Введение к работе
Актуальность темы. При управлении, контроле и диагностике технических объектов в различных отраслях промышленности и на транспорте, а также в медицине и экологии важной является задача одновременного измерения комплекса кинематических и теплофизических параметров газовых потоков, оказывающих доминирующее влияние на эффективность и безопасность их функционирования. Сложность и многоаспектность решения этой задачи возрастает из-за непрерывного повышения требований к рабочим диапазонам, точности и быстродействию такой многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков в условиях воздействия возмущений различного характера и уровня.
Существенный вклад в разработку принципов построения многофункциональных систем измерения различного назначения внесли Б.Н. Петров, Д.А. Браславский, В.А. Боднер, Н.Д. Дубовой, И.К. Насыров, П.П. Орнатский и др. Развитию методов повышения точности, быстродействия и расширения функциональных возможностей средств измерения параметров газовых потоков посвящены исследования Л.Л. Бошняка, СМ. Горлина, И.И. Слезингера, П.П. Кремлевского, А.Н. Петунина, В.А. Ференца, К.В. Кумунжиева, В.М. Сол-даткина, А.А. Порунова, Ф.А. Танеева и др. Известны работы зарубежных исследователей: Hagen F., Schaedel //., Williams R.W., Miner Richard J., Walker R.E., Westenberg A.A., R.A. Rasmussen,A. Тагопіи др.
Известные системы измерения комплекса кинематических и теплофизических параметров газовых, в том числе воздушных потоков, как правило, построены на основе группы источников первичной информации и различных по структуре каналов преобразования. Такой принцип построения системы измерения параметров газовых потоков в силу разнородности и автономности процессов измерительного преобразования, структурной неоднородности и сложности измерительных каналов практически исключает возможности расширения ее функциональных возможностей и улучшения метрологических характеристик, сужает область применения. Более перспективным является создание многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков на основе многоканального проточного приемника потока и структурно-идентичных измерительных каналов, построенных с использованием принципов инвариантности и модуляции. За счет этого значительно расширяется функциональные возможности систем измерения параметров газовых потоков и областей их применения при обеспечении одновременности получения полной информацию о параметрах состоянии объекта управления и контроля.
Анализ задачи измерения параметров газовых потоков в авиации, на автомобильном транспорте, в медицине и экологии свидетельствует о существенном различии в требованиях к метрологическим характеристикам средств измерения, особенно по диапазону измерения, точности, надежности и динамическим свойствам. Это определяет актуальность создания многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков с широкими диапазонами измеряемых скоростей, расходов, перепадов давлений, абсолютных давлений с
повышенной статической и динамической точностью, с высокой надежностью работы в сложных условиях эксплуатации.
Объектом исследования является многофункциональная система измерения параметров газовых потоков, построенная на основе многоканального приемника потока и струйно-конвективных преобразователей первичной информации.
Предмет исследования. Создание многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков предусматривает разработку теоретических основ построения, математического описания, алгоритмов функционирования, методов проектирования и обеспечения точности, особенностей конструктивного выполнения, экспериментального исследования и применения системы на объектах различного назначения.
Цель диссертационной работы - расширение области применения, улучшение метрологических и эксплуатационных характеристик многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков за счет реализации принципов многоканальности, инвариантности и структурной идентичности измерительных каналов.
Научная задача диссертации заключается в разработке научно-обоснованной методики построения, математического описания, проектирования, экспериментального исследования и применения многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками, построенной на основе многоканального приемника потока и струйно-конвективных преобразователей.
Решение поставленной задачи научного исследования проводилось по следующим основным направлениям:
Анализ состояния и определение перспективных направлений совершенствования систем измерения параметров газовых потоков, расширения спектра их применения.
Разработка принципов построения и алгоритмов функционирования измерительных каналов базовых вариантов многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков.
Синтез математических моделей базовых элементов многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков на основе многоканального приемника потока и струйно-конвективных измерительных каналов.
Имитационное моделирование каналов многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков.
Разработка методик проектирования, проведения экспериментальных исследований, изготовления макетных образцов и рекомендаций по применению многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков.
Методы исследования. Представленные в диссертационной работе научные положения получены с использованием методов теории измерений и измерительных преобразователей, математического и имитационного моделирования, анализа и синтеза, экспериментальных исследований измерительных систем с последующей вероятностно-статической обработкой результатов. При вы-
полнении исследований широко использовались программные пакеты Microsoft Office, Компас 3D, MathCad, Simulink, Matlab и др.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается применением апробированных математических моделей, строгих математических преобразований, современных подходов к анализу и синтезу многофункциональной измерительной системы, проведением имитационного моделирования, сравнением результатов теоретических и экспериментальных исследований и испытаний макетных образцов, а также опытом реализации и использования полученных научно-технических результатов на различных этапах прикладных разработок.
Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работы заключается в следующем:
Разработаны принципы построения и алгоритмов функционирования многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков на основе многоканального приемника потока и струйно-конвективных преобразователей.
Разработаны математические модели измерительных каналов многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков.
Разработаны методики моделирования и исследования характеристик базовых элементов и измерительных каналов многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков.
Разработаны методики инженерного проектирования вариантов многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков.
