Газодинамические измерители объема резервуаров сложной конфигурации Бердников, Алексей Владимирович

Введение к работе

Актуальность работы. Эффективность работы технических средств и протекания производственных и технологических процессов неразрывно связана с качеством контроля и измерения массово-габаритных параметров используемых или расходуемых продуктов и материалов.

К числу важнейших параметров ряда таких средств и процессов относятся количество и объем жидких и сыпучих веществ, находящихся в резервуарах с весьма сложной конфигурацией или изменяющих свою пространственную ориентацию в процессе эксплуатации. В этих случаях использование традиционных средств измерения количества вещества по его уровню в резервуаре ограничивается из-за деформации функциональной связи между количеством заполняющего объем вещества и . его уровнем, вызванной действием гравитационных сил и моментов, изменением пространственной ориентации резервуара или неопределенностью положения контролируемого вещества при эксплуатации в условиях невесомости.

Это обусловливает лхтуальность исследований, троводимых как з нашей стране, так и за рубежом, по разработке новых методов^ и средств измерения количества веществ, по комплексированню средств измерения, осно.ванных на использовании эффектов различной физической природы.

Проведенные поисковые исследования показали, что одним из перспективных направлений исследования является разработка пневматических объемомеров. Сущность работы таких измерительных устройств заключается в создании зондирующего пневматического воздействия на объект измерения с последующей регистрацией пневматического отклика на него. При этом производится измерение параметров газовой фазы контролируемого резервуара до и после проведения пневматического воздействия, на основании которого проводится вычисление объема газовой фазы резервуара. Так как полный объем резервуара может быть измерен до опыта, то количество заполняющего резервуар вещества так же может быть определено с достаточно высокой точностью. Существенным преимуществом пневматических объемомеров являются возможность измерения объема сипучих веществ в резервуаре любой конфигурации, а также при изменении ориентации объекта измерения в пространстве при воздействии на контролируемое вещество гравитационных сил и моментов.

Однако существенным ограничением на применение пневматических измерителей объема является необходимость полной герметизации контролируемого резервуара на время измерения, отключения его от напорных и сливных магистралей при их невысоком быстродействии.

Как показали исследования, от указанных недостатков свободны так называемые газодинамические измерители объема, использующие в своей работе уравнения газовой динамики, определяющие состояние газовой среды контролируемого резервуара. Указанные измерительные устройства занимают промежуточное положение между статическими пневматическими объемомерами и средствами измерения положения уровня раздела сред вещество-газовая среда, использующими ахусти-ческие принципы. Газодинамические измерители объема могут сочетать в себе достоинства пневматических обьемомеров с возможностями повышения быстродействия устройств и проведения измерений на негерметичных объектах при обеспечении условий, при которых параметры дренажных каналов остаются постоянными на время измерения.

Цель работы' создание газодинамических измерителей объема жидких и сыпучих веществ в резервуарах сложной конфигурации или находящихся на подвижных объектах, обладающих улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

Задача научного исследования заключается в разработке принципов построения, методик анализа и синтеза газодинамических изне-рителей объема по функциональным, метрологическим и эксплуатационно-компоновочным критериям.

Поставленная задача исследований решалась в следующих основных направлениях:

-исследование особенностей описания, процессов, протекающих в газовой полости дренированных резервуаров сложной конфигурации применительно к задаче измерения объема;

- анализ процесса формирования зондирующего пневматического воздействия в среде с распределенными параметрами и особенностей применения спектральных методов оценки реакции газовой полости объекта измерения;

разработка математической _ модели процесса регистрации пульсаций давления в контролируемом объеме и методики расчета временных параметров выходного сигнала первичного измерительного преобразователя;

структурный и параметрический синтез основных элементов измерительного тракта газодинамического измерителя объема и коли-

чества вещества;

создание " экспериментальные исследования макетных и опытных образцов газодинамических измерителей объема в лабораторных и натурных условиях;

обоснование возможности применения газодинамических измерителей в других областях промышленности, в частности в медицине.

Методы исследования базируются на использовании методов теории измерительных преобразователей и обобщенной теории цепей, теоретических основ термо- и газодинамики и пневмоакустики с применением методов математического моделирования. Исследование характеристик термоаненореэистивного измерительного преобразователя проводится методом имитационного моделирования. При обработке результатов экспериментальных и натурных исследований использованы методы планирования эксперимента, теории вероятностей и математической статистики с применением ЭВМ.

Основные положения и выводы подтверждены физическими экспериментами и результатами стендовых испытаний созданных устройств в НПО "Нефтепромавтоматика" и на ММ2 "Скорость".

