автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.04, диссертация на тему:Измерения высоких стационарных температур методами экстраполяции переходной характеристики термопреобразований

о.

Г

г

с ^

Дерхавнвй ун!верситет "Льв1вська пол1техк1ка"

На правах рукопису УДК 536.532

МОШНА. Вальдемар

ВЖЕРПВАШЯ ВИСОКО! СГАЩОНАРНО! ТЕМПЕРАТУРЯ МЕТОДАМИ ЕКСТРМ10ЛЯЩХ ПЕРШДНО* ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕРМОПЕРЕТВОИЗВАЧШ

Спеп1альн1сть 05.ll.Q4 - прилади та метода зим1рю-

вання теплових величин

АВТОРЕФЕРАТ

дисертацП на з^оОуття наукового ступеня доктора технЗлняз наук

Льв1з - 1995

Дисертац1я е рукопис

Роботе виконана у Державному Санкт-Петербурзькому 1яститут1 точно! mbxshikh 1 оптике (Техн1чному

УН1В9рС2ТВТ1)

Науковий консультант: д.т.н., професор, чл.-кор.

метролог1чво2 академП Рос IS ЯРИШЕВМ.О. 0ф1д1йн1 опонэнта :

1 .Д.т.е. , професор Симб 1рсышй Д.Ф.

2.Д.Т.Н., професор Столярчук П.Г.

3.Д.т.е., с.е.с. Семерак М.Н.

Пров1дн8 орган1зац!я: НВО "Терлоприлад", м.ЛьвЗз

Захист дасвртвпИ вШУДеться"^" W 1995р.

1год. на зас!данн1 сшц1ал1зоваво2 вчено! тзада Д Ok.OS.-i4 у Державному ув1вврси?ет! "Льв1вська пол1техн1к8" (290646, м.Льв!в-13, вул.С.Бандери,12) a^q. ioy.Mopo.

3 ДИС9рТац1СВ W0KH8 ознвйомигися в б10л1отбц1 Державного ун!вэрситету "Льв1вське пол1твхн1ха" (290546, м.Льв1в-13, вул.ПрофесорськаД).

Автореферат роз!сланий vJfc)" 1I/_______1995 p.

Вчений секретар сп8ц18л1зовано1 вчево! рада , к.т.н.

Я.Т.Луцик

ЗЛГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОВОТИ

Акгуальн1сть робота. Проблема над1йност! 1 п1дащ8ння точвосг! вим1рюв8ння темпвратури з нау-кових 1 прикладших задачах збвр1гае свою актуальность, незважавчи на значний внесок в II вир1швння силами досл1дник!в та 1нж8нер1в на протяз1 остан-нього двсятир1ччя. Температурннй д1апазон роботи р1зноман1тних по конструкц11 контактних 38соб1в вим!рювання твмператури е обмвжвний ,по-перше, ст1йк1стю елемэнт1в термоперэтворювач1в до впливу фактор1в, характерних для досл1дхуваного оО'екту вим1р»вання, 1, по-друтв,стаб1льп1стю Тх метроло-г1чних характеристик. Особливо гостро це проявляется при широкод1апазонних вим1рюваннях темпвратури в потоках газу, хШ1чн!й промголовост1, атомн1й внергетиц1, розплавлених металах ,при вим1рвванн! твмператури плазми та в спец!ал1зованих твхнолог1ч-них процвсах.

0бмежвн1сть вим1рювально1 1нформац11, яка от-римуеться в1д термоперетворввача, вимагае розшире-но! постановки досл1дуень системагичних похибок засоб1в вим1рввання, формування нових п1дход1в до визначення:

• статико-,щшам1чних характеристик термопервтворю-вач1в;

• ф1зичних та Я9л1н1йних математичних моделей, як1 Ои забезпвчили прогнозування (екстраполяц!®) вим1-

- з -

рювально! 1нформац12.

При цьому найб!льш Щнним мае бути теоретично обгрунтування та практична реал1зац1я метод1в екст-раполяцИ результат^ эксперимента за меж1 температурного д1апазону ф1зичного 1снування термонеретво-рювач1в.

Незважаючи на пор!вняно валику к1льк1сть пуб-л1кад1й, патентов i авторських св1доцтв, практичний вих1д на вим1рювання температури, яка лежить за межами допустимого температурного 1нтервалу роботи вим1рювального перетворювача температури (ВПТ), на тепер1пш1й час е скромним. Це пояснюеться двома причинами: недостатньою проробкою методичних основ та малик практичним досв1дом, накопиченим в ц1й галуз1. Значна частина досл1д*ень направлена на вир1шення задач! визначення стац1онарно1 температури р1дких вбо газоподЮних середовшц, що воображено в десятквх цитованих публ1кац1й, з яких вЗдзна-ЧИМО роботи таких вВГОр1В, ЯК : F.Bernhard, F.Bürger -Scheidl1n, S.WlSniewskl, О.М.ГОРДОВ . D.H. ДО-

ценко, Г.Н.Дульнев, е.Ы.Душин, Дао-Тхай-31еу, В.Г.Зубов, Ы.Г.Ковальчук, 1.П.Кур1тник, ВЛ.Лах, f.u-

eneweg, O.Lutz. Я.В.М8ЛК0В . L.Michalski, К. Mollenhauer. T.Näbauer, 1.Д.ПиТ©ЛЬ. 1.П.ПеЛеП8ЙЧ9НКО,

С.П.Поляков, е.С.Пол!щук, А.Д.Шнчевсышй, м. ro±-fco. БЛ.Стадник, К.С.Семенистий, Д.Ф.Симб1рський, Л.1.сметан1на, Л.М.ТШЦвНКО, D. Hofmann, Т. Haupt, W. Szewczyk, К.Eckersdorf, М.О.ЯрИШвВ, Т. Jaszczur.

Окрэмим напрямком досл1д*энь е теоретичне об-

грунтування динвм!чних моделей термопвретворювач!в, розробкою яких займалися: А.М.Аз!зов, Н.П.Був1н,

F.Bernhard, S. wi4nlewsk1, О.М.ГОРДОВ, A. 2uchowski,

Л.А.Коздоба, Г.М.Кондратьев, е. k^eki, A.B.Ликов, F. Lleneweg, L. Michalski, Б.М.ОлеЙНИК, А.Д.П!нчвв-

ський, е.С.Платунов, А.О.Саченко, Д.Ф.Симб!рський,

Л.1.СМВТ8Н1на, S.Skoczowski.П.Г.СТОЛЯрЧуК, D. Hofmann. t.Haupt, М.Hering, В. б. ЩуКШуНОВ, К. Eckersdorf, М.О.Яритев.

В процес! вивчення розрахункових моделей тер-моперетворювет1в загальнолромислового призначення та модерн1зац12 1снувчих методик вим!рювання висо-ко1 температуря проявилась нагальна необх1да!сть б1лып глибокого подходу до обгрунтування галузей застосування екстраполяц!йних мэтод!в вим1рювання та liTKoro формулювання тих умов, як1 би обмежували Ix практично використання та вггроваджэння.

Пропонована дисертйц1я присвячена розробц! нового яяпряму у розвитгсу екстраполяц1йних метод!в ви-м1рювання вигоких стац1онарних температур на основ! нел!н1йних математичяих моделей ВПТ з використанням суч8сних маппшних засоб!в 1 процедур обробки вим1-рювально! 1иформ8ц11. Тим самим ставиться на над1й-ну теоретичну основу вир1шенля важливоГ науково-техн1чно! задач! створення засоб1в вим1рюзання температури багятократного застосування, як! забезпе-чують вХдновлвння з прогнозоввною похибков температури об'ект!в за межами ф1зичного !снування (вюки-вання) ВПТ.

- 5 -

Науков1 дослздявння автора по динам1чних методах вим1рвваяня високо1 стац1онарно1 температуря е складовою частино® нэуково! програми 1нституту електрон1ки та систем керуванвя Ченстоховського пол1техЕ1чного 1нституту.

Мета 1 задач! робота- Основним завданням роботе е П1ДВИЩ8ННЯ Е8Д1ЙНОСТ1 1 р1вня ТОЧНОСТ1 вим!-рвввння високих стац1онарних температур, як1 вихо-дять за ме«1 темшратурних д1апазон1в нормованих метролог1чних характеристик термоперетворювач1в. Для досягненвя ц1е1 мэти було необх1дно:

• критично проанал!зувати описан! в л1тературних дхерелах метода екстраполяцН та корекцП показ1в термоперетворговач1в, як1 базуються на перех!дних часових характеристиках, що отриман1 на основ! р1-шень л1н1йних задач теплообм1ну ВИГ;

• створити Л1н1йн1 та кваз1л1н1йн1 модел1 дивам1ч-них характеристик термоперетворювач1в;

• обгрунтувати необх1да1сть I розробити нвл!н1йн1 модвл1 термоперетворивач1в першого 1 вищого порядка;

• отримати перех1дн1 характеристики для однопара-метрично! нвл1л1йно1 модел1 ВПТ для р1зних тип1в температурних залеяностей показник1в терм1чно1 1нерц11;

• провести ыатематичне модэлввання процес!в екстраполяцН та на його основ1 дати метролог1чну оц1нку похибок в звлежност1 в1д довкини д1лянки перех!дно1 характеристики, д1апвзону екстраполяцН, вибору

- б -

апроксшувчих залекностей;

• розробити алгоритма статнстично! оброОки результат^ вим1рввань 1 визначити вплив ступени дискре-тизацИ експериментальних дани на точн1сть в1даов-лення значень температури;

• провести експериментальну лвбораторну первв1рку проповованкх нел1н1йних моделей ВПТ 1 засоб!в об-робки даних з попередньою одЛнкою ступени нел1н1й-ност! пронесу теплообм1ну стосовно до вим1рювання температури киплячо! води та газового середовища;

• провести сер1в вим1рювань температури р1яко1 стал! 1 визначити метролог!чн1 (по точности могливос-т! данвм1чного методу екстраполяцП в умовах сутте-во нел1н1йного процесу тэшгообм1ну при застосуванн! р1зноман1тних тип1в термоперетворввач1в, вклвчввчи авторськ1 розробки ВНР багатократно! д11;

• обгрунтувати розробку комп'ютеризованого (на 6831 1вм-рс-4ва ) вим1рввального комплексу 1 практично перев1рити прогрвму оброОки експериментальних даних по принципу "оп-ппе", тобто в реальному масштаб! часу.

