Введение к работе
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, А.Н. Павловского, В.М. Ильинского, Ф. Мейзда, Ф. Хер-нинга, Г.П. Катыса и многих других. Разработкой и выпуском расходомеров в настоящее время занимаются многие ведущие российские и мировые приборостроительные фирмы, в частности: «Саратовгазавтома-тика» , 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, микро- и 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 средств 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 итоге 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.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих основных задач:
- исследование существующих методов измерения скорости и расхо
да газовых потоков и выявление наиболее эффективного метода по
строения 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;
исследование влияния потоков газа на эволюции тепловой метки;
- создание классификации основных составляющих погрешности
измерения скорости и расхода газовых потоков, выявление домини
рующих погрешностей;
-разработка алгоритмов работы и структурных схем электронных меточных устройств;
-имитационное моделирование автоматического меточного устройства для измерения скорости и расхода технологических 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, опто-электроники и тепломассопереноса.
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:
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 тепло
вой метки, позволяющие проводить предварительные расчеты и чис
ленное моделирование автоматизированных меточных измерителей ско
рости и расхода газовых потоков при широком варьировании основных
конструктивных и геометрических параметров;
разработан математический аппарат по расчету основных погрешностей измерения расхода газовых потоков, который позволил обосновать возможность создания прецизионных меточных расходомеров, обеспечивающих погрешность измерения менее 0,6 %, что превосходит параметры современных сертифицированных средств измерения;
предложены меточные устройства автоматизированного измерения скорости и расхода потоков технологических газов, а также формирования жидкостных меток, обеспечивающие создание полностью автоматизированного меточного расходомера повышенной точности и помехозащищенности с возможностью измерения скорости и расхода агрессивных, взрывоопасных и токсичных газовых реагентов.
Практическая значимость работы заключается в новых возможностях улучшения метрологических характеристик рабочих и образцо-
вых средств автоматизированного измерения скорости и расхода технологических потоков газа. Гибкость предложенных решений делает возможным их применение в медицинском приборостроении, авиационной промышленности, биотехнологиях, микро- и наноэлектронике, 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.
Результаты экспериментальных исследований доказали принципиальные возможности построения меточного расходомера с диапазоном измерения объемного расхода газа от 0,1 л/ч до 2000 л/ч, массового расхода- от 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 расходов;
создание математической модели, описывающей деформацию жидкостной метки в измерительном трубопроводе расходомера;
создание динамической модели перемещения метки по измерительному трубопроводу меточного расходомера;
разработка статической модели для определения расходов газа в меточных расходомерах с жидкостной меткой;
создание математических моделей эволюции тепловой метки в канале трубопровода;
создание классификации основных составляющих погрешности и вывод формульных зависимостей для определения количественных характеристик составляющих методических погрешностей;
разработка меточных устройств для автоматизированного измерения скорости и расхода потоков технологических газов, а также формирования жидкостных меток;
создание 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 учебном процессе Московского государственного института электронной техники.
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;
меточные устройства измерения скорости и расхода технологических газов, а также формирования жидкостных меток;
имитационная мнемомодель автоматического меточного устройства для измерения скорости и расхода технологических потоков 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 экономике"(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 рисунка, 7 таблиц, а также список литературы из 114 наименований и 3 приложения.
