автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Ультразвуковой измеритель малых расходов жидкости

Pi 5 Ой

КАЗАНСКИЙ Г0СЩРСТВЕНШ1 ШНИЧНСШ УНИВЕРСИТЕТ твли А.Н.ТУПШЕЗА

На правах рукописи

g34ímmcs- алексей тесршевич

УМ 681.321.8 ШгЕРАЗВШВСЙ ИЗМЕРИШЬ ШЫХ РАСУОДШ' ЩПКОСШ

05.13.05 - йюыакн я усорозсзва гнтажааяьиоз

теяшгсг îï систем управленкя:

Автореферат диссертации на ссискаше утаной степени кандидата зехшпзских наук

Казань - 1993

Работа вшголшна во всероссийском наутаочасскедоватеяьскои институте расходоыезрш (ВНИИР).

Научзщй руководитель - заслуненпый изобретатель РС5СР,

заолудзшкгй деятель науж. и тэзошки РТ, доктор технических наук, профзссор В.А..Ференец

'Официальные оппонента: доктор техническая наук,

профессор Взрдапкоз В.В.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Сафиы А.Г.

Ведущее хгоэдариякае - Казанское научнси-пропззодси*в2Ш2сз

ойъзданокис "КедТ&зщибор"

Зашита состоится "_" СооиЗ 1993г. в__часов на засздшвж

спеш!ализирошнпого Совета К 063,43.05 Казанского государетЕЗшо--Х'О технического университета ям.иН.Туполева по адресу: 420ТХГ, Казань, ул. КЛ.'зркса, 10.

С диссертацией шино оенакошться в библиотеке Казанского государственного технического унжзректата.

Автореферат разослал " 12." ВэЗг«.

Учзный секретарь скэцнали зяроЕашого Совета, кандидат технических наук,

Д оиопт Г1у1/ В.А.Коздсз

I ' / /-""

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРНОШКА. РАБОТЫ

Актуальность. Повышение требований к топливной экономичности, эксасгпчности и эффективности использования автотранспорта привело к необходимости создания средств измерения расхода топлива на борту автомобиля. Применение их позволяет осуществлять контроль и учет потребляемого топлива щи стендовых и дорозшых испытаниях, диагностировании и регулировке двигателей, марзрутнсм нормировании, а такне в процессе эксплуатация.

Широкое распрострашние в настоящее время подучили механические объемные преобразователи расхода топлива, обеспечивающие удовлетворительную точность измерения на расходах, характерных дяя грузовых автомобилей. Однако наличие у механикеских преобразователей зоны нулевой чувствительности в области малых расходов обуславливает увеличение погрешности из;.ярения при их работе на легксшх автомобилях, а критичность к загрязнению и засмолению топлива сникает их эксшсуатаздоннуга надежность.

Существенное улучшение характеристик"преобразователей малых расходов возможно на основе бесконтактных (немзханическлх)методов измерения расхода.. Наиболее перспективным представляется ультразвуковой метод, основанный на геометрическом сумшрозании скоростей ультразвуковой есден и потока. Основным недостатком существующих ультразвуковых расходомероз (УЗ?) является наличие адпитав-ной то'!£пературной погрешности (дрейфа нуля), вызванной в оснозком иеидентичдсстко характеристик иьезоэлементов в рабочем диапазоне температур. "Еакая погрешность соизмерим? с никнкл пределом измерения расхода топлива на автомобиле, что не позволяет применять известные схеш УВР без введения дополнительных гэр. Ter,5 не менее, потенциальное преимущество ультразвукозого :,гатода измерения расхода по сравнении с кэханячесними определяет актуальность разработки и исследований ультразвукового измерителя расхода ягдкое-12 с ориентацией на повнлзэкиз точности иэшрения малых расходов.

Дель работы состоит в создании измерителя i'-алых расходов аг-кссти, пригодного для измерения расхода топлива на борту легковых автомобилей и сбл?"2ищего позыпзкныки Фушсционалъно-эксплуатапн-ошшиа я произЕодстЕешо-тежслогичесгша характеристиками по сразненза с существующими устройствами аналогичного назначения.

Задача научного исследования заключается в разработке и исследовании путей повышения точности измерения шлих рас^доз гшдкос-

та ультразвуковым методом. Задача решается в следующих .налравле-г!пях:

анализ особенностей ультразвукового метода измерения при рабо-. г.:е на низкоскоростных потоках;

разработка мероприятий по уменьшении аддитивной температурной погрешности УЗР;

разработка мероприятий по уменьшению зависимости результата измерения от флук^уаций влияющих физических величин и фазовой структура потока;

определение оптимальных конструктивных параметров узлов ^ЗР; разработка специализированного метрологического обеспечения; создание и внедрение, экспериментального образца расходомера.

" Методы гсследованкя. Теоретическое исследование проведено с применением математического анализа, теории вероятностей и тате-¡.'аглческиП статистики. Результата экспериментальных исследований обработаны с использованием методов математической статистики.

