Разработка электронных меточных устройств для автоматизации процесса измерения скорости и расхода технологических газовых потоков

На современном этапе развития науки и техники при стремительно развивающихся технологиях, увеличивающейся сложности приборов и систем, возрастании требований к их надежности и долговечности, неуклонном развитии автоматизации различных этапов производства, весьма актуальной является проблема повышения требований к технологическому оборудованию. В то же время обеспечить необходимое качество производства высокотехнологичных изделий можно лишь при строгом соблюдении и контроле всех этапов технологического процесса. На сегодняшний момент технологические процессы целого ряда отраслей науки и техники связаны с необходимостью постоянного контроля и точного дозирования химических газовых реагентов.

Теоретическим исследованиям и разработке фундаментальных основ в области расходометрии посвящены труды видных ученых П.П."Кремлевского [2], А. Н. Павловского [1], В. М. Ильинского [42], Ф. Мейзда [68], Ф. Хернинга, Г. П. Катыса и многих других. Разработкой и выпуском расходомеров в настоящее время занимаются многие ведущие российские и мировые приборостроительные фирмы, в частности: «Саратовгазавтоматика», ЗАО «Взлет» АО «Центрприбор» НПФ «ТЭМ-сервис», Промышленная группа «Метран» (Россия), Flow Meter (Великобритания), Foxboro, Thermo Fisher Scientific, Rockwell, Hoffer Flow controls, Barton (США), Burkert Easy Fluid Control Systems, VSE (Германия), Faure Herman (Франция) .

Потребность в измерении параметров потоков газообразных веществ испытывают многие отрасли. Значительное число производственных процессов во многих высокотехнологичных отраслях промышленности (особенно, в генных технологиях, биотехнологиях, медицине, системах жизнеобеспечения, микрои наноэлектронике, ядерных технологиях, тонких химических технологиях, пищевых технологиях) связаны с процессом массопереноса различных газообразных веществ — современные двигатели внутреннего сгорания оснащаются интеллектуальными системами впрыска топлива с применением прецизионных дозаторов.

Характеризуя современные приборы метрологического назначения, следует отметить, что они не в состоянии с достаточной точностью производить измерение и не гарантирует неизменность основных нормируемых точностных характеристик (погрешность и динамический диапазон измерения).

Применяющиеся сегодня в качестве рабочих и образцовых сресдтв измерения расходомеры типа РГС-1, РГС-2- счетчики газа ТРСГ-ИРГА-РВ, СГ-1, СГ-2, расходомер-счетчик электромагнитный РСМ-05 имеют погрешность 1−2% и уже не обеспечивают требуемой точности и воспроизводимости технологических процессов. Данный фактор явно не удовлетворяет запросы современных высокотехнологичных отраслей промышленности, где требуется подача разнообразных химических реагентов с погрешностью, не превышающей 0.6%, а в области микропотоков совсем неприменим (<20 л/час).

В итого отсутствие современного физического оборудования для измерения скорости и расхода’технологических потоков газа не только негативно сказывается на надежности и качестве высокотехнологичных изделий, но и является сдерживающим фактором на пути более широкого внедрения современных приборов, устройств и систем.

Таким образом, актуальными являются исследования, направленные на создание высокоточных электронных меточных устройств для автоматизации процесса измерения скорости и расхода технологических газовых потоков в широком диапазоне.

Целью работы является исследование методов измерения скорости и расхода газов с применением тепловых и жидкостных меток поверхностно активных веществ и разработка на их основе математических моделей, алгоритмов работы и структурных схем высокоточных электронных меточных устройств для автоматизации процесса измерения скорости и расхода технологических газовых потоков, в том числе агрессивных, взрывоопасных и токсичных газовых реагентов.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих основных задач:

— исследование существующих методов измерения скорости и расхода газовых потоков и выявление наиболее эффективного метода построения средства измерения;

— определение основных конструктивных и режимных факторов, влияющих на точность измерения расхода газов;

— построение математических моделей меточного расходомера, учитывающих влияние основных параметров потока на точность измерения и обеспечивающих определение основных конструктивных характеристик средства измерения на этапе проектирования;

— создание классификации основных составляющих погрешности измерения скорости и расхода газовых потоков, выявление доминирующих погрешностей- |.

— разработка принципов построения, алгоритмов работы и структурных схем электронных меточных устройств;

— имитационное моделирование автоматического меточного устройства для измерения скорости и расхода потоков газа.

Методы исследования. В диссертационной работе использованы вероятностно-статистические методы анализа случайных сигналов, методы дифференциального и интегрального исчисления, элементы теории вероятности и математической статистики, газодинамики, оптоэлектроники и тепломассопереноса. | I.

