Содержание к диссертации
Введение
1. Существующие конструкции испытательных расходомерных установок (ИРУ) газа и жидкости 14
1.1. Общая структура испытательных расходомерных установок .14
1.2. Типовые конструкции существующих ИРУ газа 19
1.2.1. Установки с колокольным мерником .19
1.2.2. Трубопоршневые установки 23
1.2.3. Многосопловые установки 25
1.2.4. Установки с эталонным расходомером 29
1.3. Недостатки типовых конструкций ИРУ 32
1.4. Формулировка целей и задач 33
2. Моделирование и обоснование способов построения основных узлов испытательного расходометрического комплекса (ИРК) .35
2.1. Постановка задачи 35
2.2. Структурные схемы предлагаемых вариантов ИРК 43
2.2.1. ИРК на основе эталонного счетчика 43
2.2.2. ИРК на основе высокоточного устройства задания расхода (УЗР) с дискретным заданием расхода 51
2.3. Основные уравнения, описывающие работу ИРК 52
3. Разработка основных узлов экспериментального образца ИРК и расчет их параметров 54
3.1. Структурная схема экспериментального образца ИРК 54
3.2. Устройство хранения расходуемой среды 54
3.3. Устройство задания расхода 59
3.3.1. Постановка задачи 59
3.3.2. Теории сужающих устройств и истечения газа из отверстия в стенке сосуда 60
3.3.3. Расчет и изготовление экспериментального образца УЗР с отверстиями в боковой стенке цилиндрического резервуара, перекрываемыми поршнем 69
3.3.4. Система управления приводом УЗР 77
3.3.5. Разработка образца УЗР с отверстиями в торцевой стенке, перекрываемыми диском 81
3.4. Средства измерения параметров расходуемой среды 82
4. Результаты исследования экспериментального образца ИРК газа .84
4.1. Экспериментальное определение стабильности задаваемого расхода ИРК с эластичным резервуаром и УЗР с отверстиями в торцевой стенке .84
4.1.1. Методика проведения исследований 84
4.1.2. Результаты экспериментальных исследований 85
4.2. Экспериментальное определение корректирующего коэффициента для формулы Сен-Венана с использованием ИРК на основе эталонного счетчика газа .87
4.2.1. Техническое обеспечение экспериментальных исследований 87
4.2.2. Методика проведения исследований .94
4.2.3. Результаты экспериментальных исследований с использованием УЗР в виде трубы с отверстиями в боковой стенке .96
4.2.4. Исследование экспериментального образца с отверстиями в торцевой стенке резервуара .101
Заключение 106
Список литературы .108
Приложение А Описание работы программного и аппаратного обеспечения, алгоритмов работы узлов, связанных с устройством задания расхода (УЗР) .120
Приложение Б Таблицы данных, по которым строились основные графики и диаграммы 128
Приложение В Справки и акты о внедрении 133
- Установки с колокольным мерником
- Устройство хранения расходуемой среды
- Система управления приводом УЗР
- Техническое обеспечение экспериментальных исследований
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Трубопроводная транспортировка
жидких сред и природного газа имеет исключительное значение для нашей
страны. При этом одной из важнейших задач является измерение расхода
транспортируемых сред. Точность показаний измерительной
расходометрической аппаратуры определяют при испытаниях на
специальных установках, которые называют испытательными
расходомерными установками (ИРУ). Парк находящихся в эксплуатации счетчиков газа, особенно в секторе бытовых счетчиков, растёт в последние годы лавинообразно, а техническая база для проведения поверочных работ зачастую отстаёт от потребностей по производительности, удобству эксплуатации, достижимой точности. Основные технические решения по расходомерным установкам газа сложились ещё 30-40 лет назад и с тех пор развивались незначительно. Не стал исключением и наиболее массовый сектор бытовых счётчиков расхода газа, для большинства из которых поверочные работы ещё не начинались, т. к. их массовая установка в жилых домах и квартирах началась не так давно и межповерочные сроки в большинстве случаев ещё не вышли. При этом даже там, где сроки вышли, предпочитают заменять счётчики новыми, что объясняется дороговизной, низкой производительностью, слабой степенью автоматизации используемых ИРУ, пригодных для поверки бытовых счётчиков газа. Причём построение ИРУ по традиционным принципам не позволяет устранить их основные недостатки. В связи с этим разработка автоматизированной, пригодной для серийного производства, доступной и удобной в эксплуатации ИРУ для испытания и поверки бытовых счётчиков газа представляет научный интерес и практически важную задачу исследования.
