Введение к работе
Актуальность темы. Важнейшим направлением аналитического приборостроения является создание автоматических газоанализаторов, предназначенных для анализа состава газовых смесей, обеспечивающих необходимые технологические процессы. Они широко применяются в металлургии, на химических предприятиях, нефтепереработке, в теплоэнергетике, для контроля окружающей среды и техники безопасности в угольной и горнорудной промышленности, а также в медицине и сельском хозяйстве. Газоанализаторы на кислород составляют около 30%. от общего числа используемых в промышленности газоаналитических приборов.
Большой эффект дает применение газоанализаторов на предприятиях топливно-энергетического комплекса, позволяющих оптимизировать процесс горения с обеспечением максимально полного сгорания .топлива. Однако колебания температуры анализируемого газа существенно снижают точность измерения, а на качество регулирования подачи топлива и воздуха оказывает большое влияние быстродействие газоанализатора. Использование газоанализаторов в медицине, например, при приготовлении и подаче наркоза, накладывает жесткие требования по совокупному параметру "точность, умноженная на быстродействие", невыполнение которых может привести к летальному исходу.
Одним из направлений определения количества кислорода в смесях является косвенное измерение его магнитной восприимчивости, которая у кислорода на два порядка выше по сравнению с другими газами, например, с азотом.
Термомагнитные газоанализаторы при относительной простоте конструкции имеют значительное время запуска и низкое быстродействие, их применение ограничено также малой избирательностью по отношению к неконтролируемым компонентам газовой смеси.
Ввиду малой чувствительности ограниченное применение находят термокондуктометрические газоанализаторы.
Магнитомеханические газоанализаторы позволяют существенно повысить точность измерения, их показания мало зависят от состава неизмеряемых компонентов газовой смеси. Однако магнитомеханические газоанализаторы чувствительны к внешним механическим воздействиям и колебаниям температуры. Относительно низкое их быстродействие связано с подачей анализируемой газовой смеси (АТС) пос-
редством диффузии. Степень применимости газоанализаторов магнито-механического типа ограничивается также их низкой технологичностью и высокой стоимостью.
Одним из перспективных направлений развития магнитомеханичес-' ких газоанализаторов является создание магнитодинамического газоанализатора. При сохранении весьма высокой чувствительности он обладает существенно большим быстродействием по отношению к маг-нитомеханическому газоанализатрру.
Поэтому создание точного, быстродействующего и технологичного в изготовлении газоанализатора на кислород является актуальной задачей.
Цель диссертационной работы: создание газоанализатора, обеспечивающего повышение точности и быстродействия измерения процентного содержания кислорода в условиях повышенных колебаний температуры и давления окружающей среды.
Задача научного исследования заключается в разработке и исследовании магнитодинамического газоанализатора на кислород с диамагнитным телом, выполненным в виде полого тороида, размещенного на газовом подвесе в неравномерном магнитном поле и используемого в качестве измерительного элемента "сопло-заслонка". Задача решается в следующих направлениях:
-
Разработка методики исследования газоанализатора на имитационной модели.
-
Оптимизация конструктивных параметров основных функциональных узлов газоанализатора.
-
Разработка методики синтеза алгоритма коррекции доминирующих погрешностей газоанализатора.
-
Создание макетного образца прибора, исследование его конструктивных параметров. Внедрение результатов работы в производство.
Основные методы исследования. При решении поставленной в работе задачи был использован следующий математический аппарат: методы общей теории дифференциальных уравнений, численные методы решения систем нелинейных уравнений, теория планирования эксперимента и методика оценок погрешностей вычислений. Экспериментальные исследования проводились на испытательном стенде, а также на имитационных моделях.
Научная новизна исследований представлена следующими результатами:
-
Разработана имитационная модель магнитодинамического газо-нализатора, машинная реализация которой апробирована в среде абличного процессора. Адекватность модели доказана путем сопос-авления результатов имитационного моделирования с эксперимен-альными данными, полученными при исследовании макетного образца азоанализатора.
-
Разработана методика оптимизации функционально значимых злов газоанализатора на имитационной модели, позволяющая, не рибегая к макетированию вариантов этих узлов, определять их энструктивные параметры.
-
В результате анализа погрешностей газоанализатора выявлена вязь между коэффициентами модели, полученными в ходе факторного ксперимента, и составляющими погрешностей, а также найдены зави-имости для определения температурных коэффициентов. Разработана этоднка синтеза алгоритма коррекции доминирующих погрешностей азоанализатора.
-
Динамические погрешности магнитодинамического газоанализа-эра существенно ниже, чем у магнитомеханического, что достигает-я за счет уменьшения транспортного запаздывания газовой смеси и включения диффузионного способа подачи АТС в измерительную каме-/, а также за счет малых перемещений поплавка, происходящих под эздействием выталкивающей силы, действующей на диамагнитное тело
неравномерном магнитном поле, функционально связанной с кон-энтрацией кислорода.
Достоверность результатов работы подтверждена доказательст-ж адекватности модели путем сопоставления результатов имитаци-іного моделирования с экспериментальными данными, полученными ж исследовании макетного образца газоанализатора. Практическая ценность работы состоит в следующем:
-
Разработаны методики: исследования газоанализатора на ими-щионной модели, синтеза алгоритмов коррекции доминирующих пог-гшностей и оптимизации конструктивных параметров газоанализато-1.
-
Разработан магнитодинамический газоанализатор, новизна и элезность которого подтверждена авторским свидетельством Госко-ізобретений.
-
Разработаны микроконтроллерная система и обобщенный алго-1тм обработки сигналов датчиков газоанализатора, позволяющие армировать показания прибора инвариантными к изменению дестаби-
- 4 -лизирующих факторов.
Внедрение результатов работы.
Результаты работы внедрены в производство и в учебный процесс: в НПО "Медфизприбор" внедрены методики анализа и синтезе параметров газоаналитических- приборов посредством имитационногс моделирования, сведенные в пакет прикладных программ. "Имитационная модель магнитодияамического газоанализатора", в Казанскок приборостроительном конструкторском бюро внедрена микроконтроллерная система обработки измерительной информации, в учебный процесс на кафедре "Приборов и автоматов ЛА" КГТУ им. А.Н.Туполевг (КАИ) внедрены материалы, используемые при постановке цикла лекций и лабораторного практикума по курсу "Аналитические электронные аппараты и системы".
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях Казанскогс государственного технического университета (КАИ) в 1986, 1987: 1989, 1992, 1994 гг. (г. Казань); VI Всесоюзной конференцш "Проблемы метрологического обеспечения систем обработки измерительной информации", (Москва, 1987 г.), Всесоюзной конференції "Проблемы механики ж/д транспорта:- динамика, прочность, надежность подвижного состава", (Днепропетровск, 1987 г.); Региональном научно-техническом семинаре,( Ульяновск, 1989 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных ра бот, в том числе 1 авторское свидетельство СССР.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения пяти глав и заключения, содержит 148 страниц машинописного текс та, 3 таблицы, 52 рисунка, списка литературы, включающего 77 наи менований на 8 страницах и 5 приложений на 35 страницах. Общи объем работы составляет 184 страницы.