Научная новизна работы состоит в создании новых моделей, алгоритмов и устройств, обеспечивающих повышенную точность и расширенный диапазон измерения скорости и расхода потоков технологических газов. В ходе выполнения работы получен ряд новых научных результатов: i.

— предложена математическая модель, описывающая прогиб пленки ПАВ, позволяющая предположить неравнозначность прогибов последней в различных контрольных сечениях расходомера;

— построены и исследованы математические модели автоматизированного расходомера с жидкостной меткой, учитывающие ряд ранее не рассматриваемых параметров потока технологических газов и конструктивных особенностей расходомера;

— предложена классификация погрешностей расходомера с жидкостной меткой и определены основные погрешности измерения;

— разработаны математические модели, описывающие эволюцию тепловой метки, позволяющие проводить предварительные расчеты и численное моделирование тепловых меточных измерителей скорости и расхода газовых потоков при широком варьировании основных конструктивных и геометрических параметров;

— созданный математический аппарат по расчету основных погрешностей измерения расхода газовых потоков позволил теоретически обосновать возможность создания прецизионных меточных расходомеров, обеспечивающих погрешность измерения менее 0,6%, что превосходит параметры современных сертифицированных средств измерения;

— предложена трехканальная структурная схема меточных устройств, обладающих повышенной точностью и помехозащищенностью и позволяющих обеспечивать достоверную селекцию результатов измерений и контроль профилей скорости газового потока.

Практическая значимость работы заключается в новых возможностях улучшения метрологических характеристик рабочих и образцовых средств измерения скорости и расхода технологических потоков газа. Гибкость предложенных решений делает возможным их применение в медицинском приборостроении, авиационной промышленности, биотехнологиях, микрои наноэлек-тронике, металлургии и др.

Разработанные алгоритмы, методики расчета, модели и структурные схемы электронных меточных устройств позволяют облегчить решение практических задач по конструированию расходомеров с тепловой и жидкостной меткой, t.

Результаты экспериментальных исследований доказали принципиальные возможности построения меточного расходомера с диапазоном измерения объемного расхода газа от 0,1 л/ч до 2121 л/ч, массового расходаот 0,0002 кг/ч до 3 кг/ч, относительной погрешностью измерения расхода газа, обусловленной смещением точек срабатывания датчиков 0,02%, относительной погрешностью измерения расхода газа, обусловленной временной составляющей 0,007%.

Достоверность определяется корректным применением строго математического аппарата и подтверждается результатами имитационного моделирования и экспериментальных исследований, доказавшими преимущества предложенных в работе моделей, алгоритмов и структур электронных меточных устройств для автоматизации процесса измерения скорости и расхода технологических газовых потоков, выразившиеся в повышении точности и расширении диапазона измерения массового и объемного расхода газа.

Личный вклад автора. Все основные результаты получены автором лично. Главными из них являются: определение совокупности требований, необходимых для выбора метода измерений малых расходовсоздание математической модели, описывающей деформацию жидкостной метки в измерительном трубопроводе расходомераразработка новой параметрической зависимости для определения парциального давления в меточных расходомерахсоздание динамической модели перемещения метки по измерительному I трубопроводу меточного расходомераразработка статической модели для определения расходов газа в меточных расходомерах с жидкостной меткойсоздание математических моделей эволюции тепловой метки в канале трубопроводасоздание классификации основных составляющих погрешности и вывод формульных зависимостей для определения количественных характеристик составляющих методических погрешностейразработка трехканальной структурной схемы построения автоматизированных меточных расходомеровразработка устройств и алгоритмов формирования меткисоздание имитационной мнемомодели автоматического меточного устройства для измерения скорости и расхода потоков газа.

Внедрение результатов работы. Все работы по реализации и внедрению проводились под руководством или при непосредственном участии автора. Результаты диссертационной работы используются в в учебном процессе Московского государственного института электронной техники (технического университета) в лекционных и практических занятиях по дисциплинам «Системный анализ и математическое моделирование» кафедры «Информатика и программное обеспечение вычислительных систем», «Измерительные преобразователи и системы», «Метрология, стандартизация и сертификация» кафедры «Системы автоматического управления и контроля в микроэлектронике «На защиту выносятся:

— аналитический обзор методов измерения скорости и расхода потоков газа;

— статическая и динамическая модели меточного расходомера с жидкостной меткой;

— математическая модель, описывающая деформацию жидкостной метки в измерительном трубопроводе расходомера;

— математические модели эволюции тепловой метки в канале трубопровода;

— классификация и математический аппарат для расчета погрешностей расходомера с жидкостной меткой;

— алгоритм и структурная схема меточных устройств для измерения скорости и расхода потоков газа;

— имитационная мнемомодель автоматического меточного устройства для измерения скорости и расхода нологических техпотоков газа- ,.