Научная новизна работы предст;в-с:іі сле^усщими результатам::, которые выносятся на защиту

разработаны принципы построения газодинамических измерителей объема с использованием методов автоподстройки, модуляции и симметрирования каналов;

разработан способ создания зондирующего пневмоакустическо-го воздействия с использованием электромеханического преобразователя, позволяющий проводить поличастотное сканирование в заданной полосе частот; получены аппроксимационные зависимости, отражающие процессы формирования временных параметров выходного сигнала пер-зичного измерительного преобразователя газодинамического измерителя объема;

разработана математическая модель процесса регистрации пульсаций давления в объеме контролируемого резервуара и методика расчета временных параметров выходного сигнала измерительного преобразователя; получены зависимости, характеризующие функцию преобразования и погрешность измерения газодинамического измерителя объема;

разработаны методики синтеза конструктивных параметров зондирующего и регистрирующего каналов газодинамического измерителя объема по функциональным, метрологическим и эксплуатационным

I - 4 -

критериям.

Практическая ценность работы определяется следующими результатами:

1. Разработан термоанеморезистивный измерительный преобразователь массового расхода газа с импульсным режимом работы и алгоритмы расчета временных параметров его выходного сигнала.

2. Разработаны оригинальные схемы построения газодинамического измерителя объема с электродинамическим пневматическим фондирующим устройством, цепями автоподстройки, модуляции и симметрирования каналов.

3. Разработана инженерная методика проектирования и расчета конструктивных и режимных параметров основных элементов газодинамического измерителя объема.

4. Разработаны варианты схемного и конструктивного исполнения газодинамического измерителя объема, обеспечивающие улучшение его метрологических характеристик и расширение функциональных возможностей, которые защищены авторскими свидетельствами и патентами;

5. Разработан, изготовлен и внедрен в промышленность газодинамический измеритель уровня излива жидкого реагента в составе щелевого расходомера системы контроля и дозирования поверхностно-активных веществ в установках типа БР-2 5

6. Разработана изготовлена и передана на ММЗ "Скорость" измерительная система технологического контроля вместимости топливных баков ЛА в процессе их изготовления, информация которой необходима для загрузки в бортовой вычислитель.

Реализация результатов работы. Полученные научно-технические результаты работы внедрены и используются на НПО "Нефтепромавто-матика",ММЗ "Скорость", НИИАО, НПО "Медфиэприбор" и ВНИИР при проектировании, изготовлении и испытаниях образцов газодинамических измерителей объема и расхода газа, созданных в рамках НИОКР по темам к 3439,3439-2, 3442, 3449, 3116, 3118.

Работа выполнена в Отраслевой научно-исследовательской лаборатории "Измерительные преобразователи" Казанского государственного технического университета им.А.Н.Туполева (КАИ) в соответствии с планами комплексной научно-технической программы Минавиап-рома и Минвуза РСФСР "Полет",планами совместных хоздоговорных работ НИИ АО, ИМЗ "Скорость", ' ВНИИР, НПО "Нефтепромавтоматика", НПО"Медфизприбор" и КГТУ им.А.Н.Туполева.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на итоговых научно-технических конференциях КАИ - КГТУ ин.А.Н.Туполева (1979, 1981, 1986, 1994, 1997 гг.), на научно-технической конференции "Информационно-измерительные системы и точность в приборостроении" (Москва, 1982 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы динамики, управления и безопасности полетов" (Рига, 1986 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Измерительные информационные системы ИИС-89" (Ульяновск, 1989 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Методы и средства измерения механических параметров з системах контроля и управления" (Пенза, 1992г.), на научно-технической конференции "Научный потенциал вузов - программе "Конверсия"" (Казань, 1993г.), на Всероссийских научно-технических конференциях с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систен изнерения, контроля и управления" (Датчик-94, Датчик-95, Датчик-97),' Гурзуф ), на научно-практической конференции "Наукоемкие технологии товаров народного потребления" (Ульяновск,1997 г.), на научно-технической конференции, посвямэнпсй 40-летию Альметьевсхого нвфгя*~1^ института (Альметьевск,1996 г.) и на расширенном заседании кафедры приборов и автоматов летательных аппаратов КГТУ им.А.Н.Туполева (1997 г.).

Результаты разработок экспонировались на ВДНХ СССР в 1992г. (серебряная медаль).

Публикации. По результатам исследований опубликована 31 печатная работа, в том числе 9 авторских свидетельств и один патент РФ, а также оформлено 12 научно-технических отчетов.

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из зведення, четырех глав, заключения, списка литературы, приложения. Основная часть аключает /^ страниц машинописного текста, НО страниц рисунков, S" таблиц,список литературы включает {13 наименований.