Контроль витрат повітря в каналах із великим поперечним перерізом

Размещено на http://allbest.ru

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Контроль витрат повітря в каналах із великим поперечним перерізом

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

контроль повітря канал вентиляційний

Актуальність теми. Процеси перебігу газів займають важливе місце в життєдіяльності людини. Це зумовлюється тим, що наша планета оточена газовим простором. У промисловості, сільському господарстві, енергетиці та в інших областях для роботи різноманітних механічних, пневматичних та інших пристроїв використовуються гази, у тому числі повітря, тому є таким важливим забезпечити його вимірювання і контроль. Відповідно постійно існує задача створення надійних і точних приладів контролю витрат газів. Для контролю використання газів у більшості країн Європи все більше використовуються лічильники повітря із відносною похибкою від 0,5 до 1 відсотка. Впровадження таких лічильників в Україні стримується внаслідок їх високої вартості, а також відсутності робочих еталонів для повірки лічильників (витратомірів) на великі об'ємні витрати.

Гірничо-видобувна промисловість України, особливо видобуток залізної руди та кам'яного вугілля, складає сьогодні важливу частку національної економіки. При видобутку руди та вугілля потрібно здійснювати примусову вентиляцію шахт, що знаходяться на глибині більше 1000 метрів. При цьому потрібно контролювати витрату повітря, яке надходить у шахту, та визначати його об'єм при стандартних умовах. Існуючі методи контролю базуються на визначенні витрат за потужністю нагнітальних вентиляторів, або за допомогою вимірювання депресії у вентиляційному каналі - такі підходи не забезпечують достатньої точності.

З метою удосконалення вузлів обліку, підвищення рівня достовірності показань вимірювання об'єму газу для забезпечення ефективності його використання потрібно створювати сучасні прилади для вимірювального контролю газів та підвищувати точність вимірювання, шляхом впровадження сучасних технологій та вдосконаленням існуючих методів контролю.

Україна займає одну з провідних позицій в науковому світі серед розробників первинних перетворювачів та методів контролю витрат газів завдяки роботам відомих науковців Беляєва М.М., Володарського Є.Т., Кремлевского П.П., Кухарчука В.В., Лобачева П.В., Осадчука В.С., Пістуна Є.П., Поджаренка В.О., Цейтлина Ю.А. та інших.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основний зміст роботи складають результати досліджень, які проводились протягом 2005-2008р. за планами наукових робіт кафедри автоматики та інформаційно-вимірювальної техніки ВНТУ та ПП «Енергооблік-сервіс» на замовлення ВАТ «Суха балка» м. Кривий Ріг. Дослідження також відповідають пріоритетним науковим напрямкам України. Програмі розвитку та реформування гірничо-металургійного комплексу на період до 2011 року, відповідно до постанови Кабінету Мiнiстрiв України від 28 липня 2004 р. №967, та програмі розвитку промисловості України на 2003-2011 роки відповідно до постанови Кабінету Мiнiстрiв України від 28 липня 2003 р. № 1174.

Мета і завдання дослідження. Підвищення вірогідності вимірювального контролю витрат повітря у каналах із великим поперечним перерізом шляхом вдосконалення методу максимальної швидкості та засобу вимірювання на основі напірної трубки.

Відповідно поставленій меті потрібно розв'язати такі завдання:

- провести аналіз існуючих методів вимірювання витрат газів та вибрати напрямок досліджень;

- дослідити фізичні характеристики, особливості контролю у вентиляційному каналі шахти;

- проаналізувати існуючі прилади контролю витрати газів;

- розробити математичну модель та визначити метод вимірювання миттєвої витрати повітря у вентиляційному каналі;

- обґрунтувати вибір первинних вимірювальних перетворювачів для контролю витрати повітря;

- розробити первинний перетворювач для контролю швидкості потоку повітря у каналі;

- розробити структурну схему та алгоритм роботи приладу контролю витрати повітря;

- вдосконалити метрологічне забезпечення для градуювання первинного перетворювача швидкості потоку повітря.

Об'єктом дослідження є процес вимірюваного контролю витрат повітря у каналах із великим поперечним перерізом.

Предметом дослідження є методи та засоби контролю витрат повітря у вентиляційному каналі шахти.

