автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка технологических электротепловых преобразователей и автоматизированных средств их исследования и калибровки

РГО од

2 Ь НОЛ 'со?

На правах рукописи

Никаноров Анатолий Вадимович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОТЕПЛОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СРЕДСТВ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ И КАЛИБРОВКИ

Специальность 05.09.03 Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование Специальность 05.13.07 Автомата ¡ация технологических процессов и производств

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук

Москва 1'М7

Работа выполнена на кафедре электротехники и электроники Московского государственного университета печати.

Научный руководитель - доктор технических наук профессор

Делекторский Б. А.

Официальные оппоненты

- доктор технических наук профессор Маслов С.И.

- кандидат технических наук доцент Годунов М.В.

Ведущее предприятие

- Государственный научный центр ЦНИИ "Электроприбор"

Защита диссертации состоится " 26 " д&са&^Я_____ 1997 г. в

ауд. М-6П в JY час. £>£? мин. на заседании диссертационного Совета К.053.16.04 Московского энергетического институт (Технического университета) по адресу: Москва, Красноказарменная ул., д. 13.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направить по адресу: 111250, Москва, Е-250, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан

1997 г.

Ученый секретарь диссертационного

Совета К.053.16.04

канл.техн. наук, доцент Л

Морозов В.А.

- Я -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Совершенствование современных АСУ обусловлено быстрым развитием вычислительной техники и использованием микропроцессоров непосредственно в датчиках и исполнительных органах.

В АСУ ТП, в системах контроля и управления на автономных объектах, в устройствах учета и распределения энергоносителей широко применяются более 10 типов датчиков скорости и расхода вещества. Среди них важное место занимают электротепловые датчики, используемые для газа и реже - для чистых жидкостей.

Из известных типов электротепловых преобразователей расхода и скорости наибольшее распространение в технолог ических системах нашли анемомет-рические электротепловые преобразователи (АТП) Они выполняются в виде патрубков с рсзистнвными стержневыми термочувствительными (Т1Ю) и нагревательным (НЭ) элементами, установленными в потоке ")ти преобраюватели имеют условный диаметр прохода от 10мм до 1м и характеризуются конструктивным разнообразием в части количества и характеристик стержней.

'Ъектротепчовой датчик расхода и скорости наряду с АТП содержит блок электроники с вторичным источником питания и микропроцессором, выполняющим функции обработки информации и нелинейной обратной связи, и интерфейс.

АТП часто эксплуатируются в тяжелых условиях. При этом чувствительные элементы должны быть защищены механически и химически. При длительной эксплуатации необходимо обеспечить технологическую стабильность датчика, что требует использования максимально стабильных тепловых элементов и электронных средств и предъявляет жесткие требования по взаимозаменяемости датчиков. Датчики, обладающие вышеуказанной совокупностью признаков, названы технологическими. Технологический АТП, снабженный защитной гильзой, представляет распределенную тепловую систему и для его проектирования необходимы соответствующие математические модели

Особенностями АТП являются' относительно высокое потребление мощности (0,5..5 Вт), и, главное, нелинейность выходной характеристики, ее зависимость от двух параметров (скорости и температуры среды). Поэтому калибровку каждого АТП необходимо проводить по двум параметрам - по скорости и температуре среды с учетом их взаимосвязи. Для уменьшения трудоемкости, стоимости и повышения точности калибровка должна осуществляется в автоматическом режиме.

Калибровочное оборудование призвано обеспечить в производственных условиях оперативный контроль идентичности характеристик группы технологических АТП. Оно должно иметь минимальные габариты, высокое быстродействие, малые расходы рабочих сред. Традиционные методы калибровки и рас-ходомерные установки не могут обеспечить перечисленных требований.

АТП в силу отмеченной специфики его характеристик необходимо рассматривать в неразрывной связи с процессом и устройствами калибровки, составляющими заметную часть его стоимости.

Разработанная в диссертации калибровочная установка представляет собой автоматизированное рабочее место (АРМ) с соответствующим программным обеспечением. Электротехническим звеном средства калибровки является встроенный бесконтактный управляемый электропривод.

Указанные особенности ограничили развитие отечественных ATTI. В нашей стране АТП первого поколения без микропроцессорных средств выпускались в небольших количествах (типа ДРГ, ИРГ) и применялись в основном в лабораторных условиях. Производство современных отечественных электротепловых датчиков не налажено, но потенциальная потребность промышленности в них высока.

Зарубежные фирмы смогли преодолеть трудности в создании АТП и повысить его точность до 1 % благодаря использованию в них микропроцессоров и средств автоматической калибровки. Это поколение АТП было названо интеллектуальным. В нем в полной мере проявились уникальные качества АТП: высокая эксплуатационная стабильность для чистых сред, широкий диапазон измерения 100:1, простота конструкции. Интеллектуальные электротепловые датчики расхода в настоящее время производят более 20 зарубежных фирм: Endress+Houser, Kurz (Германия), FCI, Sierra, Omega, Platon, Brooks (США), Setaram (Франция) и др.

