WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

МАЛЬЦЕВ АНДРЕЙ ВИКТОРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ПРИБОРОВ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ВОЗДУШНЫХ СРЕД НА ОСНОВЕ ВИХРЕВЫХ ДАТЧИКОВ РАСХОДА

05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

.

Москва 2012 г.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Промышленная экология» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МИЭТ»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Каракеян Валерий Иванович

Официальные оппоненты: Одиноков Вадим Васильевич, доктор технических наук, профессор, ОАО «НИИТМ», генеральный директор.

Ивченков Андрей Олегович кандидат технических наук, ООО НПЦ «Спектр-АТ», ведущий научный сотрудник.

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие «Всесоюзный научно- исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений»

Защита состоится ”____”_______________ 2012г. в ______ часов в ауд. 3103 на заседании диссертационного совета Д212.134.04 при ФГБОУ ВПО Национальном исследовательском университете «МИЭТ» по адресу: 124498, Москва, г. Зеленоград, проезд 4806, дом 5, МИЭТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МИЭТ»

Автореферат разослан «______ » __________ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор А.И. Погалов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Минимизация техногенного воздействия на атмосферу является одним из приоритетов в разработке стратегии управления качеством окружающей среды. Особую остроту качество атмосферного воздуха приобретает для наукоемкой природно-технической геосистемы (НПТГ), характерным признаком которой является тесная взаимосвязь производственных и природных процессов. В этих обстоятельствах объективная информация о качестве атмосферы как источнике технологической воздушной среды для предприятий микроэлектроники становится одним из важных условий их успешной деятельности Современные информационные технологии позволяют разрабатывать автоматизированные системы экологического мониторинга (АСЭМ) для оценки различных по масштабам воздействий на атмосферу, однако имеющаяся в настоящее время аппаратура оперативного контроля не в полной мере отвечает современным требованиям по информативности, технологичности и экономичности таких систем. Одна из трудностей в оснащении АСЭМ надлежащей аппаратурой контроля воздушной среды состоит в отсутствии специализированных систем измерения скорости аспирации в устройствах пробоотбора. Используемые в настоящее время механические системы измерения расхода обладают такими существенными недостатками, как жесткие требования к пространственной ориентации, высокая погрешность измерения, малый диапазон измеряемых расходов и т.п.

Широкому использованию удовлетворяющих предъявляемым метрологическим требованиям расходомеров (ультразвуковых, меточных), препятствуют высокая стоимость законченного прибора, низкая технологичность, недостаточная безопасность. Наиболее полно предъявляемым требованиям отвечают вихревые системы измерения расхода, которые до настоящего времени широкого распространения не получили по причине недостаточной теоретической проработки поведения вихревой структуры и вытекающего из этого несовершенства конструкций приборов.

Таким образом, исследование процессов, протекающих в первичных вихревых преобразователях, создание математической модели, адекватно описывающей эти процессы, и разработка на их основе реальных приборов является весьма актуальной и своевременной.

Цель диссертационной работы. Целью работы является исследование и разработка вихревых датчиков расхода и создание на их основе приборов контроля воздушной среды для АСЭМ.

Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:

1. Комплексный анализ методов пробоотбора и контроля расхода воздуха для целей экологического мониторинга и обоснование приборного оформления измерительной системы.

2. Теоретическое исследование и разработка математической модели, описывающей процессы, протекающие в вихревых преобразователях и позволяющей оптимизировать конструкцию датчика под требуемые условия эксплуатации.

3. Экспериментальное исследование процессов вихреобразования для выявления особенностей функционирования первичного преобразователя и проверка математической модели на адекватность.

4. Разработка конструкции вихревого датчика как первичного преобразователя информации, удовлетворяющего требованиям санитарно-гигиенического и экологического мониторинга.

5. Сертификационные испытания измерительной аппаратуры на основе вихревого датчика расхода на стабильность метрологических характеристик и устойчивость к внешним воздействиям.

6. Промышленная апробация измерительных приборов на основе разработанного вихревого датчика расхода в составе АСЭМ различного назначения.

Объектом исследования являются вихревые измерители расхода воздуха, адаптированные для применения в АСЭМ как для целей управления качеством атмосферы природно-технической геосистемы, так и для общей оценки состояния воздуха как технологической среды наукоемких производств.

