На правах рукописи

ТЮРИНА Марина Михайловна

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ

ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ НА ОСНОВЕ МНОГОКАНАЛЬНОГО

ПРИЕМНИКА ПОТОКА И СТРУЙНО-КОНВЕКТИВНЫХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Специальность 05.11.16 – Информационно-измерительные и управляющие системы (в приборостроении)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 2012 1

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ» (КНИТУ-КАИ) на кафедре Приборов и информационно-измерительных систем

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Порунов Александр Азикович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Насыров Ильгиз Кутдусович Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ, г. Казань доктор технических наук, профессор Кумунжиев Константин Васильевич Ульяновский государственный университет, г. Ульяновск

Ведущая организация: ОАО «Ульяновское конструкторское бюро приборостроения», г. Ульяновск

Защита состоится "10" апреля 2012 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д212.079.06 при Казанском национальном исследовательском техническом университете им А.Н. Туполева – КАИ по адресу:

420015, г. Казань, ул. Толстого, 15 (учебный корпус № 3, ауд. 216).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КНИТУ-КАИ.

Электронный вариант автореферата размещен на сайте Министерства образования и науки РФ ([email protected]) и на сайте КНИТУ-КАИ (www.kai.ru).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просим присылать по адресу: 420111, г. Казань, ул. К.Маркса, 10, КНИТУ-КАИ, на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан "_7_"_марта_ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Бердников А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При управлении, контроле и диагностике технических объектов в различных отраслях промышленности и на транспорте, а также в медицине и экологии важной является задача одновременного измерения комплекса кинематических и теплофизических параметров газовых потоков, оказывающих доминирующее влияние на эффективность и безопасность их функционирования. Сложность и многоаспектность решения этой задачи возрастает из-за непрерывного повышения требований к рабочим диапазонам, точности и быстродействию такой многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков в условиях воздействия возмущений различного характера и уровня.

Существенный вклад в разработку принципов построения многофункциональных систем измерения различного назначения внесли Б.Н. Петров, Д.А. Браславский, В.А. Боднер, Н.Д. Дубовой, И.К. Насыров, П.П. Орнатский и др. Развитию методов повышения точности, быстродействия и расширения функциональных возможностей средств измерения параметров газовых потоков посвящены исследования Л.Л. Бошняка, С.М. Горлина, И.И. Слезингера, П.П. Кремлевского, А.Н. Петунина, В.А. Ференца, К.В. Кумунжиева, В.М. Солдаткина, А.А. Порунова, Ф.А. Ганеева и др. Известны работы зарубежных исследователей: Hagen F., Schaedel H., Williams R.W., Miner Richard J., Walker R.E., Westenberg A.A., R.A. Rasmussen, A. Taroni и др.

Известные системы измерения комплекса кинематических и теплофизических параметров газовых, в том числе воздушных потоков, как правило, построены на основе группы источников первичной информации и различных по структуре каналов преобразования. Такой принцип построения системы измерения параметров газовых потоков в силу разнородности и автономности процессов измерительного преобразования, структурной неоднородности и сложности измерительных каналов практически исключает возможности расширения ее функциональных возможностей и улучшения метрологических характеристик, сужает область применения. Более перспективным является создание многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков на основе многоканального проточного приемника потока и структурно-идентичных измерительных каналов, построенных с использованием принципов инвариантности и модуляции. За счет этого значительно расширяется функциональные возможности систем измерения параметров газовых потоков и областей их применения при обеспечении одновременности получения полной информацию о параметрах состоянии объекта управления и контроля.

Анализ задачи измерения параметров газовых потоков в авиации, на автомобильном транспорте, в медицине и экологии свидетельствует о существенном различии в требованиях к метрологическим характеристикам средств измерения, особенно по диапазону измерения, точности, надежности и динамическим свойствам. Это определяет актуальность создания многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков с широкими диапазонами измеряемых скоростей, расходов, перепадов давлений, абсолютных давлений с повышенной статической и динамической точностью, с высокой надежностью работы в сложных условиях эксплуатации.

Объектом исследования является многофункциональная система измерения параметров газовых потоков, построенная на основе многоканального приемника потока и струйно-конвективных преобразователей первичной информации.

Предмет исследования. Создание многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков предусматривает разработку теоретических основ построения, математического описания, алгоритмов функционирования, методов проектирования и обеспечения точности, особенностей конструктивного выполнения, экспериментального исследования и применения системы на объектах различного назначения.

Цель диссертационной работы – расширение области применения, улучшение метрологических и эксплуатационных характеристик многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков за счет реализации принципов многоканальности, инвариантности и структурной идентичности измерительных каналов.

Научная задача диссертации заключается в разработке научнообоснованной методики построения, математического описания, проектирования, экспериментального исследования и применения многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками, построенной на основе многоканального приемника потока и струйно-конвективных преобразователей.

Решение поставленной задачи научного исследования проводилось по следующим основным направлениям:

1. Анализ состояния и определение перспективных направлений совершенствования систем измерения параметров газовых потоков, расширения спектра их применения.

2. Разработка принципов построения и алгоритмов функционирования измерительных каналов базовых вариантов многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков.

3. Синтез математических моделей базовых элементов многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков на основе многоканального приемника потока и струйно-конвективных измерительных каналов.

4. Имитационное моделирование каналов многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков.

5. Разработка методик проектирования, проведения экспериментальных исследований, изготовления макетных образцов и рекомендаций по применению многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков.