Однако из рекламных источников известны только характеристики и современный облик электротеплового преобразователя. Затруднения возникают при разработке конкретных промышленных образцов. На уровне используемых эффектов и типов АТП описан в работах Азимова Р.К., Азимова А., Бобровни-кова Г.Н., Короткова П.А., Кремлевского П.П., Новожилова Б.М., Сарафанова В.Г., Френкеля Б.А. и др. Авторы достаточно полно изложили физическую природу процессов в преобразователе как в едином теле, но не дали научно-технических рекомендаций для проектирования интеллектуальных технологических датчиков.

Настоящий этап анализа и разработки интеллектуального поколения отечественных электротепловых датчиков можно охарактеризовать как начальный. На нем в данной работе целесообразно рассмотреть объект исследования относительно широко как электротехническую систему, включающую связанные между собой технологический электротепловой анемометрический преобразователь, средства управления и обработки информации, а также автоматизированные средства его исследований и калибровки.

Цель работы состоит в формировании путей построения, разработке основных задач проектирования и в реализации опытных образцов стабильных и дешевых технологических интеллектуальных электротепловых датчиков расхода и скорости совместно со средствами их автоматической двухпараметриче-ской калибровки.

Коицепция работы состоит в "интеллектуализации" ЛТП, включающей: обработку исходной информации в реальном масштабе времени; цифровое регулирование и измерение с компенсацией погрешностей, автоматическую двух-параметрическую калибровку.

Для достижения поставленной цели нужно решить следующие основные задачи:

• Классифицировать АТП по признакам, нацеленным на проектирование. Детализировать конструкцию датчиков второю поколения и установить приоритетность исследований.

• Создать статические и динамические математические модели анализа ЛТП как распределенной системы различного уровня дискретизации для конкретных задач анализа и проектирования.

• Разработать и реализовать двухпараметрическую автоматическую калибровку датчика, подготовить соответствующее техническое и программное обеспечение.

• Проанализировать погрешности калибровки и установил, нуги их уменьшения.

• Разработать практические рекомендации по созданию и рациональному использованию технологических ЛТП.

• Адаптировать АРМ злектротепловых устройств и создать соответствующие методическое обеспечение для обучения специалистов и студентов.

Методы исследования: электроаналогия и тепловые схемы замещения, математическое и физическое моделирование, теория чувствительности, планирование эксперимента, приближение функций, математическая статистика, теория разностных уравнений. Использовались интегральные пакеты программ Мь сгоСар, МаИтса«!, 5»а115^са, программирование на языке Паскаль.

Научная новизна работы

• Даны рекомендации по проектированию АТП, оснащенных микропроцессорами.

• Создана распределенная математическая модель процессов в АТП с ратшчиои степенью дискретизации для соответствующих задач исследования и проектирования.

• Предложена и реализована двухпараметрическая аппроксимация нелинейной выходной характеристики АТП для микропроцессора.

• Разработаны оригинальный имитационный метод, алгоритмы и технические средства автоматической двухнараметрической калибровки датчика.

• Предложен и опробован динамический злекфотепловой датчик и ал гори 1м обработки его выходного сигнала по изменению тепловой постоянной времени.

1 фактическая ценност ь работы

• Выработаны рекомендации по построению АТП и имитационной калибровочной установки.

• Созданы программные средства для проектирования АТП и оценки погрешностей калибровки.

• Сформировано АРМ и разработан комплекс программно-аппаратных средств проведения автоматизированных исследований и калибровки АТП.

• Создана управляемая от ЭВМ электромеханическая система автоматической калибровочной установки и программно-аппаратные средства для ее управления.

• Изготовлены макеты, выполнено экспериментальное исследование датчиков и калибровочной установки, подтвердившее достоверность полученных научных результатов.

• На основе разработанных программно-технических средств создано АРМ для обучения студентов и издано соответствующее методическое пособие.

Настоящая работа выполнялась по заказу ТЕХНОАП с целью подготовки научно-технической базы автоматизированного проектирования электротепловых датчиков для аппаратуры технологического контроля, используемой в процессе непрерывной разливки стали. Использование этого датчика для контроля за расходом аргона при рафинировании стали позволит повысить качество стали и снизить объем потребления аргона. Аналогичные датчики необходимы в системах сушки и подготовки бумаги к печати в полиграфических машинах, в топливных системах автономных объектов.

На защиту выносятся

• Рекомендации по построению АТП, снабженных микропроцессорами.

• Математические модели технологического стержневого АТП, двухпа-раметрической аппроксимации его выходных характеристик.

• Способ, алгоритм и технические средства двухпараметрической имитационной калибровки АТП на основе управляемого от ЭВМ электропривода.

• Многофункциональная система прикладных программ для проектирования технологических АТП, управления, сбора и переработки информации при автоматизированном испытании и калибровке датчиков.

• Результаты экспериментальной апробации статических и динамических характеристик разработанных датчиков и технологического оборудования для их автоматизированного исследования и калибровки.