Предметом исследования являются теоретические и экспериментальные закономерности аэродинамических процессов, протекающих в вихревом расходомере как первичном преобразователе, используемом в АСЭМ.

Методы исследования. Теоретической основой выполненных исследований служит решение системы уравнений, описывающих вращательные моменты импульсов рассматриваемого потока на различных участках вихревого преобразователя с учетом сопутствующих эффектов. При комплексном анализе систем пробоотбора и номенклатуры расходоизмерительной техники применялся метод экспертных оценок.

При экспериментальной проверке математической модели на адекватность, анализе пространственного распределения статических и динамических параметров потока в моделируемых системах разработан специальный стенд, включающий спектроанализатор Я4С-68, осциллографы С1-65 и Tektronix TDS1001B, мультиметры MY-65 и APPA207, ротаметры РМV, установку поверочную УПС-16, измерительное оборудование Testo435-2 с комплектом зондов.

Научная новизна работы состоит в следующем 1. Выполнен комплексный критический анализ способов пробоотбора и систем измерения расхода газовых сред и разработана математическая модель аэродинамических процессов, протекающие в вихревом преобразователе.

2. Выполнена теоретическая оценка влияния допущений о несжимаемости среды, отсутствия потерь энергии, пренебрежением буферной области и разработаны рекомендации для дальнейшего развития применяемой модели.

3. Предложен и практически проверен критерий, позволяющий прогнозировать работоспособность создаваемой конструкции вихревого преобразователя.

4. Разработана и апробирована методика расчета предложенной конструкции вихревого преобразователя.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Разработана конструкция, изготовлен и апробирован вихревой преобразователь, позволяющая значительно снизить нижнюю рабочую границу по сравнению с существующими приборами.

2. Разработана конструкция, изготовлен и апробирован вторичный преобразователь, значительно превосходящий по техническим параметрам существующие аналоги.

3. Разработаны и апробированы методики экспериментальных исследований аэродинамических процессов, протекающих в вихревых преобразователях.

4. На базе разработанной конструкции измерителя расхода создан ряд приборов и установок для контроля загрязнения воздушных масс. По состоянию на конец 2011 года суммарный объем выпуска изделий, использующих разработанный расходомер, превысил 1000 единиц поставленных МЧС, АЭС, органам санэпидемнадзора и т.п., в том числе за пределы России.

Внедрение результатов работы:

Результаты данной работы нашли применение:

- в учебном процессе при подготовке учебно-методического комплекса по дисциплине «Методы и приборы контроля высоких технологий» направления «Техносферная безопасность»;

- в создании изделий ПВП-04, УДА-1АБ, УДИ-1Б, УКРВ-2, а так же разовых разработках.

Личный вклад автора.

Все основные результаты получены автором лично, а именно:

1. выполнен комплексный анализ методов и оборудования для пробоотбора и систем анализа воздушных сред;

2. разработана математическая модель и выполнен теоретический анализ процессов вихреобразования в первичном преобразователе;

3. разработаны методики и проведены экспериментальные работы по исследованию процессов вихреобразования в первичном преобразователе, происходящих в исследуемом приборе;

4. проведены работы по оптимизации вторичного преобразователя, разработке программного обеспечения и конструкции расходомера в целом;

5. разработана конструкция промышленно изготавливаемого расходомера, проведены сертификационные испытания, созданы методики калибровки и поверки.

Достоверность полученных результатов.

Достоверность полученных результатов подтверждена отсутствием противоречий с известными законами физики и аэродинамики, обусловлена проверками на адекватность полученных закономерностей на основе экспериментальных данных, а также сравнением с данными отечественных и зарубежных исследований.

Апробация работы.

Основные результаты докладывались на следующих международных, межвузовских и Всероссийских конференциях и семинарах:

1. Совещании руководителей служб радиационной безопасности АС “Итоги работы АС в области радиационной безопасности в 1995 г. и задачи на 1996г.”.

2. Всероссийской научно-технической конференции “Электроника и информатика - 97” (Москва, 1997) 3. IV всероссийской заочной научно-практической конференции «Актуальные научные проблемы» (Екатеринбург, 2011).