Методы исследования. Представленные в диссертационной работе научные положения получены с использованием методов теории измерений и измерительных преобразователей, математического и имитационного моделирования, анализа и синтеза, экспериментальных исследований измерительных систем с последующей вероятностно-статической обработкой результатов. При выполнении исследований широко использовались программные пакеты Microsoft Office, Компас 3D, MathCad, Simulink, Matlab и др.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается применением апробированных математических моделей, строгих математических преобразований, современных подходов к анализу и синтезу многофункциональной измерительной системы, проведением имитационного моделирования, сравнением результатов теоретических и экспериментальных исследований и испытаний макетных образцов, а также опытом реализации и использования полученных научно-технических результатов на различных этапах прикладных разработок.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработаны принципы построения и алгоритмов функционирования многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков на основе многоканального приемника потока и струйно-конвективных преобразователей.

2. Разработаны математические модели измерительных каналов многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков.

3. Разработаны методики моделирования и исследования характеристик базовых элементов и измерительных каналов многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков.

4. Разработаны методики инженерного проектирования вариантов многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков.

5. Предложены оригинальные варианты построения многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков, стенда для исследования статических и динамических характеристик многоканального проточного приемника потока и многофункциональной системы измерения высотноскоростных параметров малоразмерного летательного аппарата, защищенные патентами РФ на изобретения и полезные модели.

Практическая ценность диссертации определяется предложенными оригинальными схемными построения базовых вариантов многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков, разработанными методиками расчета характеристик и коррекции погрешностей измерительных каналов, методиками инженерного проектирования и изготовления макетных образцов системы, оригинальными схемными построениями и конструктивной реализацией стенда для экспериментальных исследований, результатами разработки и экспериментального исследования вариантов многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков с расширенными функциональными возможностями и улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

Реализация результатов исследования. Основные результаты диссертационной работы использованы при выполнении хоздоговорных НИР КНИТУ-КАИ по темам НЧ 303036, НЧ 303037; инновационного проекта "Всенаправленная система мониторинга атмосферы" конкурса «Инновационный росток" по заявке №БЗ-05-002; проекта № 2.1.2/6100 "Разработка теории и методов проектирования панорамной и всенаправленной систем воздушных сигналов вертолета на основе неподвижного многоканального приемника давлений" Аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 г.г.)", а также при выполнении инновационного проекта "Теоретические исследования и разработка лабораторного образца струйно-конвективного измерителя расхода газового топлива” государственного контракта № 6629р/8697 от «02» марта 2009 г. по программе "У.М.Н.И.К.".

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе подготовки инженеров по специальностям «Авиационные приборы и измерительно-вычислительные комплексы», «Приборостроение» и «Биотехнические и медицинские аппараты и системы».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты анализа современных требований к информации о параметрах газовых потоков различных объектов контроля и управления, обоснование перспективных направлений совершенствования средств ее получения.

2. Принципы построения, алгоритмы функционирования и схемная реализация структурно-идентичных измерительных каналов многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков на основе многоканального приемника потока и струйно-конвективных преобразователей.

3. Математические и имитационные модели измерительных каналов многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков и их базовых элементов.

4. Схемное и конструктивное построение, методики расчета и инженерного проектирования, имитационного моделирования и экспериментального исследования базовых вариантов многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков.

5. Результаты разработки и исследования макетных образцов базовых вариантов многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков с расширенными рабочими диапазонами, улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

Апробация работы. Основные положения проведенных исследований и результаты работы докладывались на Всероссийской научно-технической конференции (НТК) "Методы и средства измерения в системах контроля и управления", Пенза, 2001г.; на II, V и VI Международных НТК «Автомобиль и техносфера», Казань, 2001, 2008, 2011 г.г.; на IX-й Всероссийской НТК "Состояние и проблемы измерений", Москва, 2002 г.; на XV и XVI НТК с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления. ДАТЧИК-2003", Москва, 2003 2004 гг.; на IX и XII Международных НТК студентов, аспирантов и молодых ученых "Современная техника и технологии", Томск, 2003, 2006 г.г.; на II, V и VIII Международных научно-практических конференциях (НПК) «Медицинская экология», Пенза, 2003, 2006, 2009 г.г.; на XIII Международной НТК студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2007; на Всероссийской научной конференции "Информационные технологии в науке, образовании и производстве", Казань, 2007; на Международной молодежной научной конференции "XVI Туполевские чтения", Казань, 2008 г.; на IV и VI Международных НПК «Современные технологии – ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения» (АКТО-2008), Казань, 2008, 2010 г.г.; на Международной молодежной научной конференции "Решетневские чтения", Красноярск, 2008 г.; на VI Международной конференции студентов и молодых ученых "Перспективы развития фундаментальных наук", Томск, 2009; в ХХХ Российской школе по проблемам науки и технологий, посвященной 65-летию Победы, Миасс, 2010; на V Международной НПК "Современные технологии – ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения", Казань, 2010; на III Международной научной конференции "Функциональная компонентная база микро-, опто- и наноэлектроники", Харьков, 2010, на Международной научнотехнической интернет-конференции «Информационные технологии и системы «ИСиТ’2011», Орел, 2011 г; на VI Международной НТК «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики АНТЭ-2011» Казань, 2011, на конкурсах инновационных программ «Пятьдесят лучших инновационных идей Республики Татарстан», 2006, 2007, 2008 г.г., «Инновационный росток" 2006, 2007 г.г., «СТАРТ-07», «СТАРТ-08» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, 2007, 2008 гг., а также на расширенных заседаниях кафедры приборов и информационноизмерительных систем КНИТУ-КАИ, 2006-2011 гг.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 43 печатных работах, в том числе в 9 статьях, из них 1 статья в периодических изданиях, рекомендованных ВАК, 2 патентах на изобретение, 2 патентах на полезную модель, в 15 материалах и 14 тезисах докладов.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из наименований и приложения. Основная часть диссертации изложена на страницах машинописного текста, содержит 73 рисунка и 12 таблиц.