Методи досліджень базуються на використанні:

- рівнянь математичної фізики для розроблення математичних моделей;

- основних положень і теорій руху газів в закритих каналах для побудові моделі визначення середньої швидкості;

- оброблення статистичних даних експериментів при випробовуваннях приладу;

- обчислювальних методів для створення спрощених рівнянь визначення параметрів на основі табличних даних;

- теорії ймовірності для оцінки невизначеності вимірювання та вірогідності контролю.

Наукова новизна одержаних результатів складається з таких запропонованих, або отриманих в результаті дослідження автором пунктів:

1. Удосконалено математичну модель вимірювання витрат повітря, яка враховує підвищену вологість, шорсткість стінок каналу та характер потоку повітря, що дозволило підвищити точність вимірювання витрат, спростити визначення коефіцієнта стисливості та динамічної в'язкості повітря і підвищити вірогідність контролю до значення 0,953.

2. Удосконалено метод контролю витрат повітря у каналах із великим поперечним перерізом, який відрізняється тим, що як первинний вимірювальний перетворювач запропоновано єдину напірну трубку з індивідуальним коефіцієнтом градуювання, що дозволило механічно не змінювати переріз вентиляційного каналу та забезпечити вимірювання швидкості повітря із похибкою, яка не перевищує 0,5%.

3. Вперше запропоновано метод автоматизованого градуювання і повірки напірних трубок на атестованій повірочній установці УПЛГ-2500, який дозволяє виконувати градуювання та повірку напірних трубок тими ж засобами, що й при повірці механічних лічильників природного газу.

Практичне значення одержаних результатів:

- запропоновано спосіб роботи обчислювача для вимірювального контролю витрат повітря, який на відміну від аналогів дозволяє автоматично визначати прямий та зворотній напрямок руху потоку повітря у вентиляційному каналі шахти.

- розроблено та впроваджено прилад контролю витрат повітря із покращеними метрологічними характеристиками (невизначеність вимірювання становить 0,0183, а вірогідність контролю дорівнює 0,953);

- розроблено прилад, який у поєднанні з атестованою повірочною установкою УПЛГ-2500 дозволяє виконувати градуювання та повірку напірних трубок тими ж апаратними засобами, що й при повірці механічних лічильників природного газу;

- розроблено первинний вимірювальний перетворювач - напірну трубку з підвищеною чутливістю та можливістю визначення напрямку руху потоку повітря;

- розроблено пакети прикладних програм для математичного середовища MathCAD, які дозволяють виконувати розрахунки та моделювати характеристики повітря у каналах із великим поперечним перерізом.

Особистий внесок здобувача. Основні положення та результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. У роботах, що опубліковані у співавторстві здобувачу належать такі ідеї та розробки:

- методика визначення коефіцієнта напірної трубки [3];

- структура та алгоритм роботи пристрою для забезпечення його інформаційної надійності [6];

- формула розрахунку параметрів для елементів вводу даних [13];

- характеристики можливих режимів роботи пристрою, а також алгоритм роботи пристрою вимірювання швидкості повітря [14].

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що розглядаються у даній роботі, пройшли апробацію на таких науково-технічних конференціях: І Міжнародної конференції „Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та приладобудування” (м. Вінниця, 2005); ІV Міжнародній науково-практичній конференції „Комп'ютерні системи в автоматизації виробничих процесів” (м. Хмельницький, 2005); ІІ науково-технічній конференції з міжнародною участю „Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології” (м. Кременчук, 2006); XIII Міжнародній конференції з автоматичного управління „Автоматика-2006” (м. Вінниця, 2006); ІІІ-й Міжнародній науково-технічній конференції "Датчики, прилади і системи - 2007" (м. Черкаси 2007);

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 14 праць, в тому числі 8 статей надруковано у фахових виданнях, затверджених ВАК України, 4 публікації у збірках матеріалів та тез доповідей та 2 патентах України на корисну модель.

Структура то об'єм дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, 4 розділів основної частини, загальних висновків, списку використаних джерел і 4 додатків. Загальний обсяг наукової роботи 162 сторінок, з яких основний зміст викладено на 119 сторінках друкованого тексту. Наукова робота містить 13 таблиць та 43 рисунка. Список використаних джерел складається з 137 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність задач, що вирішуються в дисертаційний роботі, визначено об`єкт i предмет дослідження. Зазначено зв`язок роботи з науковими планами і темами, сформульовані мета i задачі роботи. Визначено методи дослідження, їх наукова новизна, а також практична цінність отриманих результатів.

