автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Газодинамические измерители объема резервуаров сложной конфигурации

рт Б од

1 О ФВ 1998

*

*

На правах рукописи

БЕРДНИКОВ АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛИ ОБЪЕМА РЕЗЕРВУАРОВ СЛОЖНОЙ КОНФИГУРАЦИИ

Специальное?ь: 05.13.05 - элементы н угтрсястз^ вычислительной техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

/

Казань 1997

Работа выполнена в Казанской государственном техническом университете им.А.Н.Туполева (КАИ)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор кафедры приборов и автоматов летательных аппаратов,

заслуженный изобретатель РТ В.М.Солдаткин

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор И.К.Насыров

кандидат технических наук, доцент ' В.И.Гречишников

Ведущая организация: Всероссийсикий научно-исследовательский институт расходометрии

Защита состоится "_" с 2 1998 г. в _ часов

на заседании диссертационного совета К 063.43.05

Казанского государственного технического университета

им.А.Я.Туполева по адресу: 420111, г.Казань, ул.К.Маркса,10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан " ¿У 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук доцент

У

В.А. Козлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Эффективность работы технических средств и протекания производственных и технологических процессов неразрывно связана с качеством контроля и измерения массово-габа-рнтных параметров используемых или расходуемых продуктов и материалов.

К числу важнейших параметров ряда таких средств и процессов относятся количество и объем жидких и сыпучих веществ, находящихся в резервуарах с весьма сложной конфигурацией или изменявших свою пространственную ориентацию в процессе эксплуатации. В этих случаях использование традиционных средств измерения количества вещества по его уровню в резервуаре ограничивается из-за деформации функциональной связи между количеством заполняющего объем вещества и . его уровнем, вызванной действием гравитационных сил и моментов, изменением пространственной ориентации резервуара или неопределенностью положения контролируемого вещества при эксплуатации в условиях невесомости.

Это обусловливает лхтуальность исследований, троводимых как э нашей стране, так и за рубежом, по разработке новых методов^ и средств измерения количества веществ, по комплексированию средств измерения, основанных на использовании эффектов различной физической природы.

Проведенные поисковые исследования показали, что одним из перспективных направлений исследования является разработка пневматических объемомеров. Сущность работы таких измерительных устройств заключается в создании зондирующего пневматического воздействия на объект измерения с последующей регистрацией пневматического отклика на него. При этом производится измерение параметров газовой фазы контролируемого резервуара до и после проведения пневматического воздействия, на основании которого проводится вычисление объема газовой фазы резервуара. Так как полный объем резервуара может быть измерен до опыта, то количество заполняющего резервуар вещества так же может быть определено с достаточно высокой точностью. Существенным преимуществом пневматических объемомеров являются возможность измерения объема сыпучих веществ в резервуаре любой конфигурации, а также при изменении ориентации объекта измерения в пространстве при воздействии на контролируемое вещество гравитационных сил и моментов.

Однако существенным ограничением на применение пневматических измерителей объема является необходимость полной герметизации контролируемого резервуара на время измерения, отключения его от напорных и сливных магистралей при их невысоком быстродействии.

Как показали исследования, от указанных недостатков свободны так называемые газодинамические измерители объема, использующие в своей работе уравнения газовой динамики, определяющие состояние газовой среды контролируемого резервуара. Указанные измерительные устройства занимают промежуточное положение между статическими пневматическими объемомерами и средствами измерения положения уровня раздела сред вещество-газовая среда, использующими ахусти-ческие принципы. Газодинамические измерители объема могут сочетать в себе достоинства пневматических объемомеров с возмокностя-I ми повышения быстродействия устройств и проведения измерений на

негерметичных объектах при обеспечении условий, при которых параметры дренажных каналов остаются постоянными на время измерения.

Цель работы' создание газодинамических измерителей объема жидких и сыпучих веществ в резервуарах сложной конфигурации или находящихся на подвижных объектах, обладающих улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

Задача научного исследования заключается в разработке принципов построения, методик анализа и синтеза газодинамических изне-рителей объема по функциональным, метрологическим и эксплуатационно-компоновочным критериям.

Поставленная задача исследований решалась в следующих основных направлениях:

-исследование особенностей описания, процессов, протекающих в газовой полости дренированных резервуаров сложной конфигурации применительно к задаче измерения объема;

- анализ процесса формирования зондирующего пневматического воздействия в среде с распределенными параметрами и особенностей применения спектральных методов оценки реакции газовой полости объекта измерения;

- разработка математической _ модели процесса регистрации пульсаций давления в контролируемом объеме и методики расчета временных параметров выходного сигнала первичного измерительного преобразователя;

- структурный и параметрический синтез основных элементов измерительного тракта газодинамического измерителя объема и коли-

чества вещества;

- создание " экспериментальные исследования макетных и опытных образцов газодинамических измерителей объема в лабораторных и натурных условиях;

- обоснование возможности Применения газодинамических измерителей в других областях промышленности, в частности в медицине.

Методы исследования базируются на использовании методов теории измерительных преобразователей и обобщенной теории цепей, теоретических основ термо- и газодинамики и пневмоакустики с применением методов математического моделирования. Исследование характеристик термоаненорезистивного измерительного преобразователя проводится методом имитационного моделирования. При обработке результатов экспериментальных и натурных исследований использованы методы планирования эксперимента, теории вероятностей и математической статистики с применением ЭВМ.

Основные положения и выводы подтверждены физическими экспериментами и результатами стендовых испытаний созданных устройств в НПО "Нефтепромавтоматика" и на ММ2 "Скорость".

Научная новизна работы предст;з-с::а следуощими результатам::, которые выносятся на защиту

- разработаны принципы построения газодинамических измерителей объема с использованием методов автоподстройки, модуляции и симметрирования каналов;

- разработан способ создания зондирующего пневмоакустическо-го воздействия с использованием электромеханического преобразователя, позволяющий проводить поличастотное сканирование в заданной полосе частот; получены аппроксимационные зависимости, отражающие процессы формирования временных параметров выходного сигнала пер-зичного измерительного преобразователя газодинамического измерителя объема;

- разработана математическая модель процесса регистрации пульсаций давления в объеме контролируемого резервуара и методика расчета временных параметров выходного сигнала измерительного преобразователя; получены зависимости, характеризующие функцию преобразования и погрешность измерения газодинамического измерителя объема;

- разработаны методики синтеза конструктивных параметров зондирующего и регистрирующего каналов газодинамического измерителя объема по функциональным, метрологическим и эксплуатационным

критериям.

