автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка электронных меточных устройств для автоматизации процесса измерения скорости и расхода технологических газовых потоков

□034Э2343

На правах рукописи Экз. №_

Вин Мьинт Зо

РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОННЫХ МЕТОЧНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ И РАСХОДА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ

Специальность 05.13.06 -"Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами" (приборостроение).

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2010 г.

2 5 ФЕЗ 2010

003492343

Работа выполнена на кафедре "Системы автоматического управления и контроля в микроэлектронике" Московского государственного института электронной техники (технический университет)

Научный руководитель : доктор технических наук, профессор

Портнов Е.М.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Бондаревский А.С.

кандидат технических наук Дударев Д. А.

Ведущая организация: ГУЛ НПЦ «ЭЛВИС», г. Москва

Защита диссертации состоится " В " с1Уу><?.£-£ 2010 г. в/#'^часов на заседании диссертационного совета Д.212.134.04 при Московском государственном институте электронной техники (техническом университете) по адресу : 124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5, МИЭТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ .

Автореферат разослан "/7 " сЬеЛ^ДАЯ._2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.212.134.04 доктор технических наук, профессор

А.И. Погалов

Общая характеристика работы

На современном этапе развития науки и техники при стремительно развивающихся технологиях, увеличивающейся сложности приборов и систем, возрастании требований к их надежности и долговечности, неуклонном развитии автоматизации различных этапов производства весьма актуальной является проблема повышения требований к технологическому оборудованию. В то же время обеспечить необходимое качество производства высокотехнологичных изделий можно лишь при строгом соблюдении и контроле всех этапов технологического процесса. На сегодняшний момент технологические процессы целого ряда отраслей науки и техники связаны с необходимостью постоянного контроля и точного дозирования химических газовых реагентов.

Теоретическим исследованиям и разработке фундаментальных основ в области расходометрии посвящены труды видных ученых П.П. Кремлевского, А.Н. Павловского, В.М. Ильинского, Ф. Мейзда, Ф. Хер-нинга, Г.П. Катыса и многих других. Разработкой и выпуском расходомеров в настоящее время занимаются многие ведущие российские и мировые приборостроительные фирмы, в частности: «Саратовгазавтома-тика» , ЗАО "Взлет", АО "Центрприбор", НПФ "ТЭМ-сервис", Промышленная группа "Метран" (Россия), Flow Meter (Великобритания), Foxboro, Thermo Fisher Scientific, Rockwell, Hoffer Flow controls, Barton (CIIIA), Burkert Easy Fluid Control Systems, VSE (Германия), Faure Herman (Франция).

Потребность в измерении параметров потоков газообразных веществ испытывают многие отрасли. Значительное число производственных процессов во многих высокотехнологичных отраслях промышленности (особенно в генных технологиях, биотехнологиях, медицине, системах жизнеобеспечения, микро- и наноэлектронике, ядерных технологиях, тонких химических технологиях, пищевых технологиях) связаны с процессом массопереноса различных газообразных веществ; современные двигатели внутреннего сгорания оснащаются интеллектуальными системами впрыска топлива с применением прецизионных дозаторов. Характеризуя современные приборы метрологического назначения , следует отметить , что они не в состоянии с достаточной точностью производить измерение и не гарантирует неизменность основных нормируемых точностных характеристик (погрешность и динамический диапазон измерения).

Применяющиеся сегодня в качестве рабочих и образцовых средств измерения расходомеры типа РГС-1, РГС-2, счетчики газа ТРСГ-ИРГА-

РВ, СГ-1, СГ-2, расходомер-счетчик электромагнитный РСМ-05 имеют погрешность 1-2 % и уже не обеспечивают требуемой точности и воспроизводимости технологических процессов. Данный фактор явно не удовлетворяет запросы современных высокотехнологичных отраслей промышленности, где требуется подача разнообразных химических реагентов с погрешностью, не превышающей 0.6 %, а в области микропотоков совсем неприменим (<20 л/час).

В итоге отсутствие современного физического оборудования для измерения скорости и расхода технологических потоков газа не только негативно сказывается на надежности и качестве высокотехнологичных изделий, но и является сдерживающим фактором на пути более широкого внедрения современных приборов, устройств и систем.

Таким образом, актуальными являются исследования, направленные на создание высокоточных электронных меточных устройств для автоматизации процесса измерения скорости и расхода технологических газовых потоков в широком диапазоне.

Целью работы является исследование методов измерения скорости и расхода газов с применением тепловых и жидкостных меток поверхностно активных веществ и разработка на их основе математических моделей, алгоритмов работы и структурных схем высокоточных электронных меточных устройств для автоматизации процесса измерения скорости и расхода технологических газовых потоков.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих основных задач:

. - исследование существующих методов измерения скорости и расхода газовых потоков и выявление наиболее эффективного метода построения средства измерения;

- определение основных конструктивных и режимных факторов, влияющих на точность измерения расхода газов;

- построение математических моделей меточного расходомера, учитывающих влияние основных параметров потока на точность измерения и обеспечивающих определение основных конструктивных характеристик средства измерения на этапе проектирования;

- исследование влияния потоков газа на эволюции тепловой метки;

- создание классификации основных составляющих погрешности измерения скорости и расхода газовых потоков, выявление доминирующих погрешностей;

-разработка алгоритмов работы и структурных схем электронных меточных устройств;

-имитационное моделирование автоматического меточного устройства для измерения скорости и расхода технологических потоков газа.

Методы исследования. В диссертационной работе использованы вероятностно-статистические методы анализа случайных сигналов, методы дифференциального и интегрального исчисления, элементы теории вероятности и математической статистики, газодинамики, опто-электроники и тепломассопереноса.

Научная новизна работы состоит в создании новых моделей, алгоритмов и устройств, обеспечивающих повышенную точность и расширенный диапазон измерения скорости и расхода потоков технологических газов. В ходе выполнения работы получен ряд новых научных результатов:

- предложена математическая модель, описывающая прогиб пленки ПАВ, позволяющая предположить неравнозначность прогибов последней в различных контрольных сечениях расходомера;

- построены и исследованы математические модели автоматизированного расходомера с жидкостной меткой, учитывающие ряд ранее не рассматриваемых параметров потока технологических газов и конструктивных особенностей расходомера;

- предложена классификация погрешностей расходомера с жидкостной меткой и определены основные погрешности измерения;

- разработаны математические модели, описывающие эволюцию тепловой метки, позволяющие проводить предварительные расчеты и численное моделирование автоматизированных меточных измерителей скорости и расхода газовых потоков при широком варьировании основных конструктивных и геометрических параметров;

- разработан математический аппарат по расчету основных погрешностей измерения расхода газовых потоков, который позволил обосновать возможность создания прецизионных меточных расходомеров, обеспечивающих погрешность измерения менее 0,6 %, что превосходит параметры современных сертифицированных средств измерения;

- предложены меточные устройства автоматизированного измерения скорости и расхода потоков технологических газов, а также формирования жидкостных меток, обеспечивающие создание полностью автоматизированного меточного расходомера повышенной точности и помехозащищенности с возможностью измерения скорости и расхода агрессивных, взрывоопасных и токсичных газовых реагентов.

Практическая значимость работы заключается в новых возможностях улучшения метрологических характеристик рабочих и образцо-

вых средств автоматизированного измерения скорости и расхода технологических потоков газа. Гибкость предложенных решений делает возможным их применение в медицинском приборостроении, авиационной промышленности, биотехнологиях, микро- и наноэлектронике, металлургии и др. Разработанные алгоритмы, методики расчета, модели и структурные схемы электронных меточных устройств позволяют облегчить решение практических задач по конструированию расходомеров с тепловой и жидкостной меткой.

Результаты экспериментальных исследований доказали принципиальные возможности построения меточного расходомера с диапазоном измерения объемного расхода газа от 0,1 л/ч до 2000 л/ч, массового расхода* от 0,0002 кг/ч до 3 кг/ч, относительной погрешностью измерения расхода газа, обусловленной смещением точек срабатывания датчиков 0,02 %, относительной погрешностью измерения расхода газа, обусловленной временной составляющей 0,007 %.

Достоверность определяется корректным применением строго математического аппарата и подтверждается результатами имитационного моделирования и экспериментальных исследований, доказавшими преимущества предложенных в работе моделей, алгоритмов и структур электронных меточных устройств для автоматизации процесса измерения скорости и расхода технологических газовых потоков, выразившиеся в повышении точности и расширении диапазона измерения массового и объемного расхода газа.