У першому розділі проведено порівняльний аналіз та подано систематизацію методів та засобів контролю витрати повітря які теоретично можливо застосувати для даної задачі. Це зроблено з метою виявлення доцільності застосування кожного з них при автоматизованому контролі витрати повітря в реальному часі.

Порівнювалися найбільш поширені на сьогодні засоби вимірювання, а саме: витратоміри на основі звужуючих пристроїв, турбінні витратоміри та лічильники, ультразвукові витратоміри, вихрові витратоміри, напірні та усереднюючі трубки. Дані методи базуються на перетвореннях енергії потоку, і на відміну від теплових, міточних, кореляційних та оптичних методів знаходять широке використання, є простими у використанні та мають високу точність (в середньому 0,5-1%), хоча і не завжди є універсальними.

Висвітлено сучасний стан об'єкта дослідження - контроль витрат повітря у вентиляційному каналі гірничодобувної шахти, де на практиці найчастіше використовують ручні анемометри типу АСО-3, МС-13 або АПР-1. Автоматизація вимірювання та контролю практично відсутня, а існуючі засоби не в змозі забезпечити точне вимірювання середньої швидкості потоку що відповідно впливає на визначення витрати об'єму повітря.

Розглянуто особливості контролю та специфіка роботи вентиляційного каналу гірничевидобувної шахти (рис. 1) де потрібно контролювати витрату повітря. Канал насамперед призначений для вентиляції шахти -- викачуванні шахтного повітря з шахти на поверхню де присутня висока вологість до 100 відсотків через підхоплення повітрям вологи із забою. Технологією передбачено також реверсивний режим -- швидка подача атмосферного повітря в шахту.

Рис. 1. Схема вентиляційного каналу гірничевидобувної шахти

Поставлено задачі по вимірюванню та контролю витрат повітря у вентиляційних каналах із великим поперечним перерізом, які дозволили розробити точні математичні моделі для визначення коефіцієнта стисливості повітря та його динамічної в'язкості, розробити метод розрахунку середньої швидкості потоку, визначити функціональні блоки приладу контролю та вдосконалити метод вимірювання витрат.

Другий розділі присвячено розробці математичних моделей які мають безпосередній вплив на вимірювання миттєвої втрати повітря. Насамперед було побудовано математичні моделі для визначення динамічної в'язкості повітря м, а також коефіцієнту стисливості повітря k. Динамічна в'язкість враховується при розрахунку числа Рейнольдса. Графіки отриманих залежностей даних коефіцієнтів від впливових параметрів - температури та тиску приведено відповідно на рис. 2 та рис. 3.

Рис. 2. Графік отриманої залежності коефіцієнта стисливості повітря k від температури та тиску у каналі

Рис. 3. Графік отриманої залежності коефіцієнта динамічної в'язкості повітря м від температури та тиску у каналі

Математичні моделі будувалися для використання в діапазоні абсолютного тиску P_абс = 90ч130 кПа та в діапазоні температури -20ч50 °С, що відповідають реальним умовам вентиляційного каналу гірничодобувної шахти.

Отримані моделі дозволить не вносити у пам'ять програми велику за обсягом таблицю, інтерполювати точні табличні значення вхідних параметрів до будь-якого проміжного значення температури та тиску, забезпечити високу точність розрахунку параметра. Отримані моделі наведені відповідно у табл. 1 та табл.2.

Таблиця 1. Математична модель визначення коефіцієнта стисливості повітря

Таблиця 2. Математична модель визначення динамічної в'язкості повітря

Моделі розроблялися за допомогою програмного забезпечення „TableCurve 3D”. Моделі мають високу точність, коефіцієнт кореляції параметрів в обох моделях близький до одиниці, а сума залишків складає 2,0319805e-10 та 0,000005826. На відміну від табличних значень їх можливо застосувати в автоматизованих системах та приладах контролю витрат повітря.