Личный вклад. Автор принимал непосредственное участие в постановке и реализации задачи исследования. Им разработаны принципы построения, алгоритмы функционирования, методики коррекции погрешностей измерительных каналов, математические и имитационные модели базовых элементов и измерительных каналов системы, методики инженерного проектирования, моделирования, изготовления, экспериментальных исследований, рекомендации по применению и совершенствованию вариантов многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков объектов различного назначения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задача научного исследования, определены направления ее решения, дана общая характеристика выполненной работы, приведены положения, выносимые на защиту, отражена научная новизна результатов и их практическая ценность.

В первой главе рассмотрена задача измерения параметров газового потока в технике, медицине и экологии, проведена систематизация и обобщение требований к информации о параметрах и характеристиках газового потока.

Обоснована актуальность задачи измерения параметров газовых потоков в диапазоне рабочих скоростей 3…70 м/с, массовых расходов 210-6... кг/с и объемных расходов 1,510-6...1,5103 м3/с на объектах авиационной, медицинской и экологической техники при вариациях параметров состояния потока по плотности 0,4...1,4 кг/м3, по температуре ±60 °С.

Показано, что многофункциональная система измерения параметров газовых потоков должна обеспечивать получение информации по каждому из контролируемых параметров с относительными погрешностями, не превышающими 0,5…1,5%, в рабочей полосе частот 0,1…40 Гц с учетом особенностей и динамических свойств объекта контроля, диагностики и управления.

Проведен анализ состояния и направлений развития методов и средств измерения параметров газовых потоков, раскрываются принципы построения традиционных и перспективных информационно-измерительных систем измерения параметров газовых потоков.

Обоснованы рекомендации по структурному построению перспективной многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков на основе принципов интеллектуальности и инвариантности, многоканальности и структурной идентичности измерительных каналов.

Показано, что создание и применение многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков для управления движением объектов авиационной техники, при диагностике и контроле медико-биологических и экологических объектов сдерживается отсутствием научно-обоснованной методики разработки и исследования системы, что определило постановку задачи данного научного исследования.

Во второй главе проведен анализ и структурный синтез измерительных каналов многофункциональной системы измерения параметров газового потока, построенной на основе многоканального приемника потока и струйноконвективных преобразователей, применительно к задачам аэрометрии – в авиации, экологии и расходометрии – в медицине и автомобильном транспорте.

Показано, что доминирующими требованиями при структурном синтезе многофункциональной системы воздушных сигналов малоразмерных летательных аппаратов (СВС МЛА) являются расширение рабочих диапазонов в сторону малых скоростей, повышение чувствительности и обеспечение требуемой точности измерения в сложных условиях полета за счет повышения помехоустойчивости к возмущениям регулярного и случайного характера.

При решении задачи синтеза СВС МЛА с учетом допущений, характерных для аэрометрического метода измерения, информативный перепад ри давлений, воспринимаемых с помощью многоканального аэрометрического приемника потока, представляется в виде и несет одновременно информацию не только об истинной воздушной скорости V, но и по плотности воздуха, используя которую можно определить барометрическую высоту Н, скорость ее изменения Vy = Н, об углах атаки и скольжения и составляющих вектора V истинной воздушной скорости, о температуре Т наружного воздуха (где 2 среднеквадратическое значение турбулентных пульсаций скорости).

Структурное построение измерительных каналов СВС МЛА, реализующих уравнение (1) с использованием принципов инвариантности и модуляции информативного сигнала показано, на рис. 1. Повышение помехоустойчивости к возмущениям различного характера достигается как за счет профилирования проточного многоканального приемника потока 1, так и за счет дифференциальной структуры измерительных каналов 3 и использования принципа амплитудной прямой модуляции, реализуемой с помощью двухканального источника опорного пневматического сигнала 2 (рис. 1,б) и алгоритмов обработки сигналов в блоке 4.

Рис. 1. Многофункциональная система измерения воздушных сигналов СВС МЛА на основе принципов инвариантности и модуляции информативного сигнала:

аэрометрический приемник потока – а, структурная схема системы – б Многоканальный проточный аэрометрический приемник 1 для восприятия полного рп и статического рс давлений (рис. 1,а) предлагается выполнить в виде цилиндра с внутренним проточным каналом, профилированным по контуру, близкому к контуру Вентури. Элементы 2, 3 восприятия давлений рп и рс расположены внутри проточного канала и взаимодействуют с осесимметричным воздушным потоком, свободным в значительной степени от влияния скосов набегающего воздушного потока, как стационарного, так и не стационарного характера. Допуская идентичность спектральных характеристик пульсации полного и статического давлений, вызванных неустойчивостью контролируемого потока, обеспечивается выполнение условия инвариантности, что повышает угловую помехозащищенность выходных сигналов многоканального приемника потока.

Процесс измерительного преобразования первичного информативного сигнала в виде перепада давления ри, вызывающего расхода воздуха G по каналам, сообщающим многоканальный приемник потока со струйноконвективными измерительными каналами 3 (рис. 1,б), описывается следующей системой уравнений:

где lд, dд соответственно длина и диаметр дросселя струйного элемента; – кинематическая вязкость воздуха; k п коэффициент пропорциональности; п – коэффициент восстановления полного давления; k – показатель адиабаты; g – ускорение свободного падения; R – универсальная газовая постоянная; T – температура воздуха Показано, что дальнейшее расширение функциональных возможностей СВС МЛА достигается в варианте, представленном на рис. 2. При синтезе структуры этого варианта СВС МЛА предложено двухканальное построение измерительных каналов на основе источников информации различной физической природы. Первый измерительный канал реализует рассмотренный выше аэрометрический метод измерения, а второй – ионно-меточный метод.