Личный вклад автора. Все основные результаты получены автором лично. Главными из них являются:

- определение совокупности требований, необходимых для выбора метода измерений малых расходов;

- создание математической модели, описывающей деформацию жидкостной метки в измерительном трубопроводе расходомера;

- создание динамической модели перемещения метки по измерительному трубопроводу меточного расходомера;

- разработка статической модели для определения расходов газа в меточных расходомерах с жидкостной меткой;

- создание математических моделей эволюции тепловой метки в канале трубопровода;

- создание классификации основных составляющих погрешности и вывод формульных зависимостей для определения количественных характеристик составляющих методических погрешностей;

- разработка меточных устройств для автоматизированного измерения скорости и расхода потоков технологических газов, а также формирования жидкостных меток;

- создание имитационной мнемомодели автоматического меточного устройства для измерения скорости и расхода потоков газа.

Внедрение результатов работы. Все работы по реализации и внедрению проводились под руководством или при непосредственном участии автора. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе Московского государственного института электронной техники.

На защиту выносятся:

- аналитический обзор методов измерения скорости и расхода потоков газа;

- статическая и динамическая модели меточного расходомера с жидкостной меткой;

- математическая модель, описывающая деформацию жидкостной метки в измерительном трубопроводе расходомера;

- математические модели эволюции тепловой метки в канале трубопровода;

- классификация и математический аппарат для расчета погрешностей расходомера с жидкостной меткой;

- меточные устройства измерения скорости и расхода технологических газов, а также формирования жидкостных меток;

- имитационная мнемомодель автоматического меточного устройства для измерения скорости и расхода технологических потоков газа;

- результаты внедрения и апробации материалов диссертационной работы.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на Всероссийских меясвузовских научно-технических конференциях "Микроэлектроника и информатика" (Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2007- 2009 г.г.), Всероссийской межвузовской научно-практической конференции "Актуальные проблемы информатизации. Развитие информационной инфраструктуры, технологий и систем" (Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2007-2008 г.г.), Всероссийской межвузовской научно-практической конференции "Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике"(Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2009 г.)

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 19 опубликованных работах, в том числе 3 статьи в ведущих научных журналах, утвержденных ВАК. Без соавторов опубликовано 14 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 157 страниц основного текста, включая 34 рисунка, 7 таблиц, а также список литературы из 114 наименований и 3 приложения.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются общие проблемы, цели и задачи исследования, научное и практическое значение полученных результатов, рассматривается структура диссертации и взаимосвязь отдельных глав.

В первой главе проанализированы проблемы автоматического измерения расхода и скорости технологических газов и выявлены основные негативные факторы, а, именно: габаритно-механические ограничения, режим течения потока, механические ограничения и повышение перепада давления на измерительных преобразователях. Исследованы метрологические особенности основных методов измерения расходов газа. Показаны преимущества меточного способа измерения расхода, в частности, высокая точность измерения и незначительный перепад давления, который практически не влияет на результат измерения. Установлено, что из всей совокупности меточных измерителей наиболее перспективными являются устройства с тепловой и жидкостной меткой поверхностно-активных веществ.

Во второй главе разрабатываются математические модели электронного меточного расходомера с жидкостной меткой.

Заключенная в кольцевом сечении трубопровода пленка ПАВ, имеющая в первоначальном состоянии форму вогнутого с двух сторон мениска, при некотором избыточном давлении газа начинает перемещаться. При этом под действием набегающего потока газа и силы трения пленки о стенки трубопровода, которые направлены в противоположные стороны, пленка начинает деформироваться.

Приведем конечную формульную зависимость для определения высоты прогиба пленки Нсс, которая может характеризовать динамическую деформацию пленки ПАВ:

4Я77

2 _ —х

КР (ГР) dVomn _ s^ / N dVom,,

íga oz az

, V/ЛЛ Ul/'WlV J

tga dz az

где динамическая вязкость; яс- толщина слоя ПАВ, смачивающего внутреннюю поверхность трубопровода; а- острый угол треугольников

Гиббса; hcp (тр j, кшах(тр)~ средняя и максимальная толщина пленки,

dVom„

зависящая от периода релаксации;--градиент скорости переме-

dz

щения пленки, rmn - диаметр трубопровода; АР - перепад давления, создаваемый меткой; Rcc - радиус сегмента сферы, образованной пленкой ПАВ при ее деформации.

Наряду с эксплуатационными требованиями точность измерения меточного расходомера определяет его структуру и параметры. Поэтому на стадии проектирования измерительного устройства для правильной оценки его точности необходимо проведение анализа и классификации всех внешних и внутренних возмущающих факторов, приводящих к образованию погрешности. В работе построена и исследована статическая математическая модель меточного прецизионного расходомера, позволяющая произвести полный анализ влияния составляющих погрешностей на метрологические характеристики меточного метода измерения.

Исходной зависимостью для вывода статической математической модели служит уравнение для определения расхода сухого газа : Р-Р V

Qo=—-^-Q = ak—, (2)

Р т

где а- коэффициент, учитывающий уменьшение вместимости бюретки за счет объема пленки меточной жидкости, покрывающей ее внутреннюю поверхность; Р- давление влажного газа, Руа, -парциальное давление паров; Q- действительный расход газа; V- объем протекающего газа, г - время протекания газа ; к- поправочный коэффициент, учитывающий изменение объема протекающего газа за счет парциального давления. При выводе статической модели учитывались ряд, обычно

пренебрегаемых факторов, влияющих на точность определения объема: изменение измерительного объема V, вызванное динамическим прогибом жидкостной метки; изменение объема газа АУ% за счет дополнительного перепада давления (Р) ), создаваемого жидкостной меткой ; изменение объема измерительной бюретки за счет объема слоя меточной жидкости Уш, покрывающего ее внутреннюю поверхность; погрешность срабатывания датчиков в контрольных сечениях измерительного -трубопровода.

В этом случае обобщенное уравнение статической модели прецизионного меточного расходомера выражается следующей зависимостью:

б+ Р„ + РуЛУ+7 (Л^ - ДА.+К -Л)+

-ф+АУш]-АГх(РЛ1 -РУЛ (3)

где Л£, и - смещение точек срабатывания датчиков в контрольных сечениях; \ и - высота прогиба жидкостной метки в первом и втором контрольном сечении; Рапш - атмосферное давление; Т„, Р„ - температура и давление при нормальных условиях.

Применение существующих динамических моделей в случае расходомера с жидкостной меткой приводит к появлению целого ряда дополнительных погрешностей, обусловленных влиянием следующих факторов: увлажнением газа при его контакте с веществом метки; прогибом метки под действием создаваемого ею перепада давлений, уменьшением поперечного сечения измерительного трубопровода за счет осаждения вещества меток на внутренней поверхности, нелинейной зависимостью силы трения метки от скорости ее движения.

Влияние данных факторов учтено при разработке динамической модели меточного расходомера, в которой в процессе движения метки происходит непрерывное изменение рабочего объема.

Метка движется под влиянием перепада давлений АР, который действует на эффективную площадь ^:

¿э=-к(гит- 8ЖГ)2, (4)

где гит - радиус внутреннего сечения ИТ; Бж„ - толщина жидкостной пленки на внутренней поверхности ИТ. Скорость движения метки О! будет определяться равнодействующей силой, обусловленной с од-

ной стороны перепадом давлений АР, с другой стороны силой вязкого

трения Рт и весом метки Т"

о, = — {(Б^р + Р^т^ск, (5)

Л' о

где тм -масса метки; Т„ - период наблюдения, отсчитываемый с момента запуска метки до момента, в котором зафиксировано ее положение; § - гравитационная постоянная.

Рабочий объем расходомера зависит от перемещения метки х : т

о

и является составляющей суммарного объема ■ Ух=¥0+Гр+АУ, (7)

где У0 - начальный конструктивный объем элементов газовой системы расходомера; А К -отклонение объема, обусловленное прогибом метки . Используя значение суммарного объема , можно определить давление внутри трубки меточного расходомера.

т,

где Рувл - парциальное давление водяных паров, увлажняющих газ внутри расходомера; &0 - начальная температура.

Очевидно, что давление внутри расходомера отличается от давления в окружающем пространстве Рр только на величину перепада давлений АР, создаваемого меткой, т.е.:

Рр-Р0=АР. (9)

Таким образом, мы получили систему уравнений (4) - (9), решение которой относительно переменной х в (6) даст уравнение движения метки в трубке расходомера. Полученная динамическая модель может использоваться при проектировании и градуировке меточных расходомеров с применением средств вычислительной техники.

В третьей главе разработаны математические модели тепловых меточных расходомеров.