Зазначено прилади, методи та формули для вимірювання вологості, температури і тиску у вентиляційному каналі для забезпечення надійності робити приладів та точності. Як вихідний сигнал тиску та температури взято стандартизовані струмові давачі 4-20 мА -- це дало можливість просто вибрати, а при потребі виконати заміну давача. Вибір основних давачів із струмовим виходом пояснюється поширеністю останніх.

Аналіз режиму руху повітря, враховуючи коефіцієнт тертя та число Рейнольдса, показав що режим потоку повітря знаходиться в автомодельній області турбулентної течії, це дає змогу використовувати лише один градуювальний коефіцієнт напірної трубки. Запропоновано формули для визначення густини повітря, які враховують температуру та підвищену вологість повітря у каналі.

Розроблено модифіковану формулу для розрахунку середньої швидкості у каналі відносно максимальної швидкості на осі каналу, яка враховує високу вологість повітря та шорсткість стінок каналу. Виведено загальну формулу розрахунку миттєвої витрати повітря u_(i)сер, яка дозволила повністю автоматизувати процес вимірювання

[м/с],(1)

деu_max -- максимальна швидкість потоку;

R -- число Рейнольдса;

u_(i-1)сер -- середня швидкість попереднього кроку розрахунку;

n -- коефіцієнт, що залежить від числа Рейнольдса;

л -- коефіцієнт гідравлічного тертя потоку.

Початкове значення середньої швидкості може бути дуже наближеним, але через добру збіжність результат отримується за 2-3 ітерації.

У третьому розділі приведено вибір та удосконалення методу вимірювання витрати повітря. З переліку найбільш відповідних методів для вимірювання витрати повітря в отворах великого діаметру було вибрано метод вимірювання максимальної швидкості, що забезпечує стабільність ординати точки (завжди жорстко фіксована на геометричній вісі потоку) та незалежність ординати від числа Рейнольдса і характеристик потоку.

Запропоновану авторську конструкцію напірної трубки (НТ) з покращеними метрологічними характеристиками (отримано патент України на корисну модель №28374). НТ завдяки вбудованому контролеру відноситься до класу “інтелектуальних давачів”, вона має підвищену чутливість і дозволяє визначати напрям руху повітря у каналі. Така конструкція перетворювача приведена на рис. 4. Перетворювач містить дві Г-подібних трубки-насадки 11 та 12 розміщених відповідно за прямим та реверсивним потоком повітря у каналі 10, вихідні ділянки яких введені в герметичний корпус 6. Паралельно один до одного на кінцях трубок-насадок встановлені електромагнітні клапани 7 та 8, герметичний корпус з'єднано трубкою 5 із давачем перепаду тиску 1.

Через першу Г-подібну трубку-насадку 11 в нормальному режимі, або через другу Г-подібну трубку-насадку 12 в реверсивному режимі повітря попадає до герметичного корпусу 6 і тисне на “плюсову” камеру 4 давача перепаду тиску 1. На “мінусову” камеру 3 давача перепаду тиску надходить статичний тиск у каналі. За допомогою електромагнітних клапанів 7 та 8 є можливість вибирати джерело повного тиску, отримавши значення перепаду тиску із давача мікроконтролер 2 визначає напрямок руху та швидкість повітря у каналі.

Рис. 4. Структурна схема модифікованого перетворювача швидкість - перепад тиску

Виведено основне рівняння перетворення швидкості потоку повітря у каналі, відповідно до якого миттєва витрати повітря Q обчислюється за формулою

[м³/с], (2)

деk -- градуювальний коефіцієнт НТ;

S -- площа поперечного перерізу каналу;

f -- коефіцієнт адіабати газоподібного середовища;

P -- абсолютний тиск повітря;

ДP -- перепад тиску на перетворювачі;

с -- густина повітря.

Інтегруючи миттєві об'єми за останнім рівнянням в часі, отримаємо сумарний об'єм потоку повітря у каналі.