Практическая ценность работы определяется следующими результатами:

1. Разработан термоанеморезистивный измерительный преобразователь массового расхода газа с импульсным режимом работы и алгоритмы расчета временных параметров его выходного сигнала.

2. Разработаны оригинальные схемы построения газодинамического измерителя объема с электродинамическим пневматическим фондирующим устройством, цепями автоподстройки, модуляции и симметрирования каналов.

3. Разработана инженерная методика проектирования и расчета конструктивных и режимных параметров основных элементов газодинамического измерителя объема.

4. Разработаны варианты схемного и конструктивного исполнения газодинамического измерителя объема, обеспечивающие улучшение его метрологических характеристик и расширение функциональных возможностей, которые защищены авторскими свидетельствами и патентами;

5. Разработан, изготовлен и внедрен в промышленность газодинамический измеритель уровня излива жидкого реагента в составе щелевого расходомера системы контроля и дозирования поверхностно-активных веществ в установках типа БР-2 5

6. Разработана изготовлена и передана на ММЗ "Скорость" измерительная система технологического контроля вместимости топливных баков ЛА в процессе их изготовления, информация которой необходима для загрузки в бортовой вычислитель.

Реализация результатов работы. Полученные научно-технические результаты работы внедрены и используются на НПО "Нефтепромавто-матика",ММЗ "Скорость", НИИАО, НПО "Медфиэприбор" и ВНИИР при проектировании, изготовлении и испытаниях образцов газодинамических измерителей объема и расхода газа, созданных в рамках НИОКР по темам к 3439,3439-2, 3442, 3449, 3116, 3118.

Работа выполнена в Отраслевой научно-исследовательской лаборатории "Измерительные преобразователи" Казанского государственного технического университета им.А.Н.Туполева (КАИ) в соответствии с планами комплексной научно-технической программы Минавиап-рома и Минвуза РСФСР "Полет",планами совместных хоздоговорных работ НИИ АО, КМЗ "Скорость", ' ВНИИР, НПО "Нефтепромавтоматика", НПО"Медфизприбор" и КГТУ им.А.Н.Туполева.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на итоговых научно-технических конференциях КАИ - КГТУ им.А.Н.Туполева (1979, 1981, 1986, 1994, 1997 гг.), на научно-технической конференции "Информационно-измерительные системы и точность в приборостроении" (Москва, 1982 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы динамики, управления и безопаснбсти полетов" (Рига, 1986 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Измерительные информационные системы ИИС-89" (Ульяновск, 1989 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Методы и средства измерения механических параметров э системах контроля и управления" (Пенза, 1992г.), на научно-технической конференции "Научный потенциал вузов - программе "Конверсия"" (Казань, 1993г.), на Всероссийских научно-технических конференциях с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систен измерения, контроля и управления" (Датчик-94, Датчик-95, Датчик-97),' Гурзуф ), на научно-практической конференции "Наукоемкие технологии товаров народного потребления" (Ульяновск,1997 г.), на научно-технической конференции, посбядэнпсй 40-летию Альметьевскох'о нвфгяхш^ ¿»ногитута (Альметьевск,1996 г.) и на расширенном заседании кафедры приборов и автоматов летательных аппаратов КГТУ им.А.Н.Туполева (1997 г.).

Результаты разработок экспонировались на ВДНХ СССР в 1992г. (серебряная медаль).

Публикации. По результатам исследований опубликована 31 печатная работа, в том числе 9 авторских свидетельств и один патент РФ, а также оформлено 12 научно-технических отчетов.

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из зведения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложения. Основная часть зключает страниц машинописного текста, НО страниц рисунков, 5" таблиц,список литературы включает {1$ наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы и задача научного исследования, определены'направления ее решения.

В первой главе рассмотрены способы и средства измерения количества, уровня и объема жидких и сыпучих веществ, находящихся в замкнутых резервуарах, путем измерения массы, уровня, объемного

расхода за мерный интервал или объема вещества с учетом плотности.

Проведенный анализ методов и средств измерения уровня и объема, а также практика их применения на различных объектах в широком диапазоне изменения внешних условий, позволили обосновать возможность использования пневматических методов для измерении объемов газовой полости 'замкнутых резервуаров.

Предложены принципы построения газодинамического измерителя объема газовой полости замкнутого резервуара с использованием низкочастотного гармонического пневмодинамического воздействия и последующей регистрацией отклика на него. На основе обобщенных схем замещения анализируется измерительная цепь газодинамического измерителя объема, включающая в себя источник пневматического зондирующего воздействия, первичный термоанеморезистивный измерительный преобразователь пульсаций давления газа в электрический сигнал и схему обработки. Производится структурный синтез вариантов газодинамических измерителей объема.

Теоретической основой работы газодинамического измерителя объема замкнутого резервуара является свя^ь параметров -"аго-ой среды контролируемого объема:

dp kp dV

dt V dt

где p,V - давление и объем.газовой среды, находящейся над некоторым твердом, сыпучем или жидким веществом в резервуаре; к - пока-' затель политропы.

На рис.1, представлена схема газодинамического измерителя объема, включающая объект измерения 1, в котором создается зондирующее гармоническое' пневматическое воздействие в виде приращения объема Av(t) = Д\Гш * Sin (Wt + Ф) и измерительный преобразователь 2, регистрирующий величину пульсаций давления Др в объеме газа Vr. Как следует из выражения (1), при постоянстве амплитуды возбуждающего воздействия Av., величина пульсаций давления Др будет обратно пропорциональна величине объема газовой среды Vr. Искомый объем V» заполняющего вещества при этом можно~определить из соотношения V»= V»»*- Vr , где, V».* - объем пустого резервуара, Vr -объем газовой подушки. ,

Показано, нто затруднения, возникающие при реализации данного метода измерения объема, связаны в первую очередь с созданием высокочувствительных измерительных преобразователей пульсаций

деления, рассчитанных на работу в инфранизкочастотном диапазоне, что определило применение термоанеморезистивных измерительных преобразователей (ТАП) для преобразования микрорасходов газа в информативный электрический сигнал.