Основная задача теоретического исследования заключается в анализе процессов эволюции тепловой метки в движущемся газовом потоке с

целью определения количественных зависимостей информативных па-раметров( температуры, временного интервала и др.) от расхода газа.

Рассмотрим стационарный ламинарный поток с температурой С/й и объемным расходом £) через участок теплоизолированного цилиндрического трубопровода с площадью поперечного сечения 5. Если в некоторый момент времени в сечении, соответствующем точке у,, имеется перепад температур С/(>С/0, то с течением времени эта первоначально плоская метка будет размываться набегающим потоком и диффузией тепла. В работе определена одномерная модель эволюции тепловой метки, в соответствии с которой функциональная зависимость распределения температуры, имеет следующий вид:

где с - удельная теплоемкость, р- плотность, ^-мощность источника тепла, а - коэффициент теплопроводности, У0- скорость движения метки.

Функция и(у-¥0$ имеет колоколообразную форму с вершиной в точке у=причем пик функции будет экспоненциально спадать с ростом (. Из условия ——- =, 0 можно найти момент времени, соответст-

вующий максимальному значению температуры в произвольной точке у. Этот момент времени будет определяться выражением

В четвертой главе представлен анализ и классификация погрешностей автоматизированного процесса измерения скорости и расхода технологических газовых потоков.

На основании полученной в главе 2 статической модели меточного расходомера была произведена классификация составляющих погрешностей измерения, скорости и расхода газовых потоков, представленная в виде иерархической модели, показанной на рисунке 1. Основные ветви модели образуют статические погрешности определения термодинамических параметров газа, погрешности определения временного интервала между контрольными сечениями расходомера и погрешностей определения измерительного объема. Динамические погрешности появляются из-за инерционности измерительных преобразователей при переходных процессах.

(10)

д(

V

'о

(П)

I

Погрешность определения термодинамических параметров

Инструментальная

измерения температуры газа

измерения давления

Методическая

измерения температуры окружающей среды

от перепада давления, создаваемою меткой - ' ■

определения диаметра ИТ

измерения температуры газа

определения парциального давления

определения площади ПАВ

определения временного интервала

Статическая погрешность определения временного интервала(ИВИ)

I

Статические погрешности определения измерительного объема газа

Инструментальная

фиксации положения метки

асинхронности ИВИ и тактового генератора

неоднозначного фиксирования временного интервала

в начале отсчета

в конце отсчета

Методическая

от флуктуации периода тактового генератора и ИВИ

преобразователя "Время - код",

измерения объема между контрольными сечениями

измерения диаметра

дискретизации преобразователя

измерения расстояния между контрольными сечениями

в начале временного интервала

в конце временного интервала

От неоднозначности прогиба ЖМ

Л

в 1-м. контрольном се. чеиии

во 2-м контрольном сечении

определения объема газа

от неоднозначности центра тепловой метки

смешения то-нексрабатыва-ния датчике»» положения метки - -

от уменьшения объема бюретки

Определения суммарного. объема гача •

от изменения сечения ИТ

за счет теплового расширения ИТ

от загрязнения ИТ

Рисунок 1- Погрешности меточного расходомера

В работе определены составляющие погрешностей, оказывающие доминирующее влияние на точность измерения расхода.

Погрешность дП2, вносимая перепадом давления создаваемого жидкостной меткой ПАВ. На основании разработанной динамической модели расходомера видно, что величина Рм не постоянна во время перемещения меткой ПАВ базового расстояния между контрольными сечениями измерительной бюретки, т.е. носит явно динамический характер и при этом зависит от многих факторов. Если С- полная теплоемкость термопреобразователя (ТП), Г- его наружная поверхность, находящаяся в теплообмене с измеряемой средой, и(т)- температура среды, ((г)- температура ТП, а- коэффициент теплоотдачи, то уравнение теплообмена при ¡с(т)>ф) будет иметь вид

ГУМ. (12)

а{т) С

Динамическая погрешность измерений, представляющая разность между температурами ТП и измеряемой среды, в соответствии с (12) будет определяться следующим соотношением

= = (13)

аР Л

Если реальный ТП может быть описан уравнением (12), то погрешность измерений определяется его постоянной тепловой инерции 3 = С/ аР и скоростью изменения показаний ТП. При использовании метода двух ТП разной инерционности она не будет превышать 0,1%.

Погрешность д321 смещения точек срабатывания датчиков положения метки представляет собой погрешность первичного преобразования измерительной информации и по своей природе является система" тической. Смещение точек срабатывания первичных преобразователей относительно контрольных сечений ИТ приводит к вариации базовой длины Ь на величину АХ,-, т.е. образованию некоторой зоны фиксирования метки. Теоретическое определение величины АX/ представляет собой довольно сложную задачу, поскольку АХ,- зависит от совокупного влияния многих факторов (конструктивные параметры и тип применяемых датчиков положения, метод детектирования метки и способ его структурно-аппаратной реализации).

Погрешность З32з, вызванная неоднозначным прогибом пленки в контрольных сечениях ИТ, обусловлена вариацией измерительного объема А Уи. Вариация вызвана появлением неоднозначности между

объемом Ум, занимаемым меткой в первом контрольном сечении, и объемом ¥/,2 - во втором. Данная вариация может быть выражена как

А¥„ = Г„г [гМ"Л)+^ > 04)

где гв~ радиус измерительной бюретки. Анализ зависимости (1) для определения динамичного прогиба метки Нсс показал, что нельзя воспользоваться ее теоретическим определением, поскольку численное значение многих параметров, входящих в (1), нам не известно. В то же время произведенная с помощью частной производной

дн, ~ТРиЛатм " уел\ь 2 ) { }

оценка влияния величины ДГЛ на результат измерения расхода показала, что влияние погрешности 6323 может достигать 0,2 %.

Погрешность д3241, вызванная уменьшением сечения ИТ, (а следовательно, и измерительного объема V) за счет объема Усл1 слоя меточной жидкости, покрывающей внутреннюю поверхность ИТ. На основании полученной модели меточного расходомера (3) влияние погрешности на результат измерения расхода газа может оцениваться с помощью следующей частной производной

= +Р-Р ) (16)

дУ 1аш " У°Ч' К >

откуда получаем, что влияние погрешности 63241 на результат измерения расхода может достигать 0,23%.

Представленный математический аппарат по расчету основных погрешностей измерения расхода газовых потоков позволил теоретически обосновать возможность создания прецизионных меточных расходомеров, обеспечивающих погрешность измерения менее 0,6 %.

В пятой главе разработаны структуры и алгоритмы работы электронных меточных устройств для измерения скорости и расхода потоков газа.

Как показал анализ существующих вариантов реализации меточных расходомеров, создание перспективных меточных устройств должно основываться на таких алгоритмах работы, которые позволяют селектировать результаты измерений при однородном поле скоростей газового потока; селектировать во втором контрольном сечении ИТ именно ту метку, по которой произошел запуск измерителя временного интервала; автоматически адаптироваться и возобновлять цикл работы расходо-

мера при исчезновении очередной метки; контролировать профиль скоростей газового потока в ИТ.

На рис. 2 представлена структурная схема меточного устройства для измерения скорости и расхода потоков технологических газов, обеспечивающего выполнение всех перечисленных условий. В предложенной схеме устройства реализуется циклический автоматический режим работы во всех ситуациях, а именно: при прохождении меткой всего отрезка между формирователем меток и третьим датчиком; при исчезновении метки на отрезке между формирователем меток и вторым датчиком; при не формировании метки в момент поступления импульса на вход формирователя меток. Другие случаи исчезновения меток невозможны.

Кроме того, полностью исключается возможность ложного срабатывания формирователя меток при появлении нескольких меток во втором контрольном сечении ИТ.

В работе предложено устройство формирования жидкостных меток с дистанционным управлением, позволяющего в совокупности с показанным выше устройством измерения создать полностью автоматизированный меточный расходомер с дистанционным управлением и возможностью измерения скорости и расхода большого ряда агрессивных, взрывоопасных и токсичных газовых реагентов.

Для экспериментального исследования предложенных в работе технических решений по созданию прецизионных меточных средств для автоматизированного измерения скорости и расхода газовых потоков была разработана мнемосхема, позволяющая имитировать расход и скорость газовых потоков в широких пределах.

На рис.3 и 4 представлены графические зависимости, отражающие принципиальные возможности прибора при измерении объёмного и массового расхода потоков технологических газов.

