Введение к работе
Актуальность работы. Развитие техники и технологии вызывает потребность повышения технических характеристик приборов измерения параметров потока газов, а именно, скоростей, перепадов давления и расходов. Особый интерес проявляется к измерителям малых скоростей газов, которые применяются при работе вентиляционных систем и трубопроводов, при контроле объемов с контролируемой атмосферой – металлургических и стеклоплавильных печей, «чистых помещений», а также в навигационных задачах при малых перепадах давления, например, при медленных относительных перемещениях объекта, и в других приложениях.
Серьезность и актуальность проблемы таких измерений подтверждает наличие на рынке большого числа измерителей, охватывающих диапазон малых скоростей газов, создание ряда установок для тестирования и калибровки таких измерителей, которые показали, что исследованные приборы имеют значительные величины погрешности (до 20 % и более) при скоростях менее 0,2 м/с.
Внимание к измерителям малых скоростей газов подтверждается разработкой и применением международных стандартов JIS T8202-1997, JIS M7606-1994, ISO 7726, IES-RP-CC013-86-T и российских стандартов ГОСТ Р ИСО 11399-2007 и ГОСТ Р ИСО 14644-3-2007.
Оценка технических характеристик имеющихся на рынке измерителей скоростей газов, проведенная автором, показывает, что далеко не все указанные образцы приборов соответствуют требованиям упомянутых стандартов.
В связи с этим представляется актуальным проведение работы по разработке и исследованию новых альтернативных методов измерения параметров потока газов (ППГ), особенно в области измерения малых величин этих параметров, обладающих расширенными техническими характеристиками.
Цель диссертационной работы состоит в разработке и исследовании научных основ нового метода измерения ППГ с расширенными характеристиками, охватывающего измерения малых скоростей, перепадов давления и расходов газов.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие основные задачи:
- разработать новый струйный дифференциальный осцилляторный метод измерения ППГ, обеспечивающий достижение поставленной цели;
- разработать математические модели разработанного метода измерения ППГ;
- провести теоретические и экспериментальные исследования, подтверждающие возможность реализации разработанного метода измерения ППГ;
- разработать конструкцию экспериментального образца измерительного первичного преобразователя для измерения ППГ, построенного на основе нового метода измерения ППГ – струйного дифференциального фазового (СДФ) метода;
- провести исследования разработанного экспериментального образца измерительного первичного преобразователя для измерения ППГ, подтверждающие работоспособность и технические возможности разработанного СДФ-метода;
- разработать предложения по реализации системы управления измерительным первичным СДФ-преобразователем.
Методы исследования базируются на использовании уравнения газового состояния, газовой динамики и экспериментальных данных. Для проведения экспериментов применены термоанемометрические исследования струйных течений с последующей обработкой результатов вычислительной техникой; применены необходимые технические средства.
Научная новизна работы:
1. Разработан новый струйный дифференциальный осцилляторный метод измерения ППГ в модификациях частотного и фазового методов и разработаны его математические модели.
2. Проведены экспериментальные исследования течения гармонически пульсирующей осесимметричной затопленной свободной воздушной струи при малых числах Рейнольдса, получены данные при таком течении по соотношениям числа Re, частоты и глубины пульсаций, фазовым характеристикам пульсирующего течения, соответствующих чисел Струхаля. Полученные результаты позволяют расширить динамический диапазон измерения ППГ струйным дифференциальным фазовым (СДФ) методом.
3. Разработаны методы оценки погрешностей СДФ-метода измерения ППГ и выбора настроечных параметров.
4. Проведены исследования на экспериментальном образце измерительного первичного СДФ-преобразователя, которые подтвердили работоспособность, высокую чувствительность и точность СДФ-метода измерения ППГ, а именно, малых скоростей, перепадов давления и объемных расходов газа.
Личный вклад. Результаты, выносимые на защиту, получены автором самостоятельно. Личным вкладом соискателя в совместно опубликованных работах является участие в разработке научных основ нового метода измерения ППГ и в разработке математических моделей струйного дифференциального осцилляторного метода в модификациях частотного (СДЧ) и фазового (СДФ) методов измерения ППГ.
Практическая значимость работы заключается в возможности использования разработанного СДФ-метода измерения ППГ для его технической реализации при измерении малых скоростей, перепадов давления и расходов в различных технических и технологических установках, таких как вентиляционные системы и трубопроводы, объемы с контролируемой атмосферой – металлургические и стеклоплавильные печи, «чистые помещения», а также в воздушных навигационных задачах при малых перепадах давления, например, при медленных относительных перемещениях объектов, измерениях критических режимов газотурбинных двигателей, а также в других измерительных системах и иных технических применениях.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки задачи исследования, включая использование обоснованных теоретических зависимостей и принятых допущений, использованием необходимой измерительной аппаратуры при экспериментальных исследованиях, получением убедительных результатов по тарировке разработанного на основе проведенных исследований экспериментального образца измерительного первичного преобразователя для измерения ППГ, построенного на основе СДФ-метода.
Практическая реализация результатов работы. Разработан, изготовлен и исследован экспериментальный образец измерительного первичного СДФ-преобразователя для измерения ППГ, показавший работоспособность и технические возможности нового метода измерения. Он использован в составе измерительного стенда для измерения параметров потока газов. Результаты работы переданы в НИОГАЗ для дальнейшего применения.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы были представлены на научно-технических конференциях, совещаниях и симпозиумах:
- Третья Международная конференция “Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов” (ИКАПП-94), Алтайский филиал РИА и МИА, ГКР ВС, АГТУ, Барнаул. 26-28 октября 1994 г.
- Всероссийское совещание «Пневмоавтоматика», 8-9 окт., 1996 г., ИПУ РАН, Москва.
- 3-я Международная конференция по проблемам управления, ИПУ РАН, Москва, 2006 г.
- Российская конференция с международным участием «Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения», УКИ 2008, ИПУ РАН, Москва, 10-12 ноября 2008 г.
- Международная конференция FLUCOME’94, Toulouse (France), 29 August – 01 September, 1994.
- Fifth Triennial International Simposium on Fluid Control, Measurement and Visualisation, September 1-4, 1997, Hayama, Japan.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано девять печатных работ, три из них без соавторов в журнале из рекомендуемого перечня ВАК, получен один патент РФ с соавтором и один патент РФ без соавторов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 72 наименования, 51 рисунок, 12 таблиц, трех приложений. Общий объем диссертации составляет 119 страниц.