Устройство индикации

Дри V*

U(V) -:-

•<т<Н Усилитель мощности

Усилитель сигн.ТАП

Управляющее

<— устройство

--1

Опорный

сигнал

□ •Р----------------

- —1 ' 1 1 ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' /

V г

//////////////////////

Рис.1 Газодинамический измеритель объема. Структурная схема и принцип действия

j1'

Функция преобразования ТАП в общем случае имеет вид: 1/гап = K(W,G)*|Gj, где К(W,G)- амплитудно-частотный коэффициент передачи; G - массовый расход газа через сопла термоанеморезис-тивного преобразователя, W - хруговая частота входного пневматического сигнала. Для исключения влияния параметров внешней среды на характеристики ТАП предложена схема газодинамического измерителя объема с дополнительным изолирующим объемом Vh (ри<5.1.)<

Процессы, происходящие в пневмосистеме газодинамического измерителя объема, описываются системой дифференциальных уравнений, решение которой в линейном приближении относительно выходного сигнала Чтап термоанеморезистивного преобразователя принимает вид: K(ü),G)«k*kc *p*Av» Av,

Ur»n

= Ki

Vr :

/77

Vr

где t- постоянная времени пневматической системы ТАП; кс - проводимость каналов ТАП.

Уравнение измерения (4) связывает величину регистрируемых пульсаций расхода газа через каналы термоанеморезистивного преобразователя с величиной объема Уг и интенсивностью пневмовозбужде-ния ДУш. Длй того, чтобы при реализации уравнения (4) избежать операцию деления, предложено стабилизировать величины Чтап за счет изменением Ду. в зависимости от величины объема V, что осуществляется с помощью системы автоматического регулирования (рис.1),состоящей из усилителя сигнала ТАП, управляющего устройства, усилителя мощности сигнала пневмовозбуждения и устройства индикации.Исследования показали, что оптимальной структурой системы регулирования с точки зрения минимизации суммарной погрешности и повышения помехоустойчивости является астатическая система с цепями коррекции.

Предложены структуры построения анализаторов состояния газовой полости контролируемого резервуара, в одной из которых (А.с.*1483272) в. качестве дополнительной эталонной камеры емкостью Уи используется замембранная область электропневмовозбуди-теля. периодически подключаемая к термоане^спезистивному измерительному, преобразователю, при этом постоянство величины объема Ук эталонной камеры позволяет минимизировать составляющую погрешности, вызванную изменением внешних условий. С целью разгрузки за-мембранной области электродинамического пневновозбудителя при эксплуатации измерителя на объектах, где статическое давление, отличается от атмосферного,в решении по а.с.к1348654 предложено искусственное симметрирование измеряемого объема. Существенное повышением точности измерения объема за счет исключения влияния изменения параметров электропневматического возбудителя в процессе эксплуатации обеспечивается введением дополнительного измерительного канала ( а.с.№1448207), позволяющего получить достоверную информацию о параметрах колебательного перемещения подвижной системы электропневмовозбудителя, определяющих величину Уг контролируемого объема газовой полости.

Показано, что основными проблемами, возникающими при создании газодинамических измерителей объема, являются следующие:

1. При зондировании резервуара с помощью моночастотного воздействия непременно имеет место резонансная составляющая погрешности измерения объема, так как измерение отклика проводится на скате АЧХ пневмомеханической системы резервуара, функционально связанной с параметрами окружающей среды.

2. Расширение диапазона измеряемых объемов неразрывно связано с появлением волновой составляющей погрешности измерения, обусловленной соизмеримостью характерных размеров объекта измерения с длиной акустической волны пневматического воздействия.

3. Использование термоанеморезистивного измерительного преобразователя для измерения параметров отклика вызывает появление дополнительных температурной и дрейфовой составляющих погрешности измерения объема, обусловленных его высокой чувствительностью.

4. При возбуждении измеряемого объема с помощью объемного зондирующего зоздействия регистрация отклика термоанеморезистив-ным преобразователем массового расхода приводит к появлению барометрической составляющей погрешности, при этом особое значение приобретает точность задания позиционных и скоростных параметров зондирующего воздействия. ■

По результатам структурного синтеза газодинамического измерителя объема для минимизации резонансных составляющих погрешности определения объема предложена структура измерителя и алгоритм лреобсазования сигналов (а.с. £1569563) с эсеменным лсличастотным сканированием и регистрацией интегральной реакции контролируемого объема на это сканирующее воздействие.

Для измерения объема сравнительно небольших резервуаров предложены структуры газодинамических измерителей (а.с.»1030659, а.с.М15825 ) с определением величины присоединенного объема по пневматической нагрузке на механическую подвижную систему источника зондирующего воздействия.

С целью повышения точности измерения, удобства сопряжения измерителя с микропроцессорный каналом обработки информации предложена структура измерителя с импульсным режимом работы термоанеморезистивного преобразователя (а.с. №1483272).

Сформулированы направления научного исследования, позволяющие улучшить метрологические и эксплуатационные характеристики, обеспечить конкурентоспособность газодинамических измерителей объема веществ в резервуарах сложной конфигурации или используемых на подвижных объектах.

Вторая глава работы посвящена исследованию процессов в газовой- полости резервуаров сложной конфигурации с использованием спектральных методов анализа. Особое внимание уделено анализу процессов в пневмосистеме "объем/дренаж" и частотным характеристикам объектов измерения со сравнительно большими незакрепленными

/

ограничивающими поверхностями. Исследуются вопросы образования и распространения акустических волн в резервуарах произвольной формы, анализируются источники и приводятся уравнения волновой составляющей погрешности измерения объема.