На захист виносяться:

• кваз1л1н1йн1 та нел1н!йн1 динам1чн1 модел1 ВНР та 1х перехЗдн! характеристики, як основа екстраполя-ц1йних метод1в в1дновлення стац!онарно1 температури о0'ект1в досл1дження;

• результата анал1тичних оп1нок ступеня нел1н1йнос-т1 процес!в при вим1р»ванн1 температуря р1дин . 1 газ1в, включаючи розплавлен! метали;

• система показник1в точности що визначають похиб-ки в1дновлення температуря методами екстраполяцП при зм!н1 вх!двих даних реестровано1 д1лянки криво! переходного пронесу;

• програми комп'ютеризовано! статистично! обробки експериментальних даних;

• результата лэбораторних 1 промислових випробувань термопервтвор»вач1в р1зних тип1в;

Метода дослЩгень. Поставлен! задач! вир1шен! в дисертацИ не основ1 анал1тично1 теорН теплооб-м!ну з врахуванням внутр1шньо1 структура ! темперв-турних залехностей теплоф!зичних властивостей мате-р!ал1в ВГГГ; методами математично! статистики теорН випадкових процес1в (метод Монте-Карло); методами теорН под1бност! та матвматичного моделпвання.

Наухова новизна робота полягае у розвитку нового напрямку екстрвполяц!йних метод1в визначення температуря при обмеженому об*ем! 1нформац11. У в1дпов!дност1 з цим в дисертацИ:

• запропонован! нел1л!йн1 теплов1 модел1 ВПТ, на основ! яких проведено анал!з точност! р!зних вар-!ант1в обробки кривжх перех!дних продес1в з метою вствновлення звачень стац1онарних температур р1зних середовшц;

• виявлен1 обмеження л1н!йних та кваз1л1н1йних моделей данам1ки теплооЗм1яу термопервтворювач1в, як! використовувться в р!зноман1тних вар!антах корекцП та екстраполяцИ Тх показ1в;

• визначено характер нел!н!йност! процесу теплооб-

м1ну ВПТ в р!зяих середовищэх;

• запропонован1 апроксимац1йн1 характеристики , як1 враховують температурн1 залежност1 параметр1в модели

• виявлено тжв в1льно-конвективяого та ггромописто-го теплообм1н1в в газах на характер нел1н1йност1 процесу тештообм1ву (1з-за 1х протилежних тенденц1й зм1л в пронес! наближення I до ьт 1снуе неодаознач-н1сть залежност1 в1дношэння показник1в торм!чно! 1нерц11 );вст8Новлено, що це в!дно-шення для зал1за та сталей становить тсиъ э/т с*. 5co.55-o.75; виявлена значив (40 %)

т р р

нел!н1йн1сть нав1ть у вузькому температурному 1н-тврвал1 (ъ < юо°с) при конвективному теплообм1н! у вод1; для розплавлэних сталей С1 < 1500°0 коеф1ц1-ент в1льно-конвективво1 теплов1ддач! зменшуеться в 0,5-0,6 раз1в, тобто нел1л!йн1сть теж виявляеться значною;

• встановлен1 к1льк1сн1 критерП над1йност1 засто-сування динам1чних метод!в в1дЕ:овлення значень тем-ператури; методами математичного моделювання та статистично! обробки вх1дних даних визначен1 систе-матичн1 та випадков! складов1 похибки данам1чних метод1в;

• на основ1 формулювання нел1н:Лно! задач1 для ВПТ з врахуввпням його внутр1иньо? структура для прак-тичних ц1лей вим1рхгаания температуря розплавлених сталей створена однопэраметрична нел1я1йна модель, як найбЗльш прийнятна в умовах деф!циту 1нформац11.

Практична ц!нн1сть дисертацП визвачаеться:

• можливостями широко! реал!зая11 теоретичних поло-жень роботи 1 впроваджэння динам1чних метод1в в!д-новлення сгац1онаряы температур в умовах, як1 ви-клвчають безпосередне вик1рЕвання контактними ВПТ;

• лабораториями досл1даеннями вкстраполяд1йного методу вим1рввання температуря, узгоджвн!стю результат^ вим!рввань з теоретичними оц1нками зна-чень похибок;

• результатами велико! к!лькост1 вим1рввань температури розплавлено! стал1 при II промисловому ви-робшщтв1 ва Ченстоховському (Полыца) металургШ-ному комб!ват1 з використанням типових конструкц1й ВПТ одноразово! д11, 1х авторських модерн1зац1й 1 конструкц1й ВНР багатократного застосування, як1 лЗдтвердили пврспвктивн1сть 1 конкурентноспромож-н1сть екстраполяц!йного методу, сум!щеного з сучас-ною системою статистично! обробки даних експери-менту.

Йфн°и1?на_ефективн1сть роботи п1дгверджена сп1вставлвнняы оц1нок вартост! застосування промис-лових пл8Тинород1й-плвтинових ВОТ одноразово! д11 при 1х зам1н1 при динам1чному метод1 вим1рювання на ВПТ багатократного застосування 1 переход! на чут-лив1 елементи хромель-алюмелево! групи. При зам1н1 3-4 одноразовых ВПТ в продес1 одно! плавки, наяв-ност1 3-х мартеновсышх печей 1 триразово! виплавки за добу р1чний еконоы1чний ефект оц1нюеться для ливараого цеху хомб!ната на р!вн! 70 млн. злотих в

- ю -

ц1нах початку 1993 р., то п1дтверджуеться атестатом металург1йного комб1нату.

Особистайвнесокавтора е основним на вс1х етапах досл1даень I полягае у формулюванв! завдань та бвзпосередаьому вик0Н8Нв1 розрахунково! та екс-периментальво! частин роботи. Автором обгрунтован1 п1дхода до використання нел1н1йних моделей при ди-нам!чних методах вим1рювання стац!онарних температур.

Апробац1я роботи. По м1р1 виконання роботи II результата допов1дались автором на конгресах, нау-кових конфервнЩях, нарадах 1 сем1нарах, в тому числ1 на XIV (Чвнстохов,1979, дв1 доповШ), (Варшава,1981), XVI (Л®бл1н,1983) М1жвуз1вських конференц1ях метролог1в; XV Науковому симпоз1ум1 по метролог!! (В1льга,1987); М1хнародн1Й ковференцИ "Температура"89"(Зуль,ФРН, 1989); Науковому сем1на-р1 "Застосуваяня сенсор1в в технологи 1 орган1за-ц11 продукцИ" (Ченстохов, 1991), в Техн1чному ун1-вврситет1 Карлсруе (ФРН, 1987 1 1990) 1 Техн1чному уп1верситет1 ЗахЩного Берл1ну (1990); в Державному Санкт-Пвтербурзькому 1нститут1 точно! механ!ки 1 оптики (Техп1чному ун!вврситет1) на кафедрах ф1зи-ки, теплоф1зики 1 факультет1 п1дшщэння квал!ф1ка-Щ1 викладпч1в (1991,1992,1993,1994); М1жнародн1й конфэренцП в 1льменау (ФРН, 199^,1995); Науковому конгрес1 "Сенсор-93"в Нюрнберз1 (ФРН, 1993). Окрем! фрагмента роботи допов1дались на нарадах кафедри вим 1рвввльноI техн1ки Ченстоховського пол!техн!чно-

- и -

го 1нституту, науково-техн1чних радах Чепстоховсь-кого металург1йного заводу, зборах громадських тех-н1чних орган1зад!й (Громада польських ел8ктрик1в, Громада 1вж9вер1в 1 техн1к1в металургШно! промис-

л0в0ст1).

0гбл1кац11. OcbobhI результата дасертацП вик-ладен1 в 43 публ1кац1ях автора в науково-техн1чяих журналах Полыц1, Pocil, Н1меччини (НДР, ФРН), Швей-парП, Словаччини, матер1алах конгрес!в, конферен-ц1й 1 симпоз1ум1в, а тэкож в описах 4-х патент1в на винаходи 1 у 8-ми зв1тах по виконаних науково-досл!дних госпрозрахункових роботах.

