автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Магнитодинамический газоанализатор на кислород

РГ6 од . ц ■

На правах рукописи

- 5 ЙЮН 1995

БЛАГОВЕЩЕНСКИЙ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

МАГНИТОДИНАМИЧЕСКИЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР НА КИСЛОРОД

Специальность: 05.13.05 - элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

КАЗАНЬ 1995

Работа выполнена в Казанском государственном техническом университете им.А.Н.Туполева на кафедре приборов и автоматов ЛА

Научный руководитель Официальные оппоненты

Ведущее предприятие

- доктор технических наук, профессор Ференец В.А.

- доктор технических наук, профессор Фафурин A.B.

- кандидат технических наук Овчинников А.Г.

- Научно-произвоизводствен-ное объединение "Медфиз-прибор" г. Казань

Защита диссертации состоится " _1995 г. в

_часов на заседании диссертационного совета К 063.43.05 при

Казанском государственном техническом университете им.А.Н.Туполева в зале заседаний ученого совета по адресу: Республика Татарстан г. Казань, ул. К.Маркса, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГТУ.

Автореферат разослан "_"_1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

В.А. Козлов

!

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важнейшим направлением аналитического приборостроения является создание автоматических газоанализаторов, предназначенных для анализа состава газовых смесей, обеспечивающих необходимые технологические процессы. Они широко применяются в металлургии, на химических предприятиях, нефтепереработке, в теплоэнергетике, для контроля окружающей среды и техники безопасности в угольной и горнорудной промышленности, а также в медицине и сельском хозяйстве. Газоанализаторы на кислород составляют около 30%. от общего числа используемых в промышленности газоаналитических приборов.

Большой эффект дает применение газоанализаторов на предприятиях топливно-энергетического комплекса, позволяющих оптимизировать процесс горения с обеспечением максимально полного сгорания .топлива. Однако колебания температуры анализируемого газа существенно снижают точность измерения, а на качество регулирования подачи топлива и воздуха оказывает большое влияние быстродействие газоанализатора. Использование газоанализаторов в медицине, например, при приготовлении и подаче наркоза, накладывает жесткие требования по совокупному параметру "точность, умноженная на быстродействие", невыполнение которых может привести к летальному исходу.

Одним из направлений определения количества кислорода в смесях является косвенное измерение его магнитной восприимчивости, которая у кислорода на два порядка выше по сравнению с другими газами, например, с азотом.

Термомагнитные газоанализаторы при относительной простоте конструкции имеют значительное время запуска и низкое быстродействие, их применение ограничено также малой избирательностью по отношению к неконтролируемым компонентам газовой смеси.

Ввиду малой чувствительности ограниченное применение находят термокондуктометрические газоанализаторы.

Магнитомеханические газоанализаторы позволяют существенно повысить точность измерения, их показания мало зависят от состава неизмеряемых компонентов газовой смеси. Однако магнитомеханические газоанализаторы чувствительны к внешним механическим воздействиям и колебаниям температуры. Относительно низкое их быстродействие связано с подачей анализируемой газовой смеси (АТС) пос-

редством диффузии. Степень применимости газоанализаторов магнито-механического типа ограничивается также их низкой технологичностью и высокой стоимостью.

Одним из перспективных направлений развития магнитомеханиЧес-' ких газоанализаторов является создание магнитодинамического газоанализатора. При сохранении весьма высокой чувствительности он обладает существенно большим быстродействием по отношению к маг-нитомеханическому газоанализатрру.

Поэтому создание точного, быстродействующего и технологичного в изготовлении газоанализатора на кислород является актуальной задачей.

Цель диссертационной работы: создание газоанализатора, обеспечивающего повышение точности и быстродействия измерения процентного содержания кислорода в условиях повышенных колебаний температуры и давления окружающей среды.

Задача научного исследования заключается в разработке и исследовании магнитодинамического газоанализатора на кислород с диамагнитным телом, выполненным в виде полого тороида, размещенного на газовом подвесе в неравномерном магнитном поле и используемого в качестве измерительного элемента "сопло-заслонка".

Задача решается в следующих направлениях:

1. Разработка методики исследования газоанализатора на имитационной модели.