• Проведений аналіз впливу параметрів на витрату повітря відповідно до математичної моделі показав, що найбільш суттєвим є вплив перепаду тиску (рис. 5) на напірній трубці dP та абсолютного тиску P (приблизно по 20%). Вплив температури повітря t лежить у межах 10%.
• Рис. 5. Залежність витрати повітря від перепаду тиску
• Залежність абсолютного тиску та температури носить практично лінійний характер тоді як залежність витрати від перепаду тиску є нелінійною (параболічною). Різниця витрат на всьому діапазоні як температури так і абсолютного тиску склала +21..+22 м³/с що відповідає 21% номінальної витрати. Враховуючи те, що давач перепаду тиску перетворює основний параметр в розрахунках -- швидкість потоку повітря то залежність витрати від перепаду тиску дуже висока. Окрему увагу слід приділяти процесу вимірювання еквівалентного діаметра каналу тому що його вплив через великий поперечний переріз є дуже суттєвим.
• Запропоновано методику, в якій зазначається ступінь впливу кожного з параметрів, та обчислено загальну невизначеність вимірювання витрати повітря, яка становить 0,0183. Причому враховувалась невизначеність вимірювання площі поперечного перерізу, невизначеність вимірювання перепаду тиску на НТ, невизначеність вимірювання абсолютного тиску, барометричного тиску, температури та вологості у каналі.
• За побудованими моделями виконано теоретичний розрахунок параметрів об'єкта вимірювального контролю. Вхідними параметрами слугували цифри, які відображають реальну ситуацію в каналі вентиляційної установки ВЦ-5:
• - діаметр вентиляційного стволу: 4,5м.
• - витрата повітря складає 24,5 м³/с.
• - статичний тиск (депресія Р): 105 кПа.
• - температура в каналі 25 °С.
• - у каналі присутня висока вологість повітря: 95%.
• Після проведених теоретичних розрахунків коефіцієнт стисливості повітря Kz та його динамічна в'язкість м приймають відповідно значення , .
• Густина вологого повітря склала
• Значення максимальної швидкості V_max в центрі каналу [м/с],
• а число Рейнольдса . Отримане число Рейнольдса є досить великим, що свідчить про розвинутий турбулентний потік в каналі.
• Розрахована середня швидкість в каналі. В якості середньої швидкості першого кроку розрахунку бралася максимальна швидкість, бо формула має добру збіжність і це не впливає на результат
• Розподіл швидкостей в каналі матиме вигляд приведений на рис. 6.
• Далі розрахувавши площу поперечного перерізу каналу отримано миттєву витрату повітря в даному каналі
• [м³/с].
• У четвертому розділі сформульовано вимоги щодо характеристик та функцій, які мають бути присутні в будь-якому сучасному приладі контролю. До таких характеристик можна віднести забезпечення стабільної точності вимірювання, високої вірогідності контролю параметрів, зручний та зрозумілий інтерфейс роботи в будь-яких режимах, забезпечення приладу стандартними взаємозамінними каналами вводу інформації, можливість роботи приладу у локальній мережі подібних приладів.
• Рис. 6. Розподіл швидкостей в каналі відповідно до запропонованої моделі

Розроблено структурну схему приладу, який складається з таких блоків: мікроконтролер, блоки інтерфейсу RS-232 та RS-485 для роботи в локальній інформаційній мережі, блок астрономічного годинника з автономним живленням, блок енергонезалежної архівної пам'яті великого об'єму (не менше 8 Мбіт), індикатор з малим споживанням енергії, та з можливістю виведення розмірних параметрів, блок клавіатури для програмування приладу, високоточний АЦП для перетворення сигналів з первинних перетворювачів в цифровий код. Автором також запропоновано для подібних пристроїв, де є потреба вводу даних, використовувати оригінальний клавіатурний блок (отримано патент України на корисну модель №24615).

Приведено методику реакції обчислювача витрати на вхідні дані для контролю, які включають сигнали з давачів та дані введені користувачем, а також порядок їх обробки. Вказано межі контролю витрат Q_min та Q_max при виході за які обчислювач сигналізує про аварію, вносить запис в архів аварійних ситуацій, які згодом можливо обробити на комп'ютері. Заданими параметрами є густина повітря с_р у відповідності до його домішок та складу, внутрішній діаметр D вентиляційного каналу шахти (або приведений діаметр, якщо канал має не круглий поперечний переріз), шорсткість стінок каналу k, та відносна вологість повітря ц. Програмується також градуювальний коефіцієнт перетворювача напірної трубки k_нт.