Результаты эксперимента доказывают принципиальные возможности построения автоматизированного меточного расходомера с высокими метрологическими параметрами, а именно: диапазон измерения объемного расхода газа от 0,1 л/ч до 2000 л/ч, массового расхода- от 0,0002 кг/ч до 3 кг/ч, относительная погрешность измерения расхода газа, обусловленная смещением точек срабатывания датчиков составляет 0,02 %, максимальная относительная погрешность измерения расхода газа, обусловленная временной составляющей не превышает 0,007 %.

I,2,3- датчики положения метки; 4,5,6 - выходные детекторы; 7-счетчик; 8-триггер; 9-элемент "ИЛИ"; 10,15- элементы "И";

II,12- формирователи временного интервала; 13-измеритель временного интервала; 15-устройство согласования; 16- микропроцессорное вычислительное устройство

Рисунок 2- Схема меточного расходомера на основе трехканаль-ной структуры

Рисунок 3- Зависимости, отражающие принципиальные возможности прибора при различных мерных объёмах для объемного расхода СЬ Шш= 0,1 л/ч, (2о шах =2000 л/ч.

Рисунок 4- Зависимости, отражающие принципиальные возможности прибора при различных мерных объёмах для массового расхода С>м т;„= 0,0002 кг/ч, С>Мп,ах =3 Кг/Ч.

Таким образом, результаты экспериментальных исследований показали высокие метрологические параметры автоматизированных меточных расходомеров, построенных на основе предложенных в диссертации технических решений.

В заключении приведены основные теоретические и практические результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы.

В приложениях приведены копии акта внедрения результатов диссертационного исследования, результаты экспериментальных исследований, метрологические параметры современных измерительных средств расхода газа.

Основные результаты работы

1. Проведенный сравнительный анализ критериальных свойств различных методов позволил установить, что наилучшим вариантом построения расходомера, обеспечивающим выполнение подавляющего большинства требований к измерению количества вещества, является вариант меточного расходомера с тепловой или жидкостной меткой.

2. Предложена в качестве статической модели новая аналитическая зависимость для определения расходов газа в меточных расходомерах с жидкостной меткой, позволяющая произвести классификацию, исследовать статические погрешности и определить доминирующие погрешности расходомера с целью поиска наиболее оптимальных путей повышения его точности.

3. Разработана универсальная динамическая модель перемещения метки по измерительному трубопроводу меточного расходомера, позволяющая оценить динамические свойства самого расходомера в зависимости от термодинамических параметров измеряемого потока газа и его конструктивных особенностей.

4. Предложены математические модели эволюции тепловой метки в канале трубопровода различной степени сложности.

5. На основании предложенных в работе математических моделей меточных расходомеров произведена классификация основных составляющих погрешности, выведены соотношения для определения количественных характеристик составляющих методических погрешностей, что позволило выявить доминирующие погрешности и обосновать возможность создания прецизионных меточных расходомеров, обеспечивающих погрешность измерения менее 0,6 %.

6. Предложены меточные устройства автоматизированного измерения скорости и расхода потоков технологических газов, а также формирования жидкостных меток, обеспечивающие создание полностью автоматизированного меточного расходомера повышенной точности и помехозащищенности.

7. Разработана имитационная мнемомодель автоматического меточного устройства для измерения скорости и расхода потоков газа и проведены экспериментальные исследования, доказавшие принципиальные возможности построения устройства с широким диапазоном измерения объемного расхода газа от 0,1 л/ч до 2000 л/ч, массового расхода- от 0,0002 кг/ч до 3 кг/ч, относительными погрешностями измерения, обусловленными смещением точек срабатывания датчиков 0,02 % и временной составляющей 0,007 %.

8. Результаты диссертационных исследований внедрены в учебный процесс Московского государственного института электронной техники (технический университет).

Результаты диссертации опубликованы в следующих основных работах

1. Вин Мьинт Зо., Анализ возможностей различных методов измерения параметров потоков веществ в парогазовой фазе// Научно-технический журнал " Естественные и технические науки ".- М.: Изд-во ООО "Компания Спутник+", 2007,- № 4.-С.192-195.

2. Вин Мьинт Зо., Методы измерения малых скоростей и расходов газовых потоков. //Микроэлектроника и информатика -2007. 14-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. - М.:МИЭТ, 2007.-С.231.

3. Вин Мьинт Зо., Обобщенная модель первичных преобразователей автоматических меточных измерителей расхода и скорости технологических парогазовых смесей в трубопроводах// Научно-технический журнал "Техника и технология",- М.: Изд-во ООО "Компания Спутник+", 2007.- № 5.-С.84-85.

4. Вин Мьинт Зо., Статическая деформация плёночной линзы из поверхностно-активных веществ для меточного расходомера// Микросистемная техника. Моделирование, технология, контроль: Сборник научных трудов / Под ред. С.П.Тимошенкова. - М.:МИЭТ,2007.-С.35-37.

5. Вин Мьинт Зо., Анализ методической погрешности первичных преобразователей автоматических меточных расходомеров в частных

производных// Актуальные проблемы информатизации. Развитие информационной инфраструктуры, технологий и систем. Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция: Материалы конференции.- М.:МИЭТ, 2007.-С.83.

6. Вин Мьинт Зо., Имитационная мнемомодель автоматического меточного прибора для калибровки газоизмерительных систем в микро- и наноэлектронике//Микроэлектроника и информатика -2008. 15-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. -М.:МИЭТ, 2008.-С.190.

7. Портнов Е.М., Вин Мьинт Зо., Устройство формирования жидкостных меток в автоматических измерителях расхода и скорости газовых потоков//Научно-технический журнал "Актуальные проблемы современной науки",- М.: Изд-во ООО "Компания Спутник+", 2008.- №5.-С.197-199.

8., Портнов Е.М., Вин Мьинт Зо.,Формирование жидкостных меток в автоматических измерителях расходов и скоростей газовых потоков на основе поверхностно-активных веществ (ПАВ)//Научно-технический журнал "Актуальные проблемы современной науки". - М.: Изд-во ООО "Компания Спутник+",2008 .-№ 5.-С.200-201.

9. Дубовой Н.Д.,Тарасова Г.И., Тун Мин Наинг, Вин Мьинт Зо. Параметрическая оптимизация система автоматического регулирования с термическим объектом при изодромном управлении //Научно-технический журнал "Известия высших учебных заведений. Электроника .- М.: МИЭТ, 2007,- № 4,- С.85-86.

10. Вин Мьинт Зо.Анализ методической погрешности первичных преобразователей автоматических меточных расходомеров//Научно-технический журнал "Аспирант и соискатель",- М.: Изд-во ООО "Компания Спутник+",2008.-№6.-С.68-69.

11. Портнов Е.М., Вин Мьинт Зо., Автоматизированная система измерения расхода с фотоэлектрическими преобразователями// Актуальные проблемы информатизации. Развитие информационной инфраструктуры, технологий и систем. 2-я всероссийская межвузовская научно-практическая конференция: Материалы конференции.- М.:МИЭТ,2008.-С.142.

12. Вин Мьинт Зо., Построение тепловых меточных расходомеров на основе трехканальной структуры измерительного кана-ла.//Микроэлектроника и информатика -2009. 16-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. -М.:МИЭТ, 2009.-С.150.

13.Вин Мьинт Зо., Анализ классификация и возможные способы компенсации погрешности автоматизированного измерения расхода технологических газов//Научно-технический журнал "Техника и технология". - М.: Изд-во ООО "Компания Спутник+",2009.- № 4.-С.49-50.

14. Вин Мьинт Зо., Динамическая модель автоматизированного меточного расходомера//Научно-технический журнал "Актуальные проблемы современной науки". - М.: Изд-во ООО "Компания Спутник+",2009,- № 6.-С.195-196.

15.Вин Мьинт Зо., Математическая модель прецизионного меточного преобразователя с жидкостными метками//Научно-технический журнал "Аспирант и соискатель".-М.: Изд-во ООО "Компания Спутник+",

2009,- № 6.-С.107-108.

16. Вин Мьинт Зо., Разработка программного обеспечения для имитации движения жидкостной метки //Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике. 3-я всероссийская межвузовская научно-практическая конференция: Материалы конференции,-М.:МИЭТ,2009.-С.57.

17. Вин Мьинт Зо., Анализ влияния термодиффузии на время жизни тепловой метки//Научно-технический журнал "Актуальные проблемы современной науки".-М.: Изд-во ООО "Компания Спутник+", 2009.- № 6,2009.-С.193-194.

18. Вин Мьинт Зо., Модель эволюции тепловой метки//Научно-технический журнал "Актуальные проблемы современной науки".-М.: Изд-во ООО "Компания Спутник+", 2009.- № 6,2009.-С.197-199.