При рассмотрении общих пневмоакустических параметров характерных объектов измерения выявлено, что при изменении объемов в пределах 0,005+10 м3 имеют место резонансные явления, обусловленные как конечной жесткостью стенок резервуара и ведущие х появлению механических резонансов, так и наличием дренажа, который совместно с емкостью измеряемого объема образует пневматическую резонансную систему.

Даны рекомендации по выбору конструктивных параметров дренажных каналов контролируемого объема, обеспечивающие сдвиг резонансных явлений за пределы рабочей области частот в измеряемом диапазоне объемов и минимизацию резонансной составляющей погрешности измерения, в том числе за счет технологических ограничений на скорость наполнения или опорожнения кoнтpoлиpveмoгo резервуара. Предложена методика решения задачи оптимизации конструктивных параметров дренажных каналов и выбора частоты зондирующего пневматического .воздействия. Показано, что для объекта измерения, имеющего длинные дренажные трубы или плоские незакрепленные поверхности, неоднозначность результатов измерений не может быть обеспечена только выбором оптимальной частоты зондирующего воздействия и параметров дренажа. В связи с этим для компенсации погрешности, вызванной резонансными явлениями, предложена методика интегральной оценки реакции объекта измерения на широкополосное полигармоническое пневматическое зондирующее воздействие, для чего на пневмовибровозбудитель подается гармоническое напряжение с частотой, являющейся медленно меняющейся функцией времени в за-.данном диапазоне от ^т до . Необходимую стабилизацию коле-

бательной скорости подвижного элемента возбудителя при изменении частоты зондирующего воздействия предлагается обеспечить с помощью использованием цепи местной обратной связи. В этом случае усредненный выходной сигнал Цизн^) газодинамического измерителя объема имеет вид:

£ я а х

ин»м(У) = 7~ Г <31:, (2)

Д? 3

f^ln

где Ар- полоса частот зондирования U(t,V) - мгновенный отклик.

На рис.2 представлена выходная интегральная характеристика предложенной схемы измерителя в полосе частот 1-30 Гц (штрих-пунктирная линия), имеющая в отличии от моночастотных откликов (сплошные кривые) монотонный характер и, следовательно, позволяющая установить однозначное соответствие между величиной измеряемого объема и регистрируемыми выходными сигналами.

Показано, что использование интегральной оценки реакции объекта измерения, хотя и несколько увеличивает необходимое время измерения из-за переходных процессов в пневмоцепях, но позволяет в значительной мере скомпенсировать резонансные составляющие погрешности измерения, повышая, тем самым, точность'измерения и расширяя диапазон эксплуатационных условий.

та

UU3IM/3

30 L

Ч:стсто зснЗирсЬония

:о ~ц ■

'с п ,

—г ■ а

- :0 Гц

--• Л-гпезпалонай откмк

;со

05ьел VsM

Рис, 2 Выходные характеристики газодинамического измерителя объема при моно- и полигармоническом возбуждении

Задача оценки волновых составляющих погрешности измерения объема решена для случая, когда зондирующее излучение находится в области инфраниэких частот, а характерные размеры объекта измерения меньше длины X пневматической волны излучения, но больше характерного размера источника излучения.

При оценке методической составляющей волновой погрешности источник излучения (монополь) и приемник вначале представляются разнесенными на расстояние r<< 1 в неограниченном пространстве.

при этом регистрируется звуковое давление Др» отклика в точке приема. Затем источник излучения и приемник помещаются в контролируемый замкнутый объем V и по законам газовой статики определяется приращение давления Дре в объеме. Соотношение полученных значений Ар» и Дрс определяет величину методической погрешности, обусловленной волновой природой используемого метода измерения объема. Как показали расчеты, для объемов порядка 20 м3 значение относительной методической погрешности измерения для случая поршневого излучателя равно 2,5%, для излучателя в виде пульсирующей сферы - 1%, что обусловливает необходимость максимального разнесения источника и приемника излучения. Учитывая диаграмму направленности поршневого излучателя, для уменьшения влияния волновой составляющей погрешности измерения необходимо обеспечить установку излучателя и приемника давления в одной плоскости.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов в газовой полости резервуаров сложной конфигурации подтвердили применимость газодинамического метода измерения объема до характерных размеров объекта Ь< Х/4, так как при дапьнеч-шем увеличении последних имеет место образование акустических стоячих волн и как следствие этого - неоднозначность результатов измерений. Показано, что значительные составляющие погрешности измерения имеют место и внутри указанного интервала размеров. Так для резервуара цилиндрической формы с распределением скорости движения частиц по закону 1} = i>0 cos (Wx/c) (где х - координата распространения волны; с - скорость звука в газе) волновая погрешность измерения проявляется уже при размерах объекта, соответствующих Шх/с=0.25, так как для продольной координаты колебательная скорость среды не остается постоянной и измеритель объема вырождается в акустический измеритель уровня. Для минимизации указанной составляющей погрешности предложена методика бичастот-ного зондирования с временным разнесением частот ■ возбуждения и процессов обработки информации. При этом второе зондирующее воздействие задает распределение скорости частиц = t}0cos(Ctox/c) , при котором огибающая предложенной суперпозиции зондирующих сигналов будет равна: 1>с(х) = йо*[ 2 cos((Dx/c) - cos(dWx/c) ].

Проведено исследование по обеспечению компенсации волновой погрешности, для чего путем минимизации производной скорости dt}c/dx определена оптимальная величина параметра девиации частоты й, удовлетворяющего условию Ос (х) = const, при Wx/c=var. Числен-

ным и графическим решениями определена область изменения О. £ [1,41...1,67] в диапазоне 0 <(Шх/с)< 1, при котором максимальная величина результирующей погрешности измерения укладывается в коридор i 1% при i 20% коридоре погрешности исходной системы.

Как показали исследования, сочетание предложенных методов частотного сканирования и бичастотного зондирования позволяет подойти к решению задачи измерения больших объемов и для резервуаров сложной конфигурации с протяженной системой дренажей путем задания аккордного пневмо-акустического воздействия Ли в полосе частот Í3...30 Гц) вида:

Ди = £ AUi * eos ( CKüoti + <?i ) , ' •

1 = 1

где Auí- амплитуды составляющих полигармонического воздействия, d - коэффициент девиации частоты. Фа - фазы воздействий.