• Практические рекомендации по проектированию и эксплуатации технологических электротепловых датчиков, по разработке технологического оборудования и по улучшению их характеристик.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы: в ТНХНОАП (г. Москва) при разработке трех типов опытно-промьшшснных образцов элскгротспловых датчиков и АРМ для их автоматической калибровки; на заводе "Топаз" (г. Москва) - методика проведения имитационных испытаний, программные средства; в МГУП и МГАТУ им. К.Э. Циолковского - при создании программно-технических средств автоматизированных измерений.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на III международной конференции "Информационные технологии в печати" - Москва, 1496 г.; на 36-ой научно-технической и на XIX научно-методической конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов МГУП - Москва, 1996 г.; на ежегодной Московской студенческой научно-технической конференции "Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве" - Москва, МЭИ (ТУ), 1997 г.; на научных семинарах ТЕХН0АГ1 (г. Москва), а также на научно-методических семинарах и заседаниях кафедры электротехники и электроники МГУП.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 7 научных работ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (126 наименований), приложения и содержит 277 страниц, включая 104 рисунка и 47 таблиц.

В ходе работы над диссертацией использованы научные консультации кандидата технических наук доцента Шмелевой Г.А.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность гемы. сформулированы цель, концепция и задачи раГхлы, ишожеиы положения, выносимые на шщшу, тимпаны их научная новизна и практическая ценность.

В первой главе выполнен аналитический обзор тепловых преобразователей расхода и скорости, приведены их основные характеристики. Определено место АТП среди преобразователей других типов.

В АТП один из ТЧЭ предназначен для измерения температуры НЭ Т„, а второй - температуры среды Tt. В динамической среде происходи! охлаждение 1Г). интенсивность которого характеризуется ко)ффипмсп шм 1снлоо1длчи </ и зависит от локальной скороеiи среды v и ее 1енлофишчеекпх параметров динамического коэффициента вязкости ц, плотности р, коэффициента теплопроводности X, зависящих от температуры среды.

П> уравнения iciuionoro баланса, критериальных соотношений Нуссельта и Рсйнольдса массовый расход вешеста - Qu - (или усредненная линейная скорое I ь среды - у), ко юры й и |меряе i ЛГИ,равен.

UTJ Id1- (С-Х(ТС))"П

где Рн, S - мощность и площадь активной поверхности Ю, d - его диаметр, St - площадь поперечного сечения трубы, через которое проходит среда массой т, С и п - постоянные, ЛТ- Т„-Тс - перегрев НЭ над средой.

Электротепловой датчик определяет массовый расход (1) по изменению ЛТ при стабилизации мощности НЭ, либо по изменению Рн при поддержании с помощью обратных связей постоянного перефева ЛТ. Второй случай требует

регулирования мощности АТП, что сложнее, однако обеспечивает значительный выигрыш по постоянной времени. В том и другом случаях, как следует из (I), выходная характеристика датчика нелинейно зависит от расхода и температуры среды (через теплофизические параметры), обуславливая трудности калибровки АТП.

Для проектирования проведена классификация АТП по конструктивным признакам. Определена предпочтительная область применения АТП - малые и сверхмалые скорости газов и чистых жидкостей при широком диапазоне их изменения. Показано, что для встраиваемых технологических АТП, предназначенных для работы в тяжелых производственных условиях, наиболее рациональной конструкцией является стержневая. НЭ и ТЧЭ выполняются в виде зондов и размешаются в защитных гильзах.

Рассмотрено состояние классической теории АТП. Отмечено, что в части практических приложений существует отставание отечественных работ от зарубежных аналогов.

Для разработки технологических АТП необходима математическая модель, которая позволяла бы учитывать влияние теплофизических свойств и расположения отдельных элементов, влияние трубопровода. Этим требованиям удовлетворяют дискретно-распределенные модели на основе тепловых схем замещения.

Необходимо учесть также системные связи чувствительного элемента с микропроцессором и устройством калибровки.

Анализ возможностей традиционных способов калибровки методом сличения с образцовым расходомером и имитационным методом показал, что первый метод позволяет калибровать датчики с высокой точностью, но требует громоздкую, сложную, энергоемкую, дорогостоящую установку с длительным процессом калибровки. Для имитационной калибровки необходима либо точная математическая модель объекта, которая дня АТП отсутствует, либо специальная установка. Поэтому сделано заключение о необходимости сочетания положительных качеств общих методов: путем сличения калибровать только один датчик, используемый далее в составе специальной имитационной установки как "образцовый".

(юлмиой обьем информации при дпухпиримстричсской калибровке требует автоматизации задания температурно-скоростных режимов среды, обработки данных и выдачи калибровочных характеристик.

В соответствии с целью далее в разделе детализированы задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке математической модели процессов в АТП и рекомендациям по их проектированию.

Анализ стержневых АТП позволил установить базовые элементы конструкции (защитную гильзу, теплопровод, обмотки ТЧЭ и НЭ, внешний тепло-изолятор), а также конструктивное и тепловое сочетание стержней в датчиках разного назначения. Таким образом появилась возможность унифицировать ма-

тсматичсскую модель дли отельных осржнсй да1,шка, а общую модель формировать по модульному принципу и) отдельных блоков с учетом тепловых связей стержней.