19. Портнов Е.М., Вин Мьинт Зо., Статическая модель автоматизированного расходомера с жидкостными метками// Научно-технический журнал "Известия высших учебных заведений. Электроника.-М.:МИЭТ,

2010.-№1.-С.88-90.

Подписано в печать:

Заказ №_. Тираж_экз . Уч.-изд.л._

Формат 60x84 1/16. Отпечатано в типографии МИЭТ. 124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5, МИЭТ.

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Обзор и анализ методов автоматизированного измерения скорости и расхода технологических газовых потоков 13 1.1 .Проблемы автоматического измерения расхода и скорости технологических газов

1.2.Классификация и анализ методов измерения расходов газа.

1.2.1. Метод переменного перепада давления

1.2.2. Метод обтекания

1.2.3. Тахометрический метод измерения

1.2.4. Тепловой метод измерения

1.2.5. Метод ультразвукового измерения

1.2.6. Оптический метод измерения

1.2.7. Меточный способ измерения

1.3. Сравнительные характеристики измерителей расхода газа различных типов. Анализ достоинств и недостатков.

1.4. Постановка задачи исследования. 54 Выводы по главе

Глава 2. Разработка математических моделей электронного меточного расходомера с жидкостной меткой

2.1. Модели деформации пленки поверхностно-активного вещества (ПАВ). 60 2.1.1 .Статическая деформация пленки ПАВ 60 2.1.2.Динамическая, деформация пленки ПАВ

2.2.Разработка статической модели меточных расходомеров с жидкостной меткой

2.3. Исследования и анализ термодинамических параметров газового потока в расходомерах с жидкостной меткой 72 2.4 Разработка динамической модели меточного расходомера

Выводы по главе

Глава 3. Разработка математических моделей тепловых меточных расходомеров 82 3.1 Особенности теплового меточного способа измерения расхода 82 3.2. Математический аппарат, описывающий тепловой меточный расходомер

3.3 Анализ влияния термодиффузии на "время жизни" тепловой метки

3.4 Модель эволюции тепловой метки на основе полной системы уравнений тепловой конвекции 93 Выводы по главе

Глава 4. Анализ и классификация погрешностей автоматизированного процесса измерения скорости и расхода технологических газовых потоков

4.1. Статическая погрешность определения термодинамических параметров измеряемого газа

4.2. Погрешности определения временного интервала

4.3. Погрешности определения измерительного объема

4.4. Динамическая погрешность измерения температуры метки в контрольном сечении. 113 Выводы по главе

Глава 5. Разработка схем и алгоритмов работы электронных меточных устройств для измерения скорости и расхода потоков газа.

5.1. Разработка алгоритма и структурной схема меточных устройств для измерения скорости и расхода потоков газа.

5.2. Устройство формирования жидкостных меток

5.3. Методика расчета параметров фотоэлектрического преобразователя меточного расходомера

5.4. Имитационная мнемомодель автоматического меточного устройства для измерения скорости и расхода потоков газа.

Выводы по главе 5 144 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 145 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 147 ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Акт внедрения результатов диссертационной работы 158 ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Экспериментальные исследования точностных характеристик автоматического меточного устройства для измерения скорости и расхода потоков газа 160 ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Метрологические параметры современных измерительных средств расхода газа

На современном этапе развития науки и техники при стремительно развивающихся технологиях, увеличивающейся сложности приборов и систем, возрастании требований к их надежности и долговечности, неуклонном развитии автоматизации различных этапов производства, весьма актуальной является проблема повышения требований к технологическому оборудованию. В то же время обеспечить необходимое качество производства высокотехнологичных изделий можно лишь при строгом соблюдении и контроле всех этапов технологического процесса. На сегодняшний момент технологические процессы целого ряда отраслей науки и техники связаны с необходимостью постоянного контроля и точного дозирования химических газовых реагентов.

Теоретическим исследованиям и разработке фундаментальных основ в области расходометрии посвящены труды видных ученых П.П., Кремлевского [2], А.Н. Павловского [1], В.М. Ильинского [42], Ф. Мейзда [68], Ф. Хернинга, Г.П. Катыса и многих других. Разработкой и выпуском расходомеров в настоящее время занимаются многие ведущие российские и мировые приборостроительные фирмы, в частности: «Саратовгазавтоматика» , ЗАО "Взлет" АО "Центрприбор" НПФ "ТЭМ-сервис", Промышленная группа "Метран" (Россия), Flow Meter (Великобритания), Foxboro, Thermo Fisher Scientific, Rockwell, Hoffer Flow controls, Barton (США), Burkert Easy Fluid Control Systems, VSE (Германия), Faure Herman (Франция) .

Потребность в измерении параметров потоков газообразных веществ испытывают многие отрасли. Значительное число производственных процессов во многих высокотехнологичных отраслях промышленности (особенно, в генных технологиях, биотехнологиях, медицине, системах жизнеобеспечения, микро- и наноэлектронике, ядерных технологиях, тонких химических технологиях, пищевых технологиях) связаны с процессом массопереноса различных газообразных веществ ; современные двигатели внутреннего сгорания оснащаются интеллектуальными системами впрыска топлива с применением прецизионных дозаторов.

Характеризуя современные приборы метрологического назначения , следует отметить , что они не в состоянии с достаточной точностью производить измерение и не гарантирует неизменность основных нормируемых точностных характеристик (погрешность и динамический диапазон измерения).

Применяющиеся сегодня в качестве рабочих и образцовых сресдтв измерения расходомеры типа РГС-1, РГС-2; счетчики газа ТРСГ-ИРГА-РВ, СГ-1, СГ-2, расходомер-счетчик электромагнитный РСМ-05 имеют погрешность 1-2 % и уже не обеспечивают требуемой точности и воспроизводимости технологических процессов. Данный фактор явно не удовлетворяет запросы современных высокотехнологичных отраслей промышленности, где требуется подача разнообразных химических реагентов с погрешностью, не превышающей 0.6 %, а в области микропотоков совсем неприменим (<20 л/час).

В итого отсутствие современного физического оборудования для измерения скорости и расхода'технологических потоков газа не только негативно сказывается на надежности и качестве высокотехнологичных изделий, но и является сдерживающим фактором на пути более широкого внедрения современных приборов, устройств и систем.

Таким образом, актуальными являются исследования, направленные на создание высокоточных электронных меточных устройств для автоматизации процесса измерения скорости и расхода технологических газовых потоков в широком диапазоне.

Целью работы является исследование методов измерения скорости и расхода газов с применением тепловых и жидкостных меток поверхностно активных веществ и разработка на их основе математических моделей, алгоритмов работы и структурных схем высокоточных электронных меточных устройств для автоматизации процесса измерения скорости и расхода технологических газовых потоков, в том числе агрессивных, взрывоопасных и токсичных газовых реагентов.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих основных задач:

- исследование существующих методов измерения скорости и расхода газовых потоков и выявление наиболее эффективного метода построения средства измерения;

- определение основных конструктивных и режимных факторов, влияющих на точность измерения расхода газов;

- построение математических моделей меточного расходомера, учитывающих влияние основных параметров потока на точность измерения и обеспечивающих определение основных конструктивных характеристик средства измерения на этапе проектирования;

- создание классификации основных составляющих погрешности измерения скорости и расхода газовых потоков, выявление доминирующих погрешностей; |

-разработка принципов построения, алгоритмов работы и структурных схем электронных меточных устройств;

-имитационное моделирование автоматического меточного устройства для измерения скорости и расхода потоков газа.

Методы исследования. В диссертационной работе использованы вероятностно-статистические методы анализа случайных сигналов, методы дифференциального и интегрального исчисления, элементы теории вероятности и математической статистики, газодинамики, оптоэлектроники и тепломассоперено-са. | I

Научная новизна работы состоит в создании новых моделей, алгоритмов и устройств, обеспечивающих повышенную точность и расширенный диапазон измерения скорости и расхода потоков технологических газов. В ходе выполнения работы получен ряд новых научных результатов: I

- предложена математическая модель, описывающая прогиб пленки ПАВ, позволяющая предположить неравнозначность прогибов последней в различных контрольных сечениях расходомера;

- построены и исследованы математические модели автоматизированного расходомера с жидкостной меткой, учитывающие ряд ранее не рассматриваемых параметров потока технологических газов и конструктивных особенностей расходомера;

- предложена классификация погрешностей расходомера с жидкостной меткой и определены основные погрешности измерения;

- разработаны математические модели, описывающие эволюцию тепловой метки, позволяющие проводить предварительные расчеты и численное моделирование тепловых меточных измерителей скорости и расхода газовых потоков при широком варьировании основных конструктивных и геометрических параметров;

- созданный математический аппарат по расчету основных погрешностей измерения расхода газовых потоков позволил теоретически обосновать возможность создания прецизионных меточных расходомеров, обеспечивающих погрешность измерения менее 0,6 %, что превосходит параметры современных сертифицированных средств измерения;

- предложена трехканальная структурная схема меточных устройств, обладающих повышенной точностью и помехозащищенностью и позволяющих обеспечивать достоверную селекцию результатов измерений и контроль профилей скорости газового потока.