В третьей главе рассматриваются вопросы анализа и синтеза элементов измерительного тракта газодинамического измерителя объема. Анализируется проточная пневматическая схема термоанеморезистив-ного измерительного преобразователя (ТАП), обеспечивающая преобразование малых колебаний давления газа в контролируемом объеме э выходной электрический сигнал. На основе обобщенной схемы замещения исследуются эмплитудно-частотные характеристики пневматической системы ТАП и даются рекомендации по эе параметрическому синтезу. ■ -

Основные требования к ТАП определяются стремлением получить на' его выходе электрический аналог входного пневматического пуль-сационного сигнала с учетом полярности последнего, с последующей возможностью фильтрации постоянной составляющей без "внесения динамических искажений, вызванных значительной тепловой инерционностью используемых полупроводниковых термоанеморезисторов (ПТАР). Показано, что применение симметричной схемы ТАП с двумя проточными дифференцирующими камерами позволяет повысить чувствительность и улучшить динамические характеристики преобразователя при удовлетворительной компенсации аддитивной составляющей погрешности .

При количественном анализе рабочих процессов в ТАП при .воздействии знакопеременного полигармонического сигнала исследована математическая модель пневмосистемы ТАП в виде набора дифференцирующих звеньев. Последующий синтез модели проведен с учетом ограничений на величины объемов проточных дифференцирующих камер, при

которых максимальная скорость изменения входного давления не выводит рабочие точки ПТАР за пределы линейного участка их статических характеристик. Показано, что эти условия выполняются при величинах объемов дифференцирующих камер до 0.2 дм3 .

Как показал анализ частотных характеристик пнёвмосистемы ТАП в рабочем диапазоне частот 1...50 Гц при нормальной статическом давлении, в полосе частот до 18 Гц она соответствует модели диф-' ференцирующего звена первого порядка, при этом крутизна АЧХ в области дифференцирования существенно зависит от величины статического давления и изменяется от 0,15-10"7 м3/Па до 0,66-Ю-7 м3/Па в рабочем диапазоне изменения статического давления (0,25*1;026)*105Па. При этом чувствительность.пневмосистемы ТАП к изменению температуры окружающей среды существенна лишь за пределами диапазона дифференцирования, то есть во внерабочей области частотного спектра.

Показано, что высокая чувствительность ТАП к неинформативным составляющим пневмосигналов обусловливает необходимость применения источника эталонного пневмосигнала, расходные характеристики которого функционально связанны с параметрами окружающей среды.

При рассмотрении схем включения полупроводниковых термоане-морезистивных элементов (ПТАР) показано, что наиболее эффективными из них с точки зрения чувствительности преобразования являются уравновешивающие мостовые схемы. Минимизацию динамических составляющих погрешности ТАП предложено обеспечить путем реализации режима постоянного сопротивления (температуры) ПТАР. При анализе уравновешивающих мостовых схем с ПТАР предложены схемотехнические решения по построению ТАП на переменном токе, обеспечивающие существенное повышение его помехозащищенности. Предложена структура ТАП с время-импульсным выходным сигналом (а.с.» 1483272), наиболее просто сопрягаемая с интерфейсными устройствами канала обработки. Такой ТАП представляет собой несимметричный мостовой автогенератор с опорным напряжением, выполненный на полупроводниковом термоанеморезисторе прямого нагрева (рис.3). Разработана математическая модель ТАП и установлены связи между значениями схемных и режимных (внешних) параметров, величиной рабочего сопротивления ПТАР и временными параметрами импульсной последовательности выходного сигнала ТАП.

?0

за: ; -иг

-♦-ЙГ

Рис. 2. ТАП с время--импульсным выходным сигналом

Для режимов остывания и нагрева ЯТАР пороговые значения сопротивления ГСТАР и их функциональные связи с схемными параметрами определяются соотношениями:

Яг М с-Ой)+<1Ео * (Кг+!!)

■ а, я г Но с аг*(&*йос+-

' 4

(5)

3*1?ос - й*(5- В)

где ЯЕ,ЗЕ,./Е - зависимые источники напряжения, моделирующие зы-ходные сигналы операционного усилителя в пассивном режиме (АО и операционного усилителя и эмиттерного повторителя в актив-

ном режиме: Е - напряжение литания схемы.

В предположении малости размеров рабочего тела ПТАР, получены выражения для временных параметров выходной импульсной последовательности:

Я- \ / К»

Ьп

3 - То * С,п

=х

А

г)

.( ^ м

3 - То * Ьп —

* '

(6)

Енн = I * Ьп

НВ

С.П (й- /А)

- (

НВ

Ьп (Л*/А)

:7)

ь

И

где îho - длительность пассивного полупериода. Хин- длительность импульса нагрева (активный режим),t - тепловая постоянная времени термоанеморезистора, А и В - коэффициенты экспоненциальной аппроксимации температурной характеристики ПТАР; H - коэффициент рассеяния, То - температура окружающей среды; W - среднее значение мощности/ рассеиваемой на ПТАР в активном полупериоде.

Функциональная зависимость тепловой постоянной времени t от параметров окружающей среды получена из решения задачи нестационарной теплопроводности для сферического тела ПТАР малого диаметра, относящегося к так называемым системам с пренебрежимо малым внутренним термическим сопротивлением, для которых сопротивление теплопроводности намного меньше сопротивления конвекции на поверхности

t = ai *( 1 + аг *( ( Дт)0 ■ 5 + р*0)о . s i- i , которое характеризует влияние на нее температуры перегрева Дт ПТАР, а также массовой скорости его обдува (pû).

Для разработанной математической модели ТАП произведены расчеты временных параметров выходной импульсной последовательности при вариациях параметров схемы и внешних условий, по результатам которых определены допустимый диапазон изменения режимных параметров элементов и оценено их влияние на временные характеристики импульсной последовательности. Показано, что при изменении величины сопротивления обратной связи Roc в пределах 5..100 кОн в диапазоне температур окружающей среды от 213 до 433 К частота выходного сигнала является линейной функцией указанных параметров, а величина режимного сопротивления Ro, определяющая значение сред^еобьемной температуры тела ПТАР, в пределах 150...300 Ом линейно связана с длительностью Ïhk импульса нагрева ПТАР.