Структура 1 об'ей робота. Дисвртац1я складэ-еться 1з вступу, п'яти глав, заключних висновк1в, списку л1тератури. Дисертац1я м1стить 239 стор. основного тексту, 124 рисунки 1 схеми, 23 таблиц1, три пакета комп'ютеряих програм i 6 додатк1в, як! м1стять роздрук розрахункових даних. Список л1тера-тури м!стить 216 б!0л1ограф1чних посилань.

ЗМГСТ РОБОТИ

В_перш1й глав1 проведено критичний огляд стану теорП динам1ки термоперетворювач1в i оп1нки ефрк-тивност1 метод1в 1 засоб1в, що застосовуються для скорочвння часу вим!рювання стац!онарноТ температу-ри (корекц1я дин8м1чних характеристик ВПТ t1-9,13,18-21,36-38,421, пульсац1йн1 метода, засто-сування двох або б1льше термоперетвор®вач1в). Тут

же вяю18ден1 8вторськ1 вар1анти л1н1йних моделей динам1ки термоперетворювач1в с 10-14,16,17,22,39, 40-421, с1тков1 модел! ВПТ г 10,13,15,17,29, 34,38, 39,43з 1 винесен! в додаток розрахунков! залежност1 теплообм1ву об'ект1в 1з 38стосув8вням спец!альних систем координат (подв1йно1 цил1ндрично1, елиптич-но-цил1ндрично1, торо!дально1, параболично-пил1ндрично2 та 1н.>129,34). Проведена класиф1кац1я метод1в, направление на скорочення часу вим1рювання температури (рис.1). Виконано анал1з л!тературних

Метода, основан1 на скороченн1 чесу вим!рввання стац1онарнох температури

Корекщя динам1чнйх характеристик

Динам1чний метод

п0ст1ян8

л

пасивна

ададтадшна

активна

р—►—,

анало-гова цифро-ва

пульса-

П1ЙНИЙ

метод

спец1аль-н1 МеТО-ДИ

з аналоговой мульти-пл1кац!ею значень елемент!в ьс

з цифрового мульти-пл1кац1ею значень елзмент1в 1-е

Рис.1. Р1зновиди метод1в, основаних на скороченн1 часу вим1рювання стац1онарно1 температури

першоджерел 1 проведена авторська оц1яка похибок в1дновлення значень стац1онарно! температури для

р!зних вар1ант1в динам1чних метод!в, як1 основан! на експоненц1йн1й характеристик переходного проце-су в залежност! "Штт ступени екстраполяцП показ1в ВПТ t23.32.33i. .

Детально розглянута динам!ка л1л1йно! модел! з передаточной фушаЦею ycs>~'= CTs+i5m для р1зних д1йсниз значень m з метою II використання для ошасу перех1дних характеристик ВПТ центрально!, об'емно! або повврхнево! д11 с22,25,26,28).

П1дсумков1 результати огляду стосовно до вир1-шення проблеми вим1рюв8ння високих температур мояша сформулювати наступним чином:

1.Схемотехн1чн1 засоби корекцП данам1ки ВОТ на тепвр1шн1й час не забезпечують отрямвння над1йних результат^ 1з-за складаост! врахування зм1н параметр^ теплообм1ну термоперетворювача в nponecl вим1рювання.

2.0писан1 в л1тератур! данам1чн1 модел1 вим1рюван-ня, зв'язан1 з екстраполяЩею показ1в ВОТ, те про-повован1 вар1анти обробки 1нформацИ приводить до значних похибок 1з-за "жорстко! прив'язки" до най-прост1шо1 л1н1йно1 модел1 ВПТ, тсбто до вкспонен-ц1йно1 форми його перех1дно1 характеристики. 1х температурив границя е обмежэнов 1 навряд чи моя® перевищувати 1000°С, тобто в багатьох практичних застосуваннях вони не е конкурентноспромокними перед прямими контактпжи методами. 3. Для розширення температурних меж застосування динам!чних метод!в необх!дно: а) б!льш повнв теоре-

- и -

тичне обгрунтуванвя з врБхувеняям особливостей як зовн1шнього, так 1 внутр!шнього механ1зм1в тепло-обм1ну ВПТ , а також темпервтурно! залежност1 теп-лоф1зичних характеристик; б)використання сучасних метод1в 1 засоб1в обчислювально! техн1ки для оброб-ки експеримеятальних даних. Р1пення цих задач пред-ставляеться актуальним, бо п1дносить проблему екст-раполяц1йних метод1в вим1рювання температури на новий р1вень 1 розширюе приклада! талуз! II зэсто-сування при вим1рюв8нн1 температури в промисло-

в0ст1.

§_й25?!1й_глав1 як першооснова розвитку екстра-поляц1йних метод!в пропонуеться одяопараметрична нел1н1йна модель динам1ки термоперетворювача, яка формулюеться у вигляд1

ТСЬ^ -1- + = Ъ . СО

т от тп

Параметр терм1чно1 1нерц11 тсъ,с^э визначаеться, як деяка функц1я, яка включае теплоф1зичн1 1 теплооб-м1ня! характеристики ВПТ в залехност1 в!д його температури «т:> та температури середовищэ

ли а(1,1 ) 5 ш

де ссяз - повна теплоемн1сть. а - коеф!-

ц!ент теплов1ддач1 (8бо теплопередач1), ум:тгю; г - площа зовн1шньо1 поверхн1 теплообм1яу ВПТ з досл1джуваним серодовищем, т*. По аналог!! з л1н1йною моделлв, коли т-еопвъ, проводиться уточнения границь можливого застосування

модел1 (1)з точки зору неодаорЦзност1 температуря по об'ему термоперетворювача, розрахунку тешюем-вост! с =ссо та 1я. Одаак головну увагу зосеред-жено на розрахунках 1 од!нках ступеня нел1н!йност! параметра т та виду його температурной залэжност1 в межах зм!ни с в!д початково! с^э до вим!рюв8-но! с«-т:> температур.

У зв'язку з недостатн1м об'емом даних для розрахунку конвективного тешюобм!ву в дщнам1чному процес1 автор був змушений використовувати новедек1 в р1зних л!тературних даерелах кр!тер!альн1 формули теплообм!ну, вивэдев! 1з умов стац1онарного режиму. ПослЩовво викован! розрэхунки зм1ни показника тер-м1чво1 1яерцИ в процес! конвективно-променистого тешюобм1ну з газовим середовшцем 124,351 , конвективного теплообм1ну у вод! ! розплавлених металах. Ступ1яь нэл1н1йност1 пропесу визначена, як в!дво-

шення тсс.ъ э/г<1 5. да с в1ддов!дае або почат-«• р р *>

ков!й <-о температур! БИТ. або температур! ^ регулярно! стад!

Вшгав в!льно-конвективного та променистого тешюобм!ну !з-за 1х протклежних текденц1й зм1н в процес1 наближення с до tm приводить до неоднозначно! залежност! в!дношення тсс.ъ э/т с г. э. Од-

т р р

нак, в дХапазон! о <».< юоо°с з врахуванням залежност! ссо для зал!за 1 сталей воно м1няеть~ ся в межах 1 £ тсъ.ъ э/т СХ. э < 0.55-0.75 (24.353.

«п р р

Нел!я1йв1сть виявляеться звачнов нав1ть у вузькому температурному 1нтервал! о< ъ < 1 оо°с при конвек-

тивному теплсюбм1н1 у вод1. Тут, по м1р1 наближення

I до 1 маемо 1 £ тсъ.ъ з/тсъ э < 1,4. тобто

т т р р

нел1н1йн1сть т перевшцуе 40

Для розплввленкх сталей 1з-за обмеженост1 екс-нериментального матер1алу проведено дек1лька ва-р1ант!в оц1ночних розрахунк1в, як1 спиравться не кр1тер1альн1 формула, отриман1, в основному, для легкоплавких метэлЛв лужноГ групи. При певних допущениях в температурному 1нтервал1 о < 1 < 15оо°с, коеф1ц1ент в!льно! конвективно! теплов1дд8ч1 змен-шуеться у 0,5-0,6 рази, тобто нел1н1йн1сть тс о виявляеться значною.

На основ! втсонаних розрахунк1в зроблеяо вис-новок про необх!дн1сть застосування н8л1н1йно! ква-з1однор1дно! по структур! модел! (1), в як1й залеж-н1сть (2) параметра тс о по характеру його зм!яи з температурою мок» бути епроксимована степенэвою

функц1сю ТС О = Т +Ы.+а12, де т . Ь 1 а П0ВИНН1 р р

визначатися у процэс1 обробки даних вим1рювання ^емператури «о чутливого елементу ВПТ .

Однопараметрична модель ВПТ приваблюе простотою опису данам1чних характеристик, але не враховус внутр1шньо! структури термоперетворввач1в. 3 метою

II уточнения в заввршальнШ частин1 глави зформу-.гьована "двоемн1сна" нел!н1йна модель теплообм1ну, що описуеться р1вняннями (див. рис.2)

- С Л = к -г С1 - I Э-С1Г , сзз

• • « • • о*

- СС (11 + С сЛ 3 = к -Э С1 - I Э-йг, С 43

• • оа о* он о« о* т *

а/

б/

Рис.2. Модель двоелемевтного ВПТ (а); крив! наг-р!ву оОолонки 1-оаСт:> 1 чутливого элементу ь со - (б)

в якюе 1 <тэ. тэ, <-тСгэ - температуря термо-чутливого елеыенту ВПТ, його захисно! оболонки та оточукчого середовюда; с^. к^. I с^, км, £ов - в!дцов!дно повн! тешюемност1, коеф!ц1енти тепло-передач! ! площ! позерхонь тешюобм1ну .