Научная новизна. 'Выявлены факторы, затрудняющие реализацию ультразвукового метода измерения на малых расходах. Произведена оценка дрейфа нуля существующих схем УЗР'. Выведена формула для определения порога реагирования ГОР с одновременным зондированием акустического канала (каналов) по потоку и против потока.

Предложен способ исключения дрс-йфа нуля УЗР путем использования моноканальной схеш с модуляцией потока. Спределены составляющие погрешности измерения, связанные с реверсированием потока.

Разработана математическая модель синхроксдьца УЗР как частного вида частотного измерительного преобразователя. Введено обобщенное представление управляющих сигналов в шде полярно симметричных функций, обеспечивающих уменьшение влияния флуктуирующих физических параметров на результат измерения. Получена зависимость погрешности измерения от вида функций я интенсивности флук-туаций. ■ .

Разработан алгоритм замены недостоверной игайормалди о расход© при нарушении фазовой однородности потока. Определена погрешность измерения в случае единичных сбоев информации. Спре делена градировочная характеристика монокакального УЗР с реверсированием потока , на основе которой виявяенн фактора, определяю ие сановную и дополнительную составляйте погрешности расходомера.

£кя метрологического обеспечения УЗР эдложен вариант ожш

передачи размера единицы объемного расхода яядкости работал средствам измерений на базе труболоршневих генераторов расхода (ТГР). разработан ряд алгоритмов синтеза сигнала управления электроприводом ТТР, обеспечлващих нестационарное воспроизведение расхода лддкости с цельэ повышения производительности поверочных операций.

Практическая ценность. Разработали электрическая схема и конструкция моноканального УЗР с модуляцией (реверсированием) потока, обеспечивающего измерение малых расходов жидкости, в частяости, расхода топлива на борту автомобиля. Для трубопроводов больного сечения и открытых каналов лредао;ззна схема преобразователя расхода с вращением нзлучазде-приег.шой пары пьезоэлемзнтов. Приведены схеш синтеза управлящих сигналов для частотных v^p. разработаны технические решения задачи обеспечения надзянсй работы ^3? при наличии пузырьков воздуха в контролируемой яидкостя. Разработаны схеш технических средств поверки измерителей малых расходов, в частности, генератора расхода с возможностью изменения расхода яздкости по линейному во временя закону и генератора с повышенной точностью вссггооизведения мгновенного расхода. Разработала методика градуировки (калибровки) и поверки 73Р с помощью ТГР, а такке методика поверки сашх ТГР.

Реализация и внедрение результатов работы, экспериментальный образец ультразвукового счетчика автомобильного топлива типа vsgt передан на эксплуатацию в управление главного конструктора ПО "Елабужский заЕОД легковых автомобилей" тля контроля расхода бензина во время дородных и стендовых испытаний микролитражных автомобилей. Результата проведенных исследований использованы так.'.=з Казанским цроектно-технодогическим бюро ПТО "Татавтотранс" при разработке диагностических комплексов для автомобилей с карбюраторными двигателя!.®. Технические репения по повышению точности воспроизведения расхода1 использованы:.при создании поверочных установок типов ТПУ-ПК и Ш7-ПД, разработанных в Казанском пр^кт-но-коцструяторском бюро автоматизации на автомобильном транспорте, изготовленных "а Казанском опытном завода "Эталон" и внедренных в ПТБ ГПО "Татавтотранс" и з Государственном научно-исследовательском институте автомобильного транспорта (г.Москва) для проведения лабораторных испытаний расходомеров и счетчиков топлива; при разработке поверочной установки типа УПР-7,2, создало!*

во ВНИИ? и внедренной на Ливенском ПО "Промприбор" дня позерки и градуировки счзтчиков дагкостп, а такяа при разработке во 8НЖР эскизного проекта прецизионного ТГР с гравитационным приводом. Внедрение результатов работа подтверждено соответствующими актами.

Апробация работа. Основные положения диссертационной работы , докладывались и обсуздались на республиканских научно-практических конференциях "Опыт применения г.якро-ЗЗМ доя совершенствования , управления производством, автоматизации производственных процессов и обработки экономической информации" (Казань, 1982г.) и "Повышение эффективности использования микропроцессорной техники" (¡Казань, 1981г.), на I Всемирном конгрессе международной конфедерации по измерительной технике ц приборостроению ИМШ>-85 (Прага, 1585г.); ка УШ Всесоюзной научно-технической конференции Госстан-, дарта СССР "Метрология и стандартизация в научно-технической революции" (Новосибирск, 1989г.), на УТ Всесоюзной научно-технической конференции "Развитие системы метрологического обеспечения измерений расхода и количества веществ" (Казань, 1991т.), a такга на научно-технической конференции Казанского авиационного института по итогам работы за Г985-86г.г.