Исследования расходной характеристики предложенной модели ТАП численным методом показали, что в диапазоне скоростей обдува 0...2 м/с наблюдается 60%-е уменьшение длительности пассивного полупериода "Сио и 20%-е увеличение длительности активного Ïhk , что обусловливает 50%-е увеличение частоты повторения выходных импульсов. Результаты экспериментальных исследований образцов ТАП с время-импульсным выходным сигналом, проведенных по методике полного факторного эксперимента, достаточно хорошо согласуются с расчетами и подтверждают адекватность предложенной модели. Предложена инженерная методика расчета параметров ТАП по заданным значениям периода и длительности импульсов в заданном диапазоне

рабочих температур и массовых расходов.

Разработанные модели ТАП являются базой для построения алгоритмов и цепей обработки их информативных сигналов с целью минимизации методической и инструментальной составляющих погрешности измерения объема.

Проведено исследование электродинамического источника зондирующего пневматического воздействия, к которому предъявляются жесткие требования по точности преобразования подводимой электрической энергии з выходной низкочастотный пневмосигнал.

Электродинамический вибрационный пневмовозбудитель преобразует подведенную к нему энергию электрического низкочастотного сигнала в механические колебательные перемещения своей подвижной системы. Поскольку пневмовозбудитель крепится непосредственно на объекте измерения, например в люке его верхней крышки, то поршень подвижной системы, совершая колебательные движения относительно положения равновесия, производит периодические изменения ¿V величины измеряемого объема. Предложено ввести з схему электродинамического лневмовозбудителя дополнительную 'депь, предназначенную для получения информации о величине колебательных перемещений подвижной системы (поршня) возбудителя на' всех режимах его рабо~ ты. Необходимость такого решения обусловлена погрешностью, вносимой пневмовозбудителем и обусловленной как конечной длиной его магнитопровода, которая приводит к непостоянству величины магнитной индукции в зазоре по его длине, так и характеристикой упругости подвеса, нарушающей .линейность передаточной характеристики, а также изменением механических параметров системы' з процессе, эксплуатации из-за старения магнитов, изменения массы подвижной системы, например, обусловленным налипанием на нее частиц измеряемого вещества, изменением упругости подвеса при работе при отрицательных температурах и ряда других причин.

Природа возникновения искажений пневматических колебаний раскрывается путем анализа передаточной функции обобщенной модели электровневмовозбудителя, представляемой в виде совокупности электромеханического и механо-пневматического преобразователей. Показано, что реактивное сопротивление рабочей обмотки электроп-невмовозбудителя вносит дополнительную нелинейную компоненту, обусловленную движением катушки подвижной системы в магнитном поле. Для минимизации указанной составляющей погрешности предложена схема электродинамического пневмовозбудителя с дополнительной из-

мерительной обмоткой, находящейся в общей с основной обмоткой магнитной цепи, с питанием рабочей обмотки от источника переменного тока.

Анализ функции преобразования предложенного двухобмоточного электродинамического пневмовозбудителя проводится при допущении стабильности величин присоединенного объема' и приложенной и возбудителю электрической мощности, из которого следует, что пневматические компоненты стабильны во времени и, следовательно процессы механо-пневматического преобразования определяются только характеристиками механической компоненты., В этом случае обобщенная модель пневмовозбудителя дополняется ветвью, состоящей из двух зависимых источников и комплексного сопротивления измерительной обмотки, а в цепь основной обмотки включается дополнительный зависимый источник. При этом принимается, что измерительная обмотка используется в режиме холостого хода, когда отсутствуют потери напряжения на ее активном и реактивном сопротивлениях и, следовательно, отсутствует и реакция измерительной обмотки на характеристики подвижной системы возбудителя.

Для рассмотренной модели электропневмовозбудителя определены передаточные функции по скорости и перемещении подвижной части по сигналу, снимаемому с измерительной обмотки. Анализ полученных зависимостей показывает, что достоверную информацию о величине колебательных перемещений подвижной системы пневмовозбудителя можно получить путем интегрирования сигнала, снимаемого с измерительной обмотки, как это реализовано в а.с. »21448207. При этом удается снизить погрешность задания параметров зондирующего воздействия до уровня 1%. Кроме того, в дорезонансной области электрический сигнал/ снимаемый с дополнительной обмотки, полностью повторяет сигнал по скорости перемещения подвижной системы возбудителя. -Аналогичная картина наблюдается также и для сигнала по величине перемещения подвижной системы. 3 области частот до частоты механического резонанса сигналы по скорости перемещения и величине перемещения практически идентичны механическим характеристикам рневмовозбудителя, однако с повышением частоты коэффициент передачи преобразователя не остается постоянным, что вызвано наличием трансформаторной связи между рабочей и дополнительной обмотками и обусловливает использования операции синхронного детектирования в алгоритме обработки сигналов, так как информативная компонента и сигнал помехи сдвинуты на угол Я/2.

В четвертой главе приводятся результаты разработки, испытаний и внедрения газодинамических измерителей объема и анализаторов состояния газовой полости замкнутых объемов с улучшенными конструктивно-компоновочными и метрологическими характеристиками.

Результаты исследования принципов структурного построения и методов проектирования, а также приведенная экспериментальная и конструкторская отработка элементов и узлов использованы при создании экспериментальных и опытных образцов ряда модификаций газодинамических измерителей объема.

Разработан экспериментальный образец измерителя объема резервуаров и количества заполняющего их жидких продуктов с диапазоном измерения до 5 мэ и величиной основной погрешности измерения до 1,5%. Стендовые испытания измерителя, проведенные на Казанском молочном комбинате подтвердили эффективность применения предложенного измерительного устройства.

Разработано устройство технологического контроля объема топливных баков ЛА с диапазоном измерения до 5 м3. Стендовые испытания устрбйстза на предприятии ММЗ"СХОРОСТЬ" подтвердили его работоспособность и невосприимчивость к изменению пространственной ориентации объекта измерения з пределах - 30 град. Созданное устройство используется для измерения вместимости топливных баков ЛА в процессе их изготовления и загрузки информации об их вместимости в бортовой вычислитель.

