Введение к работе
Объектом исследования является планетарный преобразователь расхода (ППР), используемый в качестве вторичного преобразователя пневматических устройств измерения линейных размеров.
Предметом исследования является математическая модель силового воздействия закрученного потока газа на свободный чувствительный элемент (ЧЭ) в вихревой камере (ВК) планетарного преобразователя расхода и математическая модель движения чувствительного элемента.
Актуальность. Задача автоматизации измерения линейных размеров является приоритетной в приборостроении и машиностроении, решение которой обеспечивает повышение качества изделий. Среди широкого разнообразия средств автоматического контроля наиболее перспективны выделяющиеся своей простотой, надежностью и высокой точностью пневматические приборы. Научные и инженерные работы в области пневматических устройств известны и позволили последним получить широкое распространение в приборостроении и машиностроении, как средств послеоперационного контроля или пороговых датчиков в релейных схемах технологического контроля.
Широкое внедрение пневматических устройств измерения линейных размеров в адаптивные системы автоматического управления технологическим процессом сдерживается отсутствием пригодных для этой цели вторичных преобразователей - конструктивно простых и имеющих высокую точность. Применяемые для этих целей манометры и ротаметры характеризуются относительно высокой погрешностью измерения и, кроме того, не могут быть использованы в современных цифровых системах управления без аналогово-цифровых преобразователей, а известные расходомерные устройства с частотным выходным сигналом (тахометрические расходомеры) относительно сложны конструктивно. И то и другое сводит на нет главное достоинство пневматических систем - простоту, надежность и высокую точность.
В связи с этим, создание простого и точного преобразователя расхода, применимого в качестве вторичного преобразователя пневматических устройств измерения линейных размеров, является перспективной и актуальной задачей.
Целью данной работы является повышение точности измерения линейных размеров пневматическими устройствами за счет создания нового, конструктивно простого и технологичного планетарного преобразователя расхода, работающего на эффекте взаимодействия потока с телом вращения в вихревой камере.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Анализ современных средств измерения линейных размеров, в частности пневматических устройств измерения, их измерительных схем и вторичных преобразователей.
-
Разработка новой принципиальной схемы планетарного преобразователя расхода, реализующего эффект взаимодействия потока с телом вращения в вихревой камере, систематизация геометрических параметров преобразователя, газодинамических параметров и выделение целевых функций преобразователя.
-
Теоретические и экспериментальные исследования физических принципов работы преобразователя на основе классических законов газовой механики, физики и создание его математической модели.
-
Создание методики оптимизационного расчета геометрических параметров планетарного преобразователя расхода для заданных условий его функционирования: диапазона расходов, допустимой потери давления, свойств рабочей среды.
5. Определение метрологических характеристик планетарного
преобразователя расхода и характеристик пневматических
измерительных устройств с таким преобразователем.
Методы исследований:
Теоретические исследования выполнены на основе классических законов гидрогазомеханики, теоретической механики, теории автоматического управления, теории оптимизации, аналитических методов и средств вычислительной техники, методов математического анализа, дифференциального и интегрального исчисления.
Экспериментальные исследования базируются на использовании современного оборудования и средств измерительной техники в лабораторных условиях на специально разработанных экспериментальных установках. Обработка полученных результатов проводилась с использованием методов математической статистики средствами вычислительной техники.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
-
Разработан новый планетарный преобразователь расхода, реализующий эффект взаимодействия закрученного потока газа с цилиндрическим объектом в вихревой камере, планетарные движения чувствительного элемента которого происходят без реактивных сил трения скольжения, что обеспечивает высокую точность измерения.
-
Создана математическая модель воздействия закрученного потока газа на чувствительный элемент планетарного преобразователя расхода в вихревой камере: законы распределения нормальных напряжений по поверхности чувствительного элемента, законы распределения скоростей потока в вихревой камере с чувствительным элементом.
-
Получены уравнения динамики и статики движения чувствительного элемента планетарного преобразователя расхода в вихревой камере, учитывающие геометрические параметры преобразователя и свойства рабочей среды.
-
Разработана методика оптимизационного расчета внутренних параметров планетарного преобразователя расхода для заданных условий его функционирования: диапазона расходов, допустимой потери давления, свойств рабочей среды.
Практическая ценность.
Применение разработанного планетарного преобразователя расхода в пневматических устройствах измерения линейных размеров позволяет повысить точность таких измерений и, кроме того, решает проблему подключения пневматических измерительных устройств к цифровым системам управления или регистрации без использования аналогово-цифрового преобразования.
Техническая новизна разработанного преобразователя подтверждается приоритетом на изобретение по заявке на авторское свидетельство.
Методика оптимизационного расчета планетарного преобразователя расхода принята к использованию на ГПО "Боткинский завод", а пневматическая система измерения толщины первичной базальтовой нити с вторичным планетарным преобразователем расхода внедряется в производство в ЗАО "Базальтовое волокно" (г. Воткинск) с ожидаемым годовым экономическим эффектом 27 тысяч рублей.
Основные результаты работы отражены в 8 научных публикациях: 3 статях, приоритете на изобретение, докладывались на следующих научно-технических конференциях:
XXXI научно-техническая конференция ИжГТУ, г. Ижевск, 15 апреля 1998.
"Пневмогидроавтоматика - 99" г. Москва, 24 ноября 1999 г.
"Современное газоиспользующее оборудование и технологии в решении энергосберегающих и экологических проблем" г.Ижевск, 17 декабря 1999 г.
"Молодые ученые - первые шаги третьего тысячелетия" г.Ижевск, февраль 2000 г.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенные на 165 с. машинописного текста. В работу включены 60 рис., 12 табл., список литературы из 111 наименований и приложение (акты использования результатов работы).