Реестрована в досл!дах температура на

основ1 (3) 1 (4) визначаеться нел1н1йним р!ввян-еям другого порядку

аЧ стэ

«л с г 5

С 55

т *----:---* т---г---♦ I СтЗ » Сг),

г .2 а ат »

а т

з температурозалегними в1д 1 ^ парамет-

рами

С1 А >• Г1 - -г------ I

о» тп I ОТ I

тех. .X. л) = т

1 * О» *П 4

[ТСС Э ♦ рсх. ЭТ СЪ .». Э I .

• • оа » о» о* о» т 1

С6Э

- 18 -

Т 2СЪ ,1 Л Э = Т СЪ Л Э-Т СЪ .Ъ С7Э

г • ©е тл • • о» о» о* т

в структуру яких включен 1 три параметра в1дпов1дно! л1н1йно1 модел! ВПТ

с съ 5 с съ :>

Т Ct .1 э =---.—; (К\. 5==г-~~г;

• • ов к (I Л • о» С <И. -)

• • ов • ов ОБ

С СЪ Э

т С1 . С8Э

ов оя п> к С , и 3 "

ов ов тп о«

В реальних умовах вим!рювань вигляд залежнос-тей параметров (6)-(8) е вев1домий 1 може бути оц1нений тОльки наближено в межах початково! 1 максимально! зм1н в!домо! 1з досл!ду температури з врахуванням реальних границь зм!яи температури ь^стэ досл!дкуваного серэдовшш, якщо в1дома структура ВПТ. 0ск1льки ан8л1з р1вняння (5) 1 отри-мання його р1шення складае ЗН8ЧН1 труднощ!, воно використовуеться тОльки для обгрунтувяння нел1н1й-но1 модел! (1).

Центральне (на ос!) розтвшувашя чутливого елементу вкзначае типовий вигляд криво! роз1гр1ву г^сгэ в експеримент1 (див.рис.2,б) з д1лянкою доре-гулярноТ стэдП тенлообм1ну, п1сля яко! зм!на температури 1всг5 мае ч1тко выражений експонептопо-д1бний характер. Ця особлив1сть, яка п!дтверджуеть-ся виконаними экспериментами, дозволяй звести р1в-няння (5) до р1вняння першого порядку з зап1зненням аргументу

- 19 -

с^Ст-т 3

Т-------Е- + «т-т 3 = Ь СтЭ , сез

от р т

в якому наближено

Т а •/Т г-2Т т й Т -Т . С10Э

12 р 1

На мов! передаточних функц!й л1н!йних моделей

це екв1валентно зам1н! передаточно! функц11 усэз"1»

й+Т^+Т^в2 на функц1ю УС53=С1+ТзЗ"1-ехрС-ТрзЭ

див.рис.3.

Рис.3. Граф1чн8 1лвстрац1я можливост1 зам1ни пере-даточно! функци УСгО^ИГ^+тЧ* (крива 1) на функц1ю усэз =с 1 -"-Тгз "*в>фС —гбз (крива 2)

Якщо 1т=сопзъ, то р1вняння пврех1даого проносу з врахуванням експериментвлъно п1дтвердаено! слабо! залежност1 тр в!д тегаератури ^ при т > тр представляеться у вигляд! експоненти

1Сг-тр3 = Ч. [*-•'*>( ~т~Е )]• ч* т 2 г> С115

Висловлен1 м1ркування. як1 детально викладен1 - 20 -

в завершальн1й частин1 гл.2 , п1дтверджують доц1лъ-н1сть використання однопараме тричноI модел1 тим б1льше, що обробка експериментально отримано! дальний перех1дно1 характеристики t^co починаеться п!сля дорегулярно! стад11, тобто в1драхунок значень температуря i часу починаеться з моменту т > тр (або т > тт) i t^c то > tr . де не виключае в майбутньому застосування нел1л1йних моделей виду (5)-{8) або б1льш високого порядку, якщо експери-ментальнв основа для характерних випадк1в вим1рв-вання високих температур I конструкц1й ВПТ буде б1льш повною.

В_трет1й_глав1 викладене теоретичне обгрунту-вання екстраполяц1йних методов вим1рювання темпера-тури серэдовтца на ochobI однопараметрично! нел1-н1йно5 модел1 (1) з врахуванням двох характерних залехностей тссэ: степенево! у вигляд!

ТС О = Т + bt + at2 . С12Э

р

або II часткових вар!ант1в са=о або ь=оэ i ек-споненп1йно1

TCO = Т -ехрСаО. С135

р

1нтегрування р1вняння (1) з врахуванням (12) дае наступний вираз для переходного процесу [4,27,30-33,42,433:

t - t г т-т =Т In г-—г2 - Ct-t Э • |Ь+ |c2t +t +tD . С14Э

от t - t ol сто I

m L J

де T = T + bt + at 2 , 0 53

iv» p m TD

^ - значешя шуканого значення температуря середо вита.°С; с - значення при т = т ; т

о г о р

початкове значения показника тврм1чно! 1нерц11 т^ при <-=*-0; а 1 ь - коеф1д1енти, що харвктеризують температурну залехн1сть показника терм1чно1 1нерц11 1 як1 визначаються при обробц1 експериментально знято1 криво! 1Стэ. Як початок в1дл1ку то 1 ьо можуть бути вибран! р1зн! значення, включаючи тг 1 1 або 1яш1.

г

Р1вняння (14) I (15) включають частков! залеж-ност1, коли а = о; ь = о I л1н!йний вэр1ант при а = ь = о. в останньому випадку перех1дна характеристика ВНР (14) перетворкеться у звичайну експо-ненту

г т-т

I - 1СтЭ = С<. - 1 Э-е>ср--т" • С165

т* то I XI

4 с-

При експоненц1Ян1й температурн1й залежност1 тсгэ. яка визначаеться виразом (13), р1лшння р1в-няння (1) запишеться у вигляд!

т-т =Т -ехрСа! Э1Е11-аС1 >3- ЕИ-аС1 -О 3 ). С17Г)

о р ш I то гг 1

В р1зняяя1 (17) ел - цв 1нтеградьн8 показникова функц1я, яка для а>о запишеться у вигляд1 фун-

КЦП Е^

т-т «Т ехрСаЪ }{е (аСЪ -133 - Е СаС1 3]). С183

О р г*;* т 1 т г> I

V /

Р1вняння (14),(15),(17) 1 (18) е базовими для про-гнозування температури ^ по екстраполяц1йному мето-

ду. В матер1алах гл.З представлено детальней чи-сельний анал1з перех1дних характеристик ВПТ (14), (17),(18) для р1зних вар1ант1в темпвратурно! залеж-ност1 тс та ступеня нел1н1йност1 тп,хтр- Як приклад , на рис 4 1 рис.5 навэден1 граф1ки сп1в-ставлення моделей динам1ки ВПТ з р1зними видами парабол1чно! (крив1 1,3,4) 1 вкспоненц1йно! (крива 2) нел1н1йностями показника терм1чно! 1нерц11 тс о ДЛЯ Тт/Гр= о. 5 (рис.4) 1 Тт/Тр= 2.0 (рИС.5), причому граф1ки 1, 2, 3 1 4 в1дпов1дають наступним умовам вибору значень величин а 1 ь у вираз! (12):

параОол1чною (крив1 1,3,4) 1 експоненц1йною (крива 2) нел1н!йностями для одного ступеня нел1н1йност! т ут =о,5

Рис.Б. Граф1ки сп1вставлення моделей динам1ки ВПТ з парабол1чвои (крив! 1,3,4) 1 експонепц1йною (крива 2) нел1н1йвостями для одного ступени нел1н1йност1 т /1 -2.0

m р

1 Са>0, ЬСОЭ, Э Са=0, Ь<ОЭ . 4 Са<0, Ь=03 8 КрИВЭ

2 - при використанн1 екстраполяц!йно! залежност1 (13) при а<о (рис.4); граф1ки рис.5 в1дпов!дають вибору ТСО ВИДУ (12): 1 Са<0. Ь>ОЭ. 3 Са=0, Ь>05, 4 Са>0, b=05 1 ВИборУ ТС О ПО (13) - КрИВЭ 2 (при а>0)

На ochobI анал!зу отриманих даних, як1 част-ково в1добракен1 на рис.4 та рис.5, випливае, що в!дм1нн1сть перех!дних характеристик нел1н1йних моделей в!д л1н1йно1 (експоненц1йноТ) тим б1лыпе,

чим вица нел!н1йн1сть процесу. 1з можливих вид1в апроксимацП тсо. як! визначаються виразами (12), (13) або 1ншими, з практично м1ркувань, пов'язаних 1з спрощенням статистично! обробки результат1в ви-м1рювань, пврэвагу наложить в!ддати формулгованню

типу нвл1н1йност1 у вигляд1 т = т + ы. або т = , р

= тр+ аъ , а для аналогичного опису перех1дних характеристик використати вираз (14) зам1сть (17), шо також спрощуе процес складання обчислювальних про-грам.