Разработан, изготовлен л внедрен на НПО "Нефтепромавтомати-ка" газодинамический измеритель относительной высоты излива, использующейся з составе щелевого расходомера при измерении расхода многофазной жидкости или жидкости с переменной плотностью. Измеритель также обеспечивает измерение расхода пенящихся жидкостей, не ' имеющих четкой границы раздела жидкость - газ, когда становятся непригодными различного рода акустические измерители уровня, использующие отраженный эхо-сигнал. Газодинамический измеритель обеспечивает измерение относительной высоты излива в диапазоне 0,05...0,5 м, при этом абсолютное значение основной погрешности не-превышает ±1мм.

Результаты исследования использованы при разработке компьютеризированной информационно-измерительной системы контроля параметров желудочно-кишечного тракта, которая применяется в составе медицинского оборудования для проведения хирургических вмешательств на органах брюшной полости. Система дополняет штатное

оборудование для лапароскопических операций, проводимых в условиях наддува в брюшной полости, и по соотношению сигналов о приращении давления в забрюшинном пространстве и об изменении его объема предоставляет оператору информацию о приближении к опасной зоне предельно-допустимого наддува и поднятия передней брюшной стенки, в том числе при проведении лапароскопических санаций.

Разработан вариант термоанемометрического преобразователя с полупроводниковым термоанемореэистором прямого нагрева, предназначенный для, применения в составе метрологического оборудования для динамических испытаний медицинских приборов функциональной диагностики легких. Измеритель предназначен для получения тариро-вочной характеристики переходного процесса в системе "Контролируемый объем (легких) - Первичный измерительный преобразователь" и имеет диапазон измеряемых скоростей до 30 м/с при постоянной времени 5 мс. ,

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты Исследования и разработки позволяют проводить проектирование и создавать различные варианты газодинамических измерителей объема замкнутых и дренированных резервуаров или контроля процессов в их газовых полостях, обладающих улучшенными конструктивно-компоновочными, функциональными и метрологическими характе-у ристиками.

Проведенный анализ процессов в пневмосистеме объекта измерения, позволил определить источники и построить модели основных составляющих погрешности измерения объема, наиболее значимыми из' которых являются резонансная, волновая и барометрическая составляющие, а также предложить ряд схемотехнических решений по их минимизации. Предложена оригинальная схема дифференциального проточного термоанемометрического преобразователя с импульсным режимом работы термоанеморезистора, разработана схема построения электродинамического пневмовозбудителя, обеспечивающая получение достоверной информации о величине и скорости колебательных перемещений его подвижной системы, необходимых для минимизации погрешности задания параметров пневматического зондирующего воздействия .

Эффективность и достоверность теоретических выводов, разработанных методов расчета и рекомендаций по реализации газодинамических измерителей объема подтверждены опытом проектирования, ре-

зультатами экспериментальных исследований и стендовыми испытаниями экспериментальных образцов газодинамических измерителей объема. По результатам исследований и разработок создан ряд модификаций газодинамических измерителей объема резервуаров сложной конфигурации и анализаторов состояния газовой полости замкнутого объема, которые по своим метрологическим и эксплуатационным характеристикам превосходят существующие аналоги.

Определены новые перспективные области применения газодинамических средств измерения объема,в том числе в медицине.

Предложенные технические решения защищены авторскими свидетельствами я патентом ?$.

Содержание диссертации отражено в следующих основных работах:

1.Бердников А.3. Электрические схемы замещения газодинамического преобразователя количества вещества//Электрооборудование летательных аппаратов:Межвузовский сборник. Казань: ХАИД982. С.113-117.

¿.Хорьков 3.Л..Зерднихоэ Л.3..Смирнов З.Т. Исследование пневматического вибрационного мзтода определения количества вещества в баках сложной конфигурации//Тезисы докладов научно-технической конференции "Информационно-измерительные системы и точность 3 приборостроении". М: МИЭМ,1982,С.4.

■ 3. A.c. 1030659 МКИ 301F 17/00. Устройство для измерения объема вещества в емкости / Ференец А.З.. Бердников А.3.,Смирнов 3.Т.ференец В.А,. Опуб.1983.Бюл.»2 7

4. А.г.115826 МКИ G01F 17/00. Устройство для измерения объема вещества з емкости / Бердников А. 3.,. Смирнов В.Т., Фер.енец В.А. , Ковалев А.Я. Опуб.1985. Еюл.й15

5. Зердников А.3., Солдаткин В.М.,Ференец В.А. Исследование влияния точности определения запасов топлива на безопасность полетав/Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы динамики,управления и безопасности полета" Рига: РИИ-ГА,1985.С.85-86.

6. А.с.1204943 МКИ G01F 17/00. Устройство для измерения объема вещества в емкости / Бердников A.B.,Ференец В.А,,Смирнов В.Т., Врачев Ю.В. 0пуб.1986.Бюл.»2.

7. А.с.1151825'МКИ G01F 17/00. Устройство для измерения объема вещества в емкости / Ференец A.B., Бердников A.B.,Смирнов З.Т., ференец З.А,. Опуб.1986.Бюл.»27.

в. А.с.1483272 МКИ G01F 17/00. Устройство для измерения объема вещества в емкости / Бердников А.В.,Ференец В.А,, Врачев Ю.В. Опуб.1987.Бюл.Ш20.

9. А.с.1348654 МКИ G01F .17700. Устройство для измерения объема вещества в емкости / Бердников A.B.,Лоскутов А.П. и др. Опуб.1987.Бюл.»40.

10. А.с.1448207 МКИ G01F 17/00. Устройство для измерения объема вещества в емкости / Бердников A.B., Врачев Ю.В., Сидоров В. П. Опуб. 1988. Бюл. :Ь4 7.

11. Бердников A.B. Импульсный термоанемометрический измерительный преобразователь малых расходов газа//Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Измерительные информационные системы" (ИИС-89).Ульяновск:УлПИ, 1989.С.23.

