автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Разработка и исследование автоматической системы регулирования и стабилизации температуры на основе выявленных закономерностей работы термостата

На правах рукописи

ПОТЕХИН ДМИТРИЙ СТАНИСЛАВОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ И СТАБИЛИЗАЦИИ ТЕМПЕРАТУРЫ НАОСНОВЕ ВЫЯВЛЕННЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ РАБОТЫ ТЕРМОСТАТА

Специальность 05.13.07 — автоматизация технологических процессов и производств

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ковров 1999

Работа выполнена на кафедре физики Ковровской государственной техно логической академии

Научный руководитель: кандидат технических нау к, доцент

Е.П. ТЕТЕРИН

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Б.В. НОВОСЕЛОВ кандидат технических нау к, доцент А.А.М0Л8.ФЕЕВА

Ведущее предприятие: Государственное предприятие КБ "Арма

тура"

Защита состоится 1999г. в_час. в аудитО'

рии№_на заседании специализированного совета К053.48.01. Ковровск»

государственной технологической академии по адресу: 601900, г.Ковров.ул. Мая ковского, 19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГТА.

Автореферат разослан "_"_1999 г.

Ученый секретарь специализированного совета канд. техн. нате, доцент

А. Л. СИМАКОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Контрольно-измерительные операции являются важнейшей частью технологических процессов в машино- и приборостроении. От достоверности и оперативности информации, получаемой в ходе их выполнения, в значительной степени зависит качество выпускаемой проду кции. Обеспечение этих условий (достоверности и оперативности) может быть достигнуто через минимизацию и исключение влияния на контрольно-измерительные операции различного рода дестабилизирующих факторов, при этом наиболее эффективным направлением является автоматизация этих операций.

Надежные и высокоточные измерения любых физических величин немыслимы без соблюдения определенных условий эксплу атации измерительного оборудования. таких как стабильность и точность параметров питающей сети, влажность возду ха, атмосферное давление, температура окружающей среды и отдельных узлов измерительного оборудования и т.п. По степени влияния на точность измерительных приборов температура занимает одно из первых мест.

Даже незначительное изменение температуры прибора или отдельною его у зла приводит к изменению физико-химических свойств материалов, составляющих конструкцию измерительного прибора, что в той или иной степени влияет на процессы, заложенные в основу прибора, искажает его конструктивные характеристики.

Поддержание во времени и в определенных объемах требуемой температуры приводило и приводит к созданию многочисленных вариантов конструкций систем обеспечения необходимых температурных режимов и защиты от внешних тепловых полей. Такими устройствами являются системы задания и стабилизации температуры или термостаты, использующие в своей работе разнообразные физические принципы. Кроме того, в зависимости от области применения термостатов различны и требования к величине регу лируемой температуры и к равномерности ее распределения в пределах рабочего тела. Особенно высокие требования к точности установления и стабилизации температуры предъявляются в приборах определяющих физические свойства жидких сред. Это обусловлено тем. что даже при изменении температуры жидкости всего лишь на 1 °С многие физические параметры, например, такие как сдвиговая, кинематическая и объемная вязкости, скорость и затухание ультразвуковой волны и другие характеристики могут менять свои абсолютные величины на единицы и даже десятки процентов.

Несмотря на большое разнообразие описываемых в литературе конструкций термостатов, почти все они являются САР релейного типа, главный недостаток которых - длительное время выхода на требуемый температурный режим. Это обстоятельство может являться существенным, если на работу устройства, в состав которого включен термостат, накладываются временные ограничения, например, при экспресс-анализе физических свойств жидких сред.

Из вышеизложенного следует, что задача совершенствования автомата' ческих систем регулирования и стабилизации температуры и создание высокоточного регулируемого термостата с малым временем переходного процесс; является актуальной.

Цель работы. Разработка и исследование автоматической системы регу лирования и стабилизации температуры измерительных устройств для созданш малогабаритного термостата, работающего автономно в составе измерительного комплекса, определяющего физические параметры жидких сред при различных температурах, в том числе и температурах ниже температуры среды, окружающей устройство термостабилизации.

Для достижения поставленной цели необходимо:

1. Выявить взаимосвязи между характеристиками управляющего воздействия и теплофизическими свойствами объекта теплового регу лирования.

2. Разработать конструкцию автоматической системы регулирования и стабилизации температуры.

3. Исследовать экспериментально систему автоматического регулирования и стабилизации температуры.