Так как теплоотдача с внешней поверхности определяет основные особенности и характеристики датчика, приведена ее математическая модель, основанная па эмпирических соопюшсниях раГми Мпхсена М А , Мнхиспой ИМ. Кутателадзе С.С. и др. Расчетный анализ зависимостей коэффициентов теплоотдачи для воздуха и воды при различных скоростях и температурах среды для одною Ш ратработшых сюржнспою Л ГИ покаиш, чн> мпффициенг кчинкм-дачи для воздуха уменьшается (на 10.. 15%), а для воды - увеличивается (более заметно, на 30..45 %) при увеличении температуры среды от 10 до 80°С.

Строгое математическое описание тепловых процессов в А ГЦ, содержащем элементы из материалов с различными 1ендофншческими парамсфами, представлено системой п дифференциальных уравнении сенлонередачи в частных производных со взаимосвязанными геометрическими, начальными Т,(0) и граничными условиями:

= -^-У2Т, + ^ (2)

с^ ' с(.р!

где V2 - оператор Лапласа. В общем случае Я.,, с„ р, для 1 -го тела и поверхностная плотность теплового потока цп, распределены в пространстве и зависят от времени I и температуры Т.

Известный аналитический подход к расчету АТП основан на упрощении дифференциальных уравнений (2) и рассмотрении его как единого изотропного тела в однородной по свойствам среде. При использовании этого метода выявлены общие закономерности, предельные диапазоны выходных сигналов, рациональные диапазоны измерения скоростей, требования к размерам датчика При стабилизации мощности НЭ Рн выражения для выходного сигнала по перегреву ДТ, максимальному диапазону измерения бЛТчакс (от нулевой скорости до максимальной Ума„с) и чувствительности датчика по скорости соответственно приведены к виду:

ЛТ

Р в v"

ГМ с- AT- 1 Dtl V МП КС

S-(Buv"+a„)

Sf =______________О,

S-(a„ + вц • v" )2 v1 "

где коэффициенты a„ и в„ зависят от теплофизических свойств среды, диаметра и высоты стержня.

Анализ (3) показал, что при увеличении скорости v уменьшается информационный сигнал по ЛТ и чувствительность датчика, что ограничивает верхний предел v,*,»;. При уменьшении диаметра стержня увеличивается уровень выходного сигнала и на малых скоростях наблюдается перегрев АТП (до

I30..220°C), но максимальный диапазон бЛТммс и чувствительность при прочих равных условиях снижаются. Уменьшение высоты стержня приводит к росту сигнала и чувствительности, но ограничено ростом теплорассеяния в элементы крепления датчика. Аналогичные результаты получены и для режима поддержания постоянного перегрева. Причем кратности изменения информационных сигналов одинаковы.

Однако результаты аналитического расчета не позволяют выработать конкретные рекомендации для конструирования АТП.

Применение распределенных тепловых схем замещения позволяет детально исследовать характеристики АТП, взаимное влияние отдельных элементов, а также моделировать их поведение в составе калибровочной установки.

Реализация тепловых схем возможна при следующих допущениях: АТП представляет собой систему анизотропных тел, сосредоточенные тепловые со-npoi пиления которых нс зависят от теплового потока, коэффшшенты теплопроводности постоянны, тепловые сопротивления в движущуюся среду зависят от температуры и скорости среды. При дискретизации модели и выделении анизотропных участков сформирована нерегулярная двумерная сетка с переменным шагом. При этом заданы температура окружающей среды и закон теплообмена между АТП и средой.

Для расчета теплового поля внутри АТП по дискретной модели приведены зависимости тепловых сопротивлений отдельных элементов АТП. На основе уравнений теплового баланса всех тел получено математическое описание АТП, задающее связь температур тел T¡ с тепловыми потоками Qn. Модель представляет собой систему п дифференциальных уравнений вида:

с, = QTl(t.T)-T1ZGTlJ(t,T)+Í;TJGTiJ(l,T) (4)

j*i j*¡

Упрощенная модель с 3 базовыми телами предназначена для анализа основных соотношений в АТП: для подбора материалов элементов, размеров, для определения диапазонов изменения выходных параметров, для оценки теплового потока рассеяния в конструкции, для обоснованного ограничения варьируемых параметров в детальной модели (число тел разбиения 30..70), используемой при проектировании.

На рис. 1 показаны расчетная и экспериментальная зависимости разности сопротивлений двух ТЧЭ типичного АТГ1 от скорости среды при поддержании постоянной мощности. Выполнена оценка влияния теплофизических свойств отдельных элементов датчика, их геометрических размеров, взаимного расположения на выходную характеристику и динамические свойства. Для указанных выше оценок достигнутая точность технически достаточна.