Практическая значимость работы заключается в новых возможностях улучшения метрологических характеристик рабочих и образцовых средств измерения скорости и расхода технологических потоков газа. Гибкость предложенных решений делает возможным их применение в медицинском приборостроении, авиационной промышленности, биотехнологиях, микро- и наноэлек-тронике, металлургии и др.

Разработанные алгоритмы, методики расчета, модели и структурные схемы электронных меточных устройств позволяют облегчить решение практических задач по конструированию расходомеров с тепловой и жидкостной меткой.

Результаты экспериментальных исследований доказали принципиальные возможности построения меточного расходомера с диапазоном измерения объемного расхода газа от 0,1 л/ч до 2121 л/ч, массового расхода- от 0,0002 кг/ч до 3 кг/ч, относительной погрешностью измерения расхода газа, обусловленной смещением точек срабатывания датчиков 0,02 %, относительной погрешностью измерения расхода газа, обусловленной временной составляющей 0,007 %.

Достоверность определяется корректным применением строго математического аппарата и подтверждается результатами имитационного моделирования и экспериментальных исследований, доказавшими преимущества предложенных в работе моделей, алгоритмов и структур электронных меточных устройств для автоматизации процесса измерения скорости и расхода технологических газовых потоков, выразившиеся в повышении точности и расширении диапазона измерения массового и объемного расхода газа.

Личный вклад автора. Все основные результаты получены автором лично. Главными из них являются: определение совокупности требований, необходимых для выбора метода измерений малых расходов; создание математической модели, описывающей деформацию жидкостной метки в измерительном трубопроводе расходомера; разработка новой параметрической зависимости для определения парциального давления в меточных расходомерах; создание динамической модели перемещения метки по измерительному I трубопроводу меточного расходомера; разработка статической модели для определения расходов газа в меточных расходомерах с жидкостной меткой; создание математических моделей эволюции тепловой метки в канале трубопровода; создание классификации основных составляющих погрешности и вывод формульных зависимостей для определения количественных характеристик составляющих методических погрешностей; разработка трехканальной структурной схемы построения автоматизированных меточных расходомеров; разработка устройств и алгоритмов формирования метки; создание имитационной мнемомодели автоматического меточного устройства для измерения скорости и расхода потоков газа.

Внедрение результатов работы. Все работы по реализации и внедрению проводились под руководством или при непосредственном участии автора. Результаты диссертационной работы используются в в учебном процессе Московского государственного института электронной техники (технического университета) в лекционных и практических занятиях по дисциплинам "Системный анализ и математическое моделирование" кафедры "Информатика и программное обеспечение вычислительных систем" , "Измерительные преобразователи и системы" , "Метрология, стандартизация и сертификация" кафедры "Системы автоматического управления и контроля в микроэлектронике " На защиту выносятся:

- аналитический обзор методов измерения скорости и расхода потоков газа;

- статическая и динамическая модели меточного расходомера с жидкостной меткой;

- математическая модель, описывающая деформацию жидкостной метки в измерительном трубопроводе расходомера;

- математические модели эволюции тепловой метки в канале трубопровода;

- классификация и математический аппарат для расчета погрешностей расходомера с жидкостной меткой;

- алгоритм и структурная схема меточных устройств для измерения скорости и расхода потоков газа;

- имитационная мнемомодель автоматического меточного устройства для измерения скорости и расхода нологических техпотоков газа; ,

- результаты внедрения и апробации материалов диссертационной работы.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях "Микроэлектроника и информатика" (Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2007- 2009 г.г.), Всероссийской межвузовской научно-практической конференции "Актуальные проблемы информатизации. Развитие информационной инфраструктуры, технологий и систем" (Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2007-2008 г.г.), Всероссийской межвузовской научно-практической конференции "Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономи-ке"(Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2009 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 19 опубликованных работах, в том числе 3 статьи в ведущих научных журналах, утвержденных ВАК. Без соавторов опубликовано 14 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 157 страниц основного текста, включая 34 рисунок, 7 таблиц, а также список, литературы из 114 наименований и 3 приложения.

Выводы по главе 5

1. Определены основные конструктивные требования к созданию перспективных меточных устройств.

2. Разработан алгоритм и схема автоматизированных меточных устройств, обладающих повышенной помехозащищенностью и позволяющих обеспечивать: селекцию (фильтрацию) результатов измерений при однородном поле скоростей газового потока; селекцию во втором контрольном сечении ИТ именно той метки, по которой произошел запуск измерителя временного интервала; контроль профилей скоростей газового потока в ИТ.

3. Предложена оригинальная конструкция формирователя меток полностью отвечающая всем требованиям, предъявляемым к устройствам формирования меток ПАВ.

4. Совокупная реализация разработанных устройств позволяет создать полностью автоматизированный меточный расходомер с дистанционным управлением и возможностью измерения скорости и расхода большого ряда агрессивных, взрывоопасных и токсичных газовых реагентов.

5. Предложена методика расчета параметров фотоэлектрического преобразователя меточного расходомера и определено оптимальное место установки фотодиода.

6. Разработана имитационная мнемомодель автоматического меточного устройства для измерения скорости и расхода потоков газа и проведены экспериментальные исследования, доказавшие принципиальные возможности построения меточного расходомера с диапазоном измерения объемного расхода газа от 0,1 л/ч до 2121 л/ч, массового расхода- от 0,0002 кг/ч до 3 кг/ч.

7. Результаты экспериментальных исследований показали, что относительная погрешность измерения расхода газа, обусловленная смещением точек срабатывания датчиков составляет 0,02 %, а максимальная относительная погрешность измерения расхода газа, обусловленная временной составляющей I не превышает 0,007 %.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведенный сравнительный анализ критериальных свойств различных методов позволил установить, что наилучшим вариантом построения расходомера, обеспечивающим выполнение подавляющего большинства требований к измерению количества вещества, является вариант меточного расходомера с тепловой или жидкостной меткой.

2. Предложена в качестве статической модели новая аналитическая зависимость для определения расходов газа в меточных расходомерах с жидкостной меткой, позволяющая произвести классификацию, исследовать статические погрешности и определить доминирующие погрешности расходомера с целью поиска наиболее оптимальных путей повышения его точности.

3. Разработана универсальная динамическая модель перемещения метки по измерительному трубопроводу меточного расходомера, позволяющая оценить динамические свойства самого расходомера в зависимости от термодинамических параметров измеряемого потока газа и его конструктивных особенностей.

4. Предложены математические модели эволюции тепловой метки в канале трубопровода различной степени сложности.

5. На основании предложенных в работе математических моделей меточных расходомеров произведена классификация основных составляющих погрешности, выведены соотношения для определения количественных характеристик составляющих методических погрешностей, что позволило выявить доминирующие погрешности и обосновать возможность создания прецизионных меточных расходомеров, обеспечивающих погрешность измерения менее 0,6 %. ,

6. Предложена трехканальная структурная схема построения меточных устройств , обеспечивающих создание полностью автоматизированного меточного расходомера повышенной точности и помехозащищенности с возможностью измерения скорости и расхода агрессивных, взрывоопасных и токсичных газовых реагентов,, позволяющих использовать как искусственные, так и стохастические тепловые и жидкостные метки.

7. Разработана имитационная мнемомодель автоматического меточного устройства для измерения скорости и расхода потоков газа и проведены экспериментальные исследования, доказавшие принципиальные возможности построения устройства с диапазоном измерения объемного расхода газа от 0,1 л/ч до 2121 л/ч, массового расхода- от 0,0002 кг/ч до 3 кг/ч, относительными погрешностями измерения, обусловленными смещением точек срабатывания датчиков 0,02 % и временной составляющей 0,007 %.

8. Результаты диссертационных исследований внедрены в учебный процесс Московского государственного института электронной техники (технический университет).

1. Павловский А. Н. Измерение расхода и количества жидкостей, газа и пара. М., Изд-во стандартов, 1967.-416 с.

2. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества веществ.-СПБ. ¡Политехника, 2002.- 409 с.

3. Современные методы и приборы автоматического контроля и регулирования технологических процессов: Материалы семинара/ МДНТИ, М.:1984.- 183 с.