2. Оптимизация конструктивных параметров основных функциональных узлов газоанализатора.

3. Разработка методики синтеза алгоритма коррекции доминирующих погрешностей газоанализатора.

4. Создание макетного образца прибора, исследование его конструктивных параметров. Внедрение результатов работы в производство.

Основные методы исследования. При решении поставленной в работе задачи был использован следующий математический аппарат: методы общей теории дифференциальных уравнений, численные методы решения систем нелинейных уравнений, теория планирования эксперимента и методика оценок погрешностей вычислений. Экспериментальные исследования проводились на испытательном стенде, а также на имитационных моделях.

Научная новизна исследований представлена следующими результатами:

1. Разработана имитационная модель магнитодинамического газо-нашзатора, машшная реализация которой апробирована в среде абличного процессора. Адекватность модели доказана путем сопос-авления результатов имитационного моделирования с эксперимен-альными данными, полученными при исследовании макетного образца азоанализатора.

2. Разработана методика оптимизации функционально значимых злов газоанализатора на имитационной модели, позволяющая, не рибегая к макетированию вариантов этих узлов, определять их энструктивные параметры.

3. В результате анализа погрешностей газоанализатора выявлена вязь между коэффициентами модели, полученными в ходе факторного ксперимента, и составляющими погрешностей, а также найдены зави-имости для определения температурных коэффициентов. Разработана этодика синтеза алгоритма коррекции доминирующих погрешностей азоанализатора.

4. Динамические погрешности магнитодинамического газоанализа-эра существенно ниже, чем у магнитомеханического, что достигает-а за счет уменьшения транспортного запаздывания газовой смеси и включения диффузионного способа подачи АТС в измерительную каме/, а также за счет малых перемещений поплавка, происходящих под эздействием выталкивающей силы, действующей на диамагнитное тело

неравномерном магнитном поле, функционально связанной с кон-энтрацией кислорода.

Достоверность результатов работы подтверждена доказательст-эм адекватности модели путем сопоставления результатов имитаци-1ного моделирования с экспериментальными данными, полученными ж исследовании макетного образца газоанализатора.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Разработаны методики: исследования газоанализатора на ими-зционной модели, синтеза алгоритмов коррекции доминирующих пог-гшностей и оптимизации конструктивных параметров газоанализато-1.

2. Разработан магнитодинамический газоанализатор, новизна и элезность которого подтверждена авторским свидетельством Госко-!зобретений.

3. Разработаны микроконтроллерная система и обобщенный алго-1тм обработки сигналов датчиков газоанализатора, позволяющие армировать показания прибора инвариантными к изменению дестаби-

лизирующих факторов.

Внедрение результатов работы.

Результаты работы внедрены в • производство и в учебный процесс: в НПО "Медфизприбор" внедрены методики анализа и синтезе параметров газоаналитических- приборов посредством имитационногс моделирования, сведенные в пакет прикладных программ. "Имитационная модель магнитодияамического газоанализатора", в Казанскок приборостроительном конструкторском бюро внедрена микроконтроллерная система обработки измерительной информации, в учебный процесс на кафедре "Приборов и автоматов ЛА" КГТУ им. А.Н.Туполевг (КАИ) внедрены материалы, используемые при постановке цикла лекций и лабораторного практикума по курсу "Аналитические электронные аппараты и системы".

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях Казанскогс государственного технического университета (КАИ) в 1986, 1987: 1989, 1992, 1994 гг. (г. Казань); VI Всесоюзной конференцш "Проблемы метрологического обеспечения систем обработки измерительной информации", (Москва, 1987 г.), Всесоюзной конференци "Проблемы механики ж/д транспорта:• динамика, прочность, надежность подвижного состава", (Днепропетровск, 1987 г.); Региональном научно-техническом семинаре,( Ульяновск, 1989 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных ра бот, в том числе 1 авторское свидетельство СССР.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения пяти глав и заключения, содержит 148 страниц машинописного текс та, 3 таблицы, 52 рисунка, списка литературы, включающего 77 наи менований на 8 страницах и 5 приложений на 35 страницах. Общи объем работы составляет 184 страницы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и сформулирована цель основные задачи диссертации, показана ее научная новизна и прар тическая ценность, дана краткая информация по содержанию и пран тическому использованию результатов диссертационной работы. • ■■

В первой главе диссертационной работы рассмотрены методы анг лиза кислорода по его магнитным свойствам и проведен сопостав! тельный анализ трех основных видов газоанализаторов, по результг

эм которого выработаны критерии по созданию новой модели газоа-злизатора.