ТТу^тлкации. По материалам диссертации опубликовано 19 работ, в т.ч. получено б аагорсшх свидетельств на изобретения и 2 подскп-телышх решения о видаче патента.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из ввеге-атгя, 4 глав» заключения, списка литературы из 133 наименований и приложения. Основная часть диссертации содерядт'143 страницы ка-ешношсного текста и включает в себя 19 рисунков и 3 таблица. Акты внедрения результатов рабом представлены в npmiosenmi.

Основные положения, представляемые к защите.

1. Способ уменьшения аддитивной температурной погрешности 73? посредством модуляции потока.

2. Метод компенсации влияния межтактовой аеишзэтрци на резуль-. таг измерения в частотных УЗ? путем использования полярно сяшзт—' рпчшх функций в качества управляющих сигналов.

3. Способ коррекции недостоверной информации о расхода при нарушении фазовой однородности потока в измерительном участке УЗР,

'1. Метода повышения точности и производительности операций градуировка и поверки расходомеров зядкосш на малых расходах с приызненаеи ТГР,

ОСНОВНЫЕ РЕЗНЪТАта РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш диссертации, сформулированы цель работы я задача научного исследования, определены основные направления исследований и положения, выносимые на защиту, дана краткая характеристика результатов работы.

В первой главе проведено аналитическое исследозагше особенностей измерения малых расходов кядкости различными методами п средствами, на осноеэ которого дано обоснование применения ультразвукового метода измерения.

Принцип разделения преобразователей расхода на группу по виду первичной измерительной информации и по характеру измеряемого параметра движения потока позволяет выделить 4 основных класса преобразователей: динамические измерители расхода (JP), динамические измерители количества (рК), кинематические измерители расхода (КР) и кинематические измерители количества (КК). Анализ известных hj-'тодов и средств измерения малых расходов (ориентировочно 0,5+100 л/ч) показывает пригодность для измерения таких расходов на борту автомобиля преобразователей классов Да и КР; при этом присущая механическим преобразователям (дк) зона нечувствительности в области расходов порядка Г л/ч обуславливает заметное возрастаний погрешности измерения вблизи указанно'} нижней границы расхода.

Из преобразователей класса К? наиболее пригодными представляются ультразвуковые, в которых информация о расходе заключена в разнос кг времен распространения зондпрушщх акустических волн по .потоку и против потока (временной разнос-;). Трудности технической реализации ультразвукового метода измерения малых расходов обусловлены малостью временной разности, а также неравенством скоростей потока, усредненных по длине акустического луча п по сечэнию измерительного участка {Щ).

Анализ причин acmaotrpira запаздывания сигнала в, электроакустическом тракта улътраззукозого преобразователя показывает, что существующим стам 73Р присуца аддитивная температурная погрс ;-ность в виде дрейфа пуля, соизмеримая по величине с нижней границей области г/алых расходов (порядка 0,5 л/ч), зазванная в основном невдзнтпчносткз те шгратурвых. характеристик электроакустических преобразователей (ЗАЛ) в различных акустических каналах и различных реяиках преобразования энергии. .Аппаратурная коррекция ' это2 погрешности существенно затруднена.

Зондирование акустического канала УЕР по потоку и против него мокет осуществляться одновременно или попеременно. С физической точки зрения процесс одаовременного зокдарозания есть орназремен-ная работа 2 генераторов с акустическими линщш задержки. Полная развязка генераторов технически невозможна, поэтов при достаточно малой временной разности в частотных УЗР происходят захват частот автоциркуляции и дальнейшая взаимная синхронизация синхроко-лец, что означает наличке у таких УЗР зоны нечувствительности в области малых расходов. Определяв ширину полосы взаимного синхронизма синхроколед, мояно найти никни) границу временной разности, соответствующую порогу реагирования УЗР с одновременным зондированием: а£мш={Е/Щ/>Г/р , где Е и ио- амплитуда шешнего и собственного сигналов в цепи обратной связи, отношение которых определяется степенью развязки синхроксшец; ^ - рззонансная частота пьезоэлемента. Оценка порога реагирования показывает его соответствие расходу псрядка I л/ч, из чего следует, что ддя измерения . малых расходов пригодны исключительно ссеш УЗР с попеременным зондированием. При этом для накопления и гранения данных предыдущего резит зондирования в частотных УЗР целесообразно использовать интегральный принцип, реализуемый на реверсивном счетчике, который производит сложение импульсов сннхрокольца при зондировании по потеку и вычитание - при зондаровании против потока; подученная разность слукпт мерой расхода. При разности частот синхрс-копьца лу разность числа импульсов на реверсивном счетчика л/У= =4Тса/, где кы - коэффициент умножения частоты сазароксяьпд (щи наличии умножителя частоты); Тс - длительность измерительного строба. Повышение чувствительности УЗР на малых расходах достигается увеличением длительности строба, что, однако, влечет за собой нарастание погрешности из-за мектактовой асимметрии, вызванной изменениями скорости звука вследствие флуктуаций температура и состава контролируемой среда.