— результаты внедрения и апробации материалов диссертационной работы.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях «Микроэлектроника и информатика» (Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2007; 2009 г. г.), Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Актуальные проблемы информатизации. Развитие информационной инфраструктуры, технологий и систем» (Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2007;2008 г. г.), Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономи-ке» (Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2009 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 19 опубликованных работах, в том числе 3 статьи в ведущих научных журналах, утвержденных ВАК. Без соавторов опубликовано 14 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 157 страниц основного текста, включая 34 рисунок, 7 таблиц, а также список, литературы из 114 наименований и 3 приложения.

Выводы по главе 5.

1. Определены основные конструктивные требования к созданию перспективных меточных устройств.

2. Разработан алгоритм и схема автоматизированных меточных устройств, обладающих повышенной помехозащищенностью и позволяющих обеспечивать: селекцию (фильтрацию) результатов измерений при однородном поле скоростей газового потокаселекцию во втором контрольном сечении ИТ именно той метки, по которой произошел запуск измерителя временного интервалаконтроль профилей скоростей газового потока в ИТ.

3. Предложена оригинальная конструкция формирователя меток полностью отвечающая всем требованиям, предъявляемым к устройствам формирования меток ПАВ.

4. Совокупная реализация разработанных устройств позволяет создать полностью автоматизированный меточный расходомер с дистанционным управлением и возможностью измерения скорости и расхода большого ряда агрессивных, взрывоопасных и токсичных газовых реагентов.

5. Предложена методика расчета параметров фотоэлектрического преобразователя меточного расходомера и определено оптимальное место установки фотодиода.

6. Разработана имитационная мнемомодель автоматического меточного устройства для измерения скорости и расхода потоков газа и проведены экспериментальные исследования, доказавшие принципиальные возможности построения меточного расходомера с диапазоном измерения объемного расхода газа от 0,1 л/ч до 2121 л/ч, массового расходаот 0,0002 кг/ч до 3 кг/ч.

7. Результаты экспериментальных исследований показали, что относительная погрешность измерения расхода газа, обусловленная смещением точек срабатывания датчиков составляет 0,02%, а максимальная относительная погрешность измерения расхода газа, обусловленная временной составляющей j не превышает 0,007%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Проведенный сравнительный анализ критериальных свойств различных методов позволил установить, что наилучшим вариантом построения расходомера, обеспечивающим выполнение подавляющего большинства требований к измерению количества вещества, является вариант меточного расходомера с тепловой или жидкостной меткой.

2. Предложена в качестве статической модели новая аналитическая зависимость для определения расходов газа в меточных расходомерах с жидкостной меткой, позволяющая произвести классификацию, исследовать статические погрешности и определить доминирующие погрешности расходомера с целью поиска наиболее оптимальных путей повышения его точности.

3. Разработана универсальная динамическая модель перемещения метки по измерительному трубопроводу меточного расходомера, позволяющая оценить динамические свойства самого расходомера в зависимости от термодинамических параметров измеряемого потока газа и его конструктивных особенностей.

4. Предложены математические модели эволюции тепловой метки в канале трубопровода различной степени сложности.

5. На основании предложенных в работе математических моделей меточных расходомеров произведена классификация основных составляющих погрешности, выведены соотношения для определения количественных характеристик составляющих методических погрешностей, что позволило выявить доминирующие погрешности и обосновать возможность создания прецизионных меточных расходомеров, обеспечивающих погрешность измерения менее 0,6%. ,.

6. Предложена трехканальная структурная схема построения меточных устройств, обеспечивающих создание полностью автоматизированного меточного расходомера повышенной точности и помехозащищенности с возможностью измерения скорости и расхода агрессивных, взрывоопасных и токсичных газовых реагентов, позволяющих использовать как искусственные, так и стохастические тепловые и жидкостные метки.

7. Разработана имитационная мнемомодель автоматического меточного устройства для измерения скорости и расхода потоков газа и проведены экспериментальные исследования, доказавшие принципиальные возможности построения устройства с диапазоном измерения объемного расхода газа от 0,1 л/ч до 2121 л/ч, массового расходаот 0,0002 кг/ч до 3 кг/ч, относительными погрешностями измерения, обусловленными смещением точек срабатывания датчиков 0,02% и временной составляющей 0,007%.

8. Результаты диссертационных исследований внедрены в учебный процесс Московского государственного института электронной техники (технический университет).