Выходной сигнал ионно-меточного канала несет информацию об истинной воздушной скорости воздушного потока, определяемой соотношением где L – базовое расстояние между регистрирующими электродами; t время пролета ионной метки, вводимой в контролируемый поток, базового расстояния совместно с потоком.

Информативный сигнал p аэрометрического канала пропорционален скоростному напору где п, в – коэффициенты восприятия давлений приемными отверстиями полного и дросселированного давлений соответственно.

Показано, что, обрабатывая совместно выходные сигналы аэрометрического и ионно-меточного каналов можно получить выходные сигналы по истинной воздушной скорости V, плотности H, относительной плотности = H 0, а также дополнительную информацию о приборной скорости Vпр Кроме того, на основе сигнала по плотности H в ограниченном диапазоне высот полета МЛА (до 3000 м) можно получить информацию по барометрической высоте H Б и вертикальной скорости Vy на основе зависимостей Для повышения точностных характеристик СВС МЛА предложено построение измерительных каналов на основе сочетания принципов инвариантности и интеллектуализации (рис. 3), обеспечивающих структурную адаптацию к резкоизменяющимся условиям полета.

Исследования показали, что наиболее предпочтительным для структурной адаптации является использование выражения, устанавливающего связь погрешности измерительных каналов с изменением параметров возмущающих воздействий (изменение давления и температуры с высотой), где U – напряжение по плотности, и скорости ее изменения U, определяемых соответственно барометрической высотой и скоростью ее изменения; К – коэффициент, определяющий долю скоростной составляющей в суммарном сигнале управления периодичностью автокоррекции; К, m и i соответствендоп но коэффициенты передачи блока идентификации и принятия решения по возмущающему воздействию, учитывающие разброс конструктивных параметров измерительных каналов, и предельно допустимое значение аддитивных погрешностей измерительных каналов.

Приводиться решение задачи экологического мониторинга, связанной с определением параметров динамики атмосферы в приземном слое, с использованием многоканального ветроприемного устройства, реализующего аэродинамический метод измерения (рис.4). Характерной особенностью такой всенаправленной системы измерения параметров вектора скорости ветра является размещение приемных трубок 1 полного давления в створе плоскопараллельного потока, формируемого параллельно-расположенными экранирующими дисками 2 и 3. Это позволяет, с одной стороны, обеспечить возможность получения массива первичных информативных сигналов по угловому положению вектора ветра (азимуту), а с другой, аналогично многоканальному цилиндрическому проточному приемнику (рис.1), повысить угловую помехоустойчивость элементов восприятия давления к скосам потока, ортогональным плоскости экранирующих дисков.

Каждый из измерительных каналов всенаправленной системы (рис.4) построен на основе принципа структурной идентичности всех измерительных каналов 5, выполненных на основе струйно-конвективных преобразователей 4.

Обработка выходных сигналов измерительных каналов в блоке 6 позволяет получить как кинематические параметры ветра скорость и азимут, так и температуру Т н и давление ратм в приземном слое атмосферы.

При синтезе многофункциональной системы измерения расхода газового топлива с расширенными функциональными возможностями (рис.5) число измеряемых параметров газового потока увеличивается за счет введения в структуру канала ультразвукового преобразователя и стабилизированного источника опорного расхода G0 в виде микронагнетателя МН. Это существенно повышает уровень выходного сигнала и его помехоустойчивость, особенно в диапазоне малых значений измеряемого расхода.

Выходные сигналы U вых = f (Gm ) и U вых = f (GV ) системы измерения расхода газового топлива формируются на основе осреднения информативных сигналов по расходу, получаемых от струйно-конвективного преобразователя (1) и ультразвукового преобразователя 3, акустопара которого размещена на мерном участке трубопровода топливной аппаратуры. Кроме того, в результате обработки этих сигналов формируется сигнал в виде напряжения U вых = f ( ), пропорционального плотности т измеряемого газового топлива.

Проведенный анализ и структурный синтез определяют особенности построения и алгоритмы работы многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков различного назначения с учетом специфики объекта применения и предъявляемых тактико-технических требований.

Третья глава посвящена разработке подходов и методик параметрического синтеза и анализа функциональных элементов измерительных каналов многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков и их основных элементов.

Показано, что с учетом специфики рода энергии сигнала каждый из структурно-идентичных измерительных каналов может быть разбит на два фрагмента, в первом из них информативным сигналом является пневматический сигнал, формируемый проточным приемником потока, а во втором – информативный сигнал - электрический, который формируется на выходе струйно-конвективного модуля, являющегося стыковым преобразователем этих двух фрагментов. В соответствии с этим наибольшее внимание уделено параметрическому синтезу таких функциональных элементов, как приемник потока, пневматические каналы связи и струйно-конвективный преобразователь.

Для решения задач параметрического синтеза был определен набор целевых функций, необходимых для обеспечения инвариантности выходных пневматических сигналов приемника потока к действию дестабилизирующих факторов. В качестве обобщенного показателя качества приемника потока предложено использовать коэффициенты восстановления по полному п и статическому в давлениям. Функционалы Ф для каналов полного давления и статического давления можно записать в виде трех частных критериев:

влияния вариаций скорости и угла скоса потока соответственно на коэффициент восстановления давления п и в каналов полного и статического давлений.

