эффективности градуировки термоанемометрических термисторных измерительных преобразователей скорости (ТТИПС) газа, используемых в составе расходомеров природного газа для труб большого диаметра, с использованием специализированной информационно-измерительной системы (ИИС) и аэродинамического градуировочного стенда.

Выбран обобщенный критерий эффективности ИИС, определены частные показатели технической и экономической эффективности и пути их улучшения: повышение точности градуировки, сокращение ее длительности, одновременная градуировка нескольких преобразователей, а также сокращение текущих и, по возможности, капитальных затрат на создание и эксплуатацию ИИС.

Получено новое уточненное уравнение градуировочной характеристики ТТИПС газа, учитывающее наличие градиента температуры в оболочке термистора и обеспечивающее повышение точности градуировки и измерений скорости и расхода газа с погрешностью не более 1 % в диапазоне массовых скоростей от 1 до 40 кг/м2/с при температурах газа от 15 до 45 С. Сформулированы критерий и методика, позволяющие в каждом конкретном случае установить вид уравнения градуировочной характеристики ТА.

Выполненные исследования метрологических характеристик аэродинамического стенда специализированной ИИС градуировки ТТИПС газа позволили определить период дискретизации измерительного сигнала мгновенной скорости воздушного потока, границы пространственной области градуировки, максимальное количество одновременно градуируемых преобразователей, что позволило повысить производительность специализированной ИИС градуировки.

На основании результатов исследований погрешностей ТТИПС газа установлены наиболее жесткие, с точки зрения обеспечения точности измерений, условия градуировки - это максимальная температура и минимальная скорость газа, и сформулированы требования к измерительным каналам ИИС градуировки.

Предложен алгоритм опроса измерительного канала средней скорости специализированной ИИС градуировки ТТИПС, обеспечивающий инвариантность погрешности измерений средней скорости потока от уровня его турбулентности, заданную достоверность р результата измерения средней скорости и сокращение времени измерений в 2,5 раза при р=0,95.

Установлено, что за счет использования уточненного уравнения градуировочной характеристики ТТИПС, одновременной градуировки четырех преобразователей и применения алгоритма опроса измерительных каналов, инвариантного к уровню турбулентности потока, удалось повысить эффективность ИИС градуировки примерно в 5,9 раза.

Выполнено обоснование методик определения погрешностей образцового измерительного канала (ИК) массовой скорости газа и ИК на базе ТТИПС. Разработаны программа и методика метрологической аттестации ИК ИИС градуировки ТТИПС, согласно которой выполнены экспериментальные исследования МХ ИК системы и получено свидетельство о положительных результатах метрологической аттестации.

Разработанная специализированная ИИС градуировки ТТИПС повышенной эффективности внедрена и используется в отделе №1 СКТБ “Турбулентность” при ДонНУ. Алгоритм ее работы реализован в среде программирования Borland Delphi и работает под руководством операционной системы Windows 95-2000, или Windows ХР.

Ключевые слова: градуировка, термоанемометр, измерительный преобразователь скорости, информационно-измерительная система, уравнение градуировочной характеристики, точность, алгоритм, быстродействие, достоверность.

ABSTRACT

Kuznetsov D.N. The graduation information-measuring system of gas speed measuring converters - Manuscript.

Dissertation on a scientific degree competition of the engineering science candidate on a speciality 05.11.16 - information-measuring systems. - Donetsk national technical university. - Donetsk, 2005.

Dissertation іs dedicated to the decision of an efficiency increase problem of gas speed termoanemometrical termistor measuring converters (STTMC) graduation, used in counters of gas configuration for the large-diameter pipes, with use of specialized information-measuring system (IMS) and aerodynamic graduation stand.

In work there are set and decided graduation accuracy increase problem of gas STTMC by the graduation characteristic equation specification of thermoanemometr with termistor in a glass cover as a sensitive element, IMS productivity graduation increase problem due to simultaneous graduation of STTMC maximally possible quantity, graduation speed increase by development and application of scan algorithm of average IMS graduation flow speed measuring channel, which is invariant to a turbulence flow level.

Key words: graduation, thermoanemometr, measuring speed converter, information-measuring system, graduation characteristic equation, accuracy, algorithm, speed, authentic.

Размещено на Allbest.ru