автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Матричный фотоэлектрический преобразователь встроенного контроля параметров дисперсной фазы технологических жидкостей

Корнилин Дмитрий Владимирович

МАТРИЧНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ВСТРОЕННОГО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ЖИДКОСТЕЙ

Специальность 05.13.05 — «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления»

1 3 ОКТ 2011

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара, 2011

4857449

Работа выполнена на кафедре радиотехнических устройств и в Отраслевой науч исследовательской лаборатории ОНИЛ-16 Федерального государственн бюджетного образовательного учреждения высшего профессиональн образования «Самарский государственный аэрокосмический университет име академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)» (СГА

Научные руководители:

Заслуженный работник высшей школы РФ доктор технических наук, профессор Логвинов Леонид Митрофанович

Кандидат технических наук, доцент Кудрявцев Илья Александрович

Официальные оппоненты: Заслуженный работник высшей школы РФ

доктор технических наук, профессор Калакутский Лев Иванович

Кандидат технических наук, доцент Татаренко Евгений Иванович

Ведущее предприятие: Федеральное государственное унитарное

предприятие Государственный научно-производственный ракетно-космический центр "ЦСКБ-Прогресс" (г. Самара)

Защита диссертации состоится 27 октября 2011 г. в 10 часов на заседай диссертационного совета Д212.215.05 при Федеральном государственн бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образован «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. Королева (национальный исследовательский университет)» (СГАУ), по адрес 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34, корпус За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГАУ

Автореферат разослан « 26 » сентября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совет! доктор технических наук, профессор

Фурсов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

Совершенствование изделий аэрокосмической техники неразрывно связано с разработкой высокоэффективных гидроагрегатов нового поколения, обеспечивающих эффективное управление силовыми системами. К авиационной и космической технике предъявляются особые требования по надежности, что влечет за собой необходимость разработки эффективных средств функциональной диагностики применяемых жидкостных систем, позволяющих непосредственно в процессе эксплуатации выявлять и предупреждать внезапные отказы, вызванные износом узлов трения. Определение параметров механических частиц износа (дисперсной фазы), генерируемых в рабочую жидкость (дисперсионная среда) в процессе эксплуатации гидросистемы, позволяет получить достоверные данные о ее техническом состоянии. Информативными параметрами являются размер, концентрация и форма частиц. Работы A.M. Матвеенко, Е.С. Фитча, В.А. Бербера, Р.Г. Тимиркеева позволили обосновать требования к контролю чистоты рабочей жидкости по параметрам частиц износа. Развитию методов и средств контроля уровня загрязнения рабочей жидкости способствовали работы С.П. Беляева, Л.М. Логвинова, Л.И. Калакутского, И.А. Кудрявцева, А.Г. Ованесяна, К.С. Шефрина, В.Е. Шатерникова, а также зарубежных авторов X. Соммера, К. Грина, М. Керкера и др.

Разработкой и производством средств контроля параметров дисперсной фазы в настоящее время занимаются как российские, например НПП «Техноприбор» (г. Москва), ОАО «НИТИ-Тесар» (г. Саратов), НИАТ (г. Москва), так и зарубежные предприятия: Fritsch (Германия), Hiac Royko (США), Lockheed Martin (США) и др. С целью определения параметров дисперсной фазы оптимальным является использование датчиков встроенного контроля (ДВК), поскольку они позволяют существенно снизить погрешность контроля, связанную с отбором проб из магистрали. Одними из наиболее эффективных ( с точки зрения порога чувствительности и предельной измеряемой концентрации) являются ДВК на основе фотоэлектрического метода.

Анализ характеристик существующих на данный момент ДВК показал, что их порог чувствительности составляет около 5 мкм. Однако, увеличение рабочих давлений гидросистем приводит к необходимости контроля частиц загрязнений, начиная с 1 мкм. Кроме того, поскольку с уменьшением размера контролируемых частиц их концентрация значительно возрастает, необходимо повышать и предельную измеряемую концентрацию.

Повышение надежности эксплуатации авиационной техники требует создания эффективных средств диагностики жидкостных систем, позволяющих не только оценивать чистоту рабочей жидкости, но и прогнозировать остаточный ресурс агрегатов и отдельных узлов, в том числе исходя из информации о форме частиц.

Таким образом, уменьшение порога чувствительности и повышение предельной измеряемой концентрации фотоэлектрических преобразователей встроенного контроля является актуальной научно-технической задачей.

В современных ФЭП встроенного контроля в качестве чувствительного элемента наиболее часто используется одиночный фотодиод. С целью снижения порога чувствительности и повышения предельной измеряемой концентрации необходимо уменьшение размеров чувствительной области ФЭП. Этого добиваются в основном уменьшением размеров измерительного объема, однако, этот способ имеет существенные технологические ограничения, не позволяющие обеспечивать требуемые в настоящее время параметры ФЭП. Одним из наиболее эффективных способов улучшения основных характеристик ФЭП встроенного контроля является использование матричного фотоприемника, поскольку он имеет малые размеры чувствительных элементов (пикселей), и в то же время не требует уменьшения измерительного объема. С помощью

анализа выходных сигналов матричного фотоприемника, возможно не только снижение порога чувствительности и повышение предельной измеряемой концентрации, но и получение ценной диагностической информации о форме частиц загрязнений.

Цель и задачи работы. Целью работы является теоретическое и экспериментальное обоснование разработки ФЭП встроенного контроля на основе матричного фотоприемника, позволяющего снизить порог чувствительности, повысить предельную измеряемую концентрацию ФЭП, а так же определять коэффициент формы частиц загрязнения технологических жидкостей.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ известных методов и технических средств построения фотоэлектрических преобразователей параметров дисперсной фазы, применительно к исследованию дисперсных потоков жидкости.

2. Разработать математическую модель ФЭП на основе матричного фотоприемника, позволяющую определять параметры сигнала на выходе преобразователя с учетом размеров частиц загрязнений, их скоростей, координат пролета частиц, проходящих через чувствительный объем преобразователя, а также параметров оптического тракта преобразователя.

3. На основе предложенной математической модели преобразователя разработать методику обработки выходного сигнала матричного фотоприемника, с помощью которой возможно снижение порога чувствительности и повышение предельной измеряемой концентрации ФЭП.

4. Разработать методику обработки сигналов, получаемых с матричного фотоприемника, позволяющую определять коэффициент формы частиц.

5. Разработать методику определения объема проанализированной пробы жидкости с учетом профиля скоростей в измерительном канале.

Научная новизна проведенной работы заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель ФЭП встроенного контроля параметров дисперсной фазы на основе матричного фотоприемника. Данная модель устанавливает взаимосвязь параметров выходного сигнала преобразователя с параметрами частиц загрязнения, с условиями их движения в измерительном объеме, а также с геометрическими параметрами оптического тракта преобразователя.

2. Предложена методика обработки выходного сигнала матричного фотоприемника, создаваемого движущейся частицей в режиме заданного времени экспозиции, позволяющая снизить порог чувствительности ФЭП, увеличить предельную измеряемую концентрацию, а также определять коэффициент формы контролируемых частиц износа.

3. Предложена методика определения объема проанализированной пробы жидкости с учетом профиля скоростей в измерительном канале, основанная на использовании информации о координатах пролета частицей канала первичного преобразователя, позволяющая уменьшить погрешность определения концентрации дисперсной фазы.

Практическую ценность работы представляют:

1. ФЭП встроенного контроля in-line типа, позволяющий снизить порог чувствительности, повысить предельную измеряемую концентрацию и определять коэффициент формы частиц загрязнения технологических жидкостей.

2. Предложенный способ определения объема проанализированной пробы жидкости.

3. Методика оценки погрешностей ФЭП встроенного контроля параметров дисперсной фазы на основе матричного фотоприемника.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались теоретические и экспериментальные исследования, а также имитационное

моделирование на ЭВМ. Использовался математический аппарат интегрального и дифференциального исчисления, теории вероятностей.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Четвертой научно-практической конференции «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности» (Москва, 2007); Международной научно-технической конференции «Металлофизика, механика материалов, наноструктур и процессов деформирования» (Самара, 2009); Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 2009); Всероссийской молодёжной научной конференции «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2009); Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций" (Самара, 2009); Международной научной конференции «Решетневские чтения» (Красноярск, 2009).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель ФЭП встроенного контроля параметров дисперсной фазы на основе матричного фотоприемника. Данная модель устанавливает взаимосвязь параметров выходного сигнала преобразователя с параметрами частиц загрязнения, с условиями их движения в измерительном объеме, а также с геометрическими параметрами оптического тракта преобразователя..

2. Методика обработки выходного сигнала матричного фотоприемника, создаваемого движущейся частицей в режиме заданного времени экспозиции, позволяющая снизить порог чувствительности ФЭП, увеличить предельную измеряемую концентрацию, а также определять коэффициент формы контролируемых частиц износа.

3. Методика определения объема проанализированной пробы жидкости с учетом профиля скоростей в измерительном канале, основанная на использовании информации о координате пролета частицей канала первичного преобразователя, позволяющая уменьшить погрешность определения концентрации дисперсной фазы.

4. ФЭП встроенного контроля in-line типа, позволяющий снизить порог чувствительности, повысить предельную измеряемую концентрацию и определять коэффициент формы частиц загрязнения технологических жидкостей.

Внедрение результатов работы. Полученные в работе результаты внедрены в ходе выполнения хоздоговорных НИР, выполненных в период 2005-2011 гг. в Отраслевой научно-исследовательской лаборатории ОНИЛ-16 Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)» (СГАУ). Результаты, полученные в диссертации, использовались при создании анализатора гранулометрического состава дисперсной фазы «АЗЖ-975М» для ФГУП УАП "Гидравлика".

Материалы результатов исследований используются также в лекционном курсе и лабораторном практикуме для студентов специальности "Биотехнические и медицинские аппараты и системы", а также в курсовом и дипломном проектировании студентов РТФ СГАУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ в научных сборниках, тезисов докладов, в том числе 4 статьи опубликованы в ведущих научных изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией, получено 2 патента.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 104 наименований. Диссертация содержит 147 страниц, 74 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цель и задачи, изложена научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе диссертации проводится анализ научно-технической проблемы совершенствования характеристик фотоэлектрических преобразователей параметров дисперсной фазы. Обосновывается целесообразность использования датчиков встроенного контроля для диагностики гидросистем, поскольку они позволяют исключить ряд погрешностей, связанных с отбором проб жидкости из трубопроводов.

Сформулированы основные требования к фотоэлектрическим датчикам встроенного контроля по порогу чувствительности и предельной измеряемой концентрации. Показано, что существующие ДВК с одиночным фотодиодом в качестве чувствительного элемента имеют недостаточные порог чувствительности и предельную измеряемую концентрацию для их использования в современных гидросистемах. Снижение порога их чувствительности и повышение предельной измеряемой концентрации возможно за счет уменьшения чувствительного объема ФЭП, что на практике сопряжено с усложнением технологии изготовления и увеличением гидравлического сопротивления канала ФЭП.

Уменьшение погрешностей фотоэлектрических ДВК возможно с помощью использования матричных фотоприемников. Матричные ФП имеют малые размеры чувствительного элемента (а значит и шумы), позволяют выделять отдельные частицы, находящиеся одновременно внутри чувствительного объема (что позволяет повысить предельную измеряемую концентрацию), имеют больший динамический диапазон контролируемых размеров, а также дают возможность определять коэффициент формы крупных частиц.

Проведенный анализ существующих оптических методов и средств контроля параметров дисперсных потоков, а также схем построения ФЭП показал неэффективность применения указанных методов и устройств в ДВК. Причинами являются необходимость использования в этих устройствах сложных оптических схем, применение которых затрудняется в жестких условиях эксплуатации (высоких давлений и вибраций), громоздких источников излучения и скоростных видеокамер с высоким энергопотреблением, а также сложность программных средств обработки информации, затрудняющих контроль в реальном масштабе времени на основе встраиваемых систем.

С учетом указанных факторов целесообразным является использование КМДП- или ПЗС-матрицы, освещаемой светодиодом, расположенных в непосредственной близости от измерительного канала. При этом отсутствие оптических систем предлагается компенсировать с помощью представленной методики обработки выходного сигнала первичного преобразователя.

Предложенная методика позволяет получать достоверную информацию даже при условии применения относительно низкоскоростных матричных приемников, когда за время экспозиции частица успевает переместиться на расстояние, большее размера пикселя. Обработка выходного сигнала (следа частицы) позволяет определять параметры дисперсной фазы.

Вторая глава посвящена рассмотрению вопросов, связанных с формированием двумерного дискретного сигнала на выходе матричного фотоприемника от частицы, проходящей чувствительный объем преобразователя. Основной результат второй главы состоит в построении математической модели, позволяющей определить параметры сигнала на выходе первичного преобразователя. Следует отметить, что математическая модель ФЭП, показанного на рисунке 1 была предложена в работе проф. Логвинова Л.М., затем, в работе доц. Кудрявцева И.А. она была уточнена в части возможности определения

параметров выходного сигнала ФЭП с одиночным фотодиодом в зависимости от размера частицы и условий прохождения ее в чувствительном объеме. Однако решение задачи снижения порога чувствительности, повышения предельной измеряемой концентрации, а также определения коэффициента формы частиц загрязнений, требует уточнения модели. В работе предложена модель, позволяющая определять параметры двумерного дискретного сигнала в зависимости от размера частицы, условий ее прохождения в чувствительном объеме ФЭП, а также от размера пикселя и времени экспозиции. При этом за счет использования матричного фотоприемника отпадает необходимость использования диафрагмы. Схема, иллюстрирующая принцип формирования математической модели фотоэлектрического преобразователя с МФП приведена на рисунке 2.

жидкости Рисунок 2 — Схема, иллюстрирующая

Рисунок 1 — Схема конструкции ФЭП принцип формирования математической

модели преобразователя с МФП Выходной сигнал ФЭП на основе матричного фотоприемника представляет собой двумерную дискретную двоичную последовательность (двумерный дискретный сигнал), каждый элемент которой представляет собой напряжение на выходе ¡-го пикселя итт строки т и столбца т матрицы :

итт=к\ | \Е(х],уи0Р(хьу1)Н^)сЬс^у]с11г (1)

10 *т Ут

где к — коэффициент пропорциональности; '3 — время экспозиции; (хт, ут), Дх и Ду — координаты и размеры пикселя соответственно, £(*,,;>',,0— освещенность в точке с координатами , Р(*\,У,) — функция преобразования матрицы, #(0 — функция включения. Аргумент функции включения { должен представлять собой выражение, определяющее факт пересечения лучом границ частицы. Этот аргумент зависит от координат х, у, хи Уь хг(1), ур(Ц, гр(г). Задача нахождения аргумента функции включения представляет собой геометрическую задачу о пересечении в пространстве прямой и поверхности. Ввиду сложности нахождения общего аналитического решения (1) для частиц различной формы в работе широко использовались методы численного и имитационного моделирования.

С помощью моделирования получены зависимости эквивалентного диаметра частицы от параметров фотоэлектрического преобразователя, представленного на рисунке 2. Параметрами ФЭП являются: размер излучающей площадки А5 и В^ расстояние от нее до частицы Н-гр, расстояние между частицей и матричным фотоприемником 2Р , а также размер пикселя матричного фотоприемника.

Получена зависимость эквивалентного размера частицы с1 от расстояния между излучателем и МФП — Я при фиксированных координатах пролета частицы гр, соответствующих расстояниям от матрицы до частицы 2,0 мм; 2,5 мм; 3,0 мм (рисунок 3).

Получена зависимость эквивалентного диаметра частицы от площади Б светящей площадки квадратной формы ^ = В5) (рисунок 4). Полученные зависимости позволяют определять влияние на измеренный эквивалентный диаметр следующих параметров ФЭП: высота измерительного канала, размер и расстояние до излучающей площадки.

200 а 45

■ ПГ МКМ40 ^

V ~г=2'5™ 35 ^

160 \ г=2,0 „„ 30

140 \ '"' 2=3'°""

Л"

120 \ 20

100 \ 15

80 N. Ю

СА 5

о

0 20 40 60 80 100 120 ,

Б, мм-

Рисунок 4 — Зависимость

эквивалентного диаметра частицы (в мкм)

Рисунок 3-Зависимость эквивалентного от площади § светящей площадки для

размера частицы с1 от расстояния между рассх0яния между частицей и матрицей 2

излучателем и МФП — Н при мм

фиксированных координатах пролета

частицы гр. соответствующих расстояниям от

матрицы до частицы 2,0 мм; 2,5 мм; 3,0 мм

С помощью моделирования получены зависимости двумерного дискретного сигнала от параметров матричного фотоприемника: времени экспозиции, размера пикселя, а также от параметров частицы — скорости ее движения и размера. Определена величина заряда, недополученного пикселями матрицы вследствие прохождения над ней частицы, а также зависимость этого заряда от размеров частицы и ее скорости. Получено распределение оптической плотности изображения, соотвествующее распределению заряда пикселей на поверхности матрицы, представленное на рисунке 5.

Информация о размере частицы заложена в суммарной величине заряда пикселей, недополученного матрицей из-за пролета частицы Q:

0= I 9/о-Х 0>" й,, (2)

где цщ — заряд ¡-го пикселя матрицы, полностью освещенной за время экспозиции; ц,р — заряд ¡-го пикселя матрицы, перекрываемой за время экспозиции частицей.

Получена зависимость относительного изменения величины 0 от размера частицы для различных скоростей частиц, равных 3; 1,5 и 0,5 м/с; размер пикселя фиксирован и равен 6 мкм (рисунок 6).

Получено выражение, связывающее заряд, накопленный пикселем матричного фотоприемника, для случая, когда частица меньше пикселя:

ч„-~ V —, (3)

ру

где /о — ток фотодиода пикселя при постоянной освещенности, г, — время экспозиции, а — эквивалентный размер частицы, р — размер квадратного пикселя.

Величина заряда, пропорциональная площади частицы 51, равна:

1

э

(4)

Рисунок 6 — Зависимость относительного изменения величины С? от размера частицы для различных скоростей частиц, равных 3;

1,5 и 0,5 м/с; размер пикселя фиксирован и Рисунок 5 — Схематичное изображение равен б мкм сечения измерительного объема в плоскости, параллельной поверхности матрицы

Получена зависимость величины полезного сигнала Ад от времени экспозиции для размеров частиц 2 и 5 мкм, движущихся со скоростью 1 м/с (размер пикселя 6x6 мкм), представленная на рисунке 7.

Произведена теоретическая оценка порога чувствительности при заданном отношении сигнал/шум на основе выражения:

Я,

Третья

?0

(5)

глава посвящена методам обработки дискретных двоичных последовательностей на выходе матричного фотоприемника с целью определения параметров дисперсной фазы: размера (эквивалентного диаметра), счетной концентрации, коэффициента формы.

В работе для определения размера относительно крупных частиц предложено использовать так называемый пороговый метод. Предложен модифицированный вариант порогового метода, при котором определяется площадь тени, создаваемой на поверхности матричного фотоприемника движущейся частицей. На основе равенства этой площади и площади геометрической фигуры, ограниченной тенью на рисунке 5, получено выражение для определения эквивалентного диаметра частицы:

«/=— Ф'-ч-ч.-Ю, (6)

п 4

где пр— общее число пикселей, принадлежащих тени от частицы на рисунке 5.

Предложен фотометрический метод определения эквивалентного диаметра частицы на основе полученного выражения:

с1= -2= (7)

лг V а

где 50 — площадь матричного фотоприемника, <2 — сумма зарядов всех пикселей матрицы, полностью освещенной за время экспозиции; ()о — сумма зарядов всех пикселей матрицы, перекрываемой частицей за время экспозиции.

37 105 113 121 Pz

Рисунок 7 —Зависимость величины рисуНок 8 - Изменения оптической полезного сигнала от времени экспозиции ПЛОТности изображения вдоль оси г в трех для размеров частиц 2 и 5 мкм, движущихся сечениях: а, б, в на рисунке 6 со скоростью 1 м/с; размер пикселя 6x6 мкм

Определение размеров частиц менее размера пикселя предложено осуществлять комбинированным методом согласно выражению:

-Л V я*

(8)

где Лд = — qp разность зарядов полностью освещенного и закрываемого на время экспозиции частицей пикселя, Ир — общее число пикселей, перекрываемых частицей за время экспозиции.

При определении счетной концентрации обрабатываются сигналы нескольких частиц, одновременно находящихся в измерительном объеме, что позволяет повысить предельную измеряемую концентрацию по сравнению с использованием одиночного фотоприемника. В работе показано, что для частиц размером менее 5 мкм для датчика на основе матричного фотоприемника МТ9У032С128ТМ предельная измеряемая концентрация составляет 3-103 см"3.

В работе установлено соотношение, позволяющее определять время анализа матричного ФЭП встроенного контроля на основе определения расхода через измерительный канал с учетом профиля скоростей в измерительном объеме. Поправка на профиль скоростей вводится с учетом координаты пролета частицы:

64 % V t,

(9)

" кJ h Р' N_

где х — отношение размера прямоугольного сечения по оси у к его размеру по оси х; h — половина размера сечения канала по оси х; V— фиксированный объем жидкости (100 мл согласно ГОСТ 17216-2001 ); Nz— число пикселей, на которое сместилась частица за время экспозиции; функция F(x, у, % ) учитывает зависимость времени анализа от координаты пролета частицы, а также от размеров сечения канала:

¿о(2-и+1 )3

сИ(

2 п\ 1

1-

п ■ X

и2"* 1 1 ^ ---)

2 X

С05(-

,2- и+ 1 п у

Х-к

3 к -х 2 3 2

Соотношение (9) определяет время, в течение которого через измерительный канал ФЭП протекает фиксированный объем жидкости. На практике оно используется для определения счетной концентрации частиц путем подсчета числа частиц за время За счет более точного определения времени анализа с помощью описанной выше методики удалось снизить погрешность определения счетной концентрации частиц.

Методика определения коэффициента формы Кф частицы основана на выделении начального и конечного участков следа, несущих информацию о форме частицы.

.. . 0,2

0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 О

/ Л 1 "О

\ V ) / у

10 — Зависимость погрешности определения эквивалентного размера частицы от расстояния между излучателем и МФП при двух крайних фиксированных расстояниях между частицей и МФП, равных 2,0 мм и 3,0 мм

распределение оптической плотности изображения, накопленного пикселями, в условных единицах Ке в зависимости от их координаты р2 относительно начала отсчета времени экспозиции.

Наклонные участки на рисунке 8 соответствуют обведенным контурам частиц на рисунке 5, а центральная часть на рисунке 8 соответствует остальному пятну от частицы на рисунке 5. Удаление центральной части позволяет выделить начальную и конечную области контуров частиц, несущих информацию о форме частиц, как показано на рисунке 9. Затем определяются размеры контура частицы в двух взаимно перпендикулярных

Рисунок

Рисунок 9 — К определению коэффициента относительной формы частицы

На рисунке 8 представлено характеризующей уровень заряда.

направлениях ¿4, к _

, и <1„,п и вычисляется коэффициент формы:

(П)

В четвертой главе рассматриваются погрешности определения основных параметров дисперсной фазы: погрешность определения размеров частиц, погрешность определения счетной концентрации.

Результирующая погрешность определения размера частицы состоит из погрешности, вносимой в процессе формирования изображения на поверхности матрицы, погрешности

метода определения параметров дисперсной фазы, погрешности дискретизации изображения и квантования по уровню зарядов отдельных пикселей.

Погрешность определения диаметра частицы, связанная с различными координатами пролета частицей измерительного объема приведена на рисунке 10.

Погрешность определения размера частицы, вызываемая ошибкой квантования АЦП матричного фотоприемника можно оценить с помощью полученного соотношения:

Ы с! '

2 — + 1.

(12)

где — площадь пикселя, Л^ос— разрядность АЦП матричного фотоприемника.

Зависимость относительной погрешности определения размера (диаметра частицы) от разрядности АЦП матрицы представлена на рисунке 11.

Рисунок 12 — Зависимость относительной

„ ,. „ .. погрешности определения эквивалентного

Рисунок 11 — Зависимость относительной у 1

диаметра от размера частицы при погрешности определения размера " г г г ^ г

, ч лгттт фиксированных размерах пикселя 2 мкм, 6

(диаметра частицы) от разрядности АЦП г г

т с „,„ мкм и 10 мкм матрицы для частиц диаметрами 1 и э мкм

Получена зависимость относительной погрешности определения эквивалентного диаметра, связанная конечным размером пикселя матрицы (рисунок 12). В главе проведена оценка погрешности при использовании комбинированного метода, связанная с погрешностью определения скорости частицы.

одиночный фоюприемнкк олин цатричный фогоприемник дна матричных фотоприемннка

Рисунок 13 — Зависимость суммарной

относительной погрешности определения Рисунок 14 — Зависимость вероятности объема проанализированной пробы ошибки от концентрации частиц для жидкости от смещения частицы размеров частиц 2 и 200 мкм относительно центра канала соответственно, размер пикселя фиксирован

и равен 6 мкм (матрица МТ9У032)

Относительная погрешность определения счетной концентрации частиц состоит из погрешности определения объема проанализированной пробы жидкости и погрешности,

возникающей при совпадении частиц. Получено соотношение для оценки относительной погрешности определения объема проанализированной пробы жидкости:

AV V '

2 р

2 р

Ах

(13)

Получена зависимость суммарной относительной погрешности определения объема проанализированной пробы жидкости от смещения частицы относительно центра канала для одиночного фотоприемника, для одного матричного фотоприемника, для двух матричных фотоприемников (рисунок 13). Оценка погрешности из-за совпадений частиц в измерительном объеме производилась с помощью закона Пуассона в соответствии с полученным выражением:

Рт = 1- е"АМ,'~,'~>'(\ + 4-Л-(Ч„ + /„,)2) (14)

Зависимость вероятности ошибки (попадания более чем одной частицы диаметром до ¿,„ах в эквивалентный объем) приведена на рисунке 14.

В главе 4 приводится оценка величины доверительного интервала погрешности определения размера частицы, связанная с шумами матричного фотоприемника.

Пятая глава посвящена вопросам разработки, конструирования и экспериментального исследования матричного ФЭП встроенного контроля.

ш

"Ж ' '

Рисунок 15 — Схема фотоэлектрического преобразователя с матричным фотоприемником

Рисунок 16— Конструкция матричного ФЭП встроенного контроля

Схема фотоэлектрического преобразователя с матричным фотоприемником представлена на рисунке 15. Схема содержит стеклопакет с диафрагмой (шириной /), формирующей измерительный объем, источник света с высокой параллельностью лучей (лазер или светодиод с узкой диаграммой направленности — СИД). матричный фотоприемник в виде КМДП-матрицы. Сигнал с КМДП-матрицы считывается и обрабатывается с помощью микроконтроллера (МК). Обработанные данные о параметрах дисперсной фазы затем поступают по интерфейсу USB на компьютер (ПК). Управление током СИД необходимо для поддержания постоянной освещенности поверхности КМДП-матрицы при изменениях прозрачности жидкости. Управление осуществляется с помощью

широтно-импульсного модулятора (ШИМ), выход которого подключен к источнику тока СИД (ИТУН).

Приводится описание разработанной конструкции матричного ФЭП встроенного контроля, представленной на рисунке 16.

В главе определены требования к мощности используемых источников излучения и расстоянию от них до матричного фотоприемника с точки зрения обеспечения необходимого порога чувствительности.

В ходе экспериментальных исследований проводилось сравнение характеристик фотоэлектрического преобразователя на основе матричного фотоприемника и датчика фотоэлектрического анализатора встроенного контроля ФОТОН-965.

Сравнение проводилось путем проброса частиц загрязнителя с известным законом распределения, в качестве которого использовалась цинковая пыль, предоставленная специалистами ФГУП УАП «Гидравлика», г. Уфа. Минимальный размер частиц цинковой пыли составляет 1 мкм, максимальный — 32 мкм, основная фракция (около 80 % частиц) имеет размер до 8 мкм. Результаты экспериментальных исследований дисперсного состава цинковой пыли приведены на рисунках 17 и 18.

Проводились сравнительные испытания матричного ФЭП встроенного контроля и ДВК ФОТОН-965 по определению фиксированного объема жидкости (100 мл), проходящей через датчик, результаты эксперимента приведены на рисунке 18.

• ДВКФОТОН-96?

« ♦ ДВК ФОТОН-965

■ ДВК с мел

' ■ I«

.........

С Б 10 1Е 2Е 26 30 35 « «5 К 60 К 7В Т* Ю К И К IX *

Рисунок 17-Распределение дисперсного состава частиц цинковой пыли

18 -Зависимость измеренного проанализированной пробы

Рисунок объема

жидкости (100 мл) от числа частиц износа В заключении сформулированы основные выводы и результаты работы. Приведены технические характеристики ФЭП встроенного контроля параметров ДФ до и после внедрения полученных результатов (таблица 1).

Таблица 1 - Технические характеристики ФЭП встроенного контроля до модификации

Характеристика До модификации После модификации

Диапазон контролируемых частиц износа, мкм 5-200 2-500

Пределы приведенной погрешности при измерении размеров частиц механических примесей, к границам диапазонов размерных групп, %, не более 10 5

Предельная измеренная счетная концентрация не более, частиц/см3 1500 300000

Возможность определения коэффициента формы нет есть

Габаритные размеры, мм, не более: 100x110x190 100x110x190

Масса, кг, не более: 0,8/1,0 0,8/1,0

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложена математическая модель ФЭП встроенного контроля параметров дисперсной фазы на основе матричного фотоприемника. Данная модель устанавливает взаимосвязь параметров выходного сигнала преобразователя с параметрами частиц загрязнения, с условиями их движения в измерительном объеме, а также с геометрическими параметрами оптического тракта преобразователя.

2. На основе предложенной математической модели преобразователя разработана методика обработки выходного сигнала матричного фотоприемника, создаваемого движущейся частицей в режиме заданного времени экспозиции, позволяющая снизить порог чувствительности ФЭП в 2,5 раза, повысить предельную измеряемую концентрацию ФЭП в 200 раз, а также определять коэффициент формы частиц.

3. Разработана методика определения объема проанализированной жидкости, основанная на использовании информации о координате пролета частицей измерительного объема (с целью учета профиля скоростей), позволяющая снизить погрешность определения счетной концентрации частиц.

4. Разработан ФЭП встроенного контроля ¡n-line типа, позволяющий снизить порог чувствительности в 2,5 раза , повысить предельную измеряемую концентрацию в 200 раз и определять коэффициент формы частиц загрязнения технологических жидкостей.

5. Предложена методика оценки погрешностей ФЭП встроенного контроля параметров дисперсной фазы на основе матричного фотоприемника.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией:

1. Корнилин, Д.В. Автоматический счетчик частиц загрязнений жидкости гидравлического оборудования с цифровой обработкой сигнала [Текст]./ Д.В. Корнилин, И.А. Кудрявцев, Л.М. Логвинов //Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева, № 1(12). - Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм, ун-та, 2007. - 260 с; с. 178-181.

2. Корнилин, Д.В. Определение параметров дисперсной фазы датчиком встроенного контроля гидросистем ЛА на основе КМДП-матрицы [Текст]/ Д.В. Корнилин, И.А. Кудрявцев, Л.М. Логвинов , А.Ф. Воронов // «Приборы», № 5 . - Москва: МНТО ПМ , 2010.- 67 с; с. 35-41.

3. Корнилин, Д.В. Математическая модель датчика встроенного контроля на основе матричного фотоприемника [Текст]./ Д.В. Корнилин // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева, № 1(25) .-Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм, ун-та, 2011.- с. 155-161.

4. Кудрявцев, И. А. Метод определения параметров дисперсной фазы с помощью матричного фотоприемника [Текст]./ И.А. Кудрявцев, Д.В. Корнилин, Л.М. Логвинов //Известия Самарского научного центра РАН. Специальный выпуск: «Перспективы и направления развития транспортной системы», 2007. Самара, Издательство Самарского научного центра РАН, 2007., с. 205-209.

Опубликовано в других изданиях:

5. Корнилин, Д.В. Метод и устройство определения параметров дисперсной фазы с помощью матричного фотоприемника [Текст]/Д.В. Корнилин, И.А. Кудрявцев, Л.М. Логвинов //Сб. трудов четвертой научно-практической конференции «Исследования и

ъ

перспективные разработки в авиационной промышленности» 24-26 октября 20 ОАО «Компания «Сухой», ОАО «ОКБ Сухого», г. Москва; с. 950-953.

6. Корнилин, Д.В. Встроенный контроль параметров смазывающих масел при прокатк прессовании [Текст]/Д.В. Корнилин, И.А. Кудрявцев, Л.М. Логвинов Металлофизика, механика материалов, наноструктур и процессов деформирования: т. Т.2. Труды международной научно-технической конференции. Металлдеформ-20 (Самара, 3-5 июня 2009 г.) СГАУ.-Самара: Издательство учебной литературы, 20 366 е.-с. 115-118.

7. Корнилин, Д.В. Датчик встроенного контроля гидравлических систем летательн аппаратов на основе матричного фотоприемника [Текст] /Д.В. Корнилин, И Кудрявцев, Л.М. Логвинов // Проблемы и перспективы развития двигателестроен материалы докладов междунар. науч.-техн. конф. 24-26 июня 2009 г. - Самара- СГ 2009. - В 2 Ч. Ч. 1. - 266 с. - с. 13-14.

8. Корнилин, Д.В. Устройство определения формы и размеров микрочастиц с помощ матричного фотоприемника [Текст]/ Д.В Корнилин// Сборник тезисов Всероссийс молодёжной научной конференции «Мавлютовские чтения», 27-28 октября 200 Мавлютовские чтения: Всероссийская молодёжная научная конференция: сб. тр. в 5 Том 2.Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. - Уфа: УГАТУ, 2009. - 80-81с.

9. Корнилин, Д.В. Оценка чувствительности анализатора загрязнения жидкости основе матричного фотоприемника [Текст]/ Д.В. Корнилин, И. КудрявцевУ/Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций: матери* Всероссийской научно-технической конференции 12 - 14 мая 2009, г. Самара / под р М.Н. Пиганова. - Самара: Изд-во СГАУ, 2009. - 224 с; с.38-39.

10. Корнилин, Д.В. Оценка погрешности определения концентрации дисперсной ф датчиками встроенного контроля гидросистем [Текст]/Д.В. Корнилин, Л.М. Логвин //Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций: матери Всероссийской научно-технической конференции 12 - 14 мая 2009, г. Самара / под р М.Н. Пиганова. - Самара: Изд-во СГАУ, 2009. - 224 с; с. 39-40.

11. Корнилин, Д.В. Оптический тракт датчика встроенного контроля гидросист летательных аппаратов на основе многоэлементного фотоприемника [Текст] / Д. Корнилин, И.А. Кудрявцев, Л.М. Логвинов // Решетневские чтения: материалы X Междунар. науч. конф., посвящ. 50-летию Сиб. гос. аэрокосмич. ун-та име! академика М.Ф. Решетнева (10-12 нояб. 2009, г. Красноярск): в 2 ч.; под общ. ред. I Ю. Логинова / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. - Красноярск, 2009. - Ч.1.-384 с • стр 26 264.

12. Патент на полезную модель №72070 Российская Федерация, МПК G01N 15/ (2006.01). Фотоэлектрический анализатор загрязнения жидкостей./ Логвинов Л. Поминов Е.И., Поминов Д.Е., Корнилин Д.В., Кудрявцев И.А; - №2007141432; заяв 07.11.2007; опубл. 27.03.2008, Бюл. №9,- 2 с.

13.Патент на полезную модель №100264 Российская Федерация, МПК G01N 15/ (2006.01). Устройство определения размеров, концентрации и формы част загрязнений рабочей жидкости гидросистем./ Логвинов Л.М., Корнилин Д. Кудрявцев И.А.; - №2010122195; заявл. 31.05.2010; опубл. 10.12.2010, Бюл. №34,- 2 с.

Подписано в печать 15.09.2011 г. Тираж 100 экз.

Отпечатано с готового оригинал-макета заказчика.

СГАУ, 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ПРОБЛЕМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ДИАГНОСТИКЕ ГИДРОСИСТЕМ.

1.1 Механизмы износа и параметры частиц дисперсной фазы.

1.2 Методы и средства контроля параметров частиц износа.

1.3 Контроль параметров частиц износа в рабочих жидкостях гидросистем на основе фотоэлектрического метода.

1.4 Обзор схем построения фотоэлектрических преобразователей для определения параметров дисперсной фазы.

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МАТРИЧНОГО ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ВСТРОЕННОГО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ

2.1 Обобщенная математическая модель матричного фотоэлектрического преобразователя встроенного контроля.

2.2 Двумерная математическая модель.

2.3 Формирование выходного сигнала матричным фотоприемником от частицы, размером^ менее размера пикселя.

2.3.1 Повышение чувствительности ФЭП за счет специальной обработки сигнала матричного фотоприемника.

2.3.2 Влияние дифракции на работу ФЭП встроенного контроля.

ГЛАВА 3 МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ-С ПОМОЩЬЮ ОБРАБОТКИ ДВУМЕРНЫХ ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ

3.1 Методы определения размеров частиц.

3.1.1 Определение размеров частиц «пороговым» методом.

3.1.2 Определение размеров частиц фотометрическим методом.

3.1.3 Определение размеров частиц менее размера пикселя комбинированным методом

3.1.4 Определение размеров частиц более размера пикселя комбинированным методом

3.2 Определение счетной концентрации частиц.

3.3 Определение времени анализа.

3.3.1 Определение времени анализа ФЭП встроенного контроля на основе одиночного фотоприемника.

3.3.2 Определение времени анализа матричным ФЭП встроенного контроля параметров дисперсной фазы.

3.4 Определение коэффициента формы.

ГЛАВА 4 ПОГРЕШНОСТИ МАТРИЧНОГО ФЭП ВСТРОЕННОГО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ

4.1 Погрешность определения размеров частиц

4.1.1 Погрешность оптического тракта.

4.1.2 Погрешность определения расстояния, на которое переместилась частица за время экспозиции.

4.1.3 Погрешность определения размера частицы, вызываемая ошибкой квантования АЦП матричного фотоприемника.

4.1.4 Погрешность определения размера частицы, вызываемая конечным размером пикселя матрицы.

4.2 Оценка погрешности определения счетной концентрации

4.2.1 Погрешность определения времени анализа и объема проанализированной жидкости.

4.2.2 Погрешность определения счетной концентрации и размеров частиц из-за совпадения частиц в измерительном объеме.

4.3 Определение доверительной вероятности и доверительного интервала погрешности определения размеров частиц

ГЛАВА 5 МАТРИЧНЫЙ ФЭП ВСТРОЕННОГО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ

ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ.

5.1 Оценка энергетических характеристик матричного ФЭП встроенного контроля параметров дисперсной фазы.

5.2 Экспериментальное исследование матричного ФЭП встроенного контроля параметров дисперсной фазы

В настоящее время к надежности аэрокосмической техники предъявляются высокие требования, что связано с особенностями ее эксплуатации в жестких условиях и риском катастрофы в случае неисправности или отказа бортовых систем. Одним из эффективных средств, повышения-надежности эксплуатации является своевременное проведение контроля технического состояния' объектов [1, 2, 3]. Качественное выполнение диагностики позволяет как прогнозировать приближающийся- отказ, так и продлить использование агрегатов- с истекшим сроком эксплуатации, но-еще не*выработавших технический ресурс, перейдя к эксплуатации по фактическому состоянию [4, 5]. Особенно высокие требования предъявляются к средствам контроля и диагностики технического состояния изделий аэрокосмического назначения [6, 7]. С целью обеспечения оперативности и своевременности определения* технического ресурса гидросистем- необходимо использовать в основном1 методы и средства неразрушающего контроля, позволяющие проводить диагностику автоматически и в реальном масштабе времени [8, 9; 10, 11].

В; качестве исполнительных агрегатов и контуров^ систем управления, в-аэрокосмической технике широко применяются гидросистемы-[12, 13]. Одним из наиболее эффективных методов диагностики гидросистем является анализ параметров-частиц износа (дисперсной, фазы рабочей жидкости), генерируемых гидроагрегатами [14, 15]. При этом размер, концентрация, форма, распределение частиц по размерам являются- источниками ценной диагностической информации о состоянии пар трения, а также о состоянии рабочей жидкости [16, 14, 17]. Например; наличие в гидрожидкости частиц, соизмеримых с зазорами между трущимися поверхностями говорит о нормальных процессах износа [18], в то же время появление большого числа крупных частиц может являться предвестником разрушения поверхностей гидроагрегатов и выходу их из строя [19, 20, 21]. В процессе нормального износа в основном генерируются частицы с формой, близкой к сферической, разрушение элементов гидросистемы приводит к появлению частиц вытянутой (стружка, волокна) и неправильной формы. Каждому типу износа поверхностей соответствуют своя форма и размеры частиц, составляются специальные атласы частиц износа, полученные путем анализа феррограмм или с помощью микроскопического анализа [20]. Однако, метод ручного обсчета частиц и их классификации требует высокой квалификации персонала, а также значительных временных затрат [22].

Разработкой и производством средств контроля параметров дисперсной фазы в настоящее время занимаются как российские, например HI ill «Техноприбор» (г. Москва), ОАО «НИТИ-Тесар» (г. Саратов), НИАТ (г. Москва), так и зарубежные предприятия: Fritsch (Германия), Hiac Royko (США), Lockheed Martin (США) и др.

В ОНИЛ-16 СГАУ разработаны средства автоматического1 контроля параметров частиц загрязнения на основе анализа отобранных проб и встраиваемые непосредственно в гидросистему [14]. Известны также зарубежные аналоги на основе анализа отобранных проб [23, 24] и встроенного контроля. Датчики встроенного контроля [25] обладают более высокой точностью, поскольку позволяют исключить погрешности, возникающие в процессе пробоотбора, такие как загрязнение воздуха помещений, пробоотборной посуды и фильтрующего эффекта пробоотборного крана [26, 14, 27]. Известны средства контроля на основе фотоэлектрического, пьезоэлектрического, вихретокового, методов [14], однако по чувствительности и точности современным требованиям удовлетворяют устройства на основе фотоэлектрического метода.

ФЭП встроенного контроля наиболее приспособлены для использования в составе систем контроля и управления уровнем загрязнения рабочей жидкости гидросистем технологического оборудования в реальном времени [28, 27] рисунок 1).

Рисунок 1 - Система контроля и управления уровнем загрязнения рабочей жидкости гидросистем технологического оборудования

Датчики (Д), в качестве которых используются ФЭП встроенного контроля, через коммутатор подключаются к БОИ, в котором текущее состояние системы сравнивается с заданным и формируется управляющий сигнал для блока управления фильтрующими элементами для включения в ГС того или иного фильтра.

С целью улучшения основных параметров гидрооборудования происходит повышение их рабочих давлений [29], и, как следствие, уменьшение зазоров между парами трения. Следствием этого являются более мелкие генерируемые частицы, а также более высокая их концентрация в жидкости. Соответственно повышаются требования к средствам контроля за параметрами частиц износа в гидрожидкости по чувствительности, разрешающей способности, возникает необходимость определения формы частиц и их классификации в реальном масштабе времени.

Существующие средства встроенного контроля на основе фотоэлектрического метода (типа ФОТОН-965) с использованием одиночного фотоприемника (фотодиода) имеют ограничения к применению по чувствительности (порядка 5 мкм) и предельной определяемой концентрации (около 1500 см"3 ), а также не имеют возможности определять форму частиц. Поэтому совершенствование характеристик: существующих средств диагностики гидросистем является актуальной научно-технической задачей.

При разработке средств^ автоматического контроля; нового" поколения с улучшенными метрологическими; характеристиками, необходимо учитывать, что в жестких условиях эксплуатации нежелательно* использование сложных оптических систем,, нуждающихся в, юстировке, поскольку их применение существенно снизит надежность этих устройств. Повышения чувствительности, предельной измеряемой-; концентрации,, а также определения формы частиц возможно; добиться« с . использованием матричного фотоприемника и соответствующих алгоритмов, обработки двумерного дискретного сигналас его выхода. С целью получения информации и реализации ее обработки в реальном масштабе; временю целесообразно использовать современные: процессоры- и микроконтроллеры:. Наличие в их составе модулей помехоустойчивых интерфейсов; позволяет, упростить интеграцию устройств контроля, в состав автоматизированных систем; управления технологическими процессами? . и получать информацию в реальном масштабе времени.

Целью работы является: теоретическое и экспериментальное обоснование разработки; ФЭП встроенного контроля на основе матричного фотоприемника, позволяющего снизить порог чувствительности; повысить предельную измеряемую; концентрацию ФЭП, а так же определять коэффициент формы частиц загрязнения технологических жидкостей;

Для достижения; поставленной цели: необходимо решить, следующие задачи:

Г.Провести анализ известных методов, и технических средств* построения фотоэлектрических преобразователей параметров дисперсной фазы, применительно к исследованию дисперсных потоков жидкости.

2.Разработать математическую модель ФЭП на основе матричного фотоприемника, позволяющую определять параметры сигнала, на выходе преобразователя с учетом размеров частиц загрязнений, их скоростей, координат пролета частиц, проходящих через чувствительный объем преобразователя^ а также параметров оптического тракта преобразователя.

3.На основе предложенной математической модели: преобразователя разработать методику обработки выходного сигнала матричного фотоприемника, с помощью которой возможно снижение порога чувствительности и повышение предельной: измеряемой концентрации ФЭП;

4.Разработать методику обработки сигналов, получаемых, с матричного фотоприемника, позволяющую определять коэффициент формькчастиц.

5.Разработать.методику определения объема проанализированной пробы жидкости с учетом профиля скоростей в измерительном канале.

Научная новизна проведенной работы заключается в-следующем:

1 .Разработана математическая' модель ФЭП встроенного контроля параметров дисперсной фазы на основе; матричного» фотоприемника; Данная модель, устанавливает взаимосвязь параметров1; выходного сигнала преобразователях: параметрами частиц загрязнения- с условиями их движения в измерительном объеме, а также -с геометрическими параметрами оптического тракта преобразователя.

2.Предложена методика, обработки выходного сигнала матричного фотоприемника, создаваемого , движущейся частицей в режиме заданного времени; экспозиции, позволяющая: снизить^ порог чувствительности ФЭП, увеличить предельную: измеряемую концентрацию, а также определять коэффициент формы контролируемых частиц:износа;

3 ^Предложена методика определения; объемапроанализированной пробы жидкости с учетом профиля скоростей в измерительном канале, основанная на использовании информации о координатах пролета частицей канала первичного преобразователя, позволяющая уменьшить ' погрешность определения концентрации дисперсной фазы.

Практическую ценность работы представляют:

1.ФЭП встроенного контроля in-line типа, позволяющий снизить порог чувствительности, повысить предельную измеряемую концентрацию и определять коэффициент формы частиц загрязнения технологических жидкостей.

2.Предложенный способ определения объема проанализированной пробы жидкости.

3.Методика оценки погрешностей ФЭП встроенного контроля параметров дисперсной фазы на основе матричного фотоприемника.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались теоретические и экспериментальные исследования, а также имитационное моделирование на ЭВМ. Использовался математический' аппарат интегрального и дифференциального исчисления, теории вероятностей.

Апробация-работы. Основные положения и результаты диссертационной1 работы докладывались и обсуждались на: Четвертой научно-практической конференции «Исследования' и перспективные разработки в авиационной промышленности» (Москва, 2007); Международной^ научно-технической конференции* «Металлофизика, механика материалов, наноструктур и? процессов деформирования» (Самара, 2009); Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 2009); Всероссийской молодёжной научной конференции «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2009); Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций" (Самара, 2009); Международной научной конференции' «Решетневские чтения» (Красноярск, 2009).

Основные положения, выносимые на защиту:

1.Математическая- модель ФЭП встроенного контроля параметров дисперсной фазы на основе матричного фотоприемника. Данная модель устанавливает взаимосвязь параметров выходного сигнала преобразователя с параметрами частиц загрязнения, с условиями их движения в измерительном объеме, а также с геометрическими параметрами оптического тракта преобразователя.

2.Методика обработки выходного сигнала матричного фотоприемника, создаваемого движущейся частицей в режиме заданного времени экспозиции, позволяющая снизить порог чувствительности ФЭП, увеличить предельную измеряемую концентрацию, а также определять коэффициент формы контролируемых частиц износа.

3.Методика определения объема проанализированной пробы жидкости с учетом профиля скоростей в измерительном канале, основанная на использовании информации о координате пролета частицей канала первичного' преобразователя, позволяющая уменьшить погрешность определения концентрации дисперсной фазы.

4.ФЭП встроенного контроля in-line типа, позволяющий, снизить порог чувствительности, повысить предельную измеряемую концентрацию и определять коэффициент формы частиц загрязнения технологических жидкостей.

Внедрение результатов, работы. Полученные в работе результаты внедрены в ходе выполнения хоздоговорных НИР, выполненных в период 2005-2011 гг. в Отраслевой научно-исследовательской лаборатории ОНИЛ-16-Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения^ высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)» (СГАУ). Результаты, полученные в диссертации, использовались при создании анализатора гранулометрического состава дисперсной фазы «АЗЖ-975М» для ФГУП УАП "Гидравлика".

Материалы результатов исследований используются также в лекционном курсе и лабораторном практикуме для студентов специальности "Биотехнические и медицинские аппараты и системы", а также в курсовом и дипломном проектировании студентов РТФ СГАУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ в научных сборниках, тезисов докладов, в том числе 4 статьи опубликованы в ведущих научных изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией, получено 2 патента.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 104 наименований. Диссертация содержит 147 страниц, 74 рисунка.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Предложена математическая модель ФЭП встроенного контроля параметров дисперсной фазы на основе матричного фотоприемника. Данная модель устанавливает взаимосвязь параметров выходного сигнала преобразователя с параметрами частиц загрязнения, с условиями их движения в измерительном объеме, а также с геометрическими параметрами оптического тракта преобразователя.

2.На основе предложенной математической модели преобразователя1 разработана методика обработки выходного сигнала матричного фотоприемника, создаваемого движущейся частицей в режиме заданного времени экспозиции, позволяющая снизить порог чувствительности ФЭП в 2,5 раза, повысить предельную измеряемую концентрацию ФЭП в 200 раз, а также определять коэффициент формы'частиц,

3.Разработана методика определения объема проанализированной жидкости, основанная на использовании информации о координате пролета частицей измерительного объема (с целью учета профиля скоростей), позволяющая снизить,погрешность определения счетной концентрации частиц.

4.Разработан ФЭП встроенного контроля in-line типа, позволяющий снизить порог чувствительности в 2,5 раза , повысить предельную измеряемую концентрацию в 200 раз и определять коэффициент формы частиц загрязнения технологических жидкостей.

5.Предложена методика оценки погрешностей ФЭП встроенного контроля параметров дисперсной фазы на основе матричного фотоприемника.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Биргер И.А. Техническая диагностика. М.: Машиностроение, 1978. -240с, ил. -(надежность и качество).

2. Сырицин, Т.А. Надежность гидро- и пневмопривода Текст./ Т.А. Сырицин. М.: Машиностроение, 1982.216с.

3. Проников, A.C. Научные проблемы и методы повышения надежности машинТекст./А.С. Проников М.: Наука, 1986. - 320с.

4. Фролов, К.В. Проблемы надежности и ресурса изделий в машиностроении Текст./К.В. Фролов. -М.: Наука, 1986.-230с.

5. Нахапетян, Е.Г. Диагностирование машин Текст. / Е.Г. Нахапетян М.: Машиностроение, 1983.-55с.

6. Макаров, P.A. Средства технической диагностики машин Текст. / Макаров В.А. М.: Машиностроение, 1981.223с.

7. Громаковский, Д.Г. Разработка основ триботехническогообеспечения высокой долговечности узлов трения авиационной техники Текст .'Дис. докт. техн. наук. — Самара, 1990.-360с.

8. Мозгалевский, A.B. 1.Автоматический поиск неисправностей Текст./А.В. Мозгалевский, В.Д. Гаспаров, Л.П. Глазунов, В.Д. Ерастов. JL: Машиностроение, 1967. - 262с.

9. Лозовский, В.Н. Диагностика авиационных топливных и гидравлических агрегатов Текст. / В.Н Лозовский /М.: Транспорт, 1979. 296с.

10. Нагорный, В С. Устройства автоматики гидро и пневмосистем Текст.: Учебн. пособие техн. вузов. /B.C. Нагорный, A.A. Денисов М.: Высшая школа, 1991. - 367с., ил.

11. Матвеенко, A.M. Проектирование гидравлическихсистем летательных аппаратов Текст./ A.M. Матвеенко, И.И. Зверев. М.: Машиностроение, 1982. 216с.

12. Логвинов Л.М. Техническая диагностика жидкостных систем технологического оборудования по параметрам рабочей жидкости.- М.:ЦНТИ "Поиск", 1992.-91с.

13. Fitch Е.С. Fluid Contanination Control // Technology transfer Series #4,Oklahome, FFS, INC. 1988.-433p.

14. Тимиркеев Р.Г., Сапожников В.М. Промышленная чистота и тонкаяфильтрация жидкостей летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1986.-152с.

15. Хрущов, М.М. Абразивное изнашивание Текст. — М.: Наука, 1970. — 210с.

16. Никитин, Г.А. Влияние загрязненности жидкости на надежность работы гидросистем летательных аппаратов Текст. /Т.А. Никитин , C.B. Чирков М.: Транспорт, 1969. - 184с.

17. Foxboro. Technical Bulletin 2М675.

18. Крагельский, И.В. Трение и износ Текст./ И.В. Крагельский М.: Машиностроение, 1986.-480с.

19. Бербер, В.А. Обеспечение и контроль промышленной чистотыизделий авиационной техники Текст./В.А Бербер,.- Автореф. дис. на соиск. учен, степени д-ратехн. наук. Киев, 1983.

20. В. Koenitzer, С. Smith, A. Bolkhovsky and Т. Nadasdi, "Oil Cleanliness and Particle Counting, Do We Really Know What We Are Measuring?", Maintenance Technology, May 2007.

21. P.W. Michael, T.S. Wanke and M.A. McCambridge, " Additive and Base Oil Effects in Automatic Particle Counters", Journal of ASTM International, 2007, Vol. 4, No. 4, April, Paper Number JAI10094, 7 pp

22. ГОСТ P 51109-97 Промышленная чистота. Термины и определения.

23. Nakajima А.О., Yotoh К.Т. On-line particle size analyzer. Industrial and Engineering Chemistry Fundamentals, 1967, v.6, N4, p.p.587-590.

24. Мальчиков, К.Ю. Расширение динамического диапазона датчиков встроенного контроля параметров дисперсной фазы рабочей жидкостиТекст.: дис. на соиск. учен. ст. канд. тех. Наук./ Мальчиков Константин Юрьевич. Самара, 2009. —137 с.

25. Черненко Ж.С., Лагосюк Г.С., Никулинский Г.Н. и др.Гидравлические системы транспортных самолетов. — М.: Транспорт, 1975. —184с.

26. Беляев С.П., Никифорова Н.К., Смирнов В.В., Щелчков Т.Н. Оптико-электронные методы изучения аэрозолей. Текст. М.: Энергоиздат, 1981.-230с.

27. Белянин П.Н., Данилов В.М. Промышленная чистота машин. —М.: Машиностроение, 1982, 221с.

28. Иванов C.B. Прибор оперативной диагностики гидравлических систем: М.: 1985. 4с. Деп. в ВИНИТИ, N3447-85.

29. Комаров А А. Надежность гидравлических устройств самолетов. М.: Машиностроение, 1976. - 224с.

30. Надежность гидравлических систем воздушных судов/Т.М.Башта и др.; Под ред. Т.М.Башты. М.: Транспорт, 1986. - 279с.

31. Fitch Е.С. Control of hydraulic fluid contamination, (Part 1), "Hydraulics and Pneumatics", March, 1983.

32. Икрамов У. Исследование изнашивания поверхностей трения свободными абразивными частицами в условиях высокой запыленности окружающей среды Текст.: Дис. на соиск. учен, степени д-ра. техн. наук. Ташкент. 1979. 305с.

33. Fitch Е.С. Hydraulic filtration and component life correlation. "Society of automative Engineers", 1969.

34. ISO 21018-1:2003 Hydraulic fluid power Monitoring the level ofparticulate contamination of the fluid — Part 1 : General principles

35. Логвинов Л.М. Контроль чистоты рабочей жидкости гидроагрегатов и гидрофицированного технологического оборудования Текст. // Вестник СГАУ, №1. Самара: СГАУ, 2002. 82с. - с. 99-104.

36. Бобылев Л.В., Сигалов В.М., Палига В.Б. Гранулометрический контроль различными способами и методика получения сопоставимых данных Текст. //Авиационная промышленность. 1979. - №2. - с.43 - 44.

37. А.С.1104395 (СССР). G01N 15/02. Фотоэлектрическое устройстводля измерения размера и счетной концентрации частиц в потоке жидкости /Л.М.Логвинов, А.Ф.Воронов, Ю.А.Маланичев, В.А.Кузнецов.Опубл.23.07.84. Бюл.№27.

38. A.c. (СССР). G01N 15/02. Фотоэлектрическое устройство для определения размеров и счетной концентрации частиц в потоке жидкости /Н.А.Малыгин, Л.М.Логвинов, А.Ф.Воронов, В.И.Ковров, М.Н.Кудряшова. Опубл.07.06.89.-Bicm.N21.

39. Логвинов Л.М. Многоцелевые датчики встроенного контроля уровня загрязнения жидкостных систем изделий авиационной техники//Тезисы докл. на ВНТК по проблемам динамики пневмогидравлических и топливных систем летательных аппаратов. Куйбышев, 1990. с.130.

40. Лойцянский, Л.Г. Механика жидкости и газа Текст./ Л.Г. Лойцянский. М.: Наука, 1973.

41. Кудрявцев И.А., Поминов Е.И. Моделирование выходных импульсов фотоэлектрического датчика. // Депонир. Рук. ВИНИТИ №988-В97, 11с. от 27.03.97

42. ГОСТ 17216-2001 Чистота,промышленная. Классы чистотыжидкостей

43. Кудрявцев И.А. Логвинов Л.М., Поминов Е.И., Фадеев В.В. Приборы контроля чистоты рабочих жидкостей нового поколения. Сб. "Актуальные проблемы производства. Технология, организация управление", Самара, СГАУ, 1997, с. 103-104.

44. Кудрявцев И.А. Определение объема проанализированной жидкости Текст.// Депонир. Рук. ВИНИТИ №3222-В97, 11с. от 31.10.97.

45. Корнилин Д.В., Кудрявцев И.А., Воронов А.Ф., Логвинов Л.М. Определение параметров дисперсной фазы датчиком встроенного контроля гидросистем на основе КМДП-матрицы Текст. // «Приборы», № 5 . Москва: МНТО ПМ , 2010. - 67 с; с. 35-41.

46. Клименко, А.П. Методы и приборы для измерения концентрации пыли Текст./ А.П. Клименко.- М.: Химия, 1978. 208с.

47. Ларченко, В.И. Современные методы контроля концентрации аэрозолей Текст./В.И. Ларчепко , В.Л. Филиппов, Ю.П. Куренев М.:ЦНИИТЭИ, 1977. 70 с.

48. Podzimek J. Yue P.C. A note in the use of photoelectric counter for total particle counting. J.Aerosol Sei., v.13, N2, p.p.93-102, 1982.

49. Rehn. Rapid measurement of particle size distribution by use of a light scattering method. Particle size analysis, 1981, Edited by N6 Stanley-Wood and T.Allen, 1982, Wiley Heyden.

50. Ван де Хюлст Г. Рассеяние света малыми частицами Текст. М.:ИЛ, 1961. 758с.

51. Dave J.V. Scattering of electromagnetic radiation by a large,absorbing sphere. IBM Journal of Research and Development, Vol 13(3), pp. 302-313, May 1969.

52. Waterman P.C. Symmetry,unitarity, and geometry in electromagnetic scattering. Physical Review, D3, pp. 825-839, 1971.

53. Борен, К. Поглощение и рассеяние света малыми частицами Текст./ Борен К., Хафмен Д. М.:Мир, 1986.-664с.

54. Дейрменджан, Д. Рассеяние электромагнитными излучения сферическими полидисперсными частицами Текст./ Д. Дейрменджан. М.:Мир, 1971.- 261с.

55. Мак-Картни Э. Оптика атмосферы. Рассеяние света молекулами и частицами Текст.: Пер. с англ. М.: Мир, 1979. - 421с., ил.

56. Kerker М. The Scattering of Light and Other Electromagnetic Radiation. N.Y. Academic Press, 1969,-666p.

57. Umhauer H. Particle size distribution analysis by scattered light measurements using an optically defined measuring volume. J.Aerosol Sci., v.14, #6,1983.

58. Грин, X. Аэрозоли-пыли, дымы, туманыТекст./ X. Грин, В. Лейн/ Пер. с англ., Л: Химия, 1969.

59. Сорокин, Г.М. Применение прямого фотометрирования для оценки работоспособности моторных масел Текст./ Г.М. Сорокин, Б.И. Ковальский//Трение и износ, 1982, t.V, N6, с.978.

60. Шифрин, К.С. Рассеяние света в мутной среде Текст./ К.С. Шифрин М. Л.: Гостехиздат, 1951. - 276с., ил.

61. Большаков, Г.Ф. Экспресс-методы определения загрязненности нефтепродуктов Текст. / Г.Ф. Большаков, В.Ф. Тимофеев, И.И. Сибарова Под. ред. проф. Г.Ф.Большакова. Л.: Химия, 1977. - 168с., ил.

62. Desai I.N., Vaidya D.B. Particle size analysis by forward scattering. "Journal of Colloid and Interface Sciences", v.51, N3; June, 1975:

63. Barber T. A. Limitations of light blockage particle counting in the analysys of parenteral solutions. Travenol Laboratories, Inc. - 1990. Deerfield, Illinois.

64. Аксененко, М.Д. Микроэлектронные фотоприемные устройства Текст./ М.Д. Аксененко, М.Л. Бараночников, О.В. Смолин М.:Энергоатомиздат, 1984. - 208 с.

65. Быстров, Ю. А. Оптоэлектронные приборы и устройства Текст./ Ю. А. Быстрое — М.: Радио и связь, 2001. 256 с.

66. Кругер, М.Я. Справочник конструктора оптико-механическая приборов Текст./ М.Я. Кругер, В.А.Панов, В.В.Кулагин и др. Л.: Машиностроение, 706 с.

67. Lange, Н. (1995) "Comparative test of methods to determine particle size and particle size distribution in the submicron range". Particle & Particle Systems Characterization 12(3) 148-157.

68. Harrigan, K.A. (1997). Particle size analysis using automated image analysis. Cereal Foods World 42(1), p.30-35

69. Ринкевичюс Б.С. Лазерная диагностика потоков Текст. М.: Изд-во МЭИ, 1990. 287 с.

70. Raffel М., Willert С., Kompenhans J. Particle Image Velocimetry. Springer Verlag. Berlin: 1998.1. Si253 р.

71. Логвинов, JI.M. Математическая модель фотоэлектрического датчика контроля технического состояния трибосистем машин и оборудования Текст./ JIM. Логвинов, A.B. Данилов //Надежность механических систем. Самара, 1995.

72. Стемпковский, А.И. КМОП-фотодиодные СБИС Текст. / А.И. Стемпковский, В.А. Шилин // Электроника: Наука, Технология, Бизнес 2/2003. - с. 14-20.

73. Коган Л.М. Полупроводниковые светоизлучающие диоды. М.:Энергоатомиздат, 1983.

74. Иванов, B.C., Основы оптической радиометрии Текст./ B.C. Иванов,, Ю.М. Золотаревский, А.Ф.' Котюк. и др. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 544 с.

75. Королев, Ф.А. Теоретическая оптика Текст./Ф.А. Королев. М.: Высшая школа, 1966.

76. Эпштейн М.И. Измерения оптического излучения в электронике. М.:Энергоатомиздат,

77. Волков И. К., Канатников А. Н. Интегральные преобразования и операционное исчисление: Учеб. для вузов / Под ред. В. С. Зарубина, А. П. Крищенко. — 2-е изд. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. — 228 с.

78. Беклемишев Д. В. Курс аналитической геометрии и линейной ал- алгебры: Учеб. для вузов. — 10-е изд., испр. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. — 304 с.

79. Даджион, Д. Цифровая обработка многомерных сигналов Текст.: Пер. с англ. под ред. Л.П. Ярославского./Даджион Д., Мерсеро Р. М.: Мир, 1988. - 488 с.

80. Сойфер, В.А. Теоретические основы цифровой обработки изображений Текст. / В.А. Сойфер, В.В. Сергеев, С.Б. Попов, В.В. Мясников. Самара, СГАУ, 2000, 256 с.

81. Быков, С. Ф. Цифровое преобразование изображений Текст./ С. Ф Быков. — М.: Горячая Линия Телеком, 2003. - 228 с.

82. Потапов А. А. Новейшие методы обработки изображений Текст./ А. А. Потапов, А. А. Пахомов, С. А. Никитин, Ю. В. Гуляев — М.: Физматлит, 2008. — 496 с

83. Гонсалес, Р. Цифровая обработка изображений Текст./Гонсалее Р., Вудс Р. — М.: Техносфера, 2005, 2006. — 1072 с.

84. Вентцель Е.С. Теория вероятностей: Учеб. для вузов. -5-е изд. -М.: Высш. шк., 1998. —

85. ЮО.Королюк В.С Справочник по теории вероятности и математической»статистике Текст. / B.C. Королюк, Н.И. Портенко и др-М.:Наука, 1985.-640с.

86. Ю1.Кушнир Ф.В. Электрорадиоизмерения: Учеб. пособие для вузов. -Л.: Энергоатомиздат, 1983.-320 с.

87. Ю2.Галан, С.И. Теория погрешностейТекст./ С.И. Галан Самара: Самара, 2004. - 336 с. ЮЗ.Нефедов, В.И. Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах [Текст]./В.И. Нефедов - М.: Высшая школа, 2001. - 383 с.