Для сокращения размерности решаемой задачи проточный приемник потока был разбит на три модуля: конфузор, модуль отбора давлений и диффузор, с характерными размерами, представленными на рис. 6.

В результате исследований показано, что задача параметрического синтеза проточного приемника потока многокритериальна и не имеет строгого аналитического решения, что обуславливает необходимость использования экспериментально-статистических подходов для установления связи этих критериев с характерными конструктивными параметрами модулей приемника.

Вторым по значимости функциональным элементом является пневматический канал связи, конструктивно реализуемый в виде проточного элемента различной длины, движение газового потока в которых описываются известными дифференциальными уравнениями.

Рис. 6. Геометрическая модель многоканального Cn = – соответственно активное пневматическое сопротивление, пневмаkgRT тические индуктивность и емкость, распределенные по длине проточного канала; d,l соответственно длина и диаметр проточного элемента.

Разработана математическая модель пневматической цепи, представляющей сочетание проточного элемента и глухой камеры (ПЭ-ГК). Показано, что при принятых ранее допущениях пневматический переходный процесс в цепи ПЭ–ГК является апериодическим и аналитически описывается уравнениями:

для информативного сигнала в виде перепада давлений p :

где = rn Cn – пневматическая постоянная времени;

для информативного сигнала в виде массового расхода Gm :

Передаточные функции исследуемой пневматической цепи, соответствующие зависимостям (11) и (12) имеют вид Из анализа выражений (13), следует, что при использовании в качестве информативного сигнала перепада давления p, возникает практически неразрешимое противоречие между стремлением увеличить чувствительность Qp пневматической цепи и уменьшить ее постоянную времени. При использовании в качестве информативного сигнала расхода Gm жесткая связь между чувствительностью QG и постоянной времени разрывается (QG= - Cn). В результате появляется возможность повышения чувствительности QG, и снижения постоянной времени за счет направленного изменения конструктивных параметров пневматической цепи ПЭ-ГК. Это является теоретическим обоснованием использования в многофункциональной системе измерения параметров газовых потоков пневматической цепи ПЭ-ГК с выходным информативным сигналом в виде массового расхода.

Процесс измерительного преобразования массового расхода Gm в электрический сигнал, происходящий в третьем функциональном элементе измерительного канала, в струйно-конвективном преобразователе, который в работе описан следующим дифференциальным уравнением где U 0 = U T + U б – напряжение питания измерительной схемы, равное сумме падений напряжений U T на анемочувствительном элементе с сопротивлением RT и U б на балластным сопротивлении Rб ; СТ – теплосодержание; dT / dt – скорость изменение температуры тела анемочувствительного элемента; T0 – температура окружающей среды; H – коэффициент рассеяния анемочувствительного элемента.

Статические характеристики струйно-конвективного преобразователя получены путем декомпозиции его структуры (рис. 7) на газотермодинамический (1) и теплоэлектрический (2) преобразователи.

Функцию преобразования газотермодинамического преобразователя, выполненного на основе сферического анемочувствительного элемента (АЧЭ) можно представить в виде двух слагаемых, первое из которых обусловлено естественной тепловой конвекцией АЧЭ, а второе (информативное) его вынужденной конвекцией где H 0 коэффициент рассеяния АЧЭ в условиях естественной конвекции, определяемый выражением где H 1 и H 2 значения коэффициента рассеяния анемочувствительного элемента при массовых расходах потока Gm1 и Gm 2 ; Н – коэффициент анемочувствительности газотермодинамического звена, равный Значения коэффициента рассеяния Н0 и коэффициента анемочувствительности Н достаточно полно регламентируют функцию преобразования газотермодинамического преобразователя и должны нормироваться при паспортизации анемочувствительного элемента струйно-конвективного преобразователя.

Задачей исследования теплоэлектрического преобразователя, схема линейной модели которого приведена на рис.8, являлось определение зависимости его характеристик от схемы включения и режима работы АЧЭ.

Рис. 8. Структурная схема линейной модели теплоэлектрического преобразователя Анализ процессов, происходящих в теплоэлектрическом преобразователе, для входного воздействия в виде коэффициента рассеяния H к (при фиксированном значении температуры окружающей среды Тс = const), позволил получить его передаточную функцию WТП (s ) в виде э = Н 0 п Н 0 rт I т 0k = п (1 D0k )1 электрическая постоянная времени теплоэлектрического преобразователя; k = (rp rт )/ (rp + rт ) коэффициент, отражающий режим работы анемочувствительного элемента теплоэлектрического преобразователя; D 0 = (Т Т с ) = Pц / H динамический коэффициент пропорциональности.

При оценке помехоустойчивости теплоэлектрического преобразователя необходимо определить его чувствительность к вариациям температуры Т с окружающей среды. При допущении постоянства коэффициента рассеяния Нк = const получена передаточная функция теплоэлектрического преобразователя по температуре Т с в виде WTТП плоэлектрического преобразователя по температуре.

Важную роль при обеспечении заданных метрологических характеристик измерительных каналов многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков имеет источник опорного пневматического сигнала, введение которого в структуру системы позволяет сместить рабочую точку струйноконвективного преобразователя на середину линейного участка статической характеристики.

Проведен анализ доминирующих источников погрешностей измерительных каналов системы и методов их оценки. Показано, что все многообразие действующих источников погрешностей при их анализе удобно разбить на несколько групп в зависимости от их локализации в процессе измерительного преобразовании (рис.8), характерной для любого из базовых измерительных каналов многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков.