Проведено моделирование работы датчика с импульсным нагревом, АТП которого наиболее прост. Моделирование динамических режимов осуществлялось на динамической RC-сеточиой модели. У такого датчика возможно непо-

- И -

1 I 5

Скорость V |м/с(

1'ис. I

средственное измерение эквивалентной постоянной времени т. При этом коэффициент теплоотдачи среды а, по которому мотут быть определены скорость и расход, равен: ш с

а -

т-Б

где т, с - эквивалентные масса и теплоемкость АТП. Для указанного АТП найдены параметры импульсов нагрева. Расчетный анализ процессов в импульсном датчике приведен на рис.2. После окончания импульса с мощностью нагрева (Рн=10Вт) длительностью 9с с периодом следования 180с снимались несколько точек кривой охлаждения Тн(1), и по ним 1'ис.2

рассчитывалась эквивалентная постоянная времени. При этом (рис.1) экспериментальные зависимости постоянной времени и разбаланса сопротивлений, характеризующие изменение коэффициента теплоотдачи от скорости, близки.

В результате сформулированы рекомендации по проектированию АТП разного назначения. По разработанным программам проведено проектирование двух- и трехстержневых датчиков для газа и водовоздушной смеси. Предложена и реализована двухпараметрическая аппроксимация нелинейной выходной характеристики АТП для микропроцессора.

В третьей главе разработаны имитационный метод и средства автоматической двухпараметрической калибровки датчика, сформированы алгоритмы управления.

АРМ для калибровки АТП (рис. 3), содержит [7]: калибровочную установку с управляемым электроприводом; блок сопряжения ПЭВМ с устройством регулирования привода; образцовые датчики расхода и температуры; контроллер; модуль связи, преобразователь "токовая петля -118232"; пульт для калибровки электронных плат АТП; программную систему автоматизированного управления приводом, сбора и обработки информации; ПЭВМ.

Разработанная калибровочная установка (рис. 4) обеспечивает одинаковые температурно-скоростные условия для образцового и партии рабочих АТП, размешенных в ней, стабилизацию дискретных скоростей, формирование алгоритма, задание требуемых диапазонов изменения скорости и температуры среды и их одновременное измерение. Калибровочная установка представляет собой герметичный цилиндрический корпус 1, в котором расположен электродвигатель 2. Вал электродвигателя сопряжен с профилированными лопастями мешалки 3, которые перемещают среду с заданной скоростью. Лопасти образуют кольцевую полость 5, в которой установлены АТП 4. Требуемая средняя скорость среды относительно поверхности АТП определяет габариты установки и частоту вращения привода.

Электропривод должен обеспечить необходимый для калибровочной установки диапазон по скорости среды путем регулирования частоты вращения по программе и иметь высокую стабильность на промежуточных дискретных частотах. В результате анализа приводов выбран синхронный управляемый электропривод. В качестве электромеханического преобразователя могут быть использованы электродвигатели с постоянными магнитами, гистереэисные [1,2] и т.п., которые в управляемом приводе имеют примерно одинаковые характеристики. На основе такого привода удалось обеспечить в калибровочной установке диапазон линейных скоростей среды в зоне установки АТП 0,2..9 м/с. Это соответствует требуемому диапазону линейных скоростей для воды и диапазону наибольшей чувствительности для газа. Достигнутый диапазон варьируемых температур 5,.80°С.

С помощью установки происходит автоматическая калибровка по образцовому АТП партии рабочих АТП того же типа, находящихся в одинаковых условиях с образцовым.

Контроллер преобразует выходные сигналы датчиков в цифровые и передает их на ПЭВМ. Контроллер имеет в своем составе микропроцессор и штаты счетчиков. Пульт калибровки электронных плат является узлом связи платы электроники с контроллером и блоком управления привода.

Процесс калибровки предполагает несколько этапов. На первом этапе тарируют один из датчиков как "образцовый" по скорости среды V при постоянной температуре Т„ на стационарной испытательной установке (методом сличения). Выходная характеристика Ио=Г(у) аппроксимируется статистически полиномом по методу наименьших квадратов:

Гиг 4

Коэффициенты полинома и„(\',,) и 1смиср<иуру среды <лносн| и масиор! образцового АТГ1.

На втором этапе производят тарировку калибровочной установки. С помощью "образцового" АТП, размешенного в ней, устанавливают зависимость реальной линейной скорости м, среды от частоты вращения £1 ротора для той же температуры среды Т,„ что и на первом этапе.

Далее в имитаторе устанавливают другую температуру Г,, и корректируют полином "образцового" датчика, учитывая Т,. И рабочем диапазоне скоростей

среды и температуры получают выходную характеристику "образцового" датчика Vo^UcTc) в виде:

vo=A0+A 1 uo+ A2Tc+A.iu02+A)ii<)Tc+AjTc2+... (6)

На заключительном этапе производят калибровку рабочих датчиков методом сличения с "образцовым". При этом для каждого момента времени определяют разность показаний рабочего и образцового датчиков, которую аппроксимируют корректирующим полиномом, имеющим, в общем случае, меньшие степень и коэффициенты (В0, Bj, Bj...), чем в (6). Таким образом уменьшается методическая погрешность. В результате выходная характеристика рабочего датчика v=f(u,Tt) состоит из базовой зависимости "образцового" (6) и корректирующего полиномов в виде:

v=Ao+Aiu+ А2Тс+АУ+А,иТс+А5Тс2+...+ (7)

B(|+B|U+ B2Tc+BiU2+...