Для повноти анал1зу в гл.З додатково детально досл!джена також нвл1н1йна модель динам1ки ВПТ в умовах т1льки одного - рад1ац1йного (променистого) теплообм1ну с24,35з.

3 врахуванням 1нструментальних похибок ВПТ, то визначаються метролог1чними характеристиками остян-н1х, а також похибками, як1 вносяться в процес1 обробки експериментальних даних, зроблено висновок про доц!льн1сть звстосування перех1дних характеристик виду (14), (17),(18) 1 температурних залвжнос-твй виду (12), (13), як основи для побудови екстра-поляц1йних метод1в в1дновлення значень високо? ста-ц1онарно! температури

Для повноти ошсу 1 пор1внягшя в гл.З наведено огляд вгф1ант1в поперэднього визначення характеру нел!н1йпост1 показника терм1чно! 1лерц1Т (метода приросту, дотичних, "двоярусно!" печ1). На основ1 загально! теорИ апроксимацП веперервних функц1й (безв!дносно до вибору л1я!йних або нел1н!йних мо-

делей ВОТ) ставиться задача апроксимування характеристик так званих кваз1л1н1йних моделей, формулю-ються умови 1х р1вном!рно! апроксимацН. Завершаль-ним результатом е розробка програм, як1 реал!зують процес середаьоквадратично1 апроксимацН експери-ментальних даних. Метод середаьоквадратично! апроксимацН заснований на обробц! отриманих в процес! проведения досл1ду даних в цифровой форм1 (з цифрового рег1стратора), як! представляють собою експе-риментальну перех1дну характеристику у вигляд! таблиц! з певним вибраним кроком II квантування в ча-с1. Алгоритм середньоквадратично! апроксимацН по-яснюеться на рис.6 1 рис.?. Комп'гтер, функц1оную-чи по алгоритму, наведеному на рис.6, п1дбирае параметри а. т нел1н1Йно1 модел1 динам1ки з парабол1чним видом нел1л1йност! т=тр+»12 1 визна-чае вим1рювану температуру Розрахункова характеристика 1Сгз знаходаться ы1* точками сг..1ст,з] таблиц! даних, отриманих !з експерименту. Алрок-симац1ю вважавть зак1нченою, яйцо середаьокв.чдратв чна похибка функц!онала с 11-14, 233

г»

/СЪ ,а.Т Э = ) [<-Ст > - Ъ Ст.5 ]2 . С103

ш р ¿__1 I > I

I • 1

набувае м1н!мального значения. Гут : п - к1льк1сть точок, якими задветься ексзери-ментвльна перехЗдна характеристика В1ГГ; 1Сто = - значения функцИ «тэ по даних вим1рювання експериментально1 перех1дно1 характеристики; г^с-о = ^ - значения функцП итэ, порахован!

Рис.6. Блок-схема програми, що реал1зуе процес середньоквадратично! апроксимацИ

на основ! перох1дно! характеристики нел1н1йно! мо-дел1 (див. р1вняння (14), (15)). В блок-схем!. рис.6 прийнят1 наступн1 познэчення: тр . ав- початков1

значения тр 1 а для початку м1н!м!зац!1 функ-

ц!онала (19) ; ерБ - необх!дне число значущих цифр в роздруку а 1 т^, якэ пов'язане з заданою похибков апроксимацИ; ь - крок обчислення зна-чень функц1оналу (19) п1сля м!н!м1зац!1 на попе-редньону кроц1; ^г^с^.а.т^э - похибка м!н!м!-зац11; « . - одиничн1 вектори, як1 визначають напрям м1н1м1зац11 функц1оналу (19).

Перед початком розрахунк1в встановлввться меж1 пошуку ДЛЯ а Са^, а^Э, 1 Т^СТ^,Т^П В ЗЭД8Н0МУ 1нтервал1 температур див.рис.7.

На рис.7 представлена картина м1н1м1зац11 функц1он8лу середньоквадратитао! апроксимац11 для

модел1 з нел1н1йн1стю т = т + аг2. М1н1м1зац1я

р

проводиться по двох зм!нних а 1 тр у трим1рному простор!. У випадку, коли зм!нних е б!льше, напри-

Рис.7. Посл!довн1сть процесу м!я1м!зац!1 функцП (19) для нел1н1йно1 модел! з нвл1я1йн!ств типу т=т +аЪ2 по блок-схем! рис.6

р

клад п , процес м1н1м1зац11 проходить у сп+15-н1р-ному простор1. В алгоритм додатково вклвчено метод Монте-Карло статистичного вибору початково! точки. У поеднанн1 з описании вище (рис.7) методом швид-к!сного спуску в1я дозволяе визначити м1п1мум фун-кц1оналу (19) в ситуацП, коли у досл1джуваному интервал1 I . ъ 1снуе дек1лька м1сцевих (локаль-

них) м1н1мум1в.

На рис.8 представлено один 1з вар1ант1в вибору початку регулярного теплообмену ^ 1 визначення д1лянки обробки экспериментально? криво! о--о-' при динам1чному метод! вим1рввання високо! стац1онарно1

криво! о'-о"

температуря. Робочою д1лянко® перех1дно1 характеристики, яка використовуеться для прогнозування 1

розрахунку стац1онарно! температуря tIл. е д!апазон температур I < ^ 1 чесу т.< г < в момент часу та. що в1дпов1дае температур1 процес

вим!рювання припиняеться 1з-за ризику ф!зичного знщення ВПТ.

В третШ глав1 також ставилося 1 вир!шувалося завдання визначешя похибки екстраполяц1йного методу знаходження методами математичного моделю-вання процесу вим!рювань. За 0азов1 вибран! л1н1йна I нел1н1йна модел! динам1ки ВПТ. Чисельн1 дан! для розрахунк!в наближэно в!дпов1дали умовам реальних вим!рювань температури р!дко! стал!. Досл!джена похибка м визначення температури ^ в залеж-

т

ноет! в!д д1апазону екстраполяцИ к1лькост1

значущих цифр к 1 елемент1в п таблиц! даних ст.,^]. в розрахунках закладено найб1льш невиг!дн1 умови для значень фактору нел1н1йност! тт^грш 3-Метою модельних досл1джень було визначення зв'язку м1ж похибкою вх!дних даних, нел1н!йн!стю процесу 1 похибкою в1дновлення ^ 1 тс о. розрахунки проводились по результатах розкиду вх1дних даних, ви-кликаного похгбко! статично! характеристики ВПТ зг1дно в1диов!дного стандарту та похибкою рееструю-чого пристрою. 0триман1 результата не виявили коре-ляц!1 залэжност! м!ж п 1 н, якщо ю <г>< 30,

т

що визначае ревльний д!апазон квантування даних. У випадку, коли таблиця даних, що заводилася у комп'ютер, задавалася з трьома знвчущими цифрами, тобто з похибкою, близькою до експериментально!,

- зо -

похибка екстраполяцИ була на р1вн!

якщо д!апазон екстраполяцП

тп

< 40!; ДЛЯ МОДел1 3 нвл1н1йн1ст® ВИДУ T=Tp+at2, незалежно в1д того, по як1й причин1 зм!нюеться р.м.

ТОбТО t = var , t = const ЧИ t = var, t = const г d d г

(див.рис.7).

Виявлено, що похибки для моделей з нел1л1йностя-ми т = тр+ bt 1 т = тр+ atz е приблизно одна-

ковими. Застосування нел1н1йност! виду т = т * bt * - р

+ at Зб1лъшус похибку ВИЗНЗЧвННЯ t-m. тому шо м1н1м1зац1я функц1онала середньоквадратично! апрок-симацИ проводиться у п'ятим1рному простор1.

Головним висновком математичного модвлювання е обгрунтування того факту, що для д1апазону екстря-

лоляцИ р =сг?-4оз v. та нел1н1йност1 виду т = т + * f

+ at похибка методу обробки даних вим1рювань скла-дае <5 % со, 4-0,зэ при ю <п< зо та типових

m

значениях похибок реестрацИ експериментально! характеристики. При вс1х вар1антах обробки в!дбу-ваеться ф1льтрац!я неспод!ваних викид1в даних та 1х зглажування.

В_3§твертШ_глав1 представлен1 результата екс-поримент8льно! перев1рки метод1в в!даовлення (екст-раполяцП) значень температури середовшца. Для цьо-го автором були виготовлен1 дек1лька конструкц1й н1келевих списопод1бних (NiCr-NiAi5 термоелект-ричних перетворювач!в звнурювання (СНТПЗ) багатора-зово! д11 з метою вибору оптимального вар!анту.

Розроблена також вам1рювальна система в склад1 комп'ютера ibm-pc-486, 1нтерфейсно1 плати узгод-ження i розробленого ввтором прециз1йного (високого класу )п1дсшшвача вих1двого сигналу СНТИЗ. На мов1 turbo-pascal складен1 програми, як1 керують цро-цесом реестрацИ даних 1 розрахунку шуканого значения температури t^.

Вим1ргвання проводились в наступних середови-щах: у кипляч1й вод1, у пов1тряному простор! печ! для градуювання ВИТ та у розплавлених металах.