Научная новизна работы. На основании выявленных взаимосвязей .между характеристиками управляющего воздействия и теплофизическими свойствами объекта термостатирования разработан метод построения термостата с цифровой обработкой сигналов, при этом научная новизна работы заключается:

1. В разработке математической модели распределения тепловых полей б многослойных структурах с измененым способом задания граничных условий.

2. В обосновании способа уменьшения температурного градиента в объекте теплового регулирования путем введения экранирующих внешние тепловые пол* теплопроводных оболочек.

3. В установлении функциональной взаимосвязи между количеством теплоты. рассеивающимся в окружающую среду и распределением температуры в объекте теплового регулирования.

Практическая значимость. Практическая значимость работы состоит:

1. В разработке метода проектирования системы регу лирования и стабилизации температуры с малым временем переходного процесса.

2. В создании программного обеспечения метода моделирования тепловых полей. . . .

3. В разработке термостата, работающего автономно в составе измерительной системы для комплексного исследования физических свойств жидких сред

Реализация и внедрение результатов. Разработанные в диссертации метод, программное обеспечение и термостат, входящий в состав измерительной системы используются в научно-исследовательской работе кафедры физики Ков-ровсюй государственной технологической академии, а также в ОКБ АО "Заво; им. Дегтярева" для автоматизированного экспресс-анализа качества бензина, бен-

зино-масляных смесей, моторных масел, используемых в двухтактных двигателях внутреннего сгорания.

Апробация работы. Результаты работы по теме диссертации докладывались в периоде 1995 по 1999 гг.:

- на международных и всероссийских научно-технических конференциях, проходивших в гг. Нижний Новгород. Ковров. Севастополь;

- на научно-технических и научно-методических конференциях Ковровс-кой государственной технологической академии.

Публикации, Основное содержание диссертации представлено в 11 печатных работах, в том числе в одной статье, опубликованной в журнале, по результатам работы было подано 5 заявок на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, и зложенных на 164 страницах и иллюстрированных 50 рису нками и 2 таблицами, а также списком литературы из 116 наименований и гремя приложениями.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и основные задачи исследований.

В первой главе рассматриваются методы построения термостатов различного назначения и исполнения, анализируются их преимущества и недостатки. Исследуются различные типы термочу вствительных элементов, пригодных для использования в автоматических системах регулирования и стабилизации температуры, и производится их сравнительный анализ по техническим характеристикам. При этом предпочтение отдано резистивному термодатчику, обладающему высокостабильными и высокоточными характеристиками.

Рассматриваются различные типы тепловых насосов и анализируются области их эффективной работы. Рассмотрены особенности построения термостатов. стабилизирующих температуру жидких сред.

В резу льтате анализа известных методов построения термостатов выявлены особенности автоматических систем регулирования и стабилизации температуры, отличающие их от САР других объектов. К этим особенностям следует отнести:

- однонаправленность действия тепловых потоков (от более горячего тела к более холодному, что следу ет из второго начала термодинамики):

- существование градиента регулируемой величины в объекте регулирования:

- су щественная зависимость коэффициентов уравнений, описывающих поведение объекта теплового регулирования от величины регулиру емой температуры и от внешних условий, таких как давление, влажность, температура и др.;

- невозможность получения аналитического уравнения, достоверно описывающего поведение многослойного объекта регулирования температуры как динамического звена САР. : ,

Рассмотрены основные способы уменьшения температурного градиента и получения температур близким к температурс окружающсй среды, в том числе и пониженных температур. Установлено, что наиболее универсальным я-применяемым из них является использование многоконтурных систем стабилизации температуры релейного типа.

Изучение различных типов тепловых насосов позволило выявить всевозрастающую применяемость термобатарей Пельтье при проектировании малогабаритных термостатов. Эти термобатареи способны осуществлять реверсирование направления теплового потока изменением полярности питающего напряжения. Основными недостатками термобатареи Пельтье являются: существенная нелинейность регулировочной характеристики и ограниченный температурный диапазон.

Вторая глава посвящена модификации метода конечных элементов, моделированию с его помощью поведения тепловых полей и разработке конструкции термостата с малым температурным градиентом, а также исследованию нелинейных элементов системы автоматического регулирования и стабилизации температуры с целью нахождения их передаточной функции.