Вблизи нижнего предела расхода имеет ьесто ламинарный или переходный режим течения жидкости в трубопроводе. Получаемая ультразвуковом методом информация о расхода связана с некоим знача-кием через гидродинамический поправочный коэффициент 1Т1Г~^//^г, зависящий от профиля скоростей потека; изменение последнего при смена режимов течения приводит к возникновению гидродинамической погрешности измерения. Реальным путем ее умейшения в УЗР малых

б

расходов яняяется относительное утолщение акустического луча, что достигается выполнением конструкции- измерительного участка преобразователя с осевым расположением ЭАП и диаметром пьезозлементов, равным диаметру измерительного участка.

Проведанное аналитическое исследование позволяет заключить, что дня создания УЗР малых расходов жидкости, пригодного для работы на борту автомобиля, необходимо решить ряд оригинальных научно-исследовательских и инженерных задач, связанных с повышением точности измерения малых расходов жидкости ультразвуковым методом. Решение этих задач представлено в последующих главах диссертации.

Вторая глава посвящена разработке и теоретическому исследованию принципиально новой схеш ультразвукового измерителя малых расходов жидкости - моноканального УЗР с реверсированием потока.

Так как дрейф нуля УЗР является следствием меяканальной асимметрии, исключение его мозет быть достигнуто устранением указанной асиммеарии путем использования так называемой моноканальной схеш, т.е. одноканальной схвш без коммутации излучаще-приешой пары 2А.П. 3 этом случае необходимое изменение относительного направления ультразвуковых волн и потока можно- осуществлять:

модуляцией потока путем его остановки, отклонения или реверсирования в измерительном участке преобразователя расхода;

механической сьвной положения излучавде-приемной пары ЭШ внутри измерительного участка.

Слева положения тары ЭАП может достигаться ее установкой на общем кронштейне, вращающемся в плоскости вектора скорости потока. Данный способ осуществил лишь при б^ьших сечениях измерительного участка или в открытых каналах.

Для измерения малых расходов жидкости автором предложена мшо-канальная схема УЗР с реверсированием потока в измерительном участке /12/, реализующая частотный метод определения врешнно'й разности на основе постоянного зондирования акустического канала. Работа схеш (см. рисунок) заключается в из!,енении направления контролируемого потока нидкости в из;,зрительном участке Г, да посредством излучателя 2, приемника 3 и усилителя-формирователя импульсов 4, образующих синхрокодьцо, производится автоциркуляяяя ультразвуковых импульсов, и определении расхода по разности частот синхрокольца при движении жидкости по направленно ультразвуковой волны и против него. Реверсирование потока осуществляется с

Схема ыоноканального УЗР о реверсированием потока

I - измерительный участок; 2 - излучатель; 3 - приемник; 4 » усилитель-формирователь; 5 - золотниковый переключатель; 6,7 - электромагниты; 8 - умножитель частоты; 9,10 - элементы И; II - реверсивный счатчии; 1а - Генератор стробев

В

помощью золотникового шрешпочателя 5, снабженного электромагнитами 6 и 7« Разность частот синхрокольца при различном направлении потогса где С - длина акустического канала. Для измерения л/ последовательность импульсов синхроксдьца, умноженных по частоте умножителем 8, попеременно подается па стробируемзе посредством элементов 9 и ГО входы реверсивного счетчика ТГ. Генератор измерительных стробов 12 шдает, кроме того, управляющее напряжение на обмотает электромагнитов 6 и 7. Однократно накопленная на счетчике разность числа т,пульсов АА/~2куТсЦ,/£.

Введение в преобразователь расхода гидромеханического (зодот-никового) переключателя приводит к появлении характерных составляющих погрешности измерения. Так, погрешность иэ-за протечек в золотниковой паре выражается в уменьпенип крутизна градунровочпой характеристики тзр. Максимальное относительное значение про^чки

где - диаметр шункера золотника; Ц - контролируемая расход; V - кинематическая вязкость нидкости; - длина перекрытия з'ссчо-тника; - радиальный зазор в золотниковой паре при нормально;! тегаературе; &о( - разность температурных коэффициентов линейного расширения гильзы и золотника; лТ - разность рабочей и нормальном температур; П - количество искннлков местных потерь в гидротрак--те преобразователя; - коэффициенты местного гидравлического сопротивления; - площадь местных проходакх сечений. Практически протеза, па максимальном расходе не превышает 0,1-Ю,

Галое быстродействие и нестабильность времени срабатывании гидромеханического переключателя приводят к необходимости введения пауз мевду стробаш разных знаков, во время которых происходят "шпаданнв" информации о расходе. В атом случае шшяниэ ®а>рз-.зуямаз? измерения может оказывать пульсация расхода,, таззагтемая, налрншр, топливным насосом. СрэдакЕздаатшй.ск«) ¡шз^эт,® относительной погрешности интегршхьняво ■ттзг.г.т^/гп-! [г^лтщ б ~ кпЫпШйй п «Ш1 "

гт кп и - ;-кео;@£щиеят ({глубина). л ^адавка • пул ьсащш рас хода;

-, длятелнгеезь -цзуга-г-гззу отробащ;,77 — гапело стробпи за зрез-йятамэреии. ЧЬиршкоть такого срора ;уншыпаотся при увеличении •Врбкаин 1 1ГЭМЗрвЕП.