4. Международной заочной научно-практической конференции «Инновации и современная наука» (Новосибирск, 2011).

5. IV Международной научно-практической конференции «Техника и технология: новые перспективы развития» (Москва, 2011).

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Математическая модель поведения аэродинамических процессов в первичных преобразователях систем измерения расхода вихревого типа с прецессирующей струей.

2. Результаты экспериментального подтверждения адекватности предложенной математической модели вихреобразования в первичном преобразователе.

3. Научно-методческие основы конструирования вихревого преобразователя, механизм влияния его геометрии на аэродинамические процессы и критерий работоспособности датчика.

4. Результаты сертификационных испытаний аппаратуры на основе вихревых датчиков на стабильность метрологических характеристик и устойчивость к внешним воздействиям.

Публикации.

Основные результаты, полученные автором и изложенные в диссертации, опубликованы в 11 печатных работах, в том числе 3 в рецензируемых журналах из перечня, рекомендуемом ВАК РФ. По материалам диссертации сделано докладов на научных конференциях. Результаты, содержащиеся в работах, выполненных в соавторстве, и включенные в диссертацию, получены автором лично и включены в диссертацию с согласия и одобрения соавторов этих работ.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающей 108 наименований и семи приложений.

Основная часть работы содержит 116 страницы основного текста, 7 таблиц и 33 рисунка. Общий объем работы составляет 157 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цель, основные задачи и методы исследований, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, личный вклад автора, результаты внедрения, достоверность исследований, апробация и публикации по теме диссертации, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен комплексный критический анализ используемых методов отбора проб воздуха и существующих систем измерения скоростей аспирации, на основе которого, методом экспертных оценок, а также с помощью серии предварительных экспериментов определено направление дальнейших исследований.

Показано, что наиболее распространенным методом пробоотбора является концентрация примесей на фильтрах (ткань Петрянова и т.п.), насыпных адсорберах или импакторах. Доля этих методов в практике санитарного контроля атмосферы предприятий химической промышленности составляет более 60%, экологического контроля свыше 80% а радиологического контроля более 95%. Применяемая при использовании этих методов скорость аспирации лежит в диапазоне от 20 л/мин до 160 л/мин.

Проведенный анализ существующих систем измерения расхода воздуха показал, что на настоящий момент времени отсутствуют расходомеры, в полной мере отвечающие требованиям пробоотбора для целей экологического мониторинга. Проведенная комплексная экспертная оценка известных конструкций расходомеров показала, что в системах отбора проб воздуха для контроля атмосферы наиболее перспективны расходомеры вихревого типа с прецессирующей струей. Конструкция этих приборов включает:

вихреобразующую камеру (ВОК), формирующий патрубок (ФП), прецессионную камеру (ПК) (рис.1) и струевыпрямитель, расположенный за ПК.

Рис.1. Конструкция первичного преобразователя расхода вихревого типа с прецессирующей струей.

В генераторах вихревых колебаний с прецессией вращающейся струи съем информации осуществляется в области расширения вихревой камеры.

Проведенная комплексная экспертная оценка различных типов вторичных преобразователей, используемых для преобразования первичной информации, представленной пульсациями давления в электрический сигнал, показала, что для практического применения наиболее подходят емкостные акустоэлектронные преобразователи.

Таким образом, комплексный анализ методов пробоотбора и контроля расхода воздуха для целей экологического мониторинга показал, что в настоящее время отсутствуют датчики, полностью пригодные к использованию в системах экологического и технологического контроля состояния атмосферы.

Наиболее подходящим для этих целей следует признать вихревые системы измерения расхода с прецессирующей струей. Однако, на пути использования расходомеров этого типа в реальных приборах стоит ряд проблем:

-отсутствии приемлемых математических моделей, позволяющих проводить предварительный анализ систем;

-отсутствии конструкций вихреобразователей, обеспечивающих работу на диапазонах от 20 л/мин, и методик оценки их работоспособности;

-отсутствии приемлемых вариантов конструкций вторичных преобразователей для газовых сред.

Вторая глава включает результаты разработки математического аппарата, позволяющего прогнозировать работу вихревых преобразователей.