Для вим!рювання температури киплячо! води за-стосован! термоелементи (ТЕ) тег-мм д!аметром

$ 6.5 ММ ТИПУ CNRE. TTPK-JB4-SP 3 38ХИСНИМ ЧОХЛОМ

1з стал1 xiscrNisi 25.20, яка сер1йно випускаеться польською промислов1стю. Метою експеримент1в було визначення можливост1 вим1рювання температури киплячо! води !з застосуванням динам!чного методу, а також, що б1льш важливо, встановления характеру 1 ступвня нел1н1йност1 процесу теплообм1ну ТЕ з ки-плячою водов. Встановлено, що нав!ть при невеликих перепадах температури (порядку At < в4°с) пропес тешюобм1ну е нел1н!йний; в1дносне значения показ-ника терм1чно! 1нерц!1 зм1нюсться на 20 !

б1льше в!дсотк!в, причому ця зм1на передаеться параболою типу T=Tp+at2 при а > о. 0триман1 дан1 по значениях i характеру зм1н тс о узгоджуиться з розрахунквми 1 оц1нками гл.2.

При вим1рвванн! температури пов1тря застосова-

НИЙ ТЕ NiCr-NiAl » 3 мм 3 ЧОХЛОМ 13 X15CrNiSi 25.20

виробництва ФРН. Так само, як 1 для киплячо! води, рееструвалася вся перех1длэ характеристика до ста-ц1онарного значения температури печ1 Метою

эксперимента було визначання характеру нел1н1йнос— т1 процесу теплообм1ну, сп1вставлення з теоретичним прогнозом (гл.2), а також перэв1рка точност! дина-м1чного методу вим1рювання в1дносно високо! (до 1ооо°с) стац!онарно1 температури. Викопана сер1я вим!рювань дозволяе зробити висновок, що характер нел1н1йност! процвсу б!лыпе в1дпов1дае парабол1 типу т = тр+ я12. але для газових середовищ показ-ник терм1чно1 !нерц!1 зменшуеться з температурою г 35). Ця особлив1сть п1дтверджуеться також анал1-зом л1тературяих даних, наведених, наприклад, в дов1даику М!хальського. Похибка в1дновлення ^ в камер! печ! за допомогою ТЕ ж.сг-гад1 $ з мм по динам!чному методу 1 модел1 з нел!н1йн!стю т=тр+а<.2

можна оц!нити на р1вн! Э( к= ±со,5-1,5э для

т

25я. Значения рм визначено при в!дкиданн! даних вим1ргсвання як "знизу", тобто вище г С1в= сопэо, так 1 "зверху", тобто нижче ^ с^сопэо. причому характер в1дкидання даних на значения <Э1 м

т

особливого впливу не створюе.

Головн1 по прикладному значению результати комплексного вим!рювання температури розплавлених сталей наведен! в заключи1й_п^ят1й_глав1 дисерта-ц!1. В н!й наведено опис стосованого в сучасн1й практиц! методу вим!рювань температури з викорис-

- зз -

тениям списопод!бних платинород1евгас сръймо-ро СШЧВ одноразовоI д11. В1да1чен1 окрем1 недол1ки !х застосування (одноразов1сть, дороговизне при масо-вому використанн1 пор1вняно з термоперетворювачами хромель-алюмелево! групи, можлив1сть порушення електричного контакту м1ж термоперетворввачем 1 тримачем). Детально досл1дку®ться можливост1 по точност1 екстраполяц1йното методу в1даовлення зна-чень температури розплавлених сталей. Для цього використан1 р!зн1 конструкцИ термоперетворювач!в: 1) платинород1ев! промислов1; г) витотовлен1 не за-мовлення автора ф1рмою мееатет-зозпо*!ее (тепер

Ф1л1я беЛЬГ1ЙСЬКО-Н1М9ЦЬК01 ф1рми Негаеиз & Е1есг,-

го-Ы1) списопод1бн1 хромель-алюмелев1 СНТПЗ однократно! д11, а також з) авторськ1 розробки СНТПЗ багаторазового застосування.

Перш1 дв! групи перетворввач1в в к1нцевому п1дсумку виявилися по ряду причин (руйнування конструкций ВПТ, затягнутий в чвс1 процес регуляриза-ц11 до -1 ооо°с та 1н.) неконкурентноспроможними пор1вняно з хромель-алюмелевими СНТПЗ багатократно-го застосування, значно поступавчись 1м по точности

Складн1сть 1 нестаб1льн1сть процесу теплообм!-ну в промислових конструкц1ях ВПТ (руйнування за-хисного ковпачка, и-под1бно! кварцево! трубки, ва-р1ац11 перех1дних характеристик) в значн1й м1р! усуваеться при застосуванн1 СНТПЗ багатократно! дИ, опис яких наведено у тл.4. На рис.9,а цред-

ставлен! типов! експериментальн! перех1дн1 характеристики одного з таких СНТГО при триразовому вим1-рюванн! температури стал1. На рис.9,б т! сам! крив! показан1 в нап1влогарифм!чному масштаб! по методу Г.М.Кондратьева. Дотична до криво! 1 вШбражае нел1н!йн1сть процесу в стад11 квазирегулярного теп-лообм!ну в 1нтервал1 температур *-т_г= V На рис.9.в представлен! результата визначення темпера-турно! залежност! показника 1нерп!1, тобто крив1 типу т^г = э. де - значения температури

о а

стал! <-т, отриман! в результат! екстраполяц!йно1 обробки експериментальних даних. Характер зм!н них

Рис.9. Експериментальн1 перех1дн! характеристики СНТПЗ багатократно! д11 при вим1рюванн1 температури р!дко2 стал!

- 35 -

кривих в1д температуря е близкий до парабол1чно! залежност! ВИДУ Т=Тр+а12, при а>0.

Кратн1сть можливого застосування СНТПЗ зале жить в!д вибору матер!алу захисного чохла. Виготов-лен! йвтором СНТГВ з використанням стосованих на практиц1 захисних чохл1в витримували 2-4 занурення. Перех1д на чохли з 01льш терыост1йких метал!чних, металокерам1чних та 1ншх матер1ал!в повинн1 Си були значно п1двищити кратн1сть застосування ВПТ, але 1х у розпорядженн1 автора не було. В наших дос-л!дах СНТПЗ перед вим!рюванням покривався тонким шаром спец1ально1 замазки. П1сля зак1нчення вим1рю-вань шлак з поверхн! ВПТ легко видалявся. Процес наступного охолодження ВПТ зак1нчувався через 15-20 хвилин.

Сумарна похибке зим1рввання температури роз-плавлено! стэл1 за допомогою СНТПЗ багатократно! д11 по динвм1чному методу з використанням модвл1 з не л1н1йн1стю т=тр+аъ2 оц1нветься на р1вн1 ж < с1.о-1.5э«. При цьому необх1дно врахувати

т

трудаощ! спЛвставлення (перев1рки) результат^ динам1чвого методу з результатами безпосереднього вим!рювання; при сп1вставленн1 час вим1рввання був неоднаковий, а м1сце розташування вим1рювач1в температури в мартен1вськ1Й печ1 не завзди сп1впадало При усуненн! д11 цих фактор1в можна розраховувати на змвншвння похибки ^ м.

т

Технолог1я виплавки вимагае вим1рпвати темпе- 36 -

ратуру розплавлено! стал1 з похибков Э( н=о,5*.

т

Похибка данам1чного методу при застосуванн1 описа-них вище засобах вим1рвваняя оп1нюеться на р1вн1 м=с1.о-1.5554. В так1й ситуацП для практики мож-

тп

на рекомендувати наступнв. Попбредв1 вим!рювання температури на початкових стад1ях плавки стал1 I в!дновлення рекомендуеться проводити за допо-могою екстраполяц11 показ1в термоперетворввач1в. тобто шн8м1чного методу. Вим1ривання <-т на за-клвчн1й стадП плавки проводиться по загальноприй-нятому прямому методу. Такий п!дх1д. до процесу ви-м1ршвавь дае економ!чн1й ефект за рахунок окопом!" 3-4 одворазових платинород1евих СПГПЗ на одну ви-плавку т1льки на одн1й печ1.

Автором подана заявка на структуру вим1рвваль-ного комплексу, що реал1зуе динам!чний метод та порядок обробки даних вим!рввань температури роз-плавлених метал!в, блок-схема яко! наведена на рис.Ю с 43.

В експериментах не виявлено однозначно! залеж-ност! м1ж похибков <э 1 к1льк1ств точок п

I *

ТГ|

даних вим!рювань. Рекомендуеться вибирати п= ю-го елемент1в з таблиц1 даних. Зб1льшення

числа г. в1дпов1дно зб!льшуе зат рати часу на вико-нання розрахунк1в 1 е джорелом додаткових похибок за рахунок округления результата. Занадто мала п приводить до зб1льшвння розходжэнь м!ж експеримен-тальнов та апроксимуючов характеристиками, що

4 8 о 1С 11

С г Г

F

"X)

+ -, г

Рис.10. Зпровдена блок-схема системи для вим1рювання темлератури р1дко! стал1 по динам1чному методу с 41

1-списопод1бний н!келевий сniсг-niais термоелектрич-ний перетвортаач зввуренвя; 2- осердя; 3,4- котушка яка забезпечуе вв1д 1 вив!д перетворгвача 1з об'ек-ту; 5- розплавлена сталь; 6-компаратор; 7- потенц1-ометр; 8- пружн1 подовжухч! дроти; Э- прециз1йний п1дсиливач; 10- 1нтерфейсна плата узгодження а/с-с/а; и- коми'»тер.