Переходам гидродинамические процессы при реверсировании потока в целом, с учетом регулярности реверсирования, благоприятно сказываются на точности измерения, уменьшая гидродинамическую погрешность на расходах вблизи нигней границы рабочего диапазона.

■Исследование влияния ментактовой асимметрии прозодится на основе математической модели синхрокольца частотного УЗР, являнще-гося 'частным случаем частотного измерительного преобразователя (4Zn). При малой величине измеряемого парамезра флуктуации елияю-цих параметроз не позволяют выделить в чистом виде частоту сигнала ЧИП 2ик временную функцию измеряемого параметра. Гля этого случал' ЧИП снабжается по цепи измеряемого параметра дополнительным переключателем бинарного действия; сигнал управления иереклз>-чателем/^j макет приникать значения I и -I. Применительно к УЗ? частота сигнала ЧЯИ (синхрокольца) выражается следующим образом: х as-cithm(t)

W^- е

где С - скорость звука в контролируемой среде. "Из приведенного выражения видно, что флуктуации скорости звука c(t) могут внести в результат измерения скорости потока T?e(t) существенную пстройность. уменьшение влияния флукхугцай достигается формированием сигнала £ в виде специальных функций, удовлетворялцих условию ортогональности с многочленами, аппроксимирутазима вреьвнную картину флуктуапдй. Конкретный вид таких сигналов определяется на основе введенного автором обобщенного представления управляющих сигналов в виде полярно симие тричных функций (ПС®) /8/, ортогональных многочленам определенной степени, с о отве тс твуицей порядку ПСФ. В аналитическом виде бинарную .ГОФ порядка П мояно представить как

тде tk (¿}-spsin2kXt, t<z\0, /]. из определения ПСФ следу" О-Ф }

ет, что J (t)ij(t)elt=0 для любого многочлена^ степени не выше П-1.

о

Закпм образом, для устранения блеяния флуктуаций, ояисываешх во времени многочленом степени /1-1, достаточно подавать на управляют вход переключателя ЧИП (а такие - на измеритель af) ПСФ вида Увеличением порядка ПСФ ысино добиться уменьшения влияния реальных флукауаций на результат измерения до допустимой величины. '

Надежная работа УЗР при наличии пузырьков воздуха в контролируемой годности может быть обеспечена установкой на входе преоб-

разователя расхода дегазатора, например, поплавкового типа. При редких нарушениях однородности потока помехоустойчивость ""ЗР достигается посредством оценки достоверности первичней информация о расходе и замены искаженных данных о расхода на данше, полученные в предыдущем измерительном цикле. Предложенный автором атгго-риттл замены данных основаа на принудительном сокращении задержки данных предыдущего цикла при соответстзуиьегл их маептабпрозаятгп. Приведена схемная реализация преложенного алгоритма в частотном УЗР, где оценка достоверности' информации о расхода производится путец слекения за периодичностью кятулъс ов синхрокольца. При на-1 рулении периодичности новый цикл формируется сразу после ее восстановления, а значение расхода за предыдущий цикл умяакается к& коэффициент, равный отношения длительностей прерванного и полного циклов /16/. Такая мера позволяет уменьшить не ка-? низ информации о расходе и, в особенности, о количестве жидкости. ■ При определении градупглч очной характерно гаки УЗР необходимо учитывать наличие аппаратурной задержки сигнала внутри синхрокольца. Для моноканального УЗР с реверсированием пот ста налтяалъ-ная градуировочная характеристика имеет еид

а а/- 4куУ71,п?г- г» ' ТГПЧУЩ)2^ ' гдэ у=Те/(ТО - коэффициент заполнения измерительного такта;

- длительность измерительного цикла; Л - диаметр измерительного участка; - t}/ta - относительная аппаратурная задержка сигнала; - суммарное вреш аппаратурной задержки; ~ врет прохождения волн поакустачэсксм/ каналу при неподвижней; среде. Полученная формула показывает, что точность измерения н основное определяется стабильность*) поправочного коэффициента'/?^. в рабочем диапазоне расхода. Зависимость Шг(5) в данном случае имеет достаточно сложный для описания и, с учетом влиящиг факторов, неоднозначный характер. Большая часть экспериментальных исследований, проводимых при разработка ионокаяального УЗР и описанных з четвертой главе диссертации, а сущности, сводится к, определении этой зависимости ж отыскании способов ее ослабления.

В третьей главе рассмотрены перспективные штолы и средства метрологического обеспечения измерителей малых расходов жидкости.