Оценка результирующей погрешности в линейной постановке при допущении статической независимости источников погрешностей, в работе принята следующая зависимость для расчетного определения ее численного значения:

где {} – коэффициенты влияния основных функциональных элементов; {y}, { } – погрешности основных функциональных элементов систематического и случайного характера.

В результате проведенных исследований получены математические модели функциональных элементов. На их основе разработана имитационная модель аэрометрического канала СВС МЛА, реализованная в приложении Simulink пакета Matlab. Исследование модели, направленное на определение статических и динамических характеристик в диапазоне 10…150км/ч (3… м/с) позволили определить: относительная погрешность не превышает 1-1,5%, а рабочая полоса измерительного канала находиться в пределах 30-70 Гц.

В четвертой главе приведены основные результаты разработки и экспериментальных исследований вариантов многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков различного назначения.

В рамках решения задачи метрологического обеспечения проводимых экспериментальных исследований обоснованы требования и разработан стенд для аэродинамических исследований и испытаний многоканальной системы воздушных сигналов малоразмерного летательного аппарата. Среди основных требований к стенду выделены диапазон изменения воспроизводимых скоростей м/с и допустимая основная погрешность д ± (0,05 + 0,01V ) м/с.

Структурно-функциональная схема разработанного аэродинамического стенда (Патент РФ №89699 на полезную модель. Бюл.№34, 2009 г.) включает в себя комплект сертифицированных эталонных датчиков, метрологические характеристики которых отвечают требованиям класса точности 0,1. Информативные сигналы каждого из датчиков после предварительной цифровой обработки используются для оценки и коррекции погрешности воспроизведения среднего значения скорости воздушного потока в месте установки приемника потока.

Предложены принципы построения модулирующего аэродинамического насадка (рис.9) аэродинамического стенда (патент РФ №2403545 на изобретение БИ. №31, 2010 г.), обеспечивающего гармоническую модуляцию воздушного потока на срезе, что расширяет функциональные возможности стенда и позволяет определять как статические, так и динамические характеристик исследуемой системы. Стенд обеспечивает определение амплитудной и фазовой характеристик приемника потока и каналов системы в диапазоне скоростей от 0,01 до 25 м/с при вариациях частоты от 5 до 100 Гц.

различных вариантов многоканальных приемников потока многофункциональной СВС МЛА хорошо согласуются с результатами Рис.9. Модулирующий аэродинамический имитационного моделирования, степени адекватности разработанных математических моделей пневмометрического тракта и измерительных каналов на их основе.

Как показали результаты исследования, экспериментальный образец многофункциональной СВС МЛА (рис.1) обеспечивает устойчивое измерение, начиная со скорости 3±1 м/с. Относительная приведенная погрешность измерения скорости воздушного потока находится в интервале ± 0,5 ± 0,15 % при доверительной вероятности Р = 0,95.

Раскрывается методика, и приводятся результаты исследования и испытания макетного образца бортовой многофункциональной системы измерения расхода газового топлива автомобиля (рис. 10).

Рис. 10. Макетный образец бортовой системы измерения расхода газового топлива:

а – измерительный блок; б – электроизмерительная плата Результаты исследования макетного образца системы измерения расхода газового топлива автомобиля приведены на рис. 11, 12 и подтверждают ее работоспособность в диапазоне расходов 1…16 м3/ч с функцией преобразования вида и относительной приведенной погрешностью, не превышающей 1,5% для задач контроля, где в ограниченном диапазоне измерения требуется высокая чувствительность, и в диапазоне 16…115 м3/ч с функцией преобразования вида и относительной приведенной погрешностью ± 0,5% для задач измерения расхода в широком диапазоне, но с меньшей чувствительностью.

Рис. 11. График выходной характеристики Рис. 12. Результирующая приведенная U = f(GV) системы измерения расхода погрешность системы измерения газового топлива автомобиля расхода газового топлива автомобиля При реализации многофункциональной системы измерения параметров дыхания реализация принципа инвариантности обеспечивается на основе двухканальной измерительной схемы, включающей многоканальный проточный приемник потока 1, модуль 2 формирования пневматических сигналов пневмометрического 3 и ультразвукового 4 измерительных каналов (рис.13).

Дополнительно к принципу инвариантности повышение помехоустойчивости такой многофункциональной системы достигается за счет амплитудной прямой модуляции первичного пневматического сигнала, реализуемой с помощью источника опорного расхода, создаваемого микронагнетателем МН. Такое построение системы измерения параметров дыхания расширяет функциональные возможности ее применения в медицине, как при проведении скрининг исследованиях, так и при углубленных клинических обследованиях пациентов широкой возрастной группы. Характерной особенностью предложенного варианта построения многофункциональной системы измерения параметров дыхания является также использование статистических характеристик измерительных каналов при аналоговой обработке 5 их информативных сигналов.

Разработаны имитационные модели измерительных каналов системы измерения параметров дыхания. Анализ результатов показывает, что при скачкообразном входном воздействии система может быть представлена апериодическим звеном первого порядка. Получены переходные процессы, построенные для ряда значений постоянной времени струйно-конвективного преобразователя. Наиболее предпочтительным для использования в измерительных каналах является работа АЧЭ с =0,05 с. Анализ результатов исследований при линейно-возрастающем сигнале показал, что запаздывание выходного сигнала не превышает 2 с, что является приемлемым не только при измерении параметров дыхания, но и при контроле функционирования системы ИВЛ.