Степень научной разработанности проблемы. Теоретическую базу
исследования составляют труды ученых П.П. Кремлевского, В.Г. Цейтлина,
В.Э. Дрейзина, В.П. Каргапольцева, Б.В. Бирюкова, А.И. Гордюхина, О.Г.
Бобровникова, В,А. Кириллина, В.Н. Царькова, В.Г. Патрикеева, А.В.
Лебедева, S. Parvizi, проводивших исследования в области расходометрии
газа. В частности, теории расходометрии газа и жидкостей с использованием
сужающих устройств посвящены работы П.П. Кремлевского, К.И. Цейтлина,
В.А. Кириллина, А.Д. Альтшуля, П.Г. Киселева, С.Л. Арсеньева, И.Б.
Лозовитского, Ю.П. Сирика. Практическими вопросами построения
автоматизированных поверочных установок занимались В.П. Каргапольцев,
А.В. Косолапов, А.А. Сиденко, О.А. Мицкевич, Г.Н. Бобровников, Б.М.
Новожилов, и др. Определение требований к стабильности давления и
расхода воздуха, отражено в работах Б.В. Бирюкова, М.А. Данилова, С.С.
Кивилиса, А.В. Лебедева. Проблемы, связанные с небалансом в
распределительных сетях и влиянием внешних факторов при учете
потребления газа рассмотрены в работах А.И. Гордюхина, О.Г. Гущина, В.Н. Царькова, Б.М. Беляева, А.И. Верескова, В.Г. Патрикеева.
Целью диссертационного исследования является повышение
производительности и технологичности процедуры поверки счетчиков и расходомеров газа.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
на основе анализа типовых конструкций испытательных расходомерных установок газа определено перспективное направление исследований и требуемые метрологические и технико-экономические характеристики ИРУ, предназначенных для поверки бытовых счётчиков газа;
теоретически и экспериментально исследована возможность использования нагружаемого эластичного резервуара в качестве устройства хранения расходуемой среды, обеспечивающего поддержание стабильного давления в нём;
на основе теории истечения газа из сопла и диафрагмы составлена математическая модель истечения газа из отверстия в стенке сосуда;
с учётом полученной модели разработаны, реализованы и экспериментально исследованы две компактные конструкции автоматизированного устройства задания дискретного расхода газа, что позволило количественно определить поправочный коэффициент в рассматриваемой математической модели;
разработан и реализован экспериментальный образец расходометрического комплекса для поверки бытовых счётчиков газа с использованием разработанных принципов построения его основных узлов: устройства задания расхода, которое также является измерительной частью комплекса, и нагружаемого эластичного резервуара в качестве устройства хранения и стабилизации давления расходуемой среды;
проведены исследования экспериментального образца, которые подтвердили возможность достижения требуемых основных показателей разрабатываемого испытательного расходометрического комплекса (ИРК).
Объектом исследования являются методы построения испытательных расходомерных установок газа.
Предметом исследования являются способы построения основных узлов испытательных расходомерных установок газа, способы улучшения их характеристик.
Научную новизну работы составляют:
- способ стабилизации давления расходуемой среды, отличающийся
использованием устройства хранения расходуемой среды в виде
нагружаемого эластичного резервуара;
математическая модель истечения газа из отверстия в стенке сосуда, отличающаяся от известной модели Сен-Венана наличием поправочного коэффициента, позволяющего учесть различие между давлением в струе газа на выходе из отверстия и непосредственно измеряемым давлением окружающей среды, куда выходит струя газа;
способ построения испытательного расходометрического комплекса газа, отличающийся использованием измерительной части в виде
дискретного задатчика расхода, реализующего предложенную
математическую модель, и устройством хранения и стабилизации давления расходуемого газа в виде нагружаемого эластичного резервуара.
Теоретическая и практическая значимость работы состоит в том,
что разработан и исследован ИРК газа, предназначенный для испытаний и
поверки бытовых счётчиков расхода газа, с использованием нагружаемого
эластичного резервуара в качестве устройства хранения и стабилизации
давления расходуемой среды, и оригинального компактного высокоточного
дискретного задатчика расхода в качестве измерительной части установки.
Разработанный комплекс не уступает по метрологическим характеристикам
образцам существующих ИРУ данного класса, обладает высокой
производительностью и степенью автоматизации, удобен в эксплуатации, а
также отличается меньшими массогабаритными характеристиками,
энергоёмкостью, стоимостью производства и эксплуатации. Объём эластичного резервуара экспериментального образца ИРК газа в 10 раз превосходит объём колокольного мерника, что обеспечивает возможность проведения в одном рабочем цикле поверки свыше десятка счётчиков и расширяет диапазон воспроизводимых расходов.