Дня обеспечения единства измерений объемного расхода жидкости применяются образцовые средства воспроизведения (генераторы] рас-

1Г

хода, наиболее пригодными из которых для работы на малых расходах являются ТГР с принудительным движением поршневого или плушзрно-го вытеснителя. Принцип действия ТГР основан на преобразовании опорного сигнала образцовой частоты в синхронное перемещение вытеснителя и далее - в движение вытесняемой жидкости, расход которой при этом пропорционален образцовой частоте. Вытеснитель перемещается синхронным электропр»гао дом, включающим в себя электродвигатель с импульсным датчиком скорости вращения, редуктор и ша-рико-шнтоэой механизм, гайка которого жестко соединена с вытеснителем. Наибольшую равномерность вращений обеспечивает электропривод постоянного тока с астатическим фазо-импульсным регулятором скорости. В качестве сигнала обратной связи в регуляторе используются импульсы датчика скорости вращения.

Градуировка и поверка расходомеров с помощью ТГР заключается в пропускании через поверяемый преобразователь вытесняемой жидкости и сравнении сигнала преобразователя с сигналом образцовой частоте, несущим информацию о всю производило:.! расходе. Типовые метода поверки реализуются на постоянном (стационарном) расходе. Это требует сравнительно большого времени поверки на каждой точке рабочего диапазона расхода, поэтому дня сокращения времени поверку . производят лишь в немногих, как правило, в трех точках диапазона.

Получение наиболее полной информации о поверяемом расходомере при минимальных затратах времени достигается при нестационарном воспроизведении расхода с изгэнением его по линейному во времени закону, что позволяет цроизвестп оценку погрешности расходомера во всем диапазоне расхода за один цикл вытеснения гшдкссиг. Для -организации соответствующего равноускоренного движения вытеснителя. не обходам опорный сигнал с частотой ¡оШ=а1. Такой закон реализуется при формировании импульсов в момента времени ¿¡-^{Г , где 7^={(2/ст) - интервал времени от момента пуска привода $=о) до первого импульса; С - порядковый номер импуагьса/2,5/.

Синтез импульсной последовательности с линейно изменяющейся частотой производится путем выделения из высокочастотного сигнала (сигнала квантования) импульсов, совпадающих с моментами В вычислительном устройстве синтезатора значения ¿^ представляются через количество импульсов квантования. При этом могут применать-ся следующие алгоритмы синтеза:

сравнение текущего номера импульса квантования с квадратным

корнзм из номера выходного импульса /13/;

сравнение квадрата текущего номера импульса квантования с номером выходного импульса.

для упрощения синтезатора возможно применение алгоритмов cmi-теза на основе приближенных рекуррентных соотношений. Наиболео прост алгоритм вида t¿=tH+{/(f^aU,) , гдо^ - начальное значение частоты импульсов. Более точное при&жепце к линейному закону дает следующая йормула:

+ -_L_ ;

Существенное повышение точности воспроизведения мгновенного расхода достигается применением з TIP так называемого грапитацп-онного привода вытеснителя, где последний перемещается вниз под действием собственного веса. ;лвн."епие вытеснителя и, соответственно, расход контролируется лазерным интерференционным преобразователем перешщешй, чае лта сигнала которого пропорциональна скорости опускания вытеснителя. Фазо-импульсный рег^охятор скорости вытеснителя, использукщяй импульсы преобразователя в качестве сигнала обратной связи /I/, нагрунеп на электрогидравлпческа5 дроссель, изменяющий степень перекрытия гидротракта на выходе ш-теснительного устройства, что обеспечивает подстройку скорости опускания гнтеснителя соответственно частоте спорного сигнала.

Схема передачи размера единицы объемного расхода гндкости для диапазона малых расходов содержит в качестве исходного образцового средства измерений ТЕР с гравитационным приводом вытеснителя* ПоЕерка образцовых средств измерений - ТГ? о электроприводом вз-тесшгаеяя - производятся «атодом сличения при пемещц компаратора расхода. Позерка 7SP, служшшх рабочими средствами измерений, на установках с ТГР производится:

на стационарном расходе. - методом пряшх измерений воспроизводимого расхода;

. на линейно изменяющемся расходе - методом сравнения информации, накопленной в 73Р за ого измерительный цикл,-с фактическим средним расходом, выраженным через количество-импульсов образцовой частоты за время того se цикла.

Описанные в третьей главе технические средатва и методика передачи размера единицы расхода рабочим средствам измерений применима для.различных типов измерителей иэлых расходов кидкооти.

Ï3

• зтваптаа глава' посвящена практической реализации и экспери-¡тгшьныы исследованиям ряда узлов моноканального УЗР с реверси-■аш:ем потока, а такяе устройства в целом. Конструкция и электрическая схема моноканального УЗР отличают-ч от типовых вариантов наличием переключателя направления потока - отсутствием коммутатора цепей ЭАГГ. В связи с этим, в процессе, разработки расходомера проведены экспериментальные исследования характерных узлов преобразователя расхода: электромагнитного золотникового переключателя и усшштеля-формирозателя импульсов спнхрокояьца /4/. Результаты этих исследований позволили уточнить олекарическую схему УЗР и конструкцию преобразователя расхода.