Степень и суммарные коэффициенты полинома (7) заносятся в паспорт рабочего датчика.

Суть предложенного алгоритма управления и измерения в АРМ при калибровке состоит в следующем:

• скорость среды изменяется в требуемом диапазоне путем вариации частоты вращения привода непрерывно по синусоидальному закону, либо дискретно с интервалом tm со стабилизацией на каждой промежуточной скорости (данные экспериментальных исследований приведены на рис.5).

• Из-за потерь в двигателе и механических потерь трения происходит повышение температуры среды. Для формирования массива точек с равномерным распределением температур и повышения точности аппроксимации по температуре за полное время калибровки t, задают несколько периодов изменения скорости.

• При калибровке формируют двумерные массивы данных для образцового и каждого рабочего датчика AT(v,,T„), где ДТ выходной параметр датчика, s - номер (s=l ..г), r=ti/to,i - количество измерений, t^, - время опроса датчиков, v, - скорость, Т» - температура среды при s-ом измерении.

• Построение статических характеристик датчиков производится путем выборки из общего массива данных частной совокупности точек, которые соот-nctciiiyu.il усшнопиншсмуси процессу ко нрсмсни и» каждой ич скоростей при tv>tBKnv+ (3,.5)-т», где teici, - момент времени перехода от одного значения скорости к другому, г, - тепловая постоянная времени датчика на данной скорости.

• Далее производится аппроксимация выходной характеристики каждого из датчиков.

Основные требования к циклу испытаний, следующие. Для обеспечения необходимых диапазонов по скорости и температуре производился цикл испытаний с одним - тремя периодами изменения скорости привода. Время дискре-

Гис. 5

'газации I,,, должно быть достаточным для установления тепловою состояния датчика, т е. еде т - тепловая постоянная времени датчика Иремя дискре-

тизации реально составляв! 1..5 мин для режима управления с постоянной мощностью. Мри испытании датчика в режиме стабилизации перегрева это время можс1 быть снижено до 0,01 ..0,5 мин.

Количество дискретных скоростей определяется необходимой точностью аппроксимации и временем полного цикла испытания /(ля воздуха па основании экспериментов было выбрано время одного цикла изменения скорости до 1,5 часов с количеством дискретных скоростей 15 ..30

Использование принципов теории планирования эксперимента для выбора количества и продолжительности циклов испытаний, количества дискретных скоростей и времени дискретизации шнволило сократи, обьем и время экспериментальных исследований.

Предложенный алгоритм обработки информации состоит из оперативной обработки в реальном масштабе времени и детальной статистической обработки по результатам проведенных испытаний. На основании полученных данных формируются статические и динамические характеристики и создастся протокол испытания АТП.

Погрешность двухпараметрической калибровки рабочего датчика практически не зависит от характера движения среды в калибровочной установке, поскольку ею характеристики снимаются одновременно с образцовым датчиком в одних и тех же условиях. Погрешность калибровки рабочего датчика при этом складывается в основном из погрешности образцового датчика 5(щ-0,3..1%, погрешности установки 5у=0,22%, погрешности аппроксимации 8а=0,1%, дополнительной статической погрешности от нестабильности мощности Ю 5,,-0,2%

-16В работе показано, что погрешность аппроксимации можно значительно снизить (до 0,025%) при разбиении данных на два поддиапазона.

Достаточно большой круг динамических погрешностей может быть минимизирован алгоритмическим путем на стадии обработки экспериментальных данных. Для этого в программное обеспечение калибровки включена статистическая обработка данных. Суммарная среднеквадратическая погрешность калибровки составляет 0,54..1,13 %.

В четвертой главе приведены результаты исследования разработанных датчиков и программно-технического обеспечения их калибровки.

Разработаны и изготовлены макетные образцы 3 типов АТП [4, 6] (табл.1,): двухстержневого, трехстержневого - опытные партии по 25 шт. и малогабаритного на основе кварцевого ТЧЭ (Б*, [с/м] - средняя чувствительность по отношению к максимальному изменению выходного сигнала в диапазоне 0..1м/с в воздухе). Выполнен анализ динамического датчика для имитации теп-лосьема с горячего слитка. При разработке АТП определены основные размеры и проведен расчет характеристик датчика по разработанной модели. При формировании ТЗ на блок 'шыароники раечстно определены дишшюны изменения по сопротивлениям ТЧЭ и мощности НЭ в зависимости от требуемого диапазона по расходу.

Таблица I

АТП Двухстержневой Трехстержневой кварцевый

Размеры, длина х диаметр мм ТЧЭ1 50 х 06 72 х 06 40 х 03

НЭ совмещен 72x06 совмещен

ТЧЭ2 72x06 72x06 40x03

Сопротивление, Ом ТЧЭ 100 100 -

НЭ 51 112 13

Мощность НЭ, Вт 0,5 0,5 0,35

Скорость, м/с вода воздух Выходной сигнал 0,05.. 5 0,05.5 -

0 5..55 0.5..55 0,5.,30

1:7

Чувствительность 0,64 0,57 0,52

Постоянная вода времени, с воздух 5..15 6..20 -

30.50 40..70 15..25

Разработанный трехстержневой АТП (рис.6), содержит: I- секции обмотки НЭ, 2 - медный каркас обмотки НЭ, 3 - капсулу с ТЧЭ, 4 - защитный кожух из нержавеющей стали, 5 - основание.