Соответствие содержания диссертации паспорту научной
специальности. Представленная диссертация соответствует п. 1 «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», и п. 3 «Разработка, внедрение и испытания приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами» паспорта специальности ВАК 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий.
Реализация результатов работы. Научные и практические результаты работы использованы в процессе выполнения работ по гранту по программе «У.М.Н.И.К.» на выполнение НИР «Создание расходометрического комплекса для проведения исследований и поверки (калибровки) расходомеров-счетчиков газа» и в рамках НИР №5633 «Научно-техническое обоснование и создание математической модели нового низкочастотного акустического метода расходометрии жидкостей и газов» аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)», а также внедрены в учебный процесс Юго-Западного государственного университета при изучении дисциплины «Сенсоры и датчики физических величин» направления подготовки 11.03.03 «Конструирование и технология электронных средств».
Полученная уточненная математическая модель истечения газа из
отверстия использовалась при расчетах точечных диффузоров общеобменной
вентиляции и форсуночных распылителей в секциях увлажнения при
реконструкции здания ФБГУ «Орловский референтный центр
Россельхознадзор» в целях размещения лабораторного блока (корпуса)
соответствующего уровня биологической защиты для работы с
возбудителями АЧС.
Методы исследования. При проведении исследований использовались
теоретические положения аэро- и термодинамики, методы планирования
эксперимента, методы математической статистики, вычислительной
математики и математического моделирования с применением
вычислительной техники.
Положения, выносимые на защиту:
- использование нагружаемого эластичного резервуара в качестве
устройства хранения расходуемой среды позволяет обеспечить достаточную
стабилизацию ее давления для проведения поверки бытовых расходомеров и
счетчиков газа;
- уточнённая математическая модель истечения газа из отверстия в
стенке сосуда, отличающаяся от известной модели Сен-Венана наличием
поправочного коэффициента, позволяет рассчитывать скорость истечения
газа из отверстия с учетом разницы между неизвестным давлением в струе
газа на выходе из отверстия и непосредственно измеряемым давлением
окружающей среды, куда выходит струя газа;
- использование устройства дискретного задания расхода с
отверстиями, сечение которых рассчитано с учетом предложенной
математической модели, и нагружаемого эластичного резервуара в качестве
устройства хранения расходуемой среды позволяет повысить
производительность и технологичность процедуры поверки бытовых
расходомеров газа.
Степень достоверности и апробация результатов основывается на использовании базовых положений технической термодинамики и аэродинамики, известных моделей истечения газов из сопла стандартной формы и диафрагмы, а также результатах проведенных автором исследований с экспериментальным образцом разрабатываемого комплекса.
Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на 8 международных, всероссийских и региональных конференциях и семинарах: международной научно-технической конференции «Диагностика-2009» (г. Курск, ЮЗГУ, 2009); региональном семинаре «Инновация-2010» (г. Курск, ЮЗГУ, 2010); 2-ой международной научно-практической конференции: «Отечественная наука в эпоху изменений: постулаты прошлого и теории нового времени» (г. Екатеринбург, 2 014); 10-ой международной научно-практической конференции: «Наука и инновации-2014» (г. Прага, 2014); международной научно-практической конференции: «Интеллект-2015» (г. Тула, ТГУ, 2015); международной научно-технической конференции «Распознавание-2015» (г. Курск, ЮЗГУ, 2015); на 8-ой международной научно-практической конференции: «Научное обозрение физико-математических и технических наук в XXI веке» (г. Москва, 2015); на 6-ой Международной научно-практической конференции «Прорывные научные исследования: проблемы, закономерности, перспективы» (г. Пенза, МЦНС, 2017).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, из них 5 в рецензируемых научных изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России, получено 2 патента на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения с основными выводами, списка литературы и приложений. Работа изложена на 137 страницах машинописного текста, включающих 32 рисунка, 12 таблиц, список литературы из 108 наименований.
Установки с колокольным мерником
На данный момент существуют различные схемы построения ИРУ газа. Рассмотрим наиболее широко и часто используемые из них [8, 9, 10].
Для поверки бытовых счётчиков, как правило, используют установки с колокольным газовым мерником [8]. Схематическое устройство такой установки, приведённое в [8], показано на Рисунке 1.3. Поверку бытовых счётчиков проводят как индивидуально, так и группой – до 6 шт. (устанавливая их последовательно, но это требует длинного испытательного участка трубопровода) с суммарным измеряемым расходом от 10 до 24 м3/ч. Ротационные счётчики поверяют только индивидуально.