Оператор також має ввести межі допуску по мінімуму Q_min та максимуму Q_max для контролю витрати повітря в нормальному режимі. Обчислювач витрати в реальному режимі слідкує за знаходженням параметру діапазоні допуску (рис. 7).

Рис. 7. Межі контролю витрати повітря нормального режиму роботи

Значення параметрів Q_min та Q_max неможливо ввести за допустимий діапазон датчика перепаду тиску, який найбільше впливає на зміну витрати повітря. Обчислювач сигналізує про аварію при виході витрати за меж діапазону на інформаційному табло і веде архів аварійних ситуацій, які згодом можливо обробити зчитавши архіви з обчислювача на комп'ютер.

Представлено алгоритм аналізу струмових сигналів уніфікованих давачів та знаходження значення струму Ix з отриманого АЦП коду Nх за лінійним законом. Причому діапазон значень струму поділено на логічні зони, які дозволяють проводити діагностику стану давача: нормальний режим, коротке замикання, вимкнений чи в зоні максимуму.

Розроблено алгоритм функціонування програмного забезпечення, який здійснює контроль коректності даних, програмування параметрів приладу, перегляд поточної інформації по запиту користувача і забезпечує зв'язок з персональним комп'ютером за допомогою послідовного.

Запропоновано градуювально-повірочний прилад (ГПП) для напірних трубок, який адаптовано для роботи разом з еталонною повірочною установкою (ЕПУ) УПЛГ-2500 для повірки механічних лічильників газу. ГПП має вигляд функціонально завершеного мікроконторлерного блоку, який отримує потрібні для розрахунку витрати газу дані від стандартних струмових давачів тиску, температури та перепаду тиску на НТ. ГПП розраховує витрату та об'єм газу в робочих та нормальних умовах відповідно до математичної моделі вимірювання витрати газу (рис. 8).

Размещено на http://allbest.ru

Імпульси з генератора ГПП поступають на імпульсний вхід повірочної установки УПЛГ-2500 імітуючи роботу лічильного механізму механічного лічильника газу. ГПП постійно розраховує миттєву витрату газу та розраховує частоту F_out, за якою генератор формує імпульси

 [Гц],(3)

деN_p -- кількість імпульсів на 1 м³ газу „віртуального” механічно лічильника, який ГПП імітує. В кожному новому циклі роботи ГПП визначає нову частоту та подає відповідні команди на генератор для корекції вихідної частоти F_out. Результатом градуювання напірної трубки буде розраховані середні значення сумарного об'єму газу за допомогою ГПП (Q_НТ) та за допомогою ЕПУ (Q_ет). Розділивши середні значення сумарного об'єму Q_ет на Q_НТ отримаємо шуканий коефіцієнт k градуювання напірної трубки, який зазвичай близький до одиниці

. (4)

Використовуючи ГПП в парі з ЕПУ можливо не тільки виконати повірку вимірювального перетворювача на базі НТ, але й провести градуювання напірної трубки будь-якої конструкції.

У результаті поставлених лабораторних експериментів на перерізах з малим діаметром (до 0,2 м²) було отримано значення відносних похибок за якими побудовано криву зміни похибки (рис. 9). Фактично ця крива відображає залежність похибки від середньої швидкості потоку повітря.

Рис. 9. Крива похибки за результатами експерименту

На малих швидкостях результат вимірювання має слабу стабільність. При збільшенні експериментальної швидкості до максимального значення 24 м/с крива похибки стабілізується. Найкращі результати отримані при великих швидкостях, коли перепад тиску складає 145 Па і вище, де відносна похибка складає менше двох відсотків. Стабільність результатів теж нормалізується. Причому збіжність результатів можливо теоретично покращити збільшуючи час інтегрування витрати повітря.

Результати тестування приладу контролю витрати повітря можна назвати вдалими, бо якщо провести аналогію з каналом великого поперечного перерізу і забезпечити таку ж швидкість потоку повітря при якій числа Рейнольдса для обох перерізів були б рівними, то ми б отримали велике значення швидкості повітря для повірочної установки. Але тоді відповідно до результатів дослідів похибка буде мінімальною.