Для обеспечения автоматизированной калибровки подготовлено программное обеспечение [6,7], блок-схема которого приведена на (рис.7). Часть программы, отвечающая за обеспечение эксперимента, работает в реальном времени. По его результатам производится детальная статистическая обработка полученных данных.

1 2

--------------

а 4 5

1'ис.6

Основным элементом калибровочной установки, определяющим се качества, является электропривод. 11естаГ>илыюст1» чненны нр,пиемия привода при нарушениях питания, особенно при малых частотах, приводит к вариациям скорости среды во времени, что уменьшает точность калибровки датчиков. Программная система анализа характеристик синхронных двигателей при аномальном питании [1,2] позволила определить требования к калибровочной установке (по диапазону частоты вращения, точности ее поддержания, по уровню потерь и т.п.), что позволило снизить погрешности калибровки.

Эксперименты подтвердили выводы разд. 2 и 3.

1. Выходные характеристики АТП в диапазоне 20..80°С зависят от температуры среды: до 5% для воздуха и более заметно до 20% для воды.

2. Максимальное изменение выходного сигнала в воздухе происходит в диапазоне скорости от 0 до I м/с. В таком диапазоне ЛТП имеют наибольшую чувствительность 0,52..0,64 с/м (см. табл.1). При изменении скорости до 4 м/с

-с

Программное обеспечение автоматизированного эксперимента

{Управление ] контроллером |

инициализация обмена данными (порт, скорость ___обмена, период опроса датчиков)_____

подключение измерительных каналов

^Уравление приводом

ч:

Опрос датчиков

-сЕ

полуавтоматическое - с операторского места

автоматическое - по заданному алгоритму

непрерывный - до останова по команде

программный - заданное количество циклов

^Обработка] 1 Данных |

[Сервисные] | Функции]

н:

в реальном времени

фильтрация сбоев

осреднение результатов

запись результатов в файл

по

результатам испытаний

С

отображение результатов на мониторе выделение поддиапазонов по заданным

____ условиям____

одно- и двух параметрическая ___полиномиальная аппроксимация__

__контекстнозависимая помощь____

быстрая индивидуальная настройка программы

редактирование текстового протокола испытании одновременно с проведением измерений__

/'не. 7

чувствительность уменьшается в 2,5 раза, а при у=9 м/с - в 6 раз. Относительная чувствительность по температуре при работе датчика в воде составляет 0,25

%/°С.

3. Увеличение мощности НЭ с 0,5 до 1 Вт приводит к росту выходного сигнала на 20..30 % в диапазоне скоростей 0..4 м/с. При тгом из-за увеличения рассеяния уменьшается кратность изменения информационного сигнала (с 2,83 до 1,93 в диапазоне 0..2 м/с). Снижение мощности НЭ ограничено возможностью измерения с требуемой точност ью перегрева Д Г.

4. Выполнение НЭ и ТЧЭ в виде обмоток на теплопроводных каркасах позволяет получить наилучшие теплофизические характеристики датчика. При выполнении НЭ по стандартной технологии изготовления ТЧЭ в керамической капсуле существенно упрощается процесс изготовления, снижается стоимость датчика при проигрыше по чувствительности АТП всего на 10 .15 %.

5. Сопоставление расчетных и экспериментальных статических и динамических характеристик разработанных АТП показало их близость (рис.1). Основная причина расхождений экспериментальных и расчетных данных (до 20 % в диапазоне скоростей 0,5..4 м/с) связана с погрешностями известных эмпирических зависимостей для тепловых чисел подобия и теплофизических характеристик материалов, использованных при расчетах.

При построении динамических характеристик для каждой из скоростей необходим полный объем экспериментальных данных ДТ(0, Тс(0. Исследования динамических характеристик показали следующее:

1. Для определения постоянной времени датчика опытные данные целесообразно аппроксимировать экспоненциальной зависимостью типа.

2. При незначительном снижении точности характеристика технологического датчика может быть представлена одной экспоненциальной составляющей

3. При включении и отключении НЭ в неподвижной воде постоянные времени в 5,5..6,5 раз меньше, чем в воздухе.

4. В режиме постоянной мощности постоянные времени существенно зависят от скорости среды: для разработанных АТП в режиме постоянной мощности при увеличении скорости воздуха от 0 до 8м/с снижаются с 65 до 18 с (рис. I), а при увеличении скорости воды до 1м/с - с 20 до 6 с.

5. Конструктивный путь уменьшения постоянных времени датчика связан с совмещением НЭ и его ТЧЭ в одном стержне, что реализовано в двухстержне-вом датчике (снижение на 20 %), или с уменьшением габаритов датчика - в датчике с кварцевым ТЧЭ (в 2..2,5 меньше). Уменьшение габаритов датчика при сохранении мощности НЭ (0,5 Вт) приводит к увеличению выходного сигнала по разности температур: в спокойном воздухе перегрев датчика с кварцевым ТЧЭ - 66,5°С, вместо Ю..12°С в двух- трехстержневых датчиках. Это позволяет снизить мощность НЭ в 1,5..2 раза.