Для моделирования распределения тепловых полей методом конечных элементов термостатируемый цилиндрический объем разбивают на юнечные элементы, которые в этом случае имеют форму юльца, при этом модель является двумерной. Изменение температуры любого элементарного объема, происходящее из-за взаимодействия с соседними элементами модели температурного поля, предлагается определять по единой формуле:

где АГ0 - приращение температуры рассматриваемого элемента за время А(, при взаимодействии с г-тым элементом; / = О-г-4 - индекс, определяющий взаимное расположение элементов при теплообмене, причем индекс "О" соответствует самомурассматриваемому элементу, а остальные - внешнему, верхнему, внутреннему и нижнему по отношению к нулевому элементам соответственно; Ах -величина шага разбиения объекта на конечные элементы (для цилиндрической двумерной модели это кольца); Т. - температура /-го элемента; А/ - шаг времени моделирования, выбираемый из условия соответствия критерию Фурье; дф -количество теплоты, дополнительно сообщаемое рассматриваемому элементу завремя Лг от внешних источников тепла, при их отсутствии А() ~ 0; с0 -удельная

•еплоемкость рассматриваемого элемента; т0 - масса рассматриваемого эле-яента; АГ - коэффициент, характеризующий интенсивность теплообмена при вза-шодействии с соседним ¿-м элементом, определяется по формуле:

с0 •т0

де - площадь юнтакга с элементом (кольцом), для каждого элемента (коль-1а) рассчитывается отдельно; - приведенный коэффициент теплопроводнос-■и, находящийся по (формуле:

^ - 2 ^0 Хо

Коэффициенты Я для каждого элемента являются постоянными и вычие-1яются один раз перед основным циклом моделирования.

Для проведения моделирования поведения тепловых полей методом конечных элементов необходимо решить задачу определения величины тепловых ютоков, распространяющихся за границы модели. Традиционно величина этих [стоков задается априорно. В разработанной модификации метода конечных эле-1ентов предложено ввести в модель дополнительный слой внешней среды, на-[ример, воздуха. При этом эмпирически устанавливается толщина слоя с суще-твующим теплообменом, далее которого температура среды (воздуха) не изме-[яется благодаря естественным конвекционным процессам или принудитслыю-1у обдуву. Поэтому внешний конечный элемент не пересчитывается в связи с юстоянством его температуры.

С помощью вышеописанной модели было исследовано распределение теп-шых полей в различных по конструкции объектах теплового регулировашм. Ре-ультатом этою исследования стало выявление эффекта существенно большего меньшешш температурного градиента в объекте теплового регулирования при ведении в термостат экранирующих внешние тепловые поля теплопроводных болочек, чем при традиционном введении теплоизолирующих оболочек.

В работе исследован термоэлемент Пельтье, как передаточное звено САР. количество теплоты О, перераспределяемое им при прохождении тока/, описы-аегея формулой.

1С ДТ- разность температур на термоэлементе; 51 и I - площадь и длинна полу-роводника; А/ - временной интервал; Я - электрическое сопротивление токо-одводящих цепей.

Четыре члена справа выражают соответственно термоэлектрический теп-лонасосный эффект, дарулев нагрев полупроводника, поток тепла за счет теплопроводности и джоулев нагрев спая, которым можно пренебречь вследствие большой разницы сопротивлений полупроводника и металла. Зависимость 0(1) является полиномом второго порядка, которую можно линеаризовать передаточным звеном с различными коэффициентами для положительного и отрицательного управляющих воздействий. В данной работе предложен способ компенсации этой нелинейности на аппаратном уровне с помощью полумостового усилителя с различными питающими напряжениями.

В представляемой диссертационной работе исследовано поведение объекта регулирования совместно с регулятором (термобатареей Пельтье) путем подачи входного гармонического воздействия и регистрации получаемой при этом температуры, по этим зависимостям определялись сдвиг фаз и амплитуда выходных колебаний. Результатом этой работы явилось построение ЛАХ и ФЧХ объекта регулирования совместно с терморегулятором и схемой управления терморегулятором. По ЛАХ найдена передаточная функция:

при этом входной величиной является цифровой код, преобразуемый электронной схемой в ШИМ код, подаваемый на термобатарею, а выходной величиной является температура объекта регулирования.