4. Френкель Б.А. Измерение расхода жидкостей и газов в малотоннажных производствах и на экспериментальных установках. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1989.-226 с.

5. Левин В.М. Расходомеры малых расходов для схем промышленной автоматики. М.: Энергия, 1972.- 94 с.

6. Ковада Р. Новейшая техника измерений малых расходов // Кэйсо. Пер. с яп. 1974, №17.- С. 11-15.

7. Клаассен К.Б.: Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике М.: "Постмаркет". 2000. 352 с.

8. Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц ; под ред. Л. П. Питаевского. Теоретическая физика. В 10 т. Т.6. Гидродинамика. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006.

9. Андреева Л.Ю., Бриф А.Д., Кирко Е.В. Средства измерения малых расходов газа. // Пневмоавтоматика: Тез. докл. 15-е Всесоюзное совещание, г.Львов, сентябрь 1985. М.:1985.- С.69.

10. ZeЪш\a. К. Мегеп1 рпЛоки // АЩотайгасе. 1985, Уо1.28, N 4, р.103-106.

11. ГОСТ 8.586.1—2005 (ИСО 5167-1:2003). ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА И КОЛИЧЕСТВА ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ С ПОМОЩЬЮ СТАНДАРТНЫХ СУЖАЮЩИХ УСТРОЙСТВ. Часть 1 Принцип метода измерений и общие требования.

12. Международный стандарт ИСО 5167-2:2003 (International Standard ISO 5167-2:2003) Измерение расхода среды с помощью устройств переменного перепада давления, помещенных в заполненные трубопроводы круглого сечения. Часть 2. Диафрагмы.

13. ГОСТ 8.563.1—97 ГСИ. Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом переменного перепада давления. Диафрагмы, сопла ИСА 1932 и трубы Вентури, установленные в заполненных трубопроводах круглого сечения. Технические условия.

14. ГОСТ 8.563.2-97 ГСИ. Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом переменного перепада давления. Методика выполнения измерений с помощью сужающих устройств

15. Studzinski, W., Karnik, U., Lanasa, P., Morrow, Т., Goodson, D., Husain, Z. and Gallagher, J. White paper on Orifice Meter Installation Configurations with and without Flow Conditiners, Washington D.C., American Petroleum Institute, 1997

16. Международный стандарт ИСО 5168:2005 (International Standard ISO 5168:2005). Измерение потока жидкости и газа. Процедуры оценки неопределенностей.

17. Патрикеев В.Г., Беляев Б.М. Современная нормативная база для расходомеров переменного перепада давления с сужающими устройствами. Учебное пособие-М: ВНИИМС, 1999 .

18. Касимов А. М., Попов А. И. Расходомеры с нулевым перепадом давления и компенсационные измерители скорости//Датчики и системы, 2004.- № 5

19. Б. М. Яворский, А. А. Детлаф, А. К. Лебедев. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. М.: Мир, 2006, 1056 с.

20. Балдин A.A., Бошняк Л.Л., Соловский В.М. Ротаметры. Л.: Машиностроение, 1983. 200с:

21. Лобачев П.В., Шевелев Ф.А. Измерение расхода жидкостей и газов в системах водоснабжения и канализации. М.:1985.- 424 с.

22. Yord D. Low flow measurement // Chemical Engineering. 1974, N 15, p.74-78.

23. Коробко И.В., Писарец А.В. Турбинные средства измерения расхода и количества энергоресурсов // С. О. К. — 2006. — № 2, С. 20-22.

24. Захаров Н.А. Турбинные и вихревые расходомеры фирмы "Barton"// Датчики и системы, 2003,- № 8.

25. Каратаев Р.Н. Измерение малых и микрорасходов жидкости и газа в промышленности.- Казань. Изд-во гос.техн.ун-та, 2004.

26. Булкин Д. Д., Соколов Г. А. Бесконтактный тепловой расходомер для измерения газожидкостных потоков//Датчики и системы, 2008,- № 12.

27. Improving heat measurement accuracy in district heating substations. / Jomni, Yassin. Lulea : Lulea tekniska universitet, 2004

28. Разработка и исследование автоматического цифрового измерителя расходов газа: Отчет о НИР / Моск.ин-т электронной тех./МИЭТ/; Руководитель Н.Д.Дубовой .№ ГР 80066210. 1984, 240с.

29. Kronmiiller Н/ Durchfludmessung mittels Mackierungsverfahren // V.D.I -Bericht, 1980. N 375, p.47-54.

30. Рощин В.А; Повышение точности меточных расходомеров. // Измерительная техника. 1980, N2, с.49-50.

31. Вин Мьинт Зо., Анализ возможностей различных методов измерения параметров потоков веществ в парогазовой фазе. //Естественные и технические науки.- № 4,2007.-С.192-195.

32. Хансуваров К. И., Цейтлин В.Г. Техника измерения давления, расхода, количества и уровня жидкости, газа и пара: Учебное пособие для техникумов. — М.: Издательство стандартов, 1990.- 287 с, ил.

33. Киясбейли А.Ш., Измайлов A.M. Гуревич В.М., Частотно-временные ультразвуковые расходомеры и счетчики. — М.: Машиностроение. 1984.

34. Богуш М. В. Проектирование пьезоэлектрических преобразователей для ультразвуковых расходомеров газа// Датчики и системы, 2007.- № 8.

35. Солярский Н.Ф., Семкин М.В. Ультразвуковые расходомеры-счетчики типа UFM 005// Датчики и системы, 2001.-№ 9.

36. Вельт И.Д. О метрологическом обеспечении расходомеров большого диаметра // Материалы XXII-й международной научно-практической конференции «Коммерческий учет энергоносителей», Санкт-Петербург, 2005. -С.111-118.

37. Gryshanova I., Korobko I. Research on developing propeller flowmeters with increased accuracy // Proceedings of HT/FED'04 ASME Heat Transfer/Fluids Engineering Summer Conference July 11-15, 2004. Charlotte, North Carolina, USA.-2004.

38. Я. Бачак, P. Яблонски. Оптимизация параметров вихревого лазерного расходомера// Автометрия, 2004.- № 5.- т. 40.- С. 14-25.

39. Ильинский В.М. Измерение массовых расходов.-М.: Энергия, 1972.-142с.

40. Шполянский В.А. Хронометрия. М.: Машиностроение. 1974. 656с:

41. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. В 2 ч. Ч. 1: Учеб ркуо-водство: Для втузов -5-е изд., перераб и дои.-М.: Наука. Гл. ред. физ -мат. лит, 1991.-600 е.- ISBN 5-02-014015-5.

42. Иванов К.Ф., Сурков C.B. Механика жидкости и газа. Конспект лекций для студентов механических и энергетических специальностей. Часть 1. -Одесса: ОГПУ, 1995.- 119 с.

43. Ляшенко A.A., Ющенко O.A., Сягаев H.A., Соколов Г.А., Олейник В.Ю. Способ измерения расхода потока. Патент на изобретение № 2152593//Бюл.№ 19, 10.07.2000

44. Зауэр Р. Введение в газовую динамику.-М.: Издательство РХД, 2003-228с.

45. Д. Тросников, В. Жук. Расходомеры: принципы работы и опыт эксплуатации// Белорусский научно-производственный журнал «Энергетика и ТЭК»,2008.-№4.

46. Д. Тросников, В. Жук. Расходомеры: принципы работы и опыт эксплуатации// Белорусский научно-производственный журнал «Энергетика и ТЭК»,2008.-№5.

47. Ташматов X. К., Азимов Р. К. Поплавковые расходомеры для открытых каналов оросительных систем//Датчики и системы, 2008.- № 5. ,

48. Лупей А. Г. Оценка нелинейности градуировочных характеристик расходомеров// Датчики и системы, 2005.- № 11.

49. Абрамов Г.С., Барычев A.B., Зимин М.И.«Практическая расходометрия в промышленности».-М., ОАО «ВНИИОЭНГ», 2000.- 472 с.

50. Ураксеев М.А., Романченко А.Ф., Абдрашитова Д.Р., Шилова С.А. Перспективы термоанемометрических методов измерения расхода газа или жидкости// Электронный журнал "Исследовано в России", http://zhurnal.ape.587 relam.ru/articles/2001/051 .pdf.

51. Г.А. Соколов, H.A. Сягаев, K.P. Тугушев Современное состояние измерений расхода веществ тепловыми методами//Электронный журнал энергосервисной компании "Экологические системы".-№2, 2005.

52. A.M. Прохоров. Физическая энциклопедия. Том 5. Стробоскопические приборы- Яркость.- М.: "Большая Российская энциклопедия", 1998.- 687 с.

