Введение к работе
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 технологических системах нашли ансмомет-рические электротепловые преобразователи (АТП) Они выполняются в виде патрубков с резистнвными стержневыми термочувствительными (ТЧ")) и нагревательным (НЗ) элементами, установленными в потоке ')ти преобраюватсли имеют условный диаметр прохода от 10мм до 1м и харакіеризуюіся 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 обеспечигь 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 сисіему 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 обеспечигь в производственных условиях оперативный контроль идентичности характеристик группы технологических АТП. Оно должно иметь минимальные габаршы, 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 АТП. 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 исследовании 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.
Концепция 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 ATI1 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 ноірсншости калибровки и уоаповип. 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 Мі-croCap, Mathcad, Statistica, программирование на языке Паскаль.
Научная новизна работы
Даны рекомендации по проектированию АТП, оснащенных микропроцессорами.
Создана распределенная математическая модель процессов в ЛТП с различной степенью дискретизации для соответствующих задач исследования и проектирования.
Предложена и реализована двухпараметрическая аппроксимация нелинейной выходной характеристики ЛТП для микропроцессора.
Разработаны оригинальный имитационный метод, алгоритмы и технические средства автоматической двухнараметрической калибровки датчика.
Предложен и опробован динамический -мсктротспловой датчик и ал гори їм обработки его выходного сигнала по изменению тепловой посюяііной времени.
1 Ірактическая ценность работы
Выработаны рекомендации по построению ЛТП и имитационной ка
либровочной 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 профаммно-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 профамм 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-промышленных образцов элскфотешювых 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 ТЕХНОЛП (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 ГЛ.