Предложено отказаться от попытки прямого решения системы уравнений Навье-Стокса в форме Ламба-Громески в пользу упрощенного подхода, основанного на решении систем уравнений, описывающих вращательные моменты импульсов рассматриваемого потока на различных участках вихревого преобразователя. На основании этих предпосылок получены следующие соотношения:

Момент импульса потока на выходе ВОК:

Vk2 Hk 2 R0 Y0 - Y( ) (1) L = t 4 где: t - промежуток времени;

N - количество формирующих каналов в в ВОК;

Vk - скорость cреды на входе в ВОК;

Hk - высота ВОК;

0 - плотность cреды;

R0 - радиус ВОК;

Y0 - ширина канала.

Вращательный момент импульса несжимаемой cреды:

|L|= t Vout R1 0 (2) где: Vout - линейная скорость вихревой формации;

R1 - радиус патрубка;

- угловая скорость вихревой формации.

Вращательный момент импульса сжимаемой cреды без учета образования пограничного слоя:

2 R1 P0 R1 ( ) L = t Vout Ke R1 - 1 + ( ) (3) P2 Ke R1 - ( ) ( ) r ( ) где: K r = exp 2 ;

( ) e P 0 P0 - атмосферное давление.

Вращательный момент импульса сжимаемой среды с учетом образования пограничного слоя без потерь энергии:

2 R ( ) 0 V t V R P K R - 1 + 1 ( ) ( ) out 1 0 e V P 0 (4) L = 2 K R - 1 P + K (R ) R - R 2 2 ( ( ) ) ( ) ( ) ( ) e V 0 e V 1 V где: Rv - радиус вихревой формации.

Получить зависимость скорости вращения вихревой формации от расхода в прямом виде возможно лишь для несжимаемой среды (уравнения 1 и 2); в остальных случаях возможно только численное решение системы уравнений.

Для учета сил вязкостного трения принято считать, что энергия, перешедшая из области вихревой формации в буферную зону с некоторым объемом среды, является потерянной.

Рассчитанные с использованием приведенных выше соотношений зависимости расход/частота для системы, состоящей из ВОК высотой 8мм с 8ю каналами и ФП диаметром 16мм в сравнении с экспериментальными данными для подобной системы, представлены на рисунке 2, где:

- кривая 1 - аппроксимирующий экспериментальные данные полином 2-й степени;

- прямая 2 - случай несжимаемой среды;

- кривая 3 - сжимаемая среда без учета образования пограничного слоя и потерь энергии на преодоление сил вязкостного трения;

- кривая 4 - сжимаемая среда с учетом образования пограничного слоя и без учета потерь энергии на преодоление сил вязкостного трения для расстояния 10.9 мм от начала ФП;

- кривая 5 - сжимаемая среда с учетом образования пограничного слоя и учетом потерь энергии на преодоление сил вязкостного трения для расстояния 34 мм от начала ФП.

F (Гц) 141210864220 40 60 80 100 120 1V (л/мин) Рис.2. Экспериментальные данные и результаты моделирования для системы, состоящей из ВОК высотой 8мм, 8-ю подающими каналами и ФП, диаметром 16 мм.

На основе анализа движущих сил рассматриваемых процессов предложен критерий (уравнение 5), определяющий поведение вихревой формации в преобразователе и представляющий собой отношение импульсов вращательного момента и поступательного движения среды.

L R 2 R - Y ( ) 1 0 k = = (5) P 4 H Y N k Экспериментальная проверка подтвердила правомерность его введения.

Определено пороговое значение данного коэффициента, равное 0.060.08.

Данный коэффициент зависит только от геометрических размеров преобразователя и однозначно определяет его работоспособность.

В третьей главе работы приведены результаты экспериментальных работ, направленных на исследование структуры вихревой формации и элементов конструкции вихревого преобразователя. Для проведения работ разработан экспериментальный стенд и предложен ряд оригинальных методик, позволивших исследовать интересующие процессы. Разработан и изготовлен комплект узлов, позволивший исследовать вихревые преобразователи с характеристиками: числом каналов ВОК - от 4 до 10, радиусом ВОК – от 16 мм до 32 мм, высотой ВОК – от 6 мм до 12 мм, диаметром ФП – от 8 мм до 25 мм, углом раскрытия ПК – от 20 до 180, отношением реальной ширины канала ВОК к максимально возможной при заданной геометрии – от 0,5 до 1.

