Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Совершенствование изделий аэрокосмической техники неразрывно связано с разработкой высокоэффективных гидроагрегатов нового поколения, обеспечивающих эффективное управление силовыми системами. К авиационной и космической технике предъявляются особые требования по надежности, что влечет за собой необходимость разработки эффективных средств функциональной диагностики применяемых жидкостных систем, позволяющих непосредственно в процессе эксплуатации выявлять и предупреждать внезапные отказы, вызванные износом узлов трения. Определение параметров механических частиц износа (дисперсной фазы), генерируемых в рабочую жидкость (дисперсионная среда) в процессе эксплуатации гидросистемы, позволяет получить достоверные данные о ее техническом состоянии. Информативными параметрами являются размер, концентрация и форма частиц. Работы A.M. Матвеенко, Е.С. Фитча, В.А. Бербера, Р.Г. Тимиркеева позволили обосновать требования к контролю чистоты рабочей жидкости по параметрам частиц износа. Развитию методов и средств контроля уровня загрязнения рабочей жидкости способствовали работы СП. Беляева, Л.М. Логвинова, Л.И. Калакутского, И.А. Кудрявцева, А.Г. Ованесяна, К.С. Шефрина, В.Е. Шатерникова, а также зарубежных авторов X. Соммера, К. Грина, М. Керкера и др.
Разработкой и производством средств контроля параметров дисперсной фазы в настоящее время занимаются как российские, например НИИ «Техноприбор» (г. Москва), ОАО «НИТИ-Тесар» (г. Саратов), НИАТ (г. Москва), так и зарубежные предприятия: Fritsch (Германия), Hiac Royko (США), Lockheed Martin (США) и др. С целью определения параметров дисперсной фазы оптимальным является использование датчиков встроенного контроля (ДВК), поскольку они позволяют существенно снизить погрешность контроля, связанную с отбором проб из магистрали. Одними из наиболее эффективных ( с точки зрения порога чувствительности и предельной измеряемой концентрации) являются ДВК на основе фотоэлектрического метода.
Анализ характеристик существующих на данный момент ДВК показал, что их порог чувствительности составляет около 5 мкм. Однако, увеличение рабочих давлений гидросистем приводит к необходимости контроля частиц загрязнений, начиная с 1 мкм. Кроме того, поскольку с уменьшением размера контролируемых частиц их концентрация значительно возрастает, необходимо повышать и предельную измеряемую концентрацию.
Повышение надежности эксплуатации авиационной техники требует создания эффективных средств диагностики жидкостных систем, позволяющих не только оценивать чистоту рабочей жидкости, но и прогнозировать остаточный ресурс агрегатов и отдельных узлов, в том числе исходя из информации о форме частиц.
Таким образом, уменьшение порога чувствительности и повышение предельной измеряемой концентрации фотоэлектрических преобразователей встроенного контроля является актуальной научно-технической задачей.
В современных ФЭП встроенного контроля в качестве чувствительного элемента наиболее часто используется одиночный фотодиод. С целью снижения порога чувствительности и повышения предельной измеряемой концентрации необходимо уменьшение размеров чувствительной области ФЭП. Этого добиваются в основном уменьшением размеров измерительного объема, однако, этот способ имеет существенные технологические ограничения, не позволяющие обеспечивать требуемые в настоящее время параметры ФЭП. Одним из наиболее эффективных способов улучшения основных характеристик ФЭП встроенного контроля является использование матричного
фотоприемника, поскольку он имеет малые размеры чувствительных элементов (пикселей), и в то же время не требует уменьшения измерительного объема. С помощью анализа выходных сигналов матричного фотоприемника, возможно не только снижение порога чувствительности и повышение предельной измеряемой концентрации, но и получение ценной диагностической информации о форме частиц загрязнений.
Цель и задачи работы. Целью работы является теоретическое и экспериментальное обоснование разработки ФЭП встроенного контроля на основе матричного фотоприемника, позволяющего снизить порог чувствительности, повысить предельную измеряемую концентрацию ФЭП, а так же определять коэффициент формы частиц загрязнения технологических жидкостей.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Провести анализ известных методов и технических средств построения фотоэлектрических преобразователей параметров дисперсной фазы, применительно к исследованию дисперсных потоков жидкости.
Разработать математическую модель ФЭП на основе матричного фотоприемника, позволяющую определять параметры сигнала на выходе преобразователя с учетом размеров частиц загрязнений, их скоростей, координат пролета частиц, проходящих через чувствительный объем преобразователя, а также параметров оптического тракта преобразователя.