В диссертационной работе исследована достоверность полученной передаточной функции и выявлены ее недостатки:

- представленная передаточная функция не учитывает особенности работы термобатареи Пельтье, а именно то, что для получения нагрева или охлаждения одной из ее обкладок температуру другой необходимо поддерживать равной температуре окружающего воздуха, чего в полной мере добиться невозможно, даже при использовании радиаторов с большой эффективной поверхностью и принудительном обдуве. Этот фактор вносит существенную нелинейность и гистерезис в реальную передаточную функцию, зависящие опт конкретных условий работы термостата:

- представленная передаточная функция получена для объекта регулирования. содержащего определенную жидкость, находящуюся в некоторых стационарных условиях. С изменением типа жидкости и внешних у словий коэффициенты этой функции меняются.

В этой связи непосредственное использование найденной передаточной функции оказывается нецелесообразным, но она дает возможность определит! максимальный коэффициент усиления САР температуры, при котором последняя остается устойчивой.

0,0078

В третьей главе рассматриваются вопросы выбора аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей, решаются вопросы сопряжения их с ПЭВМ. Выбираются цифровые корректирующие звенья, для этого устанавливается функциональная взаимосвязь между количеством теплоты, рассеивающимся в окружающую среду и распределением температуры в объекте регулирования. Исследуются характеристики термостата. Решаются вопросы организации работы управляющей программы прибора и производится выбор программного обеспечения всего измерительного комплекса.

Фу нкциональная взаимосвязь между количеством теплоты, рассеивающимся в окружающую среду, и распределением температуры в объекте теплового регулирования найдена в виде:

где <2 - количество теплоты, отдаваемое термоэлементом без учета величины теплового потока потерь; - скомпенсированное количество теплоты; К0 - нелинейный коэффициент, находящийся по формуле:

\т -т

{ <-л/

хто'|

г I оу из т

-Лто'Г-^ 1Л

Ко =]~е -А'оп,ш

где Т0 - требуемая температура; 7'лу - температура жидкости в контрольной точке; Т - температура изолятора, измеренная внешним датчиком; - минимальная величина нелинейного коэффициента, при котором общий коэффициент системы регулирования и стабилизации температуры становится близок " 1"; Кю - эмпирический коэффициент, характеризующий интенсивность теплообмена между средой, окружающей объект регулирования, и самим объектом регулирования.

Структу рная схема разработанной САР температуры представлена на рис. 1. Ее особенностями являются; ншпгчие вспомогательного термодатчика, измеряющего температуру теплоизолирующей оболочки; наличие нелинейного коэффициента, зависящего от величины теплообмена объекта регулирования с окружающей средой; наличие нелинейного звена работающего по возму щению, компенсирующего статическую ошибку; наличие 00С по ускорению изменения температуры, ранее не используемое из-за сильной зашумленности сигнала, соответствующего второй производной по времени от температурной зависимости. Последнее стало возможным благодаря вычислению производных с использованием метода наименьших квадратов.

Рис. I. Структурная схема стабилизатора температуры: Тт - температура окружающей среды; М'из(р)—передаточная функция теппоизо-лятора; передаточная функция объекта управления; - передаточная

футпсция нелинейного звена, компенсирующего статическую ошибку; К - коэффициент усиления исполнительного устройства (термоэлемента Пельтье); К1 -коэффициент усиления САР температуры; К2 - коэффициент усиления сигнала, соогветствутощего скорости изменения температуры; А'3 - кээффициеш' усиления сигнала, соответствующего ускорению изменения температуры; Кл - коэффициент усиления разности требуемой температуры и температуры границы раздела термоизолятора и окружающей среды.

V........................................................................................_................................................................................................,

Система авгомагического регулирования и стабилизации температуры, изготовленная в соответствии со структурной схемой, представленной на рисунке, обладает следующими техническими характеристиками: малое (для термостатов) время переходного процесса, находящееся в пределах 25+45 минут в зависимости от требуемой температуры и температуры окружающей среды: переходный процесс - апериодический, с величиной перерегулирования не превышающей 3%; погрешность установления температуры не более 0,1 °С, нестабильность менее 0,04 °С; неравномерность температуры в термостатируемом объеме не превышает 0,05 °С; диапазон регулирования температур 0+50 °С. Выпускаемым промышленностью термостатам релейного типа для выхода на подобную неравномерность и точность установления температуры требуется время, измеряемое часами и десятками часов.