Результаты экспериментальных исследований подтверждают конкурентоспособность разрабатываемых вариантов многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков при их использовании в технике, экологии и медицине.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В соответствии с целью и научной задачей исследования выполнена научно-обоснованная техническая разработка многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками, построенной на основе многоканального приемника потока и струйно-конвективных преобразователей с использованием принципов многоканальности, инвариантности и модуляции информативных пневматических сигналов, структурной идентичности и модульности измерительных каналов. Применение разработанных вариантов многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков в системах управления малоразмерных летательных аппаратов и автомобилей на газовом топливе, при контроле и диагностике состояния экологических и медико-биологических объектов имеет существенное значение для развития страны. Кроме того получены следующие основные результаты:

1. Проведен анализ состояния и выявлены перспективные направления совершенствования средств измерения параметров газовых потоков и расширения функциональных возможностей и области применения.

2. Разработаны принципы построения и алгоритмы функционирования базовых вариантов многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков на основе многоканального приемника потока и струйноконвективных преобразователей.

3. Разработаны математические модели базовых элементов и измерительных каналов многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков.

4. Разработана методика проведения имитационного моделирование каналов многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков.

5. Разработаны методики проектирования, изготовления образцов, проведения экспериментальных исследований и выработаны рекомендации по применению многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков различного назначения.

6. Разработанные подходы, методики анализа и синтеза, выработанные рекомендации по разработке и исследованию измерительных каналов используются при создании конкурентоспособных вариантов многофункциональной системы измерения параметров газовых потоков для объектов авиационной, медицинской и экологической техники.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК 1. Тюрина М.М. Система измерения высотно-скоростных параметров винтокрылых и сверхлегких летательных аппаратов /Тюрина М.М., Порунов А.А. // Известия вузов. Авиационная техника. – 2007. – №4 – С. 53-57.

2. Устройство для измерения параметров газового потока. Патент на изобретение №2305288 (РФ). МПК G01 P5/14, G01 F1/44, G01 F1/684, G01 F15/04, G01 F15/06 / Тюрина М.М., Порунов А.А., Солдаткин В.М.; заявитель и патентообладатель Каз. гос. техн. ун-т. №2005106537/28; заявл. 28.02.2005; опубл.

10.08.2006, Бюл.№24, 2007. – 15 с.

3. Устройство для определения статических и динамических характеристик газодинамических объектов. Патент на полезную модель №89699 (РФ).

G01L 27/00 / Тюрина М.М., Порунов А.А., Бердников А.В., Солдаткин В.М., Шамсуллина А.Ф.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Каз. гос. техн. унт. №2009127015/22; заявл. 14.07.09; опубл. 10.12.2009, Бюл. №34, 2009. – 4 с.

4. Устройство для определения статических и динамических характеристик газодинамических объектов. Патент на изобретение №2403545 (РФ): МПК G01L 27/00 / Тюрина М.М., Порунов А.А., Бердников А.В., Солдаткин В.М., Шамсуллина А.Ф.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Каз. гос. техн. унт. №2009127185/28; заявл. 14.07.2009; опубл. 10.11.2010, Бюл. №31. – 3 с.

5. Система измерения высотно-скоростных параметров летательного аппарата. Патент на полезную модель №112435 (РФ): МПК G01 Р5/00 / Порунов А.А., Галяутдинова А.Н., Тюрина М.М., Порунов Н.А., Солдаткин В.М.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Каз. гос. техн. ун-т. № 2011131580; заявл. 05.04.2011; опубл. 10.01.2012, Бюл. №1. – 5 с.

Статьи в других изданиях 6. Тюрина М.М. Анализатор параметров внешнего дыхания на основе струйно-конвективного преобразователя / Тюрина М.М., Порунов А.А. // Методы и средства измерения в системах контроля и управления: Сборник статей.

Научно-техническая конференция. – Пенза: Изд-во ПДЗ, 2001. – С. 145-147.

7. Тюрина М.М. Пневмотахометр на основе струйных эффектов // Медицинская экология: Сборник статей II Международной научно-технической конференции. Пенза: Изд-во ПДЗ, 2003. – С. 95-98.

8. Тюрина М.М. Исследование характеристик струйно-конвективного преобразователя датчика пневмотахометра / Тюрина М.М., Порунов А.А. // Электронное приборостроение: Научно-практический сборник. Вып. 5(39). – Казань: ЗАО "Новое знание", 2004. – С.61-73.

9. Тюрина М.М. Особенности процесса паспортизации струйно-конвективного преобразователя малых расходов газа /Тюрина М.М., Порунов А.А. // Медицинская экология: Сборник статей V Международной научнопрактической конференции. – Пенза: Изд-во ПДЗ, 2006. – С. 51-53.

10. Тюрина М.М. Исследование коэффициента рассеяния газотермодинамического преобразователя струйно-конвективного измерителя расхода // Электронное приборостроение: Научно-практический сборник. Вып. 2(48).– Казань: ЗАО "Новое знание", 2006. – С. 61-73.

11. Тюрина М.М. Аэрометрический канал системы экологического мониторинга приземного слоя атмосферы / Тюрина М.М., Порунов А.А. // Медицинская экология: Сборник статей VIII Международной научно-практической конференция. Пенза: Изд-во ПДЗ, 2009. – С. 88-91.

12. Тюрина М.М. В Микронагнетатели. Классификация и принципы построения /Тюрина М.М., Порунов А.А. // Электротехнические комплексы и системы: Межвузовский научный сборник. Уфа: Изд-во УГАТУ, 2009. – С. 40Тюрина М.М. Микронагнетатели. Основы теории и проектирования / Тюрина М.М., Порунов А.А., Кравченко Н.А. // Электротехнические комплексы и системы: Межвузовский научный сборник. – Уфа: Изд-во УГАТУ, 2009. – С.173-178.