Мерник 13 представляет собой перевернутый вверх дном сосуд – колокол, опущенный нижней частью в другой сосуд, заполненный водой. Под колоколом находится воздух под давлением, определяемым весом колокола. Для возможности регулирования этого давления колокол подвешивается с противовесом регулируемой массы, который компенсирует часть веса колокола. При открытии запорного устройства, регулирующего величину расхода, воздух из под колокола начинает выходить и проходить по магистрали и далее через счётчик. При этом колокол начинает погружаться в воду. По мере погружения колокола воздух выходит из него и проходит через поверяемый счетчик. Глубина погружения колокола и объем вышедшего из-под него воздуха в простейшем случае считывается визуально со шкалы, нанесённой на боковую стенку колокола. Далее сравниваются полученные результаты с показаниями поверяемого счетчика. Поэтому в первую очередь должна быть достигнута точность изготовления колокола и необходимая точность считывания показаний с его шкалы. Важно, чтобы площадь поперечного сечения внутренней полости колокола была строго постоянна по всей его высоте. Отклонения не должны превышать сотых долей процента.
Давление воздуха под колоколом при его погружении не должно изменяться. Для этого компенсируется изменение веса колокола при его погружении в воду за счёт веса вытесненной его стенками воды. Этого добиваются путём подвешивания противовеса, компенсирующего часть веса колокола, на цепи, вес которой подобран таким образом, что при погружении колокола вес той части цепи, которая подсоединена к колоколу, возрастает (за счёт удлинения этого участка цепи), а вес той части цепи, которая подсоединена к противовесу, уменьшается. Этим компенсируется уменьшение веса колокола за счёт частичного погружения его стенок в воду.
Скорость движения колокола при его погружении должна быть постоянной. Этим обеспечивается постоянство расхода воздуха на интервале осреднения. Изменение давления под колоколом, вызванное трением в подшипниках блоков, не должно превышать ±19,62 Па (±2 мм вод. ст.). Давление воздуха в испытательном участке трубопровода (непосредственно перед поверяемым счётчиком газа) измеряется с помощью водяного микроманометра (на схеме не показан).
В целом установка работает следующим образом. При включении компрессора 9 в полость колокола нагнетается воздух (клапан 8 при этом открыт, а клапан 7 закрыт), под давлением которого мерный колокол поднимается. Величина избыточного давления под колоколом может регулироваться за счёт массы противовесов. При этом мерная линейка 5 опускается и при крайнем нижнем положении мерной линейки замыкаются контакты 2, по сигналу которых компрессор отключается, клапан 8 закрывается, а клапан 7 открывается. Это исходное положение рабочего цикла, при котором мерный колокол 13 находится в крайнем верхнем положении (как изображено на Рисунке 1.3). Как только открывается выходной вентиль (или калиброванная насадка) 11, воздух начинает проходить из полости мерника по воздуховоду и открытый клапан 7, через поверяемый счётчик 12 и через выходной вентиль (или насадку) 11 в окружающую атмосферу. По мере опускания мерника 13, мерная линейка 5 поднимается. За время работы до замыкания контактов 5 и 2 происходит стабилизация расхода на требуемом уровне и при замыкании контакта 5 с контактами 2 подаётся сигнал на включение секундомера (на Рисунке 1.3 не показан) и счи-тываются начальные показания поверяемого счётчика А\. Далее мерник 13 продолжает опускаться с постоянной скоростью, а ротор поверяемого счётчика вращаться с постоянной скоростью, пока контакты 6 на мерной линейке не замкнутся с контактами 2. По этому сигналу секундомер отключается и считываются конечные показания счётчика А2.
Поскольку объём воздуха прошедшего за время , зафиксированного секундомером, всегда одинаков и равен V0 , а за это же время объём воздуха, зафиксированный по показаниям счётчика, равен Vn = А2 - Aj , то относительная погрешность счётчика (в %) будет равна
Предельно достижимая погрешность таких установок составляет 0,2 %. Но при этом объём мерника не превышает 20 литров. При объёме мерника до 50 литров погрешность составляет 0,3-0,5 %.
Образцовые расходомерные установки колокольного типа обеспечивают высокое постоянство давления в контрольном участке трубопровода. К сожалению, промышленность не выпускает калиброванные метрологически аттестованные мерники, без которых собрать такую установку, даже работающую в ручном режиме, невозможно. Поэтому, несмотря на кажущуюся простоту эти установки достаточно дороги. Производительность у них низкая, т.к. запаса воздуха под мерником хватает лишь для поверки одного счётчика.