На основе предложенной математической модели преобразователя разработать методику обработки выходного сигнала матричного фотоприемника, с помощью которой возможно снижение порога чувствительности и повышение предельной измеряемой концентрации ФЭП.
Разработать методику обработки сигналов, получаемых с матричного фотоприемника, позволяющую определять коэффициент формы частиц.
Разработать методику определения объема проанализированной пробы жидкости с учетом профиля скоростей в измерительном канале.
Научная новизна проведенной работы заключается в следующем:
Разработана математическая модель ФЭП встроенного контроля параметров дисперсной фазы на основе матричного фотоприемника. Данная модель устанавливает взаимосвязь параметров выходного сигнала преобразователя с параметрами частиц загрязнения, с условиями их движения в измерительном объеме, а также с геометрическими параметрами оптического тракта преобразователя.
Предложена методика обработки выходного сигнала матричного фотоприемника, создаваемого движущейся частицей в режиме заданного времени экспозиции, позволяющая снизить порог чувствительности ФЭП, увеличить предельную измеряемую концентрацию, а также определять коэффициент формы контролируемых частиц износа.
Предложена методика определения объема проанализированной пробы жидкости с учетом профиля скоростей в измерительном канале, основанная на использовании информации о координатах пролета частицей канала первичного преобразователя, позволяющая уменьшить погрешность определения концентрации дисперсной фазы.
Практическую ценность работы представляют:
ФЭП встроенного контроля in-line типа, позволяющий снизить порог чувствительности, повысить предельную измеряемую концентрацию и определять коэффициент формы частиц загрязнения технологических жидкостей.
Предложенный способ определения объема проанализированной пробы жидкости.
Методика оценки погрешностей ФЭП встроенного контроля параметров дисперсной фазы на основе матричного фотоприемника.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались теоретические и экспериментальные исследования, а также имитационное моделирование на ЭВМ. Использовался математический аппарат интегрального и дифференциального исчисления, теории вероятностей.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Четвертой научно-практической конференции «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности» (Москва, 2007); Международной научно-технической конференции «Металлофизика, механика материалов, наноструктур и процессов деформирования» (Самара, 2009); Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 2009); Всероссийской молодёжной научной конференции «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2009); Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций" (Самара, 2009); Международной научной конференции «Решетневские чтения» (Красноярск, 2009).
Основные положения, выносимые на защиту:
Математическая модель ФЭП встроенного контроля параметров дисперсной фазы на основе матричного фотоприемника. Данная модель устанавливает взаимосвязь параметров выходного сигнала преобразователя с параметрами частиц загрязнения, с условиями их движения в измерительном объеме, а также с геометрическими параметрами оптического тракта преобразователя..
Методика обработки выходного сигнала матричного фотоприемника, создаваемого движущейся частицей в режиме заданного времени экспозиции, позволяющая снизить порог чувствительности ФЭП, увеличить предельную измеряемую концентрацию, а также определять коэффициент формы контролируемых частиц износа.
Методика определения объема проанализированной пробы жидкости с учетом профиля скоростей в измерительном канале, основанная на использовании информации о координате пролета частицей канала первичного преобразователя, позволяющая уменьшить погрешность определения концентрации дисперсной фазы.
ФЭП встроенного контроля in-line типа, позволяющий снизить порог чувствительности, повысить предельную измеряемую концентрацию и определять коэффициент формы частиц загрязнения технологических жидкостей.
Внедрение результатов работы. Полученные в работе результаты внедрены в ходе выполнения хоздоговорных НИР, выполненных в период 2005-2011 гг. в Отраслевой научно-исследовательской лаборатории ОНИЛ-16 Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика СП. Королева (национальный исследовательский университет)» (СГАУ). Результаты, полученные в диссертации, использовались при создании анализатора гранулометрического состава дисперсной фазы «АЗЖ-975М» для ФГУП УАП "Гидравлика".
Материалы результатов исследований используются также в лекционном курсе и лабораторном практикуме для студентов специальности "Биотехнические и медицинские аппараты и системы", а также в курсовом и дипломном проектировании студентов РТФ СГАУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ в научных
сборниках, тезисов докладов, в том числе 4 статьи опубликованы в ведущих научных изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией, получено 2 патента.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 104 наименований. Диссертация содержит 147 страниц, 74 рисунка.