Материалы конференций 14. Тюрина М.М. Структурные методы повышения точности струйноконвективного преобразователя расхода и количества природного газа для магистралей высокого давления /Тюрина М.М., Порунов А.А. // Труды межрегионального симпозиума "Проблемы реализации региональных целевых программ энергосбережения". Казань: Центр энергосберегающих технологий Республики Татарстан, 2001 г. – С. 181-201.

15. Tjurina М.М. Some principles of flowmeters design in vehicular transport/ Tjurina М.М., Porunov А.А., Soldatkin V. М. // Proceeding of the 2nd International Conference "Automobil & Technosphere". Kazan, 2001. Р.197-207.

16. Тюрина М.М. Измерение в пульмонологии, проблемы и задачи /Тюрина М.М., Порунов А.А. // Материалы IX-й Всероссийской научнотехнической конференции "Состояние и проблемы измерений". М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002. – Часть 2. – С. 22-23.

17. Тюрина М.М. Принципы структурного построения датчика пневмотахометра / Тюрина М.М., Порунов А.А. // Материалы XV научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов "Датчик-2003. Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления". М.:

Изд-во МГИЭМ, 2003. С. 288.

18. Тюрина М.М. Исследование приемников потока для применения их в диагностике бронхиальной астмы / Тюрина М.М., Спирин А.Н. // Труды XII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии». – Томск: Изд-во Томского политехн. ун-та, 2006. – Т.1. – С. 349-351.

19. Тюрина М.М. Некоторые аспекты метрологического обеспечения измерения малых расходов в пульмонологии // Материалы XIII международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. – М.: Издательский дом МЭИ, 2007. – Т.1. – С.

319-321.

20. Тюрина М.М. Принципы построения и структура стенда для исследования статических и динамических характеристик аэрометрических преобразователей системы воздушных сигналов вертолета /Тюрина М.М., Порунов А.А. // Материалы Всероссийской научной конференции "Информационные технологии в науке, образовании и производстве". – Казань: Изд-во Казан. гос. техн.

ун-та, 2007. – С. 192-195.

21. Тюрина М.М. Современные направления в разработке систем измерения пилотажных параметров малоразмерных летательных аппаратов / Тюрина М.М., Порунов А.А. // Труды IV Международной научно-практической конференции «Современные технологии – ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения» (АКТО-2008). – Казань: Изд-во Каз. гос. техн. ун-та, 2008. – С.92-102.

22. Тюрина М.М. Анализ информативной ценности воздушных сигналов при управлении малоразмерными летательными аппаратами /Тюрина М.М., Порунов А.А. // Материалы XII Международной научной конференции "Решетневские чтения". – Красноярск: Изд-во Сиб. гос. аэрокосмич. ун-та, 2008. – С.362-364.

23. Тюрина М.М. Синтез моделей элементов аэрометрического тракта на основе метода прямой аналогии /Тюрина М.М., Шамсуллина А.Ф. //Материалы VI Международной конференции студентов и молодых ученых "Перспективы развития фундаментальных наук". – Томск: Изд-во Томского политехн. ун-та, 2009. – С.666-668.

24. Тюрина М.М. Струйно-конвективный преобразователь аэрометрических параметров МЛА. Классификация и применение /Тюрина М.М., Порунов А.А. // Труды V Международной научно-практической конференции «Современные технологии – ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения» (АКТО-2010). – Казань: Изд-во Каз. гос. техн. ун-та, 2010. – С.139Тюрина М.М. Задачи и направления разработки многоканальных систем измерения параметров газового потока /Тюрина М.М., Порунов А.А. // Краткие сообщения XXX Российской школы, посвященной 65-летию Победы, "Наука и технология". – Екатеринбург: УрО РАН, 2010. – Т.1. – С. 106-108.

26. Тюрина М.М. Функциональные модули струйно-конвективных измерителей физических величин /Тюрина М.М., Порунов А.А., Козлова О.А. // Сборник научных трудов 3-й Международной научной конференции «Функциональная компонентная база микро-, опто- и наноэлектроника». – Харьков:

Изд-во ХНУРЭ, 2010. – С. 251-254.

27. Тюрина М.М. Задача обеспечения серийноспособности измерительных каналов системы измерения высотно-скоростных параметров / Тюрина М.М., Порунов А.А., Пантелеева Е.В. //Труды VI Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики АНТЭ-2011». – Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та. 2011.

– С. 295-300.

28. Тюрина М.М. Конструктивно-технологические аспекты повышения стабильности струйно-конвективных модулей /Тюрина М.М., Порунов А.А., Солдаткин В.М. // Сборник трудов Международной научно-технической интернет-конференции «Информационные технологии и системы «ИСиТ’2011». – Орел: Изд-во ФГОУ ВПО «Госуниверситет УНПК», 2011. – Т.3. – С.126-131.

29. Тюрина М.М. Некоторые аспекты имитационного моделирования пневматического тракта системы измерения расхода газового топлива / Тюрина М.М., Порунов А.А., Гимадеева Г.Р. // Материалы VI Международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера» (ICATS’2011). – Казань: ЗАО «Мир без границ», 2011. – С. 230-231.

30. Тюрина М.М. Вопросы инженерного проектирования приемников потока систем измерения расхода газового топлива / Тюрина М.М., Порунов А.А.// Материалы VI Международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера» (ICATS’2011). – Казань: ЗАО «Мир без границ», 2011. – С.

232-234.

Форма 6084 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Печ.л. 1,25. Усл. печ.л. 1,16. Уч.-изд.л. 1,0.

Типография КНИТУ-КАИ. 420111, Казань, ул. К. Маркса,