Рассмотрены теоретические аспекты определения концентрации ислорода по его магнитным свойствам, описаны принципы и особен-эсти работы термомагнитных, термокондуктометрических и магнито-эханических газоанализаторов. В результате сопоставительного зализа выявлено, что магнитомехакические газоанализаторы по ряду араметров превосходят газоанализаторы, построенные на других ринципах. Однако магнитом'еханические газоанализаторы крайне ложны в изготовлении и настройке, что ограничивает их массовый ыпуск.

Таким образом, становится весьма актуальной задача создания азоанализатора, обладающего положительными свойствами термомаг-итных газоанализаторов - простота в изготовлении, высокая чувс-вительность; а также положительными свойствами магнитомеханичес-их газоанализаторов - высокая точность и независимость показаний г состава неизмеряемых компонентов, но обладающего более высоки-и динамическими характеристиками и технологичностью в серийном роизводстве.

Вторая глава посвящается анализу работы магнитодинамического азоанализа, синтезу структурной схемы, построению имитационных оделей его функциональных узлов и машинной реализации модели в реде табличного процессора.

Магнитодинамический газоанализатор является разновидностью агнитомеханического, у которого диамагнитное тело размещено на азовом подвесе, образованном проточной полостью с анализируемой месью. Как известно , газовые подвесы нашли широкое применение в овременной технике. Однако, создание высокоточного измерительно-о пневматического подвеса диа}Аагнитного тела магттокжамтеско-о газоанализатора требует кардинального решения ряда новых науч-о-исследовательских и инженерно-поисковых задач.

Задачей данной главы является анализ работы газоанализатора акого типа, построение имитационных моделей функционально значи-ых узлов и определение зависимости выходного параметра газоана-изатора от процентного содержания кислорода .в анализируемой сме-и, а также от дестабилизирующих факторов оказывающих влияние на очность измерения (температура, давление и т.п.).

На рисунке 1 представлена схема магнитодинамического газоана-

лизатора. Он содержит диамагнитное тело 1, выполненное в виде полого тороида с образующими в форме усеченного конуса, помещенного в кольцевую измерительную камеру 9, выполненную по форме диамагнитного тела. Внутренней стенкой камеры является полюсный наконечник 4 постоянного магнита 2, а наружной - наконечник 3 магни-топровода 5. Анализируемый газ подается в полость магнитопровода через патрубок (канал ввода) 8, откуда поступает в измерительную камеру через дроссели 7. Последние (7 пар) расположены по'образующей внешней стенки измерительной камеры и выполнены под некоторым углом к радиальному направлению. Кольцевая камера закрыта крышкой 6 с отверстием для выхода анализируемого газа 11, а также с отверстием для крепления патрубка 12. Анализируемый газ с помощью нагнетателя 16 подается в канал 14 питания пневмомоста, плечами которого являются кольцевой измерительный щелевой дроссель и входные дроссели 7, а также регулировочные дроссели 13 и 15 и ограничительный регулировочный дроссель 7'.

Сигнал по давлению в измерительной камере через патрубок 12 поступает на дифманометр, второй вход которого через патрубок 17 подключен к диагонали пневматического моста. Дифманометр состоит из проточной камеры 18, в которой размещены полупроводниковые термоанемометры 19, образующие два плеча электрического моста, другие два плеча образованы резисторами 21. Сигнал разбаланса моста через усилитель 22 поступает на индикатор 23 процентного содержания кислорода.

Основным узлом газоанализатора является датчик, включающий в себя магнитную систему, состоящую из постоянного магнита 2, магнитопровода 5, чолюсных наконечников 3,4, а также пневмопа-ру типа "сопло-заслонка", состоящую из кольцевой щели и дросселей 7, размещенных в одном из полюсных наконечников 3, измерительной камеры 9 и заслонки , роль которой выполняет диамагнитное тело 1.