Оцінено ефективність роботи приладу, в якості оцінки обчислено вірогідність контролю, а саме ймовірність знаходження очікуваного результату в прогнозованому діапазоні. При розрахунках помилок контролю було прийняті наступні значення параметрів. Коефіцієнт асиметрії поля допуску дорівнює 1, тобто присутній симетричний допуск. Контрольні прирости полів допуску за верхньою та нижньою межами дорівнюють нулю. Номінальне експериментальне значення витрати повітря складає 100 м³/с, що є трохи менше за середнє значення витрати у даному каналі. Поле допуску витрати становить 8 відсотків від номінальної витрати. Середньоквадратичне значення відхилення вимірювань ряду замірів у каналі склало 2,63%. Отримано значення вірогідності контролю 0,953 є вищим за значення вірогідності контролю при не автоматизованому вимірюванні витрати.

Представлено результати роботи приладу на реальному об'єкті - вентиляційному каналі гірничодобувної шахти ВАТ «Суха Балка» (Кривий Ріг), про що свідчить отримане свідоцтво про впровадження. Результати роботи відображають дані з архіву приладу при переході на реверсивний режим роботи каналу і навпаки, що показує його здатність працювати в усіх закладених режимах. Прилад на даний час працює в штатному режимі, зауважень щодо його експлуатації не виникало.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішено завдання щодо створення мікроконтролерного приладу для контролю витрат повітря у каналах із великим поперечним перерізом, який дозволяє з високою вірогідністю розраховувати миттєву та об'ємну витрату повітря, а також його інші технологічні параметри. Основні наукові і практичні результати роботи є такими:

1. Вдосконалено математичну модель об'єкту контролю витрат повітря, яка враховує підвищену вологість, шорсткість стінок каналу, та характер потоку повітря, що дозволило підвищити точність вимірювання витрат, спростити визначення коефіцієнта стисливості та динамічної в'язкості повітря і підвищити вірогідність контролю до значення 0,953, яке є вищим ніж при епізодичному контролі витрати точковими методами.

2. Розроблено первинний вимірювального перетворювач - модифіковану напірну трубку, що дозволило механічно не змінювати переріз вентиляційного каналу та забезпечити високу точність вимірювання. Даний перетворювач завдяки вбудованому мікроконтролеру, має підвищену чутливість і дозволяє визначати напрям руху повітря у каналі.

3. Запропоновано модифіковану формулу для розрахунку середньої швидкості у каналі відносно максимальної швидкості на осі каналу. Формула враховує високу шорсткість стінок каналу, а метод вимірювання максимальної швидкості забезпечує стабільність ординати точки та її незалежність чисел Рейнольдса і характеристик потоку.

4. Вперше запропоновано підхід до автоматизованого градуювання і повірки напірних трубок на атестованій повірочній установці УПЛГ-2500, який дозволяє виконувати градуювання та повірку напірних трубок тими ж засобами, що й при повірці механічних лічильників природного газу.

5. Запропоновано принцип роботи обчислювача для вимірювання і контролю витрат повітря, який на відміну від аналогів дозволяє автоматично визначати прямий та зворотній напрямок руху потоку повітря у вентиляційному каналі шахти. Автором запропоновано для подібних пристроїв використовувати оригінальний клавіатурний блок для вводу даних, який дозволяє опитувати велику кількість клавіш оператора всього по одній лінії вводу.

4. Розроблено математичні моделі визначення динамічної в'язкості повітря а також його коефіцієнту стисливості. Математичні моделі розраховані на використання в діапазоні тисків P_абс = 90ч130 [кПа] та діапазоні температур -20ч50 °С. Дані моделі мають високу точність, коефіцієнт кореляції параметрів в обох моделях близький до одиниці, а сума залишків є складає 2,0319805e-10 та 0,000005826. На відміну від табличних значень їх можливо застосувати в автоматизованих системах та приладах контролю витрат повітря.

5. Виконано аналіз режиму руху повітря враховуючи коефіцієнт тертя та число Рейнольдса, відповідно до якого режим потоку повітря знаходиться в автомодельній області турбулентної течії, що дає змогу використовувати лише один градуювальний коефіцієнт напірної трубки для даної задачі.

6. Запропоновано методику та обчислено загальну невизначеність вимірювання витрат повітря, яка становить 0,0183.