Устройство хранения расходуемой среды
В существующих ИРУ газа устройством хранения газовой среды является либо колокольный мерник, либо жёсткий резервуар, давление в котором поддерживается постоянным с помощью компрессора, управляемого системой автоматического регулирования давления. В первом случае при высокой точности изготовления мерника с постоянным внутренним сечением колокола обеспечивается высокое постоянство поддержания давления под колоколом. При этом по перемещению мерника определяется истинный расход газа, т. е. мерник в таких ИРУ является не только устройством хранения газовой среды, обеспечивающим постоянство её давления, но и важнейшей частью устройства измерения действительного значения объёма израсходованного газа. Именно поэтому к его изготовлению предъявляются столь жёсткие требования. Однако мерники большого объёма (свыше 200 л) технологически сложны в изготовлении, что ограничивает время осреднения при больших расходах. Поэтому такой способ может использоваться лишь в установках с малыми пределами измерения расходов (до 16 м3/час) [22; 71]. Поэтому данный вариант конструкции устройства хранения расходуемой среды не желателен.
Во втором случае ограничение по объёму резервуара снимается, но постоянство давления расходуемой среды в нём при работе установки обеспечить сложнее. Точность поддержания давления ограничивается не только точностью датчика, измеряющего давление в резервуаре, но и точностью системы автоматического регулирования давления. Насос, подкачивающий воздух, включается или периодически по мере расходования воздуха или его производительность регулируется плавно с помощью частотных преобразователей. В любом случае создаются пульсации давления воздуха в резервуаре, что отрицательно влияет на точность установки. Для преодоления этого недостатка можно использовать двухступенчатую схему: основной резервуар повышенного давления и ресивер с давлением, требуемым для нормальной работы поверяемого расходомера, воздух из которого уже непосредственно подаётся в измерительный коллектор. В основном резервуаре постоянство давления поддерживается описанной выше системой автоматического регулирования с периодическим включением/выключением насоса, поскольку высокие требования к точности и стабильности поддержания давления в нём не предъявляются. А во второй резервуар воздух поступает из первого через плавно регулируемый автоматический вентиль, что позволяет свести пульсации давления к минимуму. Однако это существенно усложняет и удорожает конст 56 рукцию, поскольку помимо сохраняющейся системы автоматической стабилизации давления в резервуаре повышенного давления добавляется ещё аналогичная система управления вентилем с плавным регулированием пропускной способности. Кроме того, наличие двух резервуаров увеличивает габариты установки. Следовательно, и эта конструкция устройства хранения газовой среды для разрабатываемой установки непригодна.
Конструкция с эластичным резервуаром, описанная в п. 2.2.1, является более приемлемой. Основным её достоинством является то, что в таком нагружаемом резервуаре, при расходовании воздуха будет сохраняться постоянное давление, величина которого определяется массой груза. Поэтому, если рабочий цикл установки осуществляется без подкачки в него воздуха, то в нём (как и под колокольным мерником) сохраняется стабильное давление, пока по всему сечению резервуара между верхней и нижней стенками сохраняется прослойка воздуха. Для этого достаточно оставлять в резервуаре к концу рабочего цикла 15-20 % номинального объёма воздуха. При этом недопустимо перекашивание плиты с грузом по мере расхода воздуха из резервуара, которое будет происходить при неравномерном размещении груза на ней. Чтобы этого избежать необходимо либо чтобы сама плита имела необходимую массу для обеспечения нужного давления воздуха в резервуаре, либо осуществить подвеску груза таким образом, чтобы его центр тяжести располагался ниже самого резервуара. Последнее можно осуществить, если располагать груз в люльке, подвешиваемой к плите, как показано на Рисунке 3.1.
Важным вопросом является выбор необходимого времени осреднения и объёма резервуара при проведении измерительных процедур. При отсутствии пульсаций давления и полной автоматизации измерительных процедур время осреднения можно уменьшить до 30 с. В этом случае суммарный расход воздуха при градуировке счётчиков с Dу = 20 мм (Qmax = 4 м3/час) по всем 24 точкам составит примерно 0,52 м3, а при поверке по 4 точкам 0,055 м3. Соответствующие расчёты приведены в Таблице 3.1. При градуировке счётчика при возрастании и убывании расхода (всего 48 точек измерения) суммарный расход составит 1,04 м3. Следовательно, при объёме эластичного резервуара 1,2-1,5 м3 одной заправки воздухом будет достаточно для градуировки счётчика с максимальным расходом 4 м3/час по 24 точкам при возрастании и убывании расхода.