зб1льшуе н.

т

Результата теоретичного анал1зу характеру та

ступеня нел1л1йаост1 процесу теплообм1ну ВПТ у р1д-кому метал1 узгодаувться з експериментально отрима-ними значенаями при вим1ршванн1 темлератури р1дан 1 Г8з1в. Тим самим експериментально п1дтверпжуеться перспективн1сть звстосування нел1н1йних моделей в екстраполяц1йних методах вим!рювання темлератури.

- 38 -

0СН0ВН1 РЕЗУЛЬТАТ РОБОТИ

В дисертац!йн!й робот1 посл1довно розглянуто весь комплекс завдань, розв'язання яких направлено на розпгарення можливостей застосування контактних засоб1в вим1рюзання температуря за межами темпера-турпого д1апезону нормованих метролог1чних характеристик обо яев!ть за межами ф1зичного 1снування ВПТ. Стриман! в робот! результата можна зформулюва-ти наступпим чином:

1.Виявлвн1 обмеження л1н!йних та кваз1л1н1йних моделей динам1ки теплообм1ну термоперетворювач!в, як1 використовуються в р1зних вэр!антах корекцII 1 екстраполяц!! показ1в .

2.Теоретично обгрунтована необх!дн!сть ство-рення нел1н!Йних моделей теплообм!ну ВПТ з р1зними видами функцЗональних залежностей 1х парвметр1в в!д температуря.

З.Запропэнован1 нел1н!йн! теплов1 модел1 тер-моперотворввач1в пэриого та вищ!х порядков, отрима-н! розрпхунков! П0рег.1дн1 характеристики для одно-пяпаметрично? тл1пШю1 модвл! ВПТ.

4.Проведено математичне моделювання продес1в екстраполяц!! 1 на Гиго основ! подана метролог1чна оц1нкз похиОки в1дпс'влвння стац!онарно! температури газопод!бних та р1данних середовищ, вюшчаючи роз-плавлон1 метали.

Б.Розроблвн! алгоритми статистичяо! обробки резул1,тпт!в лчм1ршзань; проведен! чисельн! оц!нки

похибок м1н1м1зац11 фушщ1онала серелньоквэдратич-но! апроксимацП в залежност1 в!д м1рност! простору (числа параметров), ступени дискретизац11 вх1дних даних та д1апазону екстраполяц11.

6.Проведена експериментальна лабораторна пере-в1рка нел1н!йних моделей ВПТ та способ1в обробки даних з попередньов оц1нкою нел1н1йност1 процесу теплообм1ну при вим1рюванн! температури киплячо! вода та пов!тряного середовища.

7.На баз1 1вм-рс-4вв створено комп'ютеризований вим1рввальний комплекс та перев1рена ефективн1сть запропоновано! прогреми статистично! обробки експе-риментальних даних.

в.Виконано цикл вим1ржвань температури розплав-лено1 стал1 в промислових умовах 1з застосуванням тврмоперетворювач1в р1зних тип1в.Доведено практичну п1нн1сть екстраполяц1йних метод1в вим1рювання температури р!дких метал1в на р1вн1 1550-1600°С, як1 забезпечують по:шбку в1дновлення значения температури в межах 1,0-1,5 % при д1апазон1 вкстраполяцИ 25-30 %. П1дтвердаено економ1чну ефективн1сть екст-раполяц?_йного методу контролю температури р1дко1 стал1 на попвредн1х стад1ях виплавки.

0триман1 результата дозволили зробити висновок, що автором розроблен1 1 экспериментально п1дт-верджен! теоретичн1 положения та метода обробки 1нформац1Г, сукупн1сть яких можнв трактувати, як новий напрямок у розвитку екстраполяц1Яних метод1в прогнозування та вим1рювання високо! стац1онарноГ

температуря на основ! нел!в1йних математичних моделей ВПТ.

ОСНОВД1___РЕЗУЛЬТАТ«___РОБОТИ___ЩОБРАЖЕЩ___

_§ НАСТУГЩ2 ПУБШКАЦ1Я2:

1. Minkina W. , Biernacki Z. Urz^dzenie do kontroii wymiartSw g&ometryc2nych prredirjiotów plaskich zao-patrzonych w otwory.-Patent PL I NT Cl'.G OIB 11/04,

В 07 С 5/10.

2. Mink1 na W. , Stepiert M. Uktad elektroniczny ko-rektora charakterystyk dynamicznych czujnika termo-ir.etryeznego. - Patent PL I NT Cl'.G OI К 7/14.

3.Hinkina W. , Nikolajuk D. Uktad do pomiaru tempe-ratury. - Patent PL I NT Cl = . G 01 К 7/02.

4. Minki ns W. , Jaryshev Ы. A. Urj^dzenie do pomiaru tempíratnry - Zaloszenxe patentowp Nr . Р. 2Э501Е.

5. KipHvka L.. . Biernacki Z. , Minkina W. Urzadzp-nie i»leKrycrne do aulomatycznej kontroii wymiarów aoom«tryc7nych Vr^ików cynkowych. - Materiaiy XIV Mi edzyuor M ni anej Konf ^rencj í Met г ol ogów. -chowa, 1P7Q. s. 211-216.

b. Minkina Ví.. Biernacki Z.,Mroiek J. Metoda i apa-ratura do kontroii wyrni arcbw geometrycznych orar selekcji elempntüw na podstawie rüinej przepuszcia-lnoSel Svi etlnf?J . - Materiaiy XIV Mi ^dzyuczel ni anej Коnf •srencji Metrologów. -Cz<?stochowa , 1S79, s. 217-222. 7. Biernacki Z., Kieltyka L., Minkina W. Metoda i apar atura kontrolno-sygnal1zacyj na do selekcji

gotowych wyrobów metalowych. - Materi ai y XV Mi^-dzyuczelnianej Konferencji Metr ol ogów. - Warszawa, 1081, s.125-131.

8. Minkina W. , Stepiert M. Analiza wybranych metod korekcji charakterystyk dynamicznych czujnik6w ter-mometrycznych.- Pomiary-Automatyka-Kontrola, 1681, Vol.37, No 7/8, s.234-236.

9. Minkina W., Stepiert M. Korektor charakterystyk dynamicznych czujnikáv termometrycznych. -Pomiary-Automatyka-Kontrola, 1Q82, Vol.28, No 8/0,s.269-270.

10. Minkina W. Analiza stantiw nieustalonych w dowol-nym llniowym obwodzie RLC prz zastosowaniu elektro-nicznej maszyny cyfrowej. -Zeszyty Naukowe Politech-nlkl Cz<?stochowskieJ , sería Elektrotechnlka, 1982. No 9. s. 107-125.

11. Minkina W., Biernacki 2. Methode zur Approximation der übergangsfunktionen von Temperaturfühlern mit einem Digitalrechner.- messen-steuern-regeln, Berlin, 1983, Vol. 26, No 8, S. 465-466.

12. Minkina V..Blernacki Z. Metoda wyznaczania via-snoáci dynamicznych czujników termometrycznych. —Materially XVI Mi^dzyuczelnianej Konferencji Metrolo-gów.— Lublin, 1983, s.14-21.

13. Minkina W. Modelove badania wlasnoSci dynamicznych czujnlków termoelektrycznych w celu poprawie-ni a Jakoáci ich prretwarzania. - praca doktorska, Instytut Metrologii ElektryczneJ Politechniki Wro-clawsklej, Wroclaw, 1983, 143s.

14. Minkina W. Regresyjna metoda wyznaczania wias-

noSci dynamicznych czujniköw termometrycznych.-Zeszyty Naukove Politechniki CzestochowskieJ.-Elek-trotechnika. 1904. No 11. s. 5-16.

15. Minkina W. .Biernacki Z. Sinulationsuntersuchun-gen von Modellen thermoelektrischer Sensoren. -messen-steuern-regeln. Berlin,198S. Vol. 29, No 7. S. 307-309.

16. Biernacki Z. . Minkina W.. Mroiek J. Modelowanie przetwornikdw termoanemometrycznych oraz analiza ich podatnoSci na wielkoici wplywowe. Materialy IV Sympozjum: Kierunki Rozwoju Metrologii ElektryczneJ - Wilga k/Viarszawy. 1Q87. - s. 65-71.

17. Minkina W., Biernacki Z. Models of transient states in the sensor of the impulse thermoanemome-ter. -Modelling. Simulation a Control, B.AMSE-Press. 1987. Vol. 11. No 3. pp. 23-33.

18. Minkina W. Analyse ausgewählter Methoden der Korrektur der dynamischen Kennlinie von thermomet-risehen Fühlern.- messen. prüfen. automatisieren, 1987. Vol. 23. No 7X8. 5.438-445.

19. Minkina W. . Nikoiajuk D. (Jklady przetwornika analogowo-cyfrowego do pomiaru temperatury.-Pomia-ry-Automatyka-Kontrola. 1988. Vol.34, Hol. s.1-4.

20. Minkina V. O dokiadnoSci symulacji elementöw parametrycznych LC za pomoc^ wybranych konwerteröw impedaneji.- Ponu.ary-Automatyka-Kontrola,1988. Vol. 34. No 9, s. 201-203.

21. Minkina V. ,Soltysiak W. Methode der dynamischen Zustünde zur Kapazitätsmessung unter Verwendung

eines Mikrorechners, messen,prüfen, automatisieren. 1989, Vol. 25, No 1/2, S.48-53.

22. Minkina V. Modelle für die Dynamik von Temperatursensoren.- Fachtagung "TEMPERATUR*69"-Suhl BRD, 1989, S. 224-238.

23. Minkina W. Dynamische Meßmethode für hohe stationäre Temperatur bei überschrei ten des zulässigen Anwendugsbereiches von TeroperaturmeDsensoren.- Forschung im Ingenieurwesen, Berlin, 19S1 , Vol. 57, No 3, S. 95-104.

24. Minkina V. Problemy modelowanta dynamiki termo-metrów w pomiarze wysoklej temperatury.- Materiaiy Seminarlum Promocyjnego "Zastosowania Sensorów w Technologil i Organlzacji Produkcji'"-Czestochowa, 1991, s.30-34.

25. Minkina W. Non-linear models of temperatura sensor dynamies.-Sensors & Actuators, 1992, Vol. 30, No 3, pp. 209-214.

26. Minkina W.Temperaturmessung von flüssigem Stahl mit der Temperaturstoßmethode.-37. Int. -Wiss. Kolloquium, TU Ilmenau BRD, 1992, S. 617-622.

27. Minkina V.. Jaryshev N. A. Modelle für die Dynamik von Temperatursensoren und ihre Anwendung bei der Messung der Temperatur von flüssigem Stahl.-Elektrowärme International, iew, 1993. Vol.51, No B2. Juni, S. B96-B97.

28. Minkina W. Allgemeine Lehre für die Dynamik von Temperaturs»nsor»n.- 6.Intern.Kongreß für Sensorik & Systemtechnik, "SENSOR'03", X 1093, NUrnberg-BRD,

Vol. 3. S. 95-102.

29. Minkina W. Space discretization in solving chosen problems of un- steady heat, conduction by means of electric modelling.- Journal of Electrical Engineering CElektrotechnlcky Casopis3, 1094, - Vol. 45. No 1, pp.8—15.

30. Минкина В. , Ярьпяев H. А. Моделирование динамики термопреобразователей с учетом нелинейности процесса теплообмена.- Известия ВУЗ-ов. Приборостроение. 1994, Т. 37, Nr.l. С. 87-90.

31. Минкина В. , Ярышев Н. А. Измерение температуры хилкой стали по методу экстраполяции показаний термоттреобразователя.- Известия ВУЗ-ов. Приборостроение, 1994, Т. 37, Nr. г, С. 75-78.

32. Minkina W. , Yaryshev N. A. Modelling of temperature sensor dynamics by the temperature measurement of fluid steel, part 1, Theoretical Fundamentals. -The Archive of Mechanical Engineering CArchi-wum Budovy MaszyrO. 1994. Vol.41, Nr.l, - pp.53-67

33. Minkina W. , Yaryshev N. A. Modelling of temperature sensor dynamics by the temperature measurement of fluid steel, part 2, Measurements.- The Archive of Mechanical Engineering CArchiwum Budowy MaszynD, 1994, Vol.41, Nr.2, pp.145-159.

34. Minkina W. On some singularities in space discretization while solving the problems of unsteady heat conduction.- Experimental Technique of Physics СЕТРЭ, 1Q95, Vol.41.

35. Minkina W., Yaryshev N,A. Identifikation und

- 45 -

Erkennung von Nichtlinearität der Sprungantwortkennlinie b«l der Lufttemperaturmessung. -40th International Scientific Colloquium CIWO,TU Ilmenau BRD, 1995.

36. Bi ernacki Z. . Mink i na W. i inni. Opracowanie i wdroienle urz^dzenla do automatycznego pomiaru asynchronlzmu obrotöw walów klatki valcowniczej z uwzgl^Onleniem nacisków valcowania, praca zlecona día. Huty Ci^siochOMi.-Politechnika Czestochowska, 1978. Sprawozdania z realizacji umöw B2-VI^3X70t BZ-VIxl04./«0. 23s. . 29s.

37. Biernacki Z. , Mink i na W. i inni. Urz^dzenle do ciaglej kontroli stopnia zapelnienia cementem si-losóv w Fabryce Domöw Lisów k/Czcstochowy, praca zlecona.-Pol1technika Czestochovska, 1978, Sprawo-Zdanie z realizacji unowy BZ-VI^BX7Ö. 19 S.

38. Bi»rnacki Z. . Minkina W. 1 inni. Badanie i wery-fikacja parametrcbw pracy aparatury kontrolno-pomla-rowej zMpoliiu produkcyjnych w Spóldzielni Inwali-döw "Now« 2ycie" w Cz^stochowie. praca zlecona.-Politechnlka Cz^stochowska.1983, Sprawozdanie z realizacji umowy 17 s.

39. Biernackl Z. . Minkina W. 1 inni. Badania 1 analiza roiklídu temperatury w powlekarce firmy Luigi Banderra TR-45. Wlochy. praca zlecona día FSM -"POLMO" —fi IIa w Cz^stochowie.-Polltechnika Cz^sto-chowska, 1984, Sprawozdanie z realizacji umowy BZ—21X3/Ö4/S. 22 s.

40. Biernackl Z.. Minkina W. i inni. Opracowanie

- 46 -

i wdroienie ukladu do pomiaru i regulaejl t-еврега-tury V ZAT1G "POLGAL" w Czçstochowle. praca ile-cona.-Pol iteehnlka Cz^stochowska, 1 084. Sprawozdani e z reallzacjl umowy BZ-21 01 ✓64/^'*. 18 s.

41. Biernackl 2. ■ Minklna W. 1 1 nni. Opracowanie metody pomiaru Lemperatury loiysk éllzgowych duiych maszyn hutnlc^ych oraz wykonanie wdroienla urz^dze-nla pomiarowo-sygnal1zacyjnego silnlka walcarek rur w Huele "Czçsiochowa", praca zleeona.- Polltechnlka Czçstochowaka,1S8Ö,Sprawozdanie z reallzacjl umowy BZ-21 63 s.

42. Biernacki Z. . Minklna W. 1 lnni. Uklad pomiarowy wspomagany mikroprocesorem do pomlarów parametrów przepi ywa J^cecjo medium, praca zleeona v ramach Central negó Programu Badart Podstawowyeh día Politech-nlki WarszawskleJ.-Polltechnlka Cze»stochowgka, 1986-1SQ0, Spravozdsnie z reallzacjl umowy BZ-21-5/86^P/' CPBP/02/20, 133=.

43. BiPrnarki Z. , Minkina V. i lnni. Automatyczny pomiar temperatury 1 obci^±ers silnlków alongatora 1 plelgrzyma w Huele Cz«?stochowa. praca zleeona. -Polltechnlka Czçstochowska,1987, Sprawozdani® z reallzacjl umowy BZ-21-103^87^W, S3 s.

- 47 -

Минхина В.Измерение высокой стационарной температуры методами экстраполяции показаний переходной характеристики термопреобразователей.

Диссертация в виде рукописи на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.11. 04—приборы и методы измерения тепловых величин, Государственный университет "Льв1вська пол1-техн1ка", Львов, 1095.

Защищается 43 научные работы С в том числе 31 статья. 4 авторских свидетельства и 8 хозрасчетных работЭ, которые посвящены разработке нового направления экстраполяиионных методов измерения высоких стационарных температур на основе нелинейных математических моделей измерительных преобразователей температуры СИПТЭ с использованием современных машинных средств и процедур обработки измерительной информации.

В диссертации разработаны линейные и нелинейные модели ИПТ, на основе которых проведен анализ точности различных вариантов обработки переходных характеристик ИПТ с целью установления значений стационарных температур различных сред. Выполнены расчеты степени нелинейности процессов теплопередачи ИПТ, ттредлозгены атптроксимационные характеристики для учета температурных зависимостей параметров моделей. Методами математического моделирования и статистической обработки данных расчетов и измерений определены погрешности динамических методов восстановления температуры. установлены количественные критерии применения этих методов.

Minkina W. The measurement of high stationary temperature using extrapolation methods of temperature sensors unit step response

Dissertation as manuscript for obtaining of the degree of doctor of technical sciences, speciality 05.11.04 - Devices and methods for measuring thermal values. State University "Lviv Polytechnic",

Lvi v. 1 995.

Suggested for defending 43 scientific works С31 articles, 4 author's rights and 8 works for industry^ that are devoted to developing a new direction in research on measurement methods of high, stationary temperatures on the basis of non-linear mathematical model s of thermocouples using the possibilities offered by modern measurement techniques and numerical procedures for measurement data processing.

Non-linear models of thermocouples dynamics are worked out in the dissertation. Using this models, a precision analysis of various kinds of step responses elaboration has been carried out in order to determine the steady-state value of temperature in various media. The calculations of the non-linearity degree of heat exchange process have been done. Approximate characteristics, taking into account the temperature variations of model parameters, are presented. Using methods of mathematical modelling and statistical analysis of measured and calculated data, the precision of dynamical methods of temperature déterrai ning is evaluated as well.as criteria of employing these methods are given.

ЮшЗов1_ слова:

вим1рювання температури, термоперетворивач, термометр, метод екстраполяцП, перех1дна характеристика.