Предложены оригинальные варианты построения многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков, стенда для исследования статических и динамических характеристик многоканального проточного приемника потока и многофункциональной системы измерения высотно-скоростных параметров малоразмерного летательного аппарата, защищенные патентами РФ на изобретения и полезные модели.
Практическая ценность диссертации определяется предложенными оригинальными схемными построения базовых вариантов многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков, разработанными методиками расчета характеристик и коррекции погрешностей измерительных каналов, методиками инженерного проектирования и изготовления макетных образцов системы, оригинальными схемными построениями и конструктивной реализацией стенда для экспериментальных исследований, результатами разработки и экспериментального исследования вариантов многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков с расширенными функциональными возможностями и улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.
Реализация результатов исследования. Основные результаты диссертационной работы использованы при выполнении хоздоговорных НИР КНИ-ТУ-КАИ по темам НЧ 303036, НЧ 303037; инновационного проекта "Всена-правленная система мониторинга атмосферы" конкурса «Инновационный росток" по заявке №БЗ-05-002; проекта № 2.1.2/6100 "Разработка теории и методов
проектирования панорамной и всенаправленной систем воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного многоканального приемника давлений" Аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 г.г.)", а также при выполнении инновационного проекта "Теоретические исследования и разработка лабораторного образца струйно-конвективного измерителя расхода газового топлива" государственного контракта № 6629р/8697 от «02» марта 2009 г. по программе "У.М.Н.И.К.".
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе подготовки инженеров по специальностям «Авиационные приборы и измерительно-вычислительные комплексы», «Приборостроение» и «Биотехнические и медицинские аппараты и системы».
Основные положения, выносимые на защиту:
Результаты анализа современных требований к информации о параметрах газовых потоков различных объектов контроля и управления, обоснование перспективных направлений совершенствования средств ее получения.
Принципы построения, алгоритмы функционирования и схемная реализация структурно-идентичных измерительных каналов многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков на основе многоканального приемника потока и струйно-конвективных преобразователей.
Математические и имитационные модели измерительных каналов многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков и их базовых элементов.
Схемное и конструктивное построение, методики расчета и инженерного проектирования, имитационного моделирования и экспериментального исследования базовых вариантов многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков.
Результаты разработки и исследования макетных образцов базовых вариантов многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков с расширенными рабочими диапазонами, улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.
Апробация работы. Основные положения проведенных исследований и результаты работы докладывались на Всероссийской научно-технической конференции (НТК) "Методы и средства измерения в системах контроля и управления", Пенза, 2001г.; на II, V и VI Международных НТК «Автомобиль и техносфера», Казань, 2001, 2008, 2011 г.г.; на ГХ-й Всероссийской НТК "Состояние и проблемы измерений", Москва, 2002 г.; на XV и XVI НТК с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления. ДАТЧИК-2003", Москва, 2003 2004 гг.; на IX и XII Международных НТК студентов, аспирантов и молодых ученых "Современная техника и технологии", Томск, 2003, 2006 г.г.; на II, V и VIII Международных научно-практических конференциях (НІЖ) «Медицинская экология», Пенза, 2003, 2006, 2009 г.г.; на XIII Международной НТК студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2007; на Всероссийской научной конференции "Информационные технологии в науке, образовании и производстве", Казань, 2007; на Международной молодежной на-
учной конференции "XVI Туполевские чтения", Казань, 2008 г.; на IV и VI Международных НІЖ «Современные технологии - ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения» (АКТО-2008), Казань, 2008, 2010 г.г.; на Международной молодежной научной конференции "Решетневские чтения", Красноярск, 2008 г.; на VI Международной конференции студентов и молодых ученых "Перспективы развития фундаментальных наук", Томск, 2009; в XXX Российской школе по проблемам науки и технологий, посвященной 65-летию Победы, Миасс, 2010; на V Международной НІЖ "Современные технологии -ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения", Казань, 2010; на III Международной научной конференции "Функциональная компонентная база микро-, опто- и наноэлектроники", Харьков, 2010, на Международной научно-технической интернет-конференции «Информационные технологии и системы «ИСиТ'2011», Орел, 2011 г; на VI Международной НТК «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики АНТЭ-2011» Казань, 2011, на конкурсах инновационных программ «Пятьдесят лучших инновационных идей Республики Татарстан», 2006, 2007, 2008 г.г., «Инновационный росток" 2006, 2007 г.г., «СТАРТ-07», «СТАРТ-08» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, 2007, 2008 гг., а также на расширенных заседаниях кафедры приборов и информационно-измерительных систем КНИТУ-КАИ, 2006-2011 гг.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 43 печатных работах, в том числе в 9 статьях, из них 1 статья в периодических изданиях, рекомендованных ВАК, 2 патентах на изобретение, 2 патентах на полезную модель, в 15 материалах и 14 тезисах докладов.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 194 наименований и приложения. Основная часть диссертации изложена на 229 страницах машинописного текста, содержит 73 рисунка и 12 таблиц.
Личный вклад. Автор принимал непосредственное участие в постановке и реализации задачи исследования. Им разработаны принципы построения, алгоритмы функционирования, методики коррекции погрешностей измерительных каналов, математические и имитационные модели базовых элементов и измерительных каналов системы, методики инженерного проектирования, моделирования, изготовления, экспериментальных исследований, рекомендации по применению и совершенствованию вариантов многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков объектов различного назначения.