Таким образом, для бытовых счётчиков с максимальным расходом 4 м3 одной заправки воздуха хватит на всю процедуру градуировки, а суммарная её длительность составит не более 30 минут. Если же производится поверка механического счётчика (по 4-м точкам), то суммарный расход воздуха составит 0,055 м3, а длительность процедуры – не более 3 минут. Следовательно, на одной заправке воздухом можно провести поверку свыше 10 счётчиков и общее время работ (даже с учётом вспомогательных операций по установке и снятию поверяемого счётчика) также не превысит 1,5 часа. Эти показатели будут варьироваться в зависимости от типа поверяемого счетчика, так как у некоторых счетчиков есть ограничения на минимальные объемы пропускаемого воздуха при испытаниях [19; 72].
При контроле счётчиков с максимальным расходом 16 м3 соответствующие суммарные расходы воздуха возрастут в 4 раза, но и в этом случае одной заправки воздухом хватит для поверки до пяти счётчиков. Таким образом, эластичного резервуара объёмом 1,2-1,5м3 вполне достаточно как для проведения процедуры поверки расходомеров-счетчиков, так и для градуировки. В качестве такого резервуара может быть использован обычный надувной матрас.
Система управления приводом УЗР
Управление задатчиком расхода должно осуществляться с помощью персонального компьютера (ПК). Для точного позиционирования регулирующего органа УЗР (открывающего нужные отверстия в резервуаре) необходимо использовать привод с шаговым двигателем, к тому же он удобен для программного управления, например, через стандартный параллельный интерфейс ПК (LPT).
Для экспериментального образца ИРК был выбран шаговый двигатель типа ШД от матричного принтера. Это двигатель с переменным магнитным сопротивлением. Двигатели с переменным магнитным сопротивлением обычно имеют три (реже четыре) обмотки с одним общим выводом. Выбранный двигатель имеет 4 обмотки с одним общим выводом [96]. Один оборот данный двигатель делает за 120 шагов, что соответствует повороту на 3 за один шаг. Сопротивление каждой из обмоток двигателя равно 2 Ом; ток, при котором не наблюдалось перегрева обмотки в течение 15 минут, составляет 1 А, обмотки двигателя не спрятаны под кожухом корпуса, поэтому их температуру легко контролировать.
Примеры схем управления шаговыми двигателями были найдены в нескольких источниках [97-99]. В конструкции УЗР с цилиндром и поршнем требовался большой крутящий момент для преодоления сил трения поршня о стенки цилиндра и давления газа на поршень (при остановке поршень нужно удерживать в заданном положении). Так как силы трения в этом случае преодолевать не надо, то можно обойтись меньшим крутящим моментом. Поэтому схема управления двигателем, должна обеспечивать высокий крутящий момент во время вращения двигателя, для чего ток через обмотки должен в 1,5-2 раза превышать 1 А, а для удержание двигателя в установленном положении достаточно тока в 1 А. В этом случае обмотки двигателя во время эксплуатации не будут перегреваться.
Схема управления двигателем ШД разрабатывалась на базе микроконтроллера PIC16F628. Было опробовано несколько различных схем управления двигателем. Наилучшей оказалась схема, использующая два источника питания с разными напряжениями: меньшее напряжение для режима удержания и большее – в режиме вращения. На Рисунке 3.8 приведена электрическая принципиальная схема управления ШД устройства задания расхода (в Приложении А на Рисунке А.1 приведена разводка платы для этой схемы).
Схема работает следующим образом: сигналы с выводов 1 – 4 управляют включением обмоток двигателя, сигналы на выводах 5 и 6 задают используемое напряжение питания ШД. Резисторы R7 – R12 – обеспечивают нулевой потенциал на затворах на время старта операционной системы и управляющей программы, т. к. порт в это время ориентирован на ввод. При этом исключаются случайные коммутации управляющих двигателем цепей. При отсутствии сигналов на выводах 1 – 6 через них стекает заряд с затворов n-канальных транзисторов VT1 – VT6 и закрывает их. При появлении сигнала высокого уровня (+5В) на выводе 5 открывается n-канальный транзистор VT1. Открывающийся транзистор VT1 подаёт на затвор p-канального транзистора VT7 открывающее напряжение. При отсутст 79 вии сигнала высокого уровня на выводе 5 на затвор транзистора VT7 через резистор R13 подаётся напряжение питания и VT7 закрывается.