Для исследования непрецессирующей вихревой формации предложено использовать приемные зонды, позволяющие измерять давление в объеме вихревой структуры. Для оценки их влияния на поток, а также для определения толщины буферного слоя, предложено использовать дополнительный зонд, измеряющий давление в пристеночной области в точке, диаметрально противоположной основному зонду. С использованием данной методики получена картина поведения непрецессирующей вихревой формации в трубопроводе. Определены границы области формирования и характер развития буферного слоя. Обнаружен эффект периодического изменения диаметра вихревой структуры в трубопроводах малого диаметра, что накладывает соответствующие ограничения на размеры ФП вихревых преобразователей.

Разработаны методики исследования структуры вихревых потоков на основе анализа амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) акустических сигналов. Анализ полученных данных показал, что существует ярко выраженная область в ФП, в которой наблюдается устойчивый по отношению к остальной области сигнал. Геометрическое место данной области не зависит от радиусов ФП, ПК или их соотношений и представляет пространство, заключенное между соосными цилиндрами с радиусами 0.6R0 и 0.3R0 ( R0 - радиус ФП ) и ограниченного расстоянием, равным 1.2R0 для внутреннего цилиндра и 1.8R0 для внешнего цилиндра от границы перехода ФП-ПК. Исходя из конструкции измерительного зонда и структуры вихря очеводно, что в данном случае мы наблюдаем вызванное прецессией вихревой формации в ПК изменение давления в результате отклонения оси исходного потока в ФП от оси симметрии и вращения образовавшейся системы. Найдена минимально необходимая длина ФП, обеспечивающая устойчивость этого процесса.

Показана бесперспективность размещения вторичных преобразователей в объеме ПК как из-за сильной зависимости зоны устойчивой регистрации полезного сигнала от расхода, так и с точки зрения стабильности уровня сигнала при разных значениях расхода.

Исследовано влияния геометрии ПК на протекающие в вихревом преобразователе процессы, что позволило оптимизировать конструкцию и расширить диапазон измеряемых расходов. Определен диапазон оптимальных углов раскрытия диффузора – от 60 до 90. Полученный результат подтверждает модель поведения вихревой структуры и хорошо соотносится с приведенными в литературе данными.

Экспериментально подтвержден пороговый механизм возникновения прецессионных колебаний. Подтверждена корректность использования описанного выше критерия (5) и определено его пороговое значение.

Также в этой главе приведены результаты исследований различных вариантов вторичных преобразователей. Рассмотрены следующие конструкции: 1) одиночный приемник воздушного давления (ПВД); 2) спаренный ПВД; 3) одиночный ПВД с виброкомпенсацией; 4) спаренный ПВД с виброкомпенсацией; 5) одиночный приемник скоростного напора (векторный зонд); 6) спаренный приемник скоростного напора.

Исследование спектральных характеристик сигнала с использованием приемников скоростного напора, показало следующее распределение спектральных плотностей: основная гармоника - 45-60%, первая гармоника - 35-45%, вторая гармоника 5-20% (высшие гармоники не выделены), а при использовании ПВД: основная гармоника - 75-90%, первая гармоника - 5-15%, вторая гармоника <5%. Таким образом, при разработке вторичных систем преобразования информации для вихревых измерителей расхода с прецессирующей струей необходимо учитывать тот факт, что носителями полезного сигнала в данных устройствах являются как изменение давления, изменение скоростного напора, так и акустический сигнал (особенно актуально при пристеночном расположении точки съема информации), воздействующие на зонд в противофазе. Это, в совокупности с тем фактом, что при изменении величины расхода меняется и интенсивность воздействия на измерительную систему каждого из перечисленных выше механизмов, приводит к необходимости создания систем, реагирующих исключительно на воздействия одного типа, в противном случае (как с векторными зондами, реагирующими как на изменение давления, так и на величину скоростного напора) их применение возможно либо только в ограниченном диапазоне расходов, либо совместно с дополнительными приборами, позволяющими отсекать паразитные сигналы. Таким образом, показано, что наиболее оптимальным является дифференциальный ПВД, имеющий более линейную АЧХ по сравнению с векторным зондом и незначительно уступающий одиночному ПВД по параметру сигнал/гармоