автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Построение оптических пирометрических систем измерения температуры лопаток ротора ГТД
Автореферат диссертации по теме "Построение оптических пирометрических систем измерения температуры лопаток ротора ГТД"
г-г. ОЛ
V ^ о
- ъ -
На правах рукописи
УРЛЗБАХТИН Рустем Нурович
ПОСТРОЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ПИРОМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ЛОПАТОК РОТОРА ГТД
Специальность 05.11.16. — информационно-измерительные системы
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой стсиспи кандидата технических паук
УФА 1997
Работа выполнена на кафедре "Теоретические основы электротехники" Уфимского государственного авиационного технического университета.
Научный руководитель - кандидат технических наук, профессор
Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор
Г.Н. ЗВЕРЕВ,
кандидат технических наук, старший научный сотрудник Ю.И. ЗАЯНЧКОВСКИЙ
Ведущее предприятие - Уфимское научно-производственное предприятие "Молния".
Защита состоится "_"_ 1997 г. в_часов на заседании
диссертационного совета Д - 063.17.02 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, г. Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета.
Автореферат разослан "_"_1997 г.
С.Т. КУСИМОВ
диссертационного совета
канд. техн. наук, доцент
Ученый секретарь
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Одним из основных параметров ГТД, определяющих его удельную силу тяги и расход топлива, является температура газа перед турбиной. Б; максимальное значение ограничено термопрочностью лопаток турбины, поэтому необходим контроль теплового состояния рабочих лопаток, осуществление которого возможно бесконтактными средствами термометрии.
На этапе эксплуатации информационно-измерительных систем (ИИС) для измерения температуры рабочих лопаток с использованием оптических пирометрических преобразователей (01111) выявлен ряд их существенных недостатков, а именно: низкая метрологическая надежность Ol III из-за изменения коэффициентов пропускания промежуточной среды, оптической системы и помех, вызванных наличием сажевых частиц в потоке газа.
Современным решением проблемы является построение оптических пирометрических систем (ОПС), использующих информационную и временную избыточрюсть и включающих в свой состав пирометр спектрального отношения.
Для оценки эффективности применения ОПС измерения температуры рабочих лопаток необходимы предварительные исследования метрологических характеристик (MX) ОПП и измерительных каналов (ИК), созданных на их основе, в реальных условиях эксплуатации. Это связано также с назначением обоснованных требовшшй к величине инструментальной погрешности ОПП.
Практический интерес представляет определение потенциально достижимой точности оценки температуры лопаток ротора турбины и сопоставление ее с требуемой для подтверждения требований к точности измерения температуры и выбора функциональной и технической структуры ОПС. Погрешность результата измерений'с вероятностью 0.95 не должна превышать 3-5 К.
Вопросам использования методов оптической пирометрии для измерения температуры технических объектов посвящены работы отечественных (Гордов А.Н., Жагулло О.М., Свет Д.Я., Поскачей A.A., Чарихов JI.A., Кумунжиев К.В., Парфенов Г.Б., Лебедев В.А.) и зарубежных (Curwen K.R., Small L.L., Masom R.A., Guenard R.N., Atkinson W.H., Dunphy J.R., Stange W.A.) ученых. Эта работы направлены, в основном, на совершенствование бесконтактных методов измерения температуры и повышение метрологической надежности ОПП, а также решению проблем схемотехнической реализации.
Однако, до сих пор отсутствует эффективное сочетание достижений в области разработки ОПП с современными методами и средствами обработки сигналов, реализовать которое позволит системотехнический подход к проектированию ОПС. Это, в частности, обусловлено отсутствием образцовых средств измерений, позволяющих оценить MX ОПС в реальных условиях эксплуатации.
Перспективным подходом, создающим основу для принятия конструктор-
г
ских и схемотехнических решений на этапе проектирования, является вычислительный эксперимент, для проведения которого требуется создание проблемно-ориентированной программной системы, включающей средства планирования эксперимента, имитационные и аналитические модели физических процессов в объекте и измерительных преобразователях, банк алгоритмов вторичной обработки информации, средства статистического анализа результатов проектирования и их отображения.
Для решения проблемы автоматизации исследований необходимо разработать модели лопаток ротора ГТД как источника излучения с имитацией реальных условий функционирования в составе ГТД, а также промежуточной среды излучения, отражающие характер изменения ее физических свойств при изменении условий эксплуатации.
В связи с вышеизложенным, тема диссертационной работы, посвященной созданию моделей и средств информационной обработки для построения оптических пирометрических систем измерения температуры лопаток ротора ГТД, является актуальной.
Целью диссертационной работы является разработка моделей и средств информационной обработки для построения оптической пирометрической системы, обеспечивающей максимальную вероятность оценки теплового состояния лопаток ротора ГТД с заданной допустимой погрешностью.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
1) разработка математических моделей лопаток ротора ГТД как источника излучения и среды распространения излучения, отражающих условия функционирования и эксплуатации ГТД, для использования в составе математического и программного обеспечения для анализа МХ ОПП и ИК ОПС на их основе;
2) разработка алгоритмов оценки параметров выходного сигнала ОПП для построения ИК, предназначенных для оценок средней и среднемаксималькой температур рабочих лопаток на основе монохроматических и полихроматических ОПП;
3) разработка функциональной структуры ОПС, включающей ИК для оценок средней и среднемаксимальной температур рабочих лопаток и обеспечивающей требуемое качество функционирования ИК при различных условиях эксплуатации;
4) разработка математического и прикладного программного обеспечения для анализа МХ ОПП и РЖ ОПС на их основе, содержащего средства планирования и обработки результатов экспериментов;
5) исследование чувствительности метрологических характеристик ОПП к вариациям конструктивных факторов для обоснованного назначения требований к ним;
6) оценка проектной эффективности функционирования ИК ОПС методом статистического моделирования.
Методы исследования. В процессе решения сформулированных задач использовались методы информационно-статистической теории измерений, теории оптимального оценивания, теории графов, теории случайных процессов, корреляционного и статистического анализа, математического моделирования и теории планирования эксперимента.
Научная новизна результатов заключается в следующем:
1) разработана модель излучающей поверхности лопаток ротора ГТД, позволяющая имитировать ее пространственно-временные характеристики в реальных условиях работы;
2) разработана модель промежуточной среды на основе марковских процессов, позволяющая имитировать помехи в измерительном канале;
3) разработаны алгоритмы оценки параметров сигнала ОГШ на основе статистического и корреляционного анализа сигналов с использованием алгоритмических измерительных преобразований;
4) разработан алгоритм составления временной диаграммы работы информационно-измерительной системы на основе временной приоритетной сети Петри, новизна которого заключается в минимизации путей реализации функциональных задач;
5) разработана функциональная структура ОПС с двухуровневой обработкой с использованием системного подхода к посгроению ИИС;
6) обоснованы требования к точности задания конструктивных параметров монохроматического и полихроматического ОПП;
7) оценена проектная эффективность функционирования разработанных ИК ОПС различного целевого назначения.
Практическая ценность полученных результатов заключается:
1) в разработанных имитационных моделях лопаток ротора ГТД как объекта излучения, промежуточной среды, ОПП и ИК ОПС;
2) в разработанных алгоритмах для оценки частоты, среднего и средне-максимального значения выходного сигнала ОПП и их программной реализации;
3) в разработанном алгоритме контроля параметрического отказа ОПП, обусловленного изменением коэффициента пропускания оптической системы, состоящим из алгоритма оценки погрешности измерений и алгоритма принятия решений о состоянии ИК;
4) в разработанной функциональной структуре ОПС на основе информационной и временной избыточности;
5) в разработанном программном обеспечении для анализа метрологических характеристик ИК ОПС (свидетельство об официальной регистрации про-
граммы для ЭВМ № 950116);
6) в разработанном программном обеспечения для составления временной диаграммы работы ИИС (свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 940948);
7) в полученных зависимостях метрологических характеристик ОПП от конструктивных факторов;
8) в полученных оценках эффективности функционирования и области работоспособности Ж ОПС.
Реализация результатов работы. Результаты работы в виде методики и программного обеспечения для автоматизации проектирования ИИС на основе ОПП для контроля теплового состояния лопаток ротора ГТД внедрены в УНПП "Молния".
На защиту выносятся:
1) имитационные модели промежуточной среды и лопаток ротора ГТД как источника излучения;
2) функциональная структура ОПС на основе использования информационной и временной избыточности с двухуровневой обработкой информации;
3) алгоритмы оценки параметров выходного сигнала ОПП;
4) результаты экспериментальных исследований.
Апробация работы: О'снозные положения и результаты докладывались и обсуждались на ряде научно-технических конференций, в том числе: на Всероссийской молодежной научно-технической конференции "Информационные и кибернетические системы управления и их элементы" (Уфа, 1995г.), на VII Всероссийской научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Крым, 1995г.), на 2-й Межотраслевой научно-технической конференции "Совершенствование методов и средств стендовых испытаний" (Лыткарино, 1995г.), на VII[ Всероссийской научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобраюватели информации систем измерения, контроля и управления" (Крым, 1996т.), на П1 Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления" (Таганрог, 1996г.).
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 9 печатных работах, го которых 2 статьи, 5 тезисов докладов, 2 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 167 листах машинописного текста, 32 страниц иллюстративно-табличного материала и списка использованных источников из 110 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе рассмотрены проблемы оценки теплового состояния лопаток ротора турбины ГТД.
Рассмотрены роль и место контроля и регулирования температуры лопаток ротора в системе автоматического управления ГТД. Проведен анализ ОПП как средства измерения температуры лопаток ротора ГТД, установлены источники и определен характер погрешностей измерения. Сигнал на выходе ОПП представлен пространственно-временной разверткой визируемою температурного поля в виде суммы независимых составляющих
U(t) = m + 9(А0 ,га л ,t) + n(t) + ц(0 + n(t), где m - среднее на интервале наблюдения значение сигнала; 9(A0,con,t)- центрированная гармоническая составляющая сигнала; r](t) - случайная составляющая сигнала, носящая нестационарный характер и обусловленная импульсными помехами; p(t) - медленно меняющаяся составляющая сигнала, обусловленная изменением параметров ОПП; n(t) - случайная составляющая сигнала, обусловленная гауссовскими шумами измерительных преобразователей.
Рассмотрено информационное содержание сигнала ОГГП, показано, что на основе оценок его параметров, помимо ИК для оценки средней и среднемакси-мальной температуры лопаток, возможно создание ИК для оценки теплопере-пада на лопатках ротора турбины, ИК для контроля работы камеры сгорания и ИК для измерения частоты вращения ротора высокого давления.
Проанализированы алгоритмические методы повышения точности оценок параметров сигнала ОПП, рассмотрены аспекты применения информационного и временного резервирования, показана необходимость двухуровневой обработки информации. Обоснована целесообразность использования жесткой временной диаграммы работы ОПС и необходимость автоматизации ее составления.
Показана необходимость создания программных средств для проведения вычислительного эксперимента в целях получения оценки MX ОГГС.
Рассмотрены проблемы оценки качества ОПС в реальных условиях эксплуатации, сформирован интегральный показатель качества в мультипликативной форме, каждая компонента которого определяется по соотношению
км
m^L)-SPj PKi rC,Yj3fC),
И
где £;г;сп - предельно допустимое значение показателя с,,, Y*CK - вектор технических параметров варианта проекта ОПС, Y3KC - вектор параметров, характеризующих условия эксплуатации ОПС, М - количество эксплуатационных факго-
б
ров, к - количество уровней варьирования фактора, Pj - вероятность нахождения ОПС в .¡-х условиях эксплуатации Тэкс = ¥рКС.
В заключении сформулированы цель и задачи диссертационной работы.
Вторая глава посвящена разработке математических моделей и вопросам организации программной системы для анализа МХ ОПС.
На основании анализа предметной области разработана концептуальная модель одноканальной ОПС и проведена ее стратификация для определения состава элементарных моделей. На рис.1 приведена структура модели ОПС, где обозначено: МТО - модель температурного поля объекта излучения, ТМО - топологическая модель объекта излучения; МДО - модель движения объекта излучения, МСОИ- модель состояния объекта излучения, МЭИИ - модель экранирующих источников излучения; МСРИ - модель среды распространения излучения, МОС - модель оптической системы, МФ- модель фотодиода, МУ - модель усилителя, МП- модель аналого-цифрового преобразователя.
Рис 1. С: ¡'Ук 1 ур:» модели ОПС
Разработана функциональная структура программной системы для анализа МХ ОПС: определен состав функциональных задач и информационные связи между ними. Для программной реализации модели ОПС выбран агрегатный способ организации квазипараллелизма, при котором все элементарные модели представлены агрегатами.
Проведено планирование вычислительного эксперимента, имитирующего изменение температуры лопаток ротора на бесфорсажных режимах работы ГТД при включенной системе охлаждения в зависимости от расхода топлива в диапазоне "малый газ" - максимальный режим, полного давления и температуры на входе в двигатель.
Модель объекта излучения построена на основе расчета пространственного расположения центра пятна визирования на лопатках ротора турбины двигателя относительно объектива оптической системы при вращении ротора турби-
п /
ны с определенной скоростью и температуры лопатки в центре пятна визирования.
Выходными параметрами модели, необходимыми для моделирования выходного сигнала ОПП, приняты: Ь - расстояние от поверхности лопатки до оптического центра линзы, е - угол между нормалью к поверхности излучения и главной оптической осью линзы, Т - температура поверхности источника излучения в центре пятна визирования.
Модель имеет ряд настраиваемых параметров для представления относительного пространственною расположения двух ОПП на корпусе двигателя, представления пространственного расположения лопаток турбины ГТД и ОПП, установленного на корпусе двигателя, описания геометрических размеров лопатки и поля распределения температур по поверхности лопатки.
Модель среды распространения излучения разработана в виде агрегата и моделирует процессы сажеобразования, движения и излучения сажевых частиц в промежуточной среде, а также поглощение излучения газовой средой в соответствии с законом Бутера-Бера, определяемое полнотой сгорания топлива.
Процесс сажеобразования описан многомерным марковским процессом, заданным матрицей переходных вероятностей Р={ру} (ц=1,п), определяющей состояние среды распространения излучения количеством п сажевых частиц в газоном потоке перед объективом ОПП. Для каждой сажевой частицы определяются: текущая скорость движения как сумма средней тангенциальной составляющей скорости газового потока и нормально распределенной случайной составляющей, обусловленной его турбулентностью; время, за которое произойдет перемещение частицы перед объективом на величину, равную диаметру окружности с площадью пятна визирования; площадь проекции сажевой частицы на фокальную плоскость. Выходными параметрами модели являются коэффициент экранирования потока частицами и спектральный коэффициент пропускания среды.
Третья глава посвящена построению функциональной структуры ОПС.
Произведен анализ трансформации статистических характеристик выходного сигнала ОПП, апостериорная плотность распределения вероятности (АПРВ) которого является композицией трех случайных величин, а при действии помех- четырех случайных величин, являющихся компонентами выходного сигнала ОПП:
Га(Х/1)= 7 [ 11-2 (2)^ (у - 2)СЬ][ ] ^ (г)^ ((х - у) - /)с1г]с!у,
-со —оо —00
где - функция плотности распределения вероятности (ФП) постоянной
составляющей сигнала; Г2(х2) - ФП гармонической составляющей сигнала; Г3(х3) - ФП нормальных шумов измерения; Г4(х4)-ФП аномальных шумов из-
мерения.
С учетом вероятностного характера появления аномальных помех на интервале наблюдения и в соответствии с моделью засорения выборки
f (X/1) = P(H0)fB(X /1) + [1 - P(H0)]fa(X /1), где Р(Н0)- вероятность отсутствия аномальной помехи на интервале наблюдения, установлено, что при изменении амплитуды аномальных помех и величины засорения выборки происходит изменение характера закона распределения от симметричного двухмодального до ассимметричного одномодального (рис.2), вследствие сложности аналитического представления АПРВ совместное оценивание параметров выходного сигнала ОПП сочтено нецелесообразным.
0.8 1.0 1.2 1.4 1 б 1.8 2.0 m
Рис.2. Апостериорная-плотность распределения выходного сигнала ОПП при различных засорениях выборки: 1 - Р(Но)=1.0; 2 - Р(Но)=0,8; 3 - Р(Н9)=0.6; 4 -Р(Но)=0.4; 5 - Р(Н0)=0.2; 6 - Р(Но)=0.
Для упрощения задачи синтеза алгоритмов оценки предложено использовать измерительные алгоритмические преобразования выходного сигнала ОПП, позволяющие разделить сигнал ОПП на компоненты и произвести независимую от других оценку параметров, в том числе:
для оценки среднего значения аномальных шумов, необходимого при коррекции среднего значения выходного сигнала ОПП - вычисление разностного сигнала
у,(1,т) = х(0-х(К> = [Г1(1)-Т1(М)]+[П(1)-П(1-Т)]> который при достаточно большом т, кратном периоду следования лопаток, является разностью двух значений некоррелированных случайных величин Л(1)+п(1);
для измерения частоты следования лопаток - преобразование вида
где N - количество дискретных отсчетов на интервале наблюдения, Ль интервал квантования, к - количество полупериодов на интервале наблюдения;
для опенки амплитуды первой гармоники - смещение сигнала на текущее значение его средней величины
у2(0 = х(1)- А, где А - оценка среднего значения сигнала ОПП.
Показано, что первичной по отношению к другим является задача оценки частоты следования лопаток. На основании марковской модели поведения ИК ОПС при действии помех, установлена взаимосвязь между требуемой средне-квадратической погрешностью измерения о^, кратностью временного резервирования Б, вероятностью отсутствия помех Р(Н0) и объемом выборки Ы:
о? 2/3
а также количество цензурируемых отсчетов при обработке избыточной информации.
Показано, что несмещенная оценка среднего значения выходного сигнала ОПП может быть получена путем адаптивной коррекции его выборочного среднего на величину среднего значения амплитуды аномальных помех на каждом интервале оценивания. Получены алгоритмы оценки среднего значения амплитуды аномальных помех, состоящие из алгоритмического измерительного преобразования выходного сигнала ОПП для выделения помеховых составляющих и последующей идентификации параметра распределения аномальной помехи по многомерной выборке из преобразованного сигнала по критерию максимального правдоподобия
4Ш2
А
ч Г,
N, , \( N
ду-^К,!) -«V
где <;, - дискретные значения разностных сигналов.
Исследованы свойства алгоритмов оценки среднего значения амплитуды аномальной помехи. Показано, что оценка с требуемым качеством может быть произведена по алгоритму, синтезированному без учета нормальных помех ♦ 1 ^
Ал = — при использовании которого погрешность аппроксимации не
N¡=1
превышает среднего квадратического отклонения нормальной погрешности измерения.
Определены структура и параметры алгоритма для оценки среднемакси-мального значения сигнала ОПП как суммы среднего значения и амплитуды гармонической составляющей, оценка которой получена как байесовская для сигнала известной формы.
Синтсзироваяы*решаюшне правила для оценки частоты следования лопаток и амплитуды гармонической составляющей сигнала на основе корреляционного анализа выходного сигнала ОПП:
г ^
. 1
(О = —
т
я - агссоБ
1-
9 + 4
Вх(2.)-Вх(4т)
Вх(т)-Вх(2т)
А =
Вх(2т)-Вх(т)
2с05^(шт) — С05((0") — 1
где т - интервал корреляции; Вх - ковариационная функция сигнала.
Показано, что получение эффективных оценок параметров ОПП на основе корреляционных методов возможно только с использованием предварительной фильтрации сигнала. Полученные оценки являются смещенными и погрешность, обусловленная смещением, носит систематический характер и корректируется при градуировке измерительного канала.
Показано, что несмещенная оценка среднего значения сигнала ОПП может быть также получена путем коррекции выборочного среднего тх по алгоритму
т= т* -
В„(т)-
■ ^ А2 ««(сот)
Рассмотрена комплексна оценка параметров сигнала для парирования метрологических отказов ЙК на основе нелинейного оптимально-инвариантного преобразования, использующего информационную и временную избыточность. Установлен порядок трансверсального фильтра, реализующего комплексную оценку параметров сигналов ОПП. Разработан алгоритм контроля параметрического отказа ОПП из-за изменения коэффициента пропускания оптической системы, состоящий из алгоритма оценки погрешности измерений и алгоритма принятия решения о состоянии Ж.
На основе разработанного математического обеспечения для создания ИК ОПС построены два альтернативных варианта функциональной структуры ОПС, приведенные на рис.3, где обозначено: ФА1 - функциональная задача (ФЗ) ввода измерительной информации с ¿-го ОПП (1=1..4), Ф01 - ФЗ оценки частоты о> гармонической составляющей сигнала ОПП &(А,юД), Ф02 - ФЗ оценки среднего значения ш сигнала ОПП, ФОЗ - ФЗ оценки амплитуды А гармонической со-
ставлякнцей сигнала 3(Л,ю,1:), Ф04 - ФЗ вычисления отношения средних значений сигналов ОПП, Ф05 - ФЗ контроля тренда ц(1), ФОб - ФЗ комплексной оценки частоты со, Ф07 - ФЗ комплексной оцешси средней температуры, Ф08 -ФЗ комплексной оценки среднемаксимальной температуры, ФЮ - ФЗ коррекции данных, полученных после выполнения ФСМ (¿==2..4).
Рис.3. Функциональная структура ОПС при использовании: а) статистических методов для получения оценок параметров сигнала ОПП, б) корреляционных методов для получения оценок параметров сигнала ОПП.
Разработан алгоритм составления оптимальной временной диаграммы для управления техническими ресурсами ОПС на основе временной приоритетной сета Петри.
В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований: проверка адекватности модели объекту; анализ чувствительности ОПП к конструктивным- факторам и оценка эффективности функционирования ИК ОПС различного целевого назначения.
Проведена проверка адекватности модели ОПП по результатам статистического анализа градуировочных характеристик монохроматического и полихроматического ОПП в диапазоне температур от 1000 до 1300 К в соответствии с критерием Фишера. Принято решение об адекватности датчика ОПП-94 и модели ОПП, имеющей соответствующую настройку параметров. Определены относительные отклонения откликов моделей и ОПП. Показано, что установленная область адекватности позволяет использовать модели ОПП в качестве имитаторов первичных преобразователей в составе ИК ОПС.
Исследовано влияние конструктивных факторов на MX ОПП методом планирования эксперимента. Получена зависимость систематической инструментальной погрешности монохроматического и полихроматического ОПП от конструктивных факторов. Установлено, что чувствительность монохроматического ОПП ниже, чем полихроматического, по всем исследуемым факторам, а также определены требования к точности их задания в процентном отклонении от номинального значения, в том числе:
угловое расстояние между осью симметрии ротора турбины и местом установки ОПП на корпусе двигателя - 7.7% для монохроматического и 1.8% для полихроматического ОПП;
расстояние от торца световода до окна фотодиода - 13.5% для монохроматического и 6.9% для полихроматического;
расстояние от оптического центра линзы до торца световода - 9.6%. для монохроматического и 3.0 % для полихроматического;
максимум спектральной чувствительности Si-фотодиода - 4.9% для монохроматического и 2.6 % для полихроматического;
максимум спектральной чувствительности Ge-фотодиода - 5.3% для полихроматического .
На основании полученных регрессионных зависимостей погрешности ОПП определены относительные и абсолютные максимальные значения систематической инструментальной погрешности при наиболее неблагоприятном сочетании факторов.
Проведен анализ качества функционирования ИК ОПС при воздействии эксплуатационных факторов, характеризуемых параметрами марковского процесса изменения состояния ИК. Получены показатели точности ИК ОПС в виде вероятности нахождения погрешности ИК в допустимых пределах, которые в соответствии с требованиями технического задания были приняты равными: 0.25% от верхнего предела диапазона измерений для оценки средней и средне-максимальной температуры лопаток, 0.2% от верхнего предела диапазона измерений для оценки частоты вращения ротора турбины высокого давления, значения которых для сочетания факторов на границе требуемой области работоспо-
собности с установленными экспертным путем равновероятными условиями эксплуатации (рис.4) приведены в таблице.
Рис.4. Граница области работоспособности ИК.
Р2 - ЛС Р3 * ЭКС Р4Ж Р! А ЭГС рб 1 ЭКС Р7 1 экс Р8,«с Р*« рю г ЭКС
ИК1 0.9003 0.9293 0.9462 0 9350 0.9738 0.9644 0.9713 0.9862 0.9913 0.9982 0 9593
ИК2 0.9771 0.9753 0.9742 0.9656 0.9687 0.9609 0.9450 0.9383 0.9333 0.9230 09563
шсз 0.9949 0.9940 0.9837 0.9811 0.9768 0.9798 0.9605 0.9542 0.9404 0.9339 0.9699
1ЖТг л 0.5016 0.9116 0.9390 0.945! 0.9543 0.9531 0.9697 0.9739 0.9746 0 9793 0.9507
Показатели эффективности ИК ОПС составили: Р=0.959 для ИК оценки частоты вращения ротора турбины (ИК1); Р=0.956 для ИК оценки средней температуры лопаток на основе монохроматического ОПП (ИК2); Р=0.970 для ИК оценки средней температуры лопаток на основе полихроматического ОПП (ИКЗ); Р=0.951 для ИК оценки среднемаксимальной температуры лопаток (ИК4), что подтверждает требуемое качество функционирования соответствующих ИК во всей исследуемой области параметров, характеризующих условия эксплуатации.
Сравнительный анализ измерительных каналов для оценки средней температуры показал, что вероятность метрологического отказа ИК на основе полихроматического ОПП меньше, чем ИК на основе монохроматического ОПП в 1.5 раза. Показано, что наиболее неблагоприятные условия эксплуатации ИК
для оценки среднемаксимальной температуры лопаток и ИК для оценки частоты вращения ротора турбины ГТД соответствуют воздействию на оптический канал одиночных импульсных помех, ИК для оценки средней температуры лопаток - пачек помех.
Проведение эксперимента для исследования .влияния конструктивных факторов на МХ ОПП и качества функционирования ИК ОПС при воздействии эксплуатационных факторов было осуществлено при помощи пакета прикладных программ, включающего модели объектовой, измерительной и вьгеисли-тельной частей ОПС, а также позволяющего исследовать метрологические характеристики ОПП и ИК ОПС.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
1. Разработаны математические модели лопаток ротора ГТД как источника излучения, среды распространения излучения, оптической системы и измерительных преобразователей измерительных каналов ОПС, используемые в составе математического и программного обеспечения для анализа метрологических характеристик измерительных каналов оптической пирометрической системы.
2. Разработаны алгоритмы получения оптимальных оценок параметров выходного сигнала ОПП, используемые в составе измерительных каналов для оценки средней и среднемаксимальной температуры лопаток и частоты вращения ротора ГТД на основе монохроматических и полихроматических ОПП.
3. Разработаны альтернативные функциональные структуры ОПС для каждого метода оценки параметров сигнала ОПП на основе системного подхода к построению ИИС с двухуровневой обработкой информации, использующей информационную и временную избыточности. Разработан алгоритм составления временной диаграммы работа функциональных узлов ОПС для обеспечения решения ее функциональных задач в реальном масштабе времени.
4. Создан и внедрен пакет прикладных программ для анализа метрологических характеристик ИК ОПС в реальных условиях эксплуатации на основе вычислительного эксперимента, содержащий программные средства планирования и обработки результатов эксперимента.
5. Проведено исследование чувствительности метрологических характеристик монохроматического и полихроматического ОПП к вариациям конструктивных факторов, на основании которого обоснованы требования к точности их задания при производстве ОПП.