В диссертации доказано, что реализовать автоматическую систему регулирования и стабилизации температуры, -соответствующую структурной схеме, представленной на рисунке с аналоговой формой обработки сигнала, невозможно, поэтому она реализована на базе ПЭВМ. Это потребовало разработки схем цифроаналоговых и аналого-цифровых преобразователей и блока сопряжения ПЭВМ с преобразователями, а также разработки управляющей программы, работающей в соответствии со структурной схемой, представленной на рис. 1. На рис. 2 представлен прибор для комплексного исследования физических свойств жидкостей со встроенным термостатом.

Рис. 2. Прибор для комплексного измерения физических параметров жидкостей со встроенным термостатом

В четвертой главе рассматривается влияние на точность определения физических параметров жидкостей точности поддержания температуры, а также методики определения различных физических параметров жидких сред прибором для комплексного определения физических параметров жидкостей различного назначения со встроенной автоматической системой регу лирования и стабилизации температуры.

Разработанная автоматическая система регулирования и стабилизации температуры сопряжена с акустическим датчиком типа "пьезопреобразователь-ци-линдр-поршень" в качестве автономно работающего устройства. В этом датчике информация о параметрах движения поршня в кольцевом зазоре, заполненном исследуемой жидкостью, получается при анализе доплеровского смещения частоты ультразвукового сигнала, при этом совместное решение уравнений движения поршня и уравнений действия на него статических сил позволяет определять кроме параметров ультразву ковой волны в исследу емой жидкости ее плотность, динамическую, кинематическую, объемную вязкости и др.

В диссертации исследовались зависимости физических параметров смесей индустриального масла И-20 с бензином И-92 от различных концентраци й бензина в масле при различных температурах и влияние на точность определения концентрационных зависимостей точности стабилизации температуры. Результаты этих исследований приведены в таблице. :

Таблица

Чувствительность физических параметров масло-бензиновой смеси к температурной нестабильности и ее влияние на точность измерения концентрации

Параметр Плотность, кг/.м5 Кинематическая вязкость, сСт Скорость УЗ, м/с Коэффициент поглощения УЗ, •10 17 с/см

Зависимость от температуры - 333-е-°081Т - 0,949 1176- 3,92Т 11336 *г°08Г - 686

Зависимость от концентрации 812 - ОЛк 71.6-е-0'-" + 4.25 1254 -1.46к-1-0,03 42к2 2168-е-0'0^ - 276

Знач. для И-20 при 20.0=0.1 -С 815 = 7 75.0 = 0.6 1254 = 2 2490 = 150

Погрешность, % приборная 0,6 0,6 0,14 6

Погрешность, °о при 20.0=0.1 =С 0.85 0.85 0,14 6

Погрешность. °/о при 20,0±0,5 °С 3,8 3,8 0.19 6

£г % при 20.0=0,1 °С 5 0,12 1,1 0.9

% при 20,0=0.5 -С - 0,44 1.7 0.9

На основании анализа данных, приведенных в таблице можно сделать вывод о малом влиянии температурной нестабильности при точности поддержания температуры ±0.1 °С и о существенном ухудшении точности определения физических параметров, а вместе с ними и концентрационных зависимостей при точности поддержания температуры ±0.5 °С.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данная работа посвящена разработке и исследованию автоматической системы регулирования и стабилизации температуры на основе выявленных закономерностей работы термостата, встроенного в автоматическую систему, определяющую физические параметры жидких сред. Проделанный объем работы позволяет сделать следующие выводы:

1. Предложенный способ построения математической модели распределения тепловых полей в многослойных структурах позволил исключить априорное задание граничных условий путем включения в модель части среды, окружающей термостат.

2. Выявлен эффект существенно большего у меньшения температурного градиента в объекте теплового регу лирования при введении в термостат экранирующих внешние тепловые поля теплопроводных оболочек, чем при традиционном введении теплоизолирующих оболочек.

3. Установление фу нкциональной взаимосвязи между количеством теплоты, рассеивающимся в окружающую среду, и количеством теплоты, поступающим в объект теплового регулирования, позволило прогнозировать состояние объекта теплового регу лирования на интервале времени, соизмеримом с максимальной постоянной времени и тем самым уменьшить время выхода на заданную температуру и увеличить точность ее установления.

4. Разработанный цифровой термостат с автоматическим установлением различных температур по задаваемой программе позволил автоматизировать процесс определения физических параметров жидкостей в измерительной системе измерительного комплекса, определяющего физические параметры рабочих и технологических жидкостей.