12. А.с.1569563 МКИ G01F 17/00. Устройство для .измерения объема вещества в емкости / Евсеев М.В., Бердников А.В.,Сидоров В.П. Опуб.1990.Бюл.»7.

13. Бердников А.В.Термоанеморезистивный преобразователь для системы контроля объема резервуаров сложной конфигурации// Тезисы докладов к Всесоюзной научно-технической конференции "Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления". Пенза: ППИ,1992.С.124.

14. Бердников А.В.,Порунов A.A.,Солдаткин З.М. Всенаправлен-ная система измерения параметров ветра в приземном слое атмосфе-ры//Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления".Пенза:ППИ,1992.С.82-83.

15. Бердников A.B., Танеев §.А., Порунов A.A., Солдаткин В.М., Розенблюм О.Т. Измерители расхода газа с расширенными функциональными возможностями //Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции "Научный потенциал вузов-программе "Конверсия".Казань:КАИ,199 3.С.12.

16. Бердников A.B.,Солдаткин В.М. Компьютеризированная система диагностики и контроля параметров желудочно-кишечного тракта/ /Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конферен-ции"Научный потенциал вузов-програмне "Конверсия". Казань: КАИ,1993.С.13.

17. Порунов A.A.,Солдаткин В.М.,Бердников A.B. Всенаправлен-ная система измерения параметров вектора воздушной скорости экра-ноплана//Тезисы докладов Первой международной конференции по эк-

ранопланам. Иркутск:ИГУ,1993. С. 7 5-77

18. Бердников A.B. Параметрическая коррекция температурной погрешности термоанеморезистивного преобразователя // Тезисы докладов научно-технической конференции, посвященной 50-летию НИЧ КГТУ им.А.Н.Туполева.Казань:КГТУ,1994.С.34.

19. Бердников А.В.Исследование импульсного режима работы термоанемометрического преобразователя//Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления (Датчик-94)". Гурзуф:МИЭМ,1994.С.15.

20. Бердников А.3.,Солдаткин 3.М.,Еиряльцев В.Н.,Малков И.С. Компьютеризированная система контроля, состояния желудочно-кишечного тракта //Тезисы докладов итоговой научно-технической конференции КГТУ им. А. Я. Туполева. Казань-.КГТУ, 1994. С. 107.

21. Танеев Ф.А.,Порунов A.A.,Солдаткин В.М,Бердников А.З. Системы зоздушных сигналов с яонно-меточными и аэрометрическими измерительными каналами //Тезисы докладов итоговой научно-технической конференции ХГТУ им.А.Н.Туполева.Казань:КГТУ.1994.С.111.

22. Порунов A.A.,Бердников А.З.,Солдаткин В.М. Зсенаправлен-ная система измерения аэрометрических параметров вертолета //Тезисы докладов итоговой научно-технической конференции ХГТУ им.А.Н.Туполева.Казань:КГТУ ,1994 .С.120.

23. Порунов А.А.,Танеев 1.А..Бердников A.B..Солдаткин В.М. Счетчик-расходомер ,газообразного носителя //Тезисы докладов итоговой научно-технической конференции ХГТУ им.А.Я.Туполева.Казань: КГТУ/1994.С.124.

24. Бердников A.B.,Солдаткин В.М.,Биряльцев В.Н.,Малков И.С. Информационно-управляющая система для мониторинга желудочно-кишечного тракта//Новые медицинские технологии.1995.No3. С.70-73.

25. Бердников A.B., Биряльцев.В.Н., Лаймарданов Р.И.,Солдаткин З.М. Малков И.С., Роот ¡O.E., Саетгараев А.К.,$илипов З.А. Информационно-управляющая система для мониторинга и реабилитации функционального состояния желудочно-кишечного.тракта// Доклад на международной, конференции "Радиоэлектроника в медицинской диагностике", М:Российское НТО РЭС им.А.С.Попова, 1995,С.209-211.

26. Бердников A.B., Танеев i.A., Порунов A.A.,Семенова В.П..солдаткин В.М. Некоторые аспекты разработки и исследования расходомеров на основе ионно-меточных и струйно-конвективных преобразователей //Тезисы докладов Республиканской научно-практичес-

кой конференции.Альметьевск :АлНИ,1996.С.57 . ч

27. Бердников A.B. Индукционный датчик скорости перемещения поршня в пневмодинамических обьемомерах//Тезисы докладов IX научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления ( Датчик-97 ) " , Гурзуф: МИЭМ, 1997 . С. 188'.

28. Бердников A.B., Танеев Ф.А. , Порунов A.A.,Солдаткин В.М. Расходомеры и счетчики количества на основе ионно-меточных и струйно-конвективных преобразователей //Тезисы докладов IX НТК с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения,контроля «метрологическим управления (Датчик-97)",Гурзуф :МИЭМ,1997.0.182.

29. Патент РФ »2088147 МПК 6А61В 5 04. Способ региструции и обработки биопотенциалов отведний желудочно-кишечного тракта и устройство для его реализации/ Бердников A.B.. Биряльцев В.Н.,Кочнев О.С., Малков И.С., Солдаткин В.М. Опуб .'1997 . Бюл.¡624.

30. Berdnikov A.V., Ganeyev F.A., Porunov A.A.,Soldatkin V.M. New metods and "measuring devices for altitude control sustems of the wind-driven power-plants//The third International conference on new energy systems & conversion ( NESC'97).Russia . Ka-zan:KSTU,1997.p.p 159-163.

31. Бердников A.B. Пневмодинамические измерители объема и уровня//Тезисы докладов юбилейной научной и научно-методической конференции "Актуальные проблемы научных исследований и высшего профессионального образования".Казань: КГТУ,1997.С.135.

Формат 60x84 1/16. Бумага газетная. Печать офсетная. Печ.л.1,5. Усл.печ.л. 1,39.; Усл.кр.-отт.1,39. Уч.-изд.л. 1,44. Тираж 100. Заказ к 1/Р"

Казанский государственный технический университет им. А.Н.Туполева. Ротапринт Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева 420111, Казань, К.Маркса,10.