6. Анализ эффективности ИК ОПС в реальных условиях эксплуатации подтвердил целесообразность, техническую возможность реализации и эффективность разработанных алгоритмов оценки параметров сигналов ОПП, а также
функциональной структуры ОПС. Показано, что на границе требуемой области работоспособности ОПС вероятность того, что погрешность ИК не превысит заданный допуск, составит: Р= 0.9563 для ИК оценки среднего значения температуры при использовании монохроматического ОПП и Р=0.9699 при использовании полихроматического пирометра при допуске 5=±0.25% от верхнего предела (4 К); Р= 0.9593 для ИК оценки частоты вращения ротора ГТД при допуске 5=±0.2% от верхнего предела; Р= 0.9507 для ИК оценки среднемаксимального значения температуры при использовании монохроматического ОПП при допуске 5=±0.25% от верхнего предела (4 К).
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ N940428. Система автоматизированного проектирования технической структуры измерительно-вычислительных комплексов / Уразбахтин Р.Н. -N940327; Зарегистрир. в Реестре программ для ЭВМ 03.10.94.
2. Уразбахтин Р.Н. Анализ чувствительности пирометра спектрального отношения к закопченности оптики средствами САПР // Информационные и кибернетические системы управления и их элементы: Тез. докл. Всероссийской молодежной научно-технической конференции. -Уфа, 1995.-С.185-186.
3. Уразбахтин Р.Н. Методы к средства исследования метрологических характеристик оптико-пирометрических систем // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления: Тез. докл. УП Всероссийской научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов. -Крым, 1995.-С.563-564.
4. Уразбахтина Л.Б., Уразбахтин Р.Н. Средства исследования метрологических характеристик оптико-пирометрических систем // Совершенствование методов и средств стендовых испытаний: Тез. докл. П Межотраслевой научно-технической конференции. -Лыткарино, 1995.-С.82-83.
5. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ N950116. Программная система для автоматизации проектирования измерительно-вычислительных комплексов на основе оптических пирометрических преобразователей "МХ-ОПС'У Уразбахтин Р.Н., Уразбахтина Л.Б. -N950026; Зарегистрир. в Реестре программ для ЭВМ 27.03.95.
6. Уразбахтин Р.Н., Уразбахтина Л.Б. Автоматизированное проектирование управляющего автомата измерительно-вычислительного комплекса // Теория и проектирование систем автоматического управления и их элементов: Межвузовский научный сборник. -Уфа: УГАТУ, 1996.-С.149-153.
7. Уразбахтин Р.Н. Моделирование каналов передачи информации в оптико-пирометрических системах // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления: Тез. докл. VII Всероссийской научно-
технической конференции с участием зарубежных специалистов. -Крым, 1996. -С.205-206.
8. Уразбахтина Л.Б., Уразбахтин Р.Н. Критерии и методы оценки качества информационной системы робототехнических комплексов И Интеллектуальные автономные системы: Международное научное издание. Уфа, Карлсруэ, 1996.-С.431-433.
9. Уразбахтин Р.Н. САПР измерительных каналов оптических пирометрических систем на основе полихроматических пирометров // Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления: Тез. докл. Ш Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов. -Таганрог, 1996.-С.216-217.
-
Похожие работы
- Создание авиационного промышленного оптического пирометрического преобразователя
- Автоматизированная система вибродиагностики автоколебаний компрессора авиационного газотурбинного двигателя
- Автоматизированная система контроля углов установки лопаток в лопаточных решетках ГТД
- Повышение надежности ГТД на основе компьютерных технологий проектирования и вибродиагностики повреждений лопаток методом эквивалентных масс
- Разработка методов и средств лазерного контроля геометрии лопаток газотурбинных двигателей
-
- Приборы и методы измерения по видам измерений
- Приборы и методы измерения времени
- Приборы навигации
- Приборы и методы измерения тепловых величин
- Приборы и методы измерения электрических и магнитных величин
- Акустические приборы и системы
- Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы
- Радиоизмерительные приборы
- Электронно-оптические и ионно-оптические аналитические и структурно-аналитические приборы
- Приборы и методы для измерения ионизирующих излучений и рентгеновские приборы
- Хроматография и хроматографические приборы
- Электрохимические приборы
- Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий
- Технология приборостроения
- Метрология и метрологическое обеспечение
- Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)
- Приборы, системы и изделия медицинского назначения
- Приборы и методы преобразования изображений и звука