5. Экспериментально исследовано влияние точности установления температуры в контролируемой жидкости на точность определения ее физических параметров и показано, что для контроля состояния рабочих и технологических жидкостей в измерительном приборе необходимо поддержание температуры с погрешностью не более чем 0. 1°С. '

Разработанный в диссертации термостат, входящий в состав измерительной системы, измеряющей физические параметры жидкостей используется в научно-исследовательской работе кафедры физики Ковровской государственной технологической академии, а также в СКБ АО "Завод им. Дегтярева" для автома-

газированного экспресс-анализа качества бензина, бензино-масляных смесей, моторных масел, используемых в двухтактных двигателях внутреннего сгорания.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. ПОТЕХ! 1Н Д. С. Электронный термостат с диапазоном регулируемых температур 0^-50 °С // Материалы научно-технической конференции "Системы упраатения-конверсия-проблемы".-Ковров; КГТА. 1996. - С. 155.

2. ПОТЕХПНД. С\, ТАРАСОВ II. Е. Электронный термостат с цифровым управлением и его математическая модель// Тезисы докладов научно-технической и научно-методической конференции. Ковров: КГТА. 1997. - С. 77-78.

3. ТЕТЕРПНЕ. П., ТАРАСОВИ. Е., ПОТЕХПН Д. С, ЛПЖС. Ю.-Комплексный ультразвуковой метод измерения физических параметров жидкостей // Тезисы докладов II Всероссийской научно-технической конференции "Методы и средства измерений физических величин". Ч. 2.-Нижний Новгород. 1997.-С. 14.

4. ТЕТЕРПНЕ. П., ТАРАСОВП. Е, ПОТЕХПН Д. С., ЛПЖС. /О. О контроле качества топлив. масел и дру гих технологических жидкостей// Сборник трудов международной научно-технической конференции "Прогрессивные технологии машиностроения и современность". - Севастополь-Донецк, 1997. - С. 245-246.

5. ТЕТЕРПНЕ. Я, ТАРАСОВ И. Е., ПОТЕХПН Д. С, ЛПЖС: Ю. Ультразвуковая волна малой амплитуды как источник информации о качестве жидкостей различного назначения // Сборник трудов VI сессии Российского акустического общества 14-16 октября 1997 г. и Акустика на пороге 21 века. - М.: Изд. Московского государственного горного инститлта. 1997.-С. 119-123.

6. ПОТЕХПН Д. С., ТАРАСОВ II. Е. Прецизионный одноконтурный термостат на элементе Пельтье с адаптивным управлением// Материалы научно-технической конференции "Управление в технических системах". -Ковров: КГТА. 1998. -С. 74-75.

7. ТАРАСОВП. Е, ТЕТЕРПНЕ. П.,ПОТЕХПН Д. С. Транслятор языка Форгдтя защищенного режима // Материалы Международной конференции и Российской научной школы "Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий". - Москва-Ковров-Сочи. 1999.-Ч. 1. -С. 18-19.

8. ТЕТЕРПНЕ. П., ПОТЕХПН Д. С., ТАРАСОВП. Е. Применение вейвлет анализа к обработке доплеровского сигнала// Материалы научно-технической конференции "Управление в технических системах" - Ковров: КГТА 1998. - С. 74-75.

9. ТЕТЕРПНЕ. П., ПОТЕХПН Д. С., ТАРАСОВ И. Е. Применение вейвлет-анализа к обработке аку стического сигнала// Тезисы докладов 1 Всероссийской научно-технической конференции "Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве". - Нижний Новгород. 1999.-Ч. 4.-С. 9.

10. ТЕТЕРПНЕ. П., ПОТЕХПН Д. С„ ТАРАСОВ И. Е, ВОЛГИНА. В. Экспресс-анализ качества жидкостей // Химическое и нефтегазовое машиностроение. -№3.1999.-С. 21-22.

11. ПОТЕХИНД. С., ТАРАСОВ И. Е, ТЕТЕРИНЕ. II. Метод моделирования тепловых полей//Материалы Международной конференции и Российской научной школы "Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий". -Москва-Ковров-Сочи, 1999. -Ч. 1. - С. 19-20.

12. Способ комплексного определения теплофизических характеристик вещества. Заявка на изобретение. МКИ G01 № 25/18. ЛУНИНА.И., ТЕТЕРИНЕ.П., ПОТЕХИНД.С, ТАРАСОВНЕ.

