Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время во многих отраслях промышленности имеется потребность в высокоточном измерении уровня и объема жидких и сыпучих продуктов в закрытых резервуарах. Большой вклад в развитие данного направления внесли О.Н. Новоселов, С.Е. Фалькович, П.А. Бакулев, П. Профос, М.В. Кульгин, В.В. Никольский, Л.Д. Гольдштейн, Д.В. Пузанков, Л.Н.Толкалин, М.И. Сколник, I.V. Komarov, S.M. Smolskiy и др.
Специфика приложений высокоточного измерения уровня выдвигает ряд требований к измерительным системам: высокую точность измерений для различных условий эксплуатации, широкий диапазон рабочих температур, наличие частиц пыли и испарений между измерительным устройством и объектом измерения, неровный рельеф поверхности раздела. Измерительная система должна измерять широкую номенклатуру различных сред, имеющих нестационарную границу раздела.
Сравнительный анализ существующих измерительных систем показал, что их точность недостаточна для существующих применений в нефтегазовой промышленности. Имеющиеся системы неприменимы в задачах измерения нестационарной поверхности и поверхности с неровным рельефом, для измерения границ раздела и параметров ряда продуктов, включающих мазут и сжиженный газ. Измерение диэлектрических параметров продукта, диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь в существующих системах осуществляется контактными методами, точность и надежность которых малы вследствие сильного влияния загрязнения на результаты измерений. Для ряда химических и металлургических производств контактное измерение параметров границы раздела сред нежелательно. Отмеченные недостатки приводят к снижению экономической эффективности предприятий хранения, транспортировки и переработки нефтепродуктов и сжиженного газа.
В связи с вышеизложенным приобретает актуальность задача разработки структуры, средств и способов построения информационно-измерительных систем (ИИС), обеспечивающих высокую точность измерения уровня различных сред при указанных выше условиях эксплуатации и измеряющих диэлектрические параметры среды дистанционно.
Актуальна и задача интеграции датчиков системы, объединение функций измерения положения границы раздела и параметров сред, диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь одним бесконтактным датчиком.
Объект исследования. ИИС для дистанционного измерения параметров различных сред в резервуарах, в том числе агрессивных сред.
Предмет исследования. Математические модели ИИС и алгоритмы обработки, структуры, средства и новые способы построения, позволяющие повысить точность ИИС и расширить функциональные возможности.
Цель работы состоит в повышении точности измерения ИИС путем разработки новых способов построения ИИС, алгоритмов обработки информации, разработки более точных математических и имитационных моделей функционирования ИИС на основе датчиков расстояния (радиолокационных датчиков)
.
Задачи исследований. Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:
-
Проведен анализ источников погрешностей в ИИС на датчиках расстояния (ДР), выполнен анализ методов повышения эффективности ИИС.
-
Исследовано влияние неоднородной поверхности раздела сред и их физических характеристик на точность измерения.
-
Проведено моделирование процессов работы ИИС.
-
Разработаны структура, средства и методы построения ИИС на основе датчиков расстояния, позволяющие повысить точность измерения и функциональные возможности ИИС.
-
Разработан метод повышения точности выделения информационной составляющей из принимаемого сигнала.
-
Разработан метод бесконтактного измерения уровня среды z, объема V, диэлектрической проницаемости среды e и тангенса угла потерь tgd при нестационарной границе раздела сред.
-
Разработаны алгоритмы функционирования и программное обеспечение ИИС и датчиков расстояния, предназначенных для работы в широком диапазоне температур, при наличии частиц пыли и испарений между измерительным устройством и объектом измерения, при неровном рельефе поверхности раздела сред.
На защиту выносятся:
-
Метод выделения информационной составляющей из входного сигнала датчика расстояния (ДР).
-
Метод высокоточного измерения уровня среды z, объема V, диэлектрической проницаемости среды e и тангенса угла потерь tgd для несовершенных диэлектриков.
-
Метод оценки точностных параметров ИИС для измерения z, V и электромагнитных параметров сред e и tgd.
-
Структурная схема и математическая модель (радиолокационного) ДР на адаптивных фильтрах.
-
ИИС для измерения положения нестационарной поверхности раздела сред.
Методы исследования: в работе использовались методы дифференциального и интегрального исчислений, z – преобразование, быстрое преобразование Фурье, кватернионы; применены основы теории очередей для расчета производительности ИИС.
Научная новизна состоит в моделировании ИИС на основе датчиков расстояния, измерении положения неоднородной поверхности раздела, объема и диэлектрических параметров сред. Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Созданы методы и средства построения ИИС на основе ДР, позволившие обеспечить высокую точность измерения ИИС положения неоднородной поверхности раздела.
-
Предложены математические модели определения формы и параметров измеряемой границы раздела кластером ДР, размещенным над измеряемой границей раздела, позволившие учесть неоднородность поверхности раздела сред и получить точное значение объема продукта в резервуаре.
-
Реализован метод расчета погрешностей ИИС, позволивший оптимизировать пути повышения ее точностных характеристик.
-
Предложена структура ДР, позволившая повысить его помехоустойчивость путем использования адаптивной фильтрации.
-
Разработана ИИС, позволившая повысить точность измерения нестационарной поверхности раздела сред в замкнутых резервуарах.
Практическая ценность работы заключается в разработке методов построения ИИС, обладающих высокой точностью измерения, расширенными функциональными возможностями и диапазоном применения. Разработанные в диссертации методы оценки точностных параметров ИИС позволяют снизить трудоемкость создания информационно-измерительных систем исследуемого класса и повысить качество проектирования систем путем снижения объемов экспериментальных работ.
Внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены в научно-техническом предприятии ЗАО «Лимако», г. Тула, а также в учебный процесс кафедры «Радиоэлектроника» Тульского государственного университета.
Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международных, Всероссийских и региональных научно-технических конференциях:
-
IV Всероссийской научно-технической интернет-конференции (г. Тула, 2006 г.).
-
Международной конференции научно-технического общества радиотехники и связи им. А.С. Попова, серия «Цифровая обработка сигналов и ее применение». 2008. Вып. Х-2. С.567-569.
-
IV Межрегиональной научно-технической конференции «Информационные технологии, энергетика и экономика» (г. Смоленск, 2007 г.).
-
Международной конференции научно-технического общества радиотехники и связи им. А.С. Попова. 2007. Вып. LXII. С. 112-113; 2008. Вып. LXIII. С.241-243.
-
VIII Международной конференции «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации» (г. Курск, 2008 г.).
Опубликована монография «Измерители пространственного положения границ раздела и свойств сред на основе интеллектуальных радиолокационных датчиков» (г. Тула, 2008 г.) [21].
По теме диссертации опубликованы 26 статей в ряде научных изданий, в том числе 8 статей в изданиях, рекомендованных ВАК [2,8,9,10,23,24,25,26].
Структура и объем диссертации: работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 165 страницах основного текста, и содержит 50 рисунков, 6 таблиц и список литературы из 148 наименований.