Аналогичным образом работают VT2 и VT8 соответственно при появлении сигнала логической единицы на выводе 6. Открывающийся транзистор VT2 через делитель R13-R14 подаёт на затвор p-канального транзистора VT7 открывающее напряжение. Наличие делителя, в отличие от предыдущего случая, необходимо для того, чтобы управляющее напряжение не превысило предельно допустимое напряжение затвор-исток p-канального транзистора VT8. Транзисторы VT7, VT8 работают в ключевом режиме. При появлении сигнала высокого уровня на выводе 1 открывается n-канальный транзистор VT3, через первую обмотку шагового двигателя и токозадающий резистор R16 потечёт ток. Далее, при поступлении сигнала низкого уровня на вывод 1, закрывается VT1, а бросок напряжения первой обмотки шагового двигателя замыкается через диод VD1. Диоды Шотки VD5 обеспечивают защиту от конфликтов при подаче активных сигналов сразу на оба контакта 5 и 6, в данном случае на обмотки будет подано наибольшее из напряжений питания.
Шаговый двигатель ИРУ управляется через порт LPT с помощью данной схемы. Она позволяет питать обмотки двигателя либо напряжением +5В, либо +12В.
Управление двигателем происходит следующим образом:
В порт LPT отсылается двухбайтовое слово. Старший байт отвечает за выбор напряжения питания обмоток двигателя. Если старший байт равен 1h, то напряжение питания составляет +5В; если 2h, то +12В; если 0h, то напряжение не подаётся. Если старший байт равен 3h, то напряжение питания будет также составлять +12В.
Младший байт отсылаемого в порт LPT слова управляет включением и выключением обмоток. 1 соответствует активации обмотки, 0 – выключению обмотки. Для реализации полушагового режима необходим перебор 4-х обмоток в следующем порядке: 0001 0011 0010 0110 0100 1100 1000 1001, или же в обратном порядке. Программа управления ШД разрабатывалась в среде HiAsm. Это конструктор программ, который, прежде всего, является системой визуального проектирования и разработки приложений, не требующей от пользователя знания языков программирования и особенностей функционирования операционной системы, позволяющая легко и быстро писать (рисовать) небольшие программы [100].
ИРУ может функционировать как в ручном режиме, так и с помощью программы, сконструированной в HiAsm (Рисунок 3.9).
Рисунок аналогичный Рисунку 3.9, но без выделения элементов контурами, приведен в Приложении А на Рисунке А.2. Алгоритм работы программы управления ШД задатчика расхода ИРК представлен в Приложении А на Рисунках А.3 – А.7.
Техническое обеспечение экспериментальных исследований
Для определения численного значения корректирующего коэффициента Kp обязательно требовалось произвести сличение расчётных значений расхода по формуле Сен-Венана без корректирующего коэффициента (формула 3.15 при Kр = 1) с показаниями образцового расходомера. Однако, как было отмечено в главе 2, при испытаниях ИРК с эталонным ролико-лопастным расходомером ОР-40 был выявлен ряд его недостатков, которые приводят к невозможности его использования в данном случае. Поэтому в качестве эталонного расходомера пришлось использовать бытовой счётчик газа Гранд-4 на основе струйного генератора с приведенной погрешностью ±1,5 %.
Принцип действия струйного счётчика основан на зависимости частоты колебаний струи в струйном генераторе от расхода газа. Метод измерений основан на измерении объема газа, прошедшего через струйный генератор счетчика. Колебания струи в струйном генераторе преобразуются пьезоэлементом в электрический импульсный сигнал, пропорциональный величине объема газа, прошедшего через счетчик. Импульсный сигнал преобразуется в аналогово-цифровом блоке в значение прошедшего через счетчик объема газа и регистрируется с нарастающим итогом [103]. Основные технические характеристики счётчика Гранд-4 приведены в Таблице 4.1.
Перепад давления на УЗР измерялся датчиком избыточного давления Мет-ран-150-CG1 (предел допускаемой основной погрешности 0,1%), настроенным на диапазон измерений (-2,5 …+2,5) кПа, ИРК был построен в соответствии со структурной схемой, приведенной на Рисунке 2.1.
Эксперимент проводился с двумя вариантами УЗР: в виде трубки с отверстиями в боковой стенке и перемещающимся в ней поршнем и в виде диска с отверстиями в торцевой стенке цилиндра, перекрываемыми вторым диском. Временная разница между экспериментами с этими двумя вариантами УЗР – примерно один год.