13. Способ одновременного определения плотности и вязкости жидких сред. Заявка на изобретение. МКИ GO 1№ 11/10. ТЕТЕРИНЕ.П., ТАРАСОВНЕ., ПОТЕХИНД.С.

14. Способ определения плотности, вязкости и смазывающей способности жидких сред. Заявка на изобретение. МКИ G01N 11/10. ТЕТЕРИНЕ.П., ТАРАСОВ I I.E., ПОТЕХПНД. С.. № 99109901 от 5.05.99

15. Способ определения скорости ультразвука в жидких средах. Заявка на изобретение. МКИ G01 №29/02. ТЕТЕРИНЕ.П., ТАРАСОВП.Е., ПОТЕХИНД.С.. №99115956 ог 21.07.99

16. Устройство для регулирования и стабилизации температуры. Заявка на изобретение. МКИ23/19 ТЕТЕРИНЕ.II, ТАРАСОВНЕ., ПОТЕХИНД.С.. №99115948 ot21.07.99

Список основных обозначений Введение

1 Принципы построения и особенности систем регулирования температуры

1.1 Постановка задачи построения системы стабилизации 12 температуры

1.2 Конструктивно - технологические особенности 14 термостатов

1.3 Анализ методов построения систем регулирования и 20 поддержания температуры

1.4 Особенности устройств измерения температуры, 23 применяемых в системах стабилизации температуры

1.5 Выбор исполнительных элементов 33 термостабилизирующих устройств

1.6 Основные принципы построения прецизионной системы 36 регулирования температуры

Выводы

2 Моделирование тепловых процессов, 41 протекающих в термостате и определение передаточной функции объекта регулирования

2.1 Методы исследования тепловых процессов, протекающих 42 в термостате

2.2 Математическая модель многослойного термостата 55 прибора для комплексного определения физических свойств жидких сред

2.3 Выбор конструкции объекта регулирования термостата с 62 помощью математической модели

2.4 Исследование нелинейных элементов системы 68 регулирования температуры и определение их передаточной функции

Выводы

3 Разработка автоматической системы 82 регулирования температуры для прибора, определяющего физические параметры жидкостей

3.1 Выбор аналого-цифровых и цифро-аналоговых 82 преобразователей автоматической системы установления и стабилизации температуры

3.2 Синтез системы автоматического регулирования 88 температуры измерительного прибора, определяющего физические параметры жидкостей

3.3 ПЭВМ и аналого-цифровые элементы получения и 102 обработки информации о тепловых процессах, протекающих в термостате

3.4 Особенности программных средств, обеспечивающих 109 функционирование системы

Выводы

Обоснование точностных характеристик термостата

4.1 Точность определения физических параметров жидких 121 сред прибором, в состав которого входит термостат

4.2 Влияние точности установления температуры на точность 132 определения физических параметров жидкостей

Выводы

Актуальность темы

Контрольно-измерительные операции являются важнейшей частью технологических процессов в машин о и приборостроении. От достоверности и оперативности информации, получаемой в ходе их выполнения, в значительной степени зависит качество выпускаемой продукции. Обеспечение этих условий (достоверности и оперативности) может быть достигнуто через минимизацию и исключение влияния на контрольно-измерительные операции различного рода дестабилизирующих факторов, при этом наиболее эффективным направлением является автоматизация этих операций.

Надежные и высокоточные измерения любых физических величин немыслимы без соблюдения определенных условий эксплуатации измерительного оборудования, таких как, стабильность и точность параметров питающей сети, влажность воздуха, атмосферное давление, температура окружающей среды и отдельных узлов измерительного оборудования и т.п. По степени влияния на точность измерительных приборов температура занимает одно из первых мест.

Даже незначительное изменение температуры прибора или отдельного его узла приводит к изменению физико-химических свойств материалов, составляющих конструкцию измерительного прибора, что в той или иной степени влияет на процессы, заложенные в основу прибора, искажает его конструктивные параметры.

Поддержание во времени и в определенных объемах требуемой температуры приводило и приводит к созданию многочисленных вариантов конструкций систем обеспечения необходимых температурных режимов и защиты от внешних тепловых полей. Такими устройствами являются системы задания и стабилизации температуры, или термостаты, использующие в своей работе разнообразные физические принципы. Кроме того, в зависимости от области применения термостатов различны и требования к величине регулируемой температуры и к равномерности ее распределения в пределах рабочего тела.

Созданием термостабилизаторов заняты многочисленные отделы и лаборатории различных предприятий, обеспечивающие метрологические характеристики измерительных устройств различного применения.

Особенно высокие требования к точности установления и стабилизации температуры предъявляются в измерительных устройствах высокого класса точности и в приборах, определяющих физические свойства жидких сред. Это обусловлено тем, что даже при изменении температуры жидкости всего лишь на 1 °С многие физические параметры, например такие, как сдвиговая, кинематическая и объемная вязкости, скорость и затухание ультразвуковой волны и другие характеристики, могут менять свои абсолютные величины на единицы и даже десятки процентов.

Анализ литературы по системам стабилизации температуры [18, 33, 39, 74] показал, что выбор конструкции термостата целиком зависит от диапазона регулирования температуры и точности ее стабилизации, от массогабаритных показателей и условий эксплуатации. Поэтому все авторы делают упор на необходимость предварительного моделирования распределения температур, которое позволяет выбрать конструкцию термостата, способную обеспечить требуемые технические характеристики.

Методов расчета температурных полей в технической литературе описано достаточно много [28, 58, 75, 105, 106], но все они базируются на уравнении теплопроводности Фурье и законе сохранения энергии.

Но, несмотря на большое разнообразие описываемых в литературе конструкций термостатов, по типу регулирования почти все они являются САР релейного типа, главный недостаток которых -длительное время выхода на требуемый температурный режим. Это обстоятельство может являться существенным, если на работу устройства, в состав которого включен термостат, накладываются временные ограничения, например при экспресс-анализе физических свойств жидких сред.

Из вышеизложенного следует, что задача совершенствования автоматических систем регулирования и стабилизации температуры и создание высокоточного регулируемого термостата с малым временем переходного процесса является актуальной.

Цель работы

Разработка и исследование высокоточного термостата со встроенной автоматической системой регулирования и стабилизации температуры, работающего автономно в составе измерительного комплекса, определяющего физические параметры жидких сред при различных температурах, в том числе и температурах ниже температуры среды, окружающей устройство термостабилизации.

Для достижения поставленной цели необходимо:

1. Выявить взаимосвязи между характеристиками управляющего воздействия и теплофизическими свойствами объекта теплового регулирования.

2. Разработать конструкцию автоматической системы регулирования и стабилизации температуры.

3. Исследовать экспериментально систему автоматического регулирования и стабилизации температуры.

Научная новизна работы

На основании выявленных взаимосвязей между количеством теплоты, поданным в объект регулирования, температуры окружающей среды и теплофизическими свойствами объекта термостатирования разработан метод построения термостата с цифровой обработкой сигналов, при этом научная новизна работы заключается:

1. В уточнении математической модели распределения тепловых полей в многослойных структурах путем изменения способа задания граничных условий.

2. В обосновании способа уменьшения температурного градиента в объекте теплового регулирования путем введения экранирующих внешние тепловые поля теплопроводных оболочек.

3. В установлении функциональной взаимосвязи между количеством теплоты, рассеивающимся в окружающую среду и распределением температуры в объекте теплового регулирования.

Практическая значимость

Практическая значимость работы состоит:

1. В создании программного обеспечения метода моделирования тепловых полей.

2. В разработке регулируемого термостата с малым временем переходного процесса, работающего автономно в составе измерительной системы для комплексного исследования физических свойств жидких сред.

Реализация и внедрение результатов

Разработанные в диссертации метод, программное обеспечение и термостат, входящий в состав измерительной системы, используются в

Выводы

По результатам анализа зависимостей физических параметров масло-бензиновой смеси можно сделать выводы:

1. Точность поддержания температуры исследуемой жидкости оказывает существенное влияние на чувствительность и разрешающую способность по определению физических параметров жидкостей и их температурных и концентрационных зависимостей;

2. Точность определения физических параметров жидкостей в различной степени зависит от стабильности температуры. Поэтому при комплексных измерениях физических параметров жидкостей система регулирования и стабилизации температуры должна проектироваться с ориентацией на параметр, имеющий наибольшую чувствительность к изменениям температуры;

3. Так как приемлемой погрешностью поддержания температуры с точки зрения контроля за состоянием жидкостей по изменениям их физических параметров является величина »0.1 °С, то приборы для определения физических параметров жидких сред должны содержать в своем составе прецизионные термостаты с погрешностью поддержания температуры не выше указанной.