7. Розроблено методику функціонування програмного забезпечення, яке здійснює контроль коректності даних, програмування параметрів приладу, перегляд поточної інформації по запиту користувача і забезпечує зв'язок з персональним комп'ютером для обміну даними.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Дементьєв C.Ю. Аналіз похибок інформаційно-вимірювальної системи витрати газів / Дементьєв C.Ю. // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2006. - №6. - С. 64-66.

2. Дементьєв C.Ю. Градуювально-перевірочний стенд для напірних трубок / Дементьєв C.Ю. // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2008. - №1. - С. 5-7.

3. Дементьєв C.Ю. Експериментальне визначення коефіцієнта напірної трубки для контролю витрати газів / Дементьєв C.Ю., Дементьєв Ю.В. // Вісник Хмельницького Національного університету. - 2008. - №3. - C. 56-58.

4. Дементьєв C.Ю. Контроль витрати повітря в отворах великого перерізу. / Дементьєв C.Ю. // „Нові технології ”. Науковий вісник Кременчуцького університету економіки, інформаційних технологій і управління. - 2006. - №2(12). - С. 234-235.

5. Дементьєв C.Ю. Мікропроцесорний коректор об'єму газу з наднизьким енергоспоживанням / Дементьєв C.Ю. // Вісник Хмельницького Національного університету. - 2005. - ч.1, - №4. - С. 233-235.

6. Дементьєв C.Ю. Надійність програмного забезпечення обчислювача витрати енергоресурсів / Дементьєв C.Ю., Дементьєв Ю.В. // „Радіоелектронні і комп'ютерні системи ”. Науково-технічний журнал національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського „Харківський авіаційних інститут ”. - 2007. - №7(26). - С. 199-202.

7. Дементьєв C.Ю. Пристрій вимірювання витрати повітря з двонаправленим режимом роботи / Дементьєв C.Ю. // Вісник черкаського державного технологічного університету. Спецвипуск. - 2007. - С. 170-172.

8. Дементьєв C.Ю. Аналіз похибок інформаційно-вимірювальної системи витрати газів / Дементьєв C.Ю // Тези доповідей XIII міжнародної конференції з автоматичного управління “Автоматика-2006”. - Вінниця, 2006. - C. 151.

9. Дементьєв C.Ю. Використання чисел з плаваючою крапкою в малорозрядних мікроконтролерах / Дементьєв C.Ю // Тези доповідей XXXII науково-технічної конференції професорсько-викладацького складу співробітників та студентів університету з участю працівників науково-дослідницьких організацій та інженерно-технічних працівників підприємств м. Вінниці та області. - Вінниця, 2003. - C. 126.

10. Дементьєв C.Ю. Вимірювання витрати повітря в отворах великого діаметру / Дементьєв C.Ю // Тези доповідей XXXIV науково-технічної конференції професорсько-викладацького складу співробітників та студентів університету з участю працівників науково-дослідницьких організацій та інженерно-технічних працівників підприємств м. Вінниці та області. - Вінниця, 2005. - C. 59.

11. Дементьєв C.Ю. Контроль витрати повітря в отворах великого перерізу / Дементьєв C.Ю // Тези доповідей II науково-технічної конференції з міжнародною участю “Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології ” (МЕТІТ-2). - Кременчук, 2006. - C. 183-184.

12. Дементьєв C.Ю. Мікропроцесорна система вимірювання витрати газів з наднизьким енергоспоживанням / Дементьєв C.Ю. // Матеріали I Міжнародної конференції СПРТП-2005. - Вінниця. - 2005. - С. 92.

13. Пат. 24615 Україна, МПК G06C 7/00. Пристрій опитування клавіатури / Дементьєв С.Ю., Дементьєв Ю.В.; заявник Вінницький національний технічний університет. - № 200701188 ; заявл. 05.02.07 ; опубл. 10.07.2007, Бюл. № 10.

14. Пат. 28374 Україна, МПК G01P 5/00. Пристрій вимірювання швидкості повітря в тунелі з двонапрвленим режимом роботи / Дементьєв С.Ю., Дементьєв Ю.В.; заявник Вінницький національний технічний університет. - № 200707424 ; заявл. 02.07.07 ; опубл. 10.12.2007, Бюл. № 20.

Размещено на Allbest.ru