Гетр алогические исследования макетного образца УЗР заключаются в определении крутизны и линейности его градунровочной характеристики на различных участках диапазона расхода в зависимости от диаметра и длины измерительного участка преобразователя, а таюзэ от конфигурации областей ввода-зывода потока в-измерительный участок. Измерения проводились на ^рубопоршнешх поверочных установках типов ТПУ-ПК и ШУ-ЦН. охватывающих диапазон расхода от 2 до 80 л/ч; в качестве рабочей жидкости использовался бензин г,арок А-72 и А-76. По результата!»! исследований, представленншл в вид© кривых погрешности УЗ? в 5 конструктивных вариантах, выбраны обеспечивающие наивысшую линейность градунровочной характеристики размеры и конфигурация трубки, образувдей совместно с осевыми ЭА.П измерительный участок. Относительная погрешность измерения расхода, определяемая нелинейностью градунровочной .характеристики гидродинамического происхождения, при выбранная геометрии трубки не превышает +1$ в 5+8-кратном диапазоне расхода.

Дороавде испытания УЗР в варианте ультразвукового счетчика автомобильного топлива УЗСТ проводились на грузовом автомобиле ЗШГ-130 (с трубкой диаметром 4 мм) и на микролитраяных автомобилях "Ока" и "Панда" (с трубкой 3,2 ш). Испытания показали, что погрешность измерения расхода топлива на борту автомобиля возрастает по сравнению со стационарными условияш: примерно в 1,5 раза при установка прибора на грузовом автомобиле а в 2 раза - на микролитражных автомобилях, что происходит в основном за счет флуктуаций температуры топлива. Таким образом, в режиме транспорта: о:4 работы автомобиля погрешность УЗСТ практически не прешшает значения ± (1,5+2)$, что соответствует современным требованиям к бортовым

рабочим средствам измерения расхода топлива.

шволн

1. В результате проведенной работа создан ультразвуковой из;?--ритель расхода жидкости, обеспечивающий нихшгё предел изморошш порядка 0,5 л/ч при основной погрешности не белее 1% в расчетном 5*8-кратном диапазоне расхода и не более 6+8/2 - на расходах, близких к нули, что недостижимо для существующих механических преобразователей расхода нестационарного пришнешя.

2. Разработаны теоретические основы ультразвукового метода измерения расхода ксидкости с модуляцией потока, позволящие произвести расчет номинальных пара:,«троп и погрешности расходомера на этапе проектирования.

3. Разработана теория компенсации влияния флуктуирующих параметров в частотных измерительных преобразователях, отражающая методы умзныдения влияния ке-тактовой асимдатрка на результат измерения в частотных ультразву к а расходомерах и других структурно сходных измерительных устройствах.

4. Разработанк!1 комплекс методов и средств повышения пемохо-устойчивости ультразвуковых расходомеров в условиях повышенной фазовой неоднородности потока позволяет обеспечить иадэзнтую работу счетчика топлива на борту автомобиля с погрешностью измерения не более 1,5*2% при минимальном объеме 40 л.

5. Разработанные конструктивные и схемотехнические решения узлов моноканального ультразвукового расходомера-счетчика обеспечивают достаточную простоту и технологичность прибора, реализуются на доступной элементной базе и допускают в условиях серийного производства выполнение ряда электронных узлов в вида специализированных микросборок и (или) больших интегральных схем, что снижает себестоимоств прибора. '. -

6. Разработанные технические мероприятия и рекомендация по но-вишеишэ качества метрологического обеспечения измерителей малых расходов аидаооти, основанные на использовании трубспорганевых генераторов расхода, обеспечивают требуемую высокую точность и производительность поверочных операций.

?. Результаты экспериментальных исследований и испытаний подзывают целесообразность широкого применения разработанного ульз^ развукового расходомера-счетчика дая измерения расхода бензина на борту автомобилей, включая микролитражные, а такяа в составе ав~

мобильных' диагностических комплексов и,испытательных стен доз.

3. Проведенные исследования ультразвукового измерителя малых

■ -ходов зхидкости и средств его метрологического обеспечения под-'Р.здаят достоверность разработанных теоретических положений.п

сообразность практического использования описаншх научно-

лпческих разработок в расходопзкерительной технике.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Бусыгин Л.Н., Лукин В.А., Губанов В.В., Овчинников А.Г., Назаров 8.3. Применение микро-ЗВМ для определения погрешностей воспроизведения расхода эталонной трубопоршневой расходомерзсй установки.- В кн.: Опыт применения микро-ЭВМ для совзрщенствова-гшя управления'производством...: Тез.докл.науч.-практ.кокф,- Казань, 1982, с.43-45.

2. Лукин В.А., Овчинников А.Г., Асфандеров A.A. Применение микропроцессора дая создания равноускоренного движения прецизионного электропривода..- В кн.: Позыиение эффективности использования микропроцессорной техники: Тзз.докл.науч.-практ.конф,- Казань, 1984, с.44-46.