На Рисунке 4.3 представлено фото испытательного коллектора установки с расходомером-счётчиком Гранд-4, установленного вместо поверяемого счётчика, а на Рисунке 4.4 – фото варианта УЗР в виде трубки с перемещающимся внутри неё поршнем. Эксперименты проводились при управлении комплексом в ручном режиме.
Второй вариант УЗР представляет собой два соосных диска с отверстиями. Один из дисков жестко закреплен в пазах воздуховода УЗР, а второй вращается относительно первого с помощью шагового двигателя.
Диски отполированы и плотно прилегают друг к другу так, что протечка газа через промежуток между дисками исключена или пренебрежимо мала. Такое решение является более технологичным, так как отполировать ровную поверхность значительно проще, чем внутреннюю поверхность трубы.
Для экспериментального образца такого УЗР были применены диски от накопителей на жестких дисках. Они изготавливаются из алюминия с напылением слоя железа, поэтому поверхностный слой достаточно прочен и отполирован до зеркального блеска. Диаметр диска составляет 95 мм, а толщина 1,25 мм.
Расчет сечений отверстий производился по формуле (3.15) для избыточного давления в 1 кПа, а не 5 кПа как в первом варианте УЗР. Обзор литературы показал, что многие ИРУ для поверки бытовых счетчиков газа обеспечивают именно такое избыточное давление [5; 9; 22]. Чем меньше требуемое давление в эластичном резервуаре, тем меньше и используемый груз, тем безопаснее и легче работать с разрабатываемым ИРК. При этом увеличивается и площадь сечения отверстий в УЗР для достижения требуемого расхода, а значит, тем точнее их можно изготовить. Номера отверстий, их диаметры и расходы (по отношению к Qmax для Dy=20 мм и Dy=25 мм), на которые они рассчитаны, приведены в Таблице 4.2. В случае с данным вариантом УЗР было решено не снижать максимальный задаваемый расход (150% для Dy=25 мм), тем самым обеспечив больший динамический диапазон расходов, что позволило более достоверно судить о величине корректирующего коэффициента и его зависимости от величины расхода воздуха. Теперь точки расхода распределены с шагом 10 % Qmax для счетчиков с Dy = 20 мм и Dy = 25 мм, за исключением дополнительной точки 5 % Qmax для Dy = 20 мм.
Отверстия в дисках изготавливались на фрезерном станке с точностью позиционирования режущего инструмента 0,01 мм. На Рисунке 4.5. приведен вариант размещения отверстий, который в дальнейшем использовался для изготовления экспериментального образца. В этом случае ни один из дисков излишне не ослаблен и есть нейтральное положение, в котором ни одно из отверстий не открыто. Этот режим необходим для определения наличия утечек воздуха на участке трубопровода между расходомером и УЗР. На Рисунке 4.6 приведена фотография изготовленных дисков.
Для определения степени соответствия изготовленных отверстий в дисках УЗР рассчитанным отверстиям диски УЗР были отсканированы с разрешением 3200 dpi. Таким образом, каждый пиксель соответствует области на диске размером 0,79375 0,79375 мкм. Отсканированные изображения приведены на Рисунке 4.7. Диск был дважды отсканирован с поворотом диска на 90 для того, чтобы снизить погрешности от поступательного движения каретки сканера. Далее оба этих изображения были совмещены и загружены в проект Autodesk Autocad, так как в нем можно гибко настраивать масштабы изображений и с большой точностью определить диаметры изготовленных в диске отверстий. Штангенциркуль был помещен на сканер вместе с диском в качестве эталона длины, таким образом, предел допускаемой погрешности измерений отверстий составит ±0,05мм [104].
Далее путем вписывания окружности в контур изготовленных отверстий были измерены размеры отверстий. На отсканированных изображениях граница отверстий размыта и вписываемая окружность размещалась посередине этой границы, тем не менее, результаты измерения диаметров отверстий по двум сканированиям отличаются друг от друга лишь на 0,025мм. При этом за наиболее достоверное значение диаметра измеряемого отверстия принимался диаметр, параллельный расположению матрицы на каретке сканера, так как неравномерность перемещения каретки могла вносить дополнительные искажения.
Результаты приведены далее в Таблице Б.1 Приложения Б. Отверстия с номерами от 6 по 18 оказались изготовлены с отклонением измеренного диаметра от расчетного в пределах 2 %, отверстия с номерами с 1 по 5 были изготовлены с большей погрешностью (до 10%), вероятно из-за ошибки в учете размера режущего инструмента.