53. Клейтон В. Эмульсии, их теория и технические применения. М.: Изд- во "Иностранная литература", 1950.-679 с.

54. Оура К., Лифшиц В.Г. И др.Введение в физику поверхности.-М.:Наука, 2006.-476 с.

55. Сумм Б.Д. Основы коллоидной химии. -М.: Academia, 2006.-240 с.

56. И.Р.Кузеев, Р.Б.Тукаева, М.И.Баязитов, Е.В.Бессарабова Тонкостенные и толстостенные аппараты. Расчеты на прочность и устойчивость. Учебное пособие.-Уфа, 2002.-67 с.

57. Портнов Е.М., Вин Мьинт Зо Статическая модель автоматизированного расходомера с жидкостными метками//Известия вузов. Электроника.-М.

58. Прикладная газовая динамика. М.:, Университет дружбы народов им. П. Лумумбы, 1965.- 273 с.

59. ГОСТ 2939-63 Газы. Условия для определения объема.- М.: Издательство стандартов, 1988.

60. Морачевский А.Г. и др. Термодинамика равновесия жидкость-пар. Л., Химия, 1989.- 344 с.

61. Вин Мьинт Зо Формирование жидкостных меток в автоматических измерителях расходов и скоростей газовых потоков на основе поверхностно-активных веществ (ПАВ)//Актуальные проблемы современной науки.- № 5, 2008.-С. 200-201.

62. Горшков В.И. Основы физической химии. 3-е издание.-М.: "Бином. Лаборатория знаний",2006.-407 с.

63. Вин Мьинт Зо., Динамическая модель автоматизированного меточного расходомера// Актуальные проблемы современной науки.- № 6,2009.-С.195-196.

64. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений. М.: Мир, 1990.- 535с.

65. Хрусталев Б.М., Несенчук А.П., Романюк В.Н. Техническая термодина-мика.-М.: УП "Технопринт", 2004.-486 с.

66. Дубовой Н.Д., Тарасова Г.И., Тун Мин Наинг, Вим Мьинт Зо. Параметрическая оптимизация системы автоматического регулирования термическим объектом при изодромном управлении // Известия вузов: Электроника, 2007.-№ 4.- С. 85-86.

67. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа.-М.: Наука, 1978.-736 с.

68. Турбулентность: модели и подходы. Курс лекций. Часть 1/П.Г. Фрик; Пермский государственный технический университет. Пермь, 1998.- 108 с.

69. Гершуни Г.З., Жуховицкий Е.М. Конвективная устойчивость несжи-жаемой жидкости.-М.:Наука,1972.-392 с.

70. Валандер C.B. Лекции по гидроаэромеханике.-Л.: Изд-во Ленинградского университета, 1978.-296 с.

71. Загузов И.С. Основы аэрогидромеханики. Часть II.: Учебное пособие. Самара: «Универс-групп», 2005.- 140 с.

72. Мухачев Г.А., Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача. М.: «Высшая школа», 1991.- 480 с.

73. Вин Мьинт Зо., Методы измерения малых скоростей и расходов газовых потоков. //Микроэлектроника и информатика -2007. 14-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. М.:МИЭТ, 2007.-С.231.

74. Вин Мьинт Зо., Обобщенная модель первичных преобразователей автоматических меточных измерителей расхода и скорости технологических парогазовых смесей в трубопроводах. // Техника и технология.- № 5,2007.-с.84-85.

75. Пальтиель Л. Р., Зенин Г. С., Волынец Н. Ф. Физическая химия. Поверхностные явления и дисперсные системы: Учеб. Пособие. СПБ. : СЗТУ, 2004. - 68 с.

76. Вин Мьинт Зо., Статическая деформация плёночной линзы из поверхностно-активных веществ для меточного расходомера// Микросистемная техника. Моделирование, технология, контроль: Сборник научных трудов / Под ред. С.П.Тимошенкова. М.:МИЭТ,2007.-С.35-37.

77. Чернатынский, Владимир Иванович. Структура и устойчивость конвективных течений в цилиндрических и иных ограниченных областях : диссертация . доктора физико-математических наук : 01.02.05 Пермь, 2006, 262 с. : 71 06-1/288).

78. Назаров Н. Г. Измерения: планирование и обработка результатов. М.: ИПК Изд-во стандартов, 2000. 304 с.

79. В.А. Бударин. Метод расчета движения жидкости.- Одесса: "Астро-принт", 2006.Г-137 с.

80. Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Проблемы гидродинамики и их математические модели.-М.: Наука, 1973.- 417 с.

81. Сазонов В.В., Юферев B.C. Тепловая конвекция, вызванная квазистатической компонентой поля микроускорений орбитальной станции «Мир» //Изв. РАН. МЖГ, 2000.- № 3.- С. 39-45.

82. Вин Мьинт Зо. Модель эволюции тепловой метки.// Актуальные проблемы современной науки.- № 6,2009.-С.197-199.

83. А. М. Липанов, С. А. Карсканов. Исследование установившихся ламинарных потоков, подвергнутых воздействию начального возмущения //Прикладная механика и техническая физика, 2008, № 3.- т. 49.- С. 11-19.

84. Вин Мьинт Зо., Анализ влияния термодиффузии на время жизни тепловой метки// Актуальные проблемы современной науки,- № 6,2009.-С.193-194.

85. Самарский А. А. Теория разностных схем.— М.: Наука, 1977.— 656 с.

86. Дубовой Н.Д., Портнов Е.М. Основы метрологии, стандартизации и сертификации: учебное пособие.- М.: М.:ИД "ФОРУМ": ИНФРА-М, 2008.-256 с.

87. Вин Мьинт Зо., Анализ классификация и возможные способы компенсации погрешности автоматизированного измерения расхода технологических газов// Техника и технология № 4,2009.-С.49-50.

88. Сигов А. С., Нефедов В. И. Метрология, стандартизация и технические измерения.-М.: Высшая школа, 2008.-624 с.

89. Вин Мьинт Зо.Анализ методической погрешности первичных преобразователей автоматических меточных расходомеров.//Аспирант и соискатель .-№6,2008.-с.68-69.

90. Точность производства в машиностроении и приборостроении. Под ред. А. Н. Гаврилова. М., «Машиностроение», 1973.- 567 с.

91. Махнанов В.Д., Милохин Н.Т. Устройство частотного и время-импульсного преобразования. М.: Энергия, 1970.-129 с.

92. Тартаковский Д.Ф., Ястребов A.C. Метрология, стандартизация и технические средства измерений.- М.: Высшая школа, 2001.- 206 с.

93. В. Ю. Кончаловский. Цифровые измерительные устройства. М., Энерго-атомиздат, 1985.-304 с.

94. Новицкий П. В., Зограф И. А. Оценка погрешностей результатов измерений. — 2-е изд., перераб. и доп. — Ленинград: Издательство Энергоатомиз-дат. Ленингр. отделениение, 1991. — 304 с.

95. Сизиков B.C. Математические методы обработки результатов измерений.- М.: Политехника; 2001.- 240 с.

96. Евтихиев H.H. Измерение электрических и неэлектрических величин.-М.: Энергоатомиздат, 1990. -371с.

97. Новицкий Л. А., Кожевников И. Г. Теплофизические свойства материалов при низких температурах. Справочник. М.: Машиностроение. - 1975.-216с.

98. ЮЗ.С.М.Стариковская. Физические методы исследования. Семинарские занятия. 1.4. Методы измерения температуры: Учебное пособие. М: изд-е МФТИ, 2005. - 37 с.

99. Линейные и угловые измерения/Г. Д. Бур дун, Г. С. Бирюков, М. Г. Богуславский и др. М.: Изд-во стандартов, 1977.- 511 с.

100. Лобачев П.В., Шевелев Ф.А. Измерение расхода жидкостей и газов в системах водоснабжения и канализации. М.:1985.- 424 с.

101. Ромаш Э. М., Феоктистов Н. А., Ефимов В. В.Электронные устройства информационных систем и автоматики.-М.: Издательский дом Дашков и К, 2009.- 247 с.

102. НО.Портнов Е.М., Вин Мьинт Зо., Устройство формирования жидкостных меток в автоматических измерителях расхода и скорости газовых пото-ков//Актуальные проблемы современной науки, № 5.- 2008.-С. 197-199.

103. В.Н.Гридин, В.П.Дмитриев, М.В.Дмитриев. Оптоэлектронные приборы, системы и сети.-М.:Наука, 2007.-227 с.

104. Шуберт Ф. Светодиоды.-М.: Физматлит, 2008.-446 с.