3. Овчинников А.Г. Фотоэлектрическое реле пояснения,- Приборы к системы управления, 1984, J« 12, с.32.

4. Овчинников А.Г. Генератор импульсов для кольцевой схемы из-' мерения скорости ультразвуковых колебаний,- Измерительная техника, Г985, ¡Ь 8, с.52-53.

5. Бусыгин Д.Н,, Лукин В.а., Овчинников А.Г., Назаров B.B. Increasing the capacity of pxocess of proving the. automoüU floio-metezs on the pLston-ßcpe in st a Mat ¿ens. - /Oth IM CK О Woi£c( Conjx.-Pxäga, 1985, ргерг. v.3, p. 183~f3?.

6. Овчинников А.Г. Компенсация влияния флуктуаций скорости звука б частотных ультразвуковых расходомерах,- Измерительная техника, 1986, й II, с.40-41.

■ 7. Овчинников А.Г. Генератор ишуяьсов с большей скза;шостыо«~ Радио, 1987, й 8, с.58. ' • • .

8. Овчинников а- Г., ОвченниковЩ.Г. Компенсация влияния флук-. туирухдах дараметров-'в .частотных измерительнкх преобразователях,-

Метрототая,' 1988, C.I&-2I. "у-.:

9. Ваталина JT.B.VЛобов Б.Й., 'Яоваирвшюза.З.И., Озчзшни-

ков А.Г. К вопросу оптвдазации,^вытеснитольного устройства измерительных расходо^рных^генераторов,- В- кн.: Метрология и стандар-

газация в назчио-техгаческоЯ революции: Тоз.локя. К! Всессгаз.па-уч.-техн.конф. Госстандарта СССР.- Новосибирск, 1989, C.IR8.

10. Лобов~Б.И., Ззетяков Г.Я., НокпярваноЕа З.П., Оачиянн-ков А .Г-., "елтоз В.П., Ноетпрваяов А.Г. Разработка трубопорашэяо-го генератора расхода повышенной точности.-? ich.: Развитие система метрологического обеспечения измерений расхода и количества веществ: Тез.докл. 11 Бсесозз.науч.-техн.копф.- Казань, IS9Ï, с»3&-37.

ГГ. Лобов Б.И., Овчинников Л.Г., Новгякрваяова З.И., Остяков Г.Я., Тйранэнко С.Т. О восщзоззеэдошш малых расходов кргго-x^emsix ,?ядксстой.~ там se, с.39.

12'. д.с, I20SSI8 СССР. Способ измерения расхода едкости/

A.Г.Овчинников.- Опубл. з Б.И., 1986, £ 3.

Ï3. A.C. Ï275739 СССР. Генератор :®луяьсов с линейно язшшю-ыейся частотой/ Л.Н.Вускгш, А.Г.Овчинников, А.А.Асфандеров,

B.В.Назаров,- Опубл. з Б.И., IS8S, tè 45.

14. A.c. 1326392 СССР. ittocotf пзг.аренпя расхода/ А.Г.Спчктт-г.ов.- Опубл. в Б.И., 1987, й 20.

15. A.C. I35Q4I9 СССР. Винтовой кэхапяг^' ПЛ.Еазкпоз, Л.".^-спгян, А.Г.Овчинников.- Опубл. з Б.И.» IS37, Ь IIIS. A.c. 1559063 СССР. Способ изкерзагя расхода/

•:ол, В.А.Ферскец,- СаубЛ. в Б.Ч., ISQO, Ii 32.

£7. A.c. I73049I СССР. ЗлптозоЗ voxsinis;.'/ ВЛЛе&га. ïVH.Hoib шшваяооа, А.Г.Сз^с~п:оэ, Г.Я.Рл.'.^лг.оз.- Сзу&т. з ¿992,

л 15, •

13. ЗЕШШЭ о? 4.GI.S2 !?о ззядсз • .

.'<> *.63ôS23/ÎQ. дай ес^зркл а градузрсзггг :ргбспсрз1кев;п:

^озааозск/ З.ИЛсбоз» АЛ^взтаг&хсз.

В» П&логлгэлетсэ ревэвз» ВЕЖПЭ о? 5.ÛI.S2 ко гслвкз .'3 49335Î3/IO. 'Устройство да поверхе: ргсходамерез хрисгенпоЛ плд-Г.ССЕ?/ Б.Мобоз, С.Т.Тзрздепко, А.Г.ОВЧИННИ-

КОВ, Г.Я.5тЛ£К03<, •

Фориат 60x84 1/16. Бумага шсчая цвэгггая, Печать офсетная. Пэч.л. 1,0. Усд.яеч.л. 0,93. Усл.кр.-отт. 0,98. Уч.-пзд.л. 1,п. TEpast 100. Закаэ^ГТО.

Казанский государственный тезотческнй университет ШЭКЛ Л.Н.ТУЛСЛвЕЯ

Готачрнгг Казанского государсгэзЕисго тахняческого унпвэрсят&ъ ■>:amt Kassss» р*. «Маркса, 10.