- 196. Показана возможность измерения скорости среды (коэффициента теплоотдачи а) путем измерения тепловой постоянной времени т АТП (рис. 1). Относительные коэффициенты теплоотдачи а = РДЛТ - Б), рассчитанные по тепловым постоянным времени (5) и по перегреву датчика, в диапазоне скоростей 1..9 м/с отличаются не более, чем на 15%. Таким образом скорость может быть определена по постоянным времени, что было реализовано в динамическом датчике испарительного теплосъема.

Проведенные исследования подтвердили работоспособность разработанных программно-технических средств автоматизированного эксперимента и оперативной обработки опытных данных, соответствие характеристик созданных датчиков расчетным. Намечены пути совершенствования методики имитационных испытаний.

Разработанные методика и калибровочная установка могут бьпъ использованы для цехового контроля.

На основе разработанного исследовательского АРМ была создана его модификация для учебных целей [3,5].

Трех стержне вой АТП был использован в качестве детектора орошения для контроля работоспособности системы водо-воздушного охлаждения в устройстве непрерывной разливки стали. Он поставляется ТЕХНОАП в составе системы "Измерительная Затравка".

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Проанализирован современный уровень практического и теоретического состояния стержневых анемометрических электротепловых преобразователей расхода и скорости среды и намечены основные пути исследований и разработки отечественных технологических интеллектуальных термоанемометров. Даны рекомендации по проектированию.

2. Разработана дискретно-распределенная математическая модель статических и динамических процессов стержневого электротеплового преобразователя расхода и скорости среды, программная система автоматизированного проектирования АТП и с ее помощью оптимизированы конструкции.

3. Разработаны и изготовлены опытные образцы технологических интеллектуальных электротепловых датчиков.

4. Разработаны имитационный способ калибровки стержневых электротепловых преобразователей, технологическая малогабаритная электромеханическая установка для калибровки, алгоритмы и программно-аппаратное обеспечение в соответствии с двухпараметрической корреляционной зависимостью выходной характеристики.

5. Выполнен анализ погрешностей калибровки, установлен их долевой состав в основной погрешности датчика и намечены пути их снижения.

6. Сформировано и реализовано на практике АРМ.для исследования и калибровки датчика, испытаны образцы датчиков; продемонстрирована работо-

способность созданных средств; подтвержден уровень расчетных характеристик; обоснован вывод о целесообразности промышленного использования разработанного датчика и способа его калибровки.

7. Разработанные программно-технические средства адаптированы для обучения. Создано учебное АРМ с методическим обеспечением, программной системой расчета статических и динамических процессов, "электронным" описанием практических работ, которое позволяет интенсифицировать процесс обучения при подготовке специалистов по автоматизации измерений, по электротехническим и теплотехническим дисциплинам, по электроприводу.

8. Основные результаты работы использованы предприятиями, а также в учебном процессе, что подтверждается актами о внедрении.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Останин С.Ю., Шмелева Г.А., Никаноров A.B. Программа расчета характеристик гистерезисных электрических машин при несимметричном питании. // Электротехника - 1995 - № II - с. 9-11.

2. Останин С.Ю., Шмелева Г.А., Никаноров A.B. Программа расчета характеристик гистерезисных электрических машин при несинусоидальном питании. // Электротехника - 1995 - № 12 - с. 2-4.

3. Никаноров A.B., Никаноров В.Б., Шмелева Г.А. Автоматизированное рабочее место студента для проведения расчетно-экспсриментальных и учебно-исследовательских работ по электротехнике. // Учебное пособие. -М.: Изд-во МГАП "Мир книги" - 1996 - 140 с.

4. Делекторский Б.А., Никаноров А.В Технологический тепловой анемометр для локальных АСУ. // Сборник тезисов докладов. 36-я научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. М. 1996 - с.47.

5. Никаноров A.B. Автоматизированное рабочее место студента для проведения учебно-исследовательских и лабораторных работ по электротехническим дисциплинам. // Тезисы докладов XIX научно-методической конференции профессорско-преподавательского состава МГА11 "Содержание подготовки специалистов в условиях многоуровневого образования", Ч.2/М. Издательство МГАП "Мир книги"-1996-с.5-6.

6. Делекторский Б.А., Никаноров A.B. Интеллектуальные тепловые датчики для локальных АСУ.// Тезисы докладов III международной конференции "Информационные технологии в печати" / М. - Издательство МГАП "Мир печати"-1996

7. Никаноров A.B., Делекторский Б.А. Автоматизированная калибровочная установка для технологических датчиков с электромеханическим приводом. // Тезисы докладов ежегодной Московской студенческой научно-технической конференции "Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве" / М. -МЭИ(ТУ)-1997-C.I23.

Печ. я. /¿5" _Тираж /?0(£>_Заказ J^Jj

Типография МЭИ. Красноказарменная,'13.'