Давление рк в измерительной камере зависит от положения диамагнитного тела, которое функционально связано с величиной магнитной силы Гм, действующей на диамагнитное тело в поле постоянного магнита, величина которой зависит от магнитной восприимчивости смеси эеСм, а значит и от концентрации кислорода в АТС.

Структурная схема датчика представлена на рис.2.

Блок 1 связывает давление в измерительной камере рк с величиной питающего давления ро, подводимого на входы дросселей, их

05

IS

CO

to

к

и

fcf

>o

O5

■со

N

1 CVÎ

о Ы рн

on

>4

геометрическими параметрами, а также с расходом <Ц газа через полость датчика.

Блок 2 отражает зависимость расхода газа через пневмоэлемент типа "сопло-заслонка" от питающего давления и величины зазора И:

Ц - д2я1?гИ/йСро - рв)/р ; (1)

Блоки 3,4,5 отражают формирование составляющих аэродинамической силы Га, действующей на диамагнитное тело:

I?!

2 2 р Га = + Рр + Гх = ЯГорВДо + Я1?о(Рк " Рв) + (р - рв)гс!г, (2)

Ко

где го - радиус дросселя; - радиус пневмоэлемента; 1?о - радиус камеры; г - текущий радиус; ро - давление на входе дросселя; рк -давление в камере; рг - давление на входе в диффузор; рв - внешнее давление; |х - коэффициент расхода, соответствующий полному перепаду давлений (РсгРв); Р - плотность анализируемой смеси; шо - скорость потока в дросселе, Гр - составляющая Га, зависящая от давления в измерительной камере; Го - составляющая Га, величина которой зависит от скоростного напора газа, проходящего через дроссели; ~ составляющая Ра, зависящая от распределения давления между поверхностью диамагнитного тела и полостью наконечника 3, что в свою очередь зависит от расхода газа и зазора между наконечником и диамагнитным телом.

Блок.6 представляет собой интегрирующий преобразователь, выходным параметром которого является перемещение Ь диамагнитного тела под воздействием результирующей силы.

Елок 7 отражает функциональную связь между магнитной восприимчивостью АТС и концентрацией кислорода. Этот блок учитывает также влияние температуры окружающей среды и внешнего давления на Формирование информационного параметра.

Блок 8 определяет зависимость магнитной силы Рт, воздействую; щей на диамагнитное тело, от величины магнитной восприимчивости, параметров магнитной системы, а также от положения "поплавка" в неравномерном магнитном поле.

Преобразование блока 8 описывают зависимостью к ди

Рщ = М*см - адг) £ Нгх-^ , (3)

где АУ1 - объем элементарного цилиндрического участка диамагнит-

ного тела, мо - магнитная постоянная; зесМ, зёдт - магнитная восп-^ риимчивость анализируемой смеси газов и диамагнитного тела соответственно; HZi- напряженность магнитного поля в на i-том участке рабочего зазора; h-линейная координата.

Модель пневматического моста представлена совокупностью расходных характеристик дросселей, образующих плечи моста и расходной характеристики датчика. Численное решение нелинейных уравнений позволяет определить разность давлений Ар = (рк - рг), где Р2 - опорное давление (в полости между дросселями 13 и 15).

Представлена модель дифманометра с полупроводниковыми термоа-немометрическими резисторами (ПГАР), выходной сигнал которого формируется на основании уравнений преобразования давлений Рк и Р2 в скорости обдува ПТАР, изменения их коэффициентов теплоотдачи и соответствующего смещения вольт-амперных характеристик ПТАР, вызывающих функциональное изменение разности потенциалов в измерительной диагонали электрического моста.

Имитационная модель газоанализатора, построенная на основании зависимостей, полученных в настоящей главе, позволяет осуществлять машинные эксперименты и проводить анализ функционирования газоанализатора при воздействии различных факторов, определять степень их влияния на погрешности измерения, синтезировать варианты структур функциональных узлов, а также осуществлять их оптимизацию по выбранным критериям.

Третья глава посвящена анализу погрешностей магнитодинамического газоанализатора. К методическим погрешностям относятся погрешности, вызываемые изменением магнитной восприимчивости газа от влияния таких факторов, как температура и давление, а также от изменения состава неизмеряешх компонентов газовой смеси.

Уравнение температурной составляющей методической погрешности имеет вид:

û® 2ÛT f и • v ^ v Ï

- - - -=- 1 1 ¿ЛЕр ОТН + ОТН ] •

«О -1.1 j 7

Относительная температурная погрешность составляет 0,667% измеряемой величины на 1е С.

Барометрическую, составляющую погрешности расчитывают по формуле

Лжем = (ж + £эер + .

Р 4 02 i i '

При градуировке шкалы газоанализатора в объемных процентах

возникает методическая погрешность измерения, составляющая 2,6% измеряемой величины при колебании атмосферного давления ± 2,7кЛа от нормального.

Инструментальные погрешности газоанализатора вызываются рядом факторов. Так производственно-технологические погрешности обусловлены разбросом параметров материалов магнитной системы, зазоров магнитной системы, неточностью изготовления ' пневматических узлов и чувствительного элемента - поплавка.

Физико-эксплуатационные температурные погрешности вызываются изменением напряженности магнитного поля, зазоров магнитной системы, размеров поплавка, происходящем при изменении температуры. К группе физико-эксплуатационных следует отнести погрешности, возникающие при изменении ускорения свободного падения, углового положения газоанализатора, расхода газовой смеси и напряжения питания .

Так, температурные изменения геометрических размеров поплавка и полюсных наконечников изменяют параметры пневмопары "сопло-заслонка".. что приводит к изменению рабочего зазора и, соответственно, изменяет величину аэродинамической силы. Расчет погрешности производят по формуле

где Ран, Рат значения номинальной и температурозависимой аэродинамических сил, Гшн - номинальное значение магнитной силы.

Считая отдельные методические и инструментальные составляющие температурной погрешности жестко коррелированными, оценку и расчет погрешности, а также выработку способа и алгоритма ее коррекции целесообразно проводить совместно на имитационной модели газоанализатора. Задавая параметры узлов модели в соответствии с гребуемым диапазоном температур и законом изменения выбранного параметра от температуры получают значения выходного сигнала газоанализатора. Используя методику декомпозиции и композиции погрешностей измерительного устройства , определяют статистические погрешности и температурные коэффициенты газоанализатора.

Коррекцию температурной составляющей погрешности целесообразно осуществлять алгоритмическим способом при помощи встраиваемого в прибор микропроцессора.

Считая у (л,!) и Т входными параметрами микропроцессорной кор--

bo - bi2 - коэффициенты

ректирующей цепи, значение qp рассчитывают по формуле: гае С! - ь„ - Él qo f Toqo _ 5s t„. c„ , k . bjsio qo.

= Ëi _ bl2TQ . n big _ Jq JîJq ' -ÎT-Jq'

регрессионной модели, полученные в ходе факторного эксперимента, JT, Jq - шаг варьирования.

Синтезирован обобщенный алгоритм коррекции, который опирается на анализ факторов, наиболее существенно влияющих на точность -показаний газоанализатора. В качестве основных факторов выбирают следующие параметры: осредненная температура АТС, атмосферное давление - ра, давление нагнетателя - рн и информативный параметр - процентное содержание кислорода q. Из уравнения регрессии, записанной в линейном приближении, определяют алгоритм вычисления выходного параметра газоанализатора У - (Ар + А.2Т + А-зРа + А4Рн)

qp = --- 5

где Ао * A4 - коэффициенты имитационно-эмпирической модели.

■ Произведена оценка динамической погрешности газоанализатора, которая с учетом транспортного запаздывания составляет 0,5%.

Введение микропроцессорной корректирующей цепи и обобщенного алгоритма обработки сигналов датчиков газоанализатора позволяет формировать показания прибора инвариантными к изменению величины дестабилизирующих факторов.

Четвертая глава посвящена экспериментальным, исследованиям газоанализатора, включая разработку методики машинных экспериментов, сопоставление результатов моделирования с параметрами узлов макетного образца датчика и доказательство адекватности разработанных моделей реальным устройствам, входящим в состав газоанализатора.

Согласно методике, изложенной в первой'главе, получены соотношения, отображающие распределение индукции Bzi и напряженность магнитного поля H2i по лишенной координате х, градиент поля dHzi/dXi. Измерение индукции в зазоре макетного образца датчика производилось теслометром Ш1-8 (класс точности - 1,5). Результаты измерения (B2ia) сопоставлялись с результатами моделирования Bzi. Коэффициент корреляции составляет 0,74, а вероятность некоррелированности данных Pn составляет 1,6%, что подтверждает адекват-

ность имитационной модели магнитной системы реальному образцу.

Проведена оптимизация параметров магнитной системы. В качестве целевой функции выбирают магнитную силу Рт, а варьируемыми параметрами - радиус внутреннего (КЗ) и внешнего №4) полюсных наконечников 3 и 4 соответственно (см. рис.1), а также высоту активного участка рабочего зазора Ьр. Решение задачи оптимизации осуществляют методом "крутого восхождения". Оптимальные параметры - 2Р4=Б4=33,25 мм, 21*3=03=38,17 мм, Ьр=7,98 мм.

Экспериментальные исследования пневмопары "сопло-заслонка" заключались в определении расходной характеристики с учетом выполнения условия пневматического подвеса и сопоставления этих данных с результатами моделирования аналогичной характеристики согласно'соотношению (1), при одинаковых значениях давлений рО на входе датчика. Коэффициент корреляции составляет г=0,78, вероятность некоррелированности моделируемой и экспериментальной характеристик составляет Рм=1,2%.

В результате имитационного эксперимента определены статическая и динамическая характеристики датчика газоанализатора. Средняя чувствительность датчика составляет с1рк/<^=0,б Па/об%02, постоянная времени - т=0,24 сек.

Полученные коэффициенты корреляции подтверждают, что имитационная модель газоанализатора адекватна реальному образцу.

Пятая глава посвящена разработке микроконтроллерной системы обработки сигналов датчиков газоанализатора, реализации алгоритма коррекции доминирующих погрешностей.

Анализ вариантов структур информационно-вычислительных систем показал, что наиболее приемлемой с точки зрения минимизации аппаратных затрат, для решения задачи обработки сигналов датчиков газоанализатора является структура с последовательным опросом измерительных каналов (рис.3). В состав ЛВС входят: Дч -датчик газоанализатора; Дт, Дра - датчики температуры и атмосферного давления; К - коммутатор; ПУУ - программируемое усилительное устройство, коэффициенты усиления которого для каналов измерения Т и ра соответственно равны Куа, Кут, Кур; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; МКС - микроконтроллерная система; СОИ -средство отображения информации. При последовательном подключении выходов датчиков ко входу ППУ и настройки его на соответствующий коэффициент усиления, осуществляется запуск АЦП, на выходе которого формируется цифровой эквивалент измеряемого сигнала. Затем

er*

л* --

O-i &-I

PS

со

О

осуществляется вычисление выходного параметра qp согласно ;4), (5), .и измеряемая концентрация кислорода в заданных единицах изображается на индикаторе.

Программное обеспечение МКС организовано по модульному прин-депу. Нижний уровень модулей представлен подпрограммами-драйвера-!и управления аппаратными ресурсами МК-системы: коммутатором, ДП, индикацией, клавиатурой, устройством калибровки, ЦАП, после-ювательным каналом. Следующий уровень-зто библиотека арифмети-[еских подпрограмм, реализующих функции сложения, вычитания, ум-гожения и деления чисел увеличенной разрядности (с фиксированной запятой) и подпрограммы масштабирования. Далее представлен блок гадулей кодопреобразующих подпрограмм: перевод чисел из двоичной системы в десично-десятичную (и обратно), преобразование из дво-[чно-десятичной системы в код семисегментной индикации, а также в :од ASCII. К модулям более высокого уровня относятся подпрограммы ¡змерения и вычисления. Управление еызовом модулей осуществляется :осредством программы "МОНИТОР", входными параметроми которой явится результаты действия драйвера клавиатуры и подпрограммы оп->еделения функции, назначаемой пользователем, а также код режима |аботы прибора.

Проведена оценка погрешностей вычисления 'выходного параметра азоанализатора. Погрешность округления при 16-разрядной сотке оставляет 0,003%. Накопленная погрешность вычисления определя-ась путем имитационного моделирования вычислительного процесса, на составляет 0,04%.

Намечены пути совершенствования магнитодинамического газоа-ализзтора, которые включают проведение серии многофакторных экс-ериментов с целью более полного анализа поверхности отклика дат-ика и синтеза аппроксимирующих зависимостей, наиболее точно оплывающих эту поверхность, что дает возможность уточнить алгоритм оррекции погрешностей газоанализатора, синтез структуры компен-ационного магнитодинамического газоанализатора с опорным кана-ом, выполненным в виде копии датчика магнитодинамического газоа-ализатора, за исключением того, что постоянный магнит отсутству-т. Сигнал, пропорциональный разности давлений в измерительных амерах прямого и опорного каналов, посредством прямой модуляции дифманометре с ПТАР, поступает в МКС, где преобразуется в сигал обратной связи, управяющей проходным сечением дросселя пнев-атического моста, осуществляя процесс уравновешивания, который

будет происходить до тех пор, пока эта разность не станет близкой к пороговому значению. Сигнал обратной связи несет информацию по относительному положению поплавков в прямом и опорном каналах, а, следовательно, и по процентному содержанию кислорода в АТС.

При выполнении дифференциальных пневматических и электрических цепей с малыми относительными технологическими разбросами соответствующих конструктивных параметров идентичные погрешности в дифференциальных ветвях окажутся уменьшенными до пороговых значений. Зто обусловит резкое повышение статической и динамической точности работы газоанализатора в целом.

ОБЩЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана имитационная модель магнитодинамического газоанализатора, машинная реализация которой апробирована в среде табличного процессора. Адекватность модели доказана путем сопоставления результатов имитационного моделирования с экспериментальными данными, полученными при исследовании макетного образца газоанализатора.

2. Разработана методика оптимизации функционально значимых узлов газоанализатора на имитационной модели, позволяющая, не прибегая к макетированию вариантов этих узлов, определять их конструктивные параметры.

3. В результате анализа погрешностей газоанализатора определена связь между коэффициентами модели, полученными в ходе факторного эксперимента, и составляющими погрешностей, а также найдены зависимости для определения температурных коэффициентов. Разработана методика синтеза алгоритма коррекции доминирующих погрешностей газоанализатора. •

4. Определено, что динамические погрешности магнитодинамического газоанализатора существенно ниже, чем у магнитомеханическо-го, что достигается за счет уменьшения транспортного запаздывания газовой смеси и исключения диффузионного способа подачи АГС в измерительную камеру, а также за счет малых перемещений поплавка, происходящих под воздействием магнитной силы, функционально связанной с концентрацией кислорода.

5. Разработаны микроконтроллерная система и обобщенный алгоритм обработки сигналов датчиков газоанализатора, позволяющие формировать показания прибора инвариантными к изменению дестаби-

лизирующих факторов. Дополнительная погрешность измерения процентного содержания кислорода уменьшается с 3% до 0,3% в диапазоне температур 15 - 25° С и диапазоне атмосферных давлений 98,6 -104 кПа, что существенно расширяет эксплуатационный диапазон при-менеия газоанализатора.

6. Оценка точности вычисления выходного параметра газоанализатора показывает, что погрешность округления не превышает 0,0003%, а накопленная погрешность - 0,04%.

7. Намечены пути совершенствования характеристик магнитодина-мического газоанализатора, включая дальнейший анализ факторного пространства с целью более полного изучения поверхности отклика выходного параметра и создания библиотеки алгоритмов обработки сигналов датчиков газоанализатора, минимизацию аппаратных затрат при создании МК-системы за счет использования более совершенных моделей БИС МК, синтез структуры компенсационного магнитодинами-ческого газоанализатора с каналом обратной связи по положению поплавка.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты выполненной диссертационной работы дают основание утверждать, что магнитодинамический газоанализатор является наиболее перспективным для анализа кислорода в широком диапазоне при больших изменениях температуры и давления газовой смеси и по своим характеристикам превосходит известные образцы газоанализаторов на кислород.

Предложенные конструктивные и схемные решения позволяют создавать простой, технологичный газоанализатор и организовать его серийное производство.

Введение измерительного элемента "сопло-заслонка" позволяет осуществлять преобразование чрезвычайно малых изменений магнитной силы, функционально связанной с концентрацией кислорода, в перепад давлений. Использование пневмомоста в сочетании с электрическим мостом, входящим в состав дифманометра с ПТАР, позволяет повысить чувствительность тракта преобразования перепада давления в электрический сигнал до требуемых значений.

Введение микроконтроллерной системы и обобщенного алгоритма обработки сигналов датчиков газоанализатора позволяют формировать

показания прибора инвариантными к изменению дестабилизирующих факторов.

Теоретическое обоснование создания такого газоанализатора подтверждается результатами имитационного моделирования и лабораторной апробации функционально значимых узлов газоанализатора.

Магнитодинамические газоанализаторы, обладающие высокими эксплуатационно-функциональными характеристиками и технологичностью, рекомендуются для широкого применения в энергетике, промышленности, медицине, биологии и других областях народного хозяйства.

Дальнейшее совершенствование характеристик газоанализатора предлагается осуществлять путем синтеза структуры компенсационного магнитодинамического газоанализатора с опорным каналом и использованием прямой модуляции перепадов давлений, отражающих содержание кислорода в исследуемой смеси газов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Благовещенский А.Н., Танеев Ф.А. Комплекс аппаратно-программных средств обработки измерительной информации на базе микроЭВМ. / Проблемы метрологического обеспечения систем обработки измерительной информации. Тез. докл. VI всесоюзн. науч.-техн. конф. М.:ВНШ1ФТРИ, 1987.-С. 173.

2. Благовещенский А.Н. Инструментальный автоматизированный комплекс сбора'и обработки измерительной информации на базе микроэвм. / Проблемы механики ж/д транспорта: динамика, прочность, надежность подвижного состава. Тез. докл. всесоюзн. науч.-техн. конф. Днепропетровск.: Днепропетр. ин-т инж. трансп., 1987.-С. 74

3. Благовещенский А.Н., Розенблюм О.Г. Автоматизированная система Длй исследования датчиков аэродинамических параметров. / Автоматизированные системы контроля и управления. Тез. докл. научн.-техн. семин., Ульяновск.: Ульяновск, политехи, ин-т, 1989.- С. 22.

4. Благовещенский А.Н., Танеев Ф.А. Комплекс аппаратно-программных средств для исследования импульсных периодических процессов. / Автоматизированные -системы контроля и управления. Тез. докл. научн.-техн. семин., Ульяновск.: Ульяновск, политехи, ин-т, 1989.- С. 23.

5. A.c. 1718105. Магнитодинамический газоанализатор / Благо-

эщенский А.H., Ференец В.А., Ротберт И.Л. - Опубл. в Бй N9 1992.

6. Солдаткин В.М., Благовещенский А.Н., Семенова Е.П. Расчет проектирование измерительно-вычислительных систем ЛА / Учебное

эсобие. Казан, авиац. ин-т, Казань, 19Q2, 120 с.

7. Благовещенский А.Н.,Ференец В.А. Имитационная модель маг-ятодинамического газоанализатора. / Казанский гос. технич. ун-т,-азаиь, 1993 - 14с;-ил. Деп. в ИНФОРМПРИБОР per.N5161-AP94. публ. в библ. указателе ВИНИТИ N8, 1994.

8. Благовещенский А.Н..Френкель Н.С.Дусалеева Т.И. Магнито-инамический газоанализатор. / Тез. докл. научн.-техн. конф. КИЧ-50лет".- Казань: Казан, гос. технич. ун-т, 1994.- С. 109.

9. Благовещенский А.Н., Гафаров Ф.Ф. Микроконтроллерная сис-эма обработки сигналов магнитодинамического датчика процентного одержания кислорода. / Тез. докл. научн.-техн. конф. НИЧ-50лет".-. Казань: Казан, гос. технич. ун-т, 1994.- С. 117.

10. Благовещенский À.H., Багавиев Б.А., Галеев Р.Н. Отладоч-ый комплекс микроконтроллерных систем на базе КР1816ВЕ51. / Тез. окл. научн.-техн. конф. "НИЧ-50лет",- Казань: Казан, гос. тех-ич. ун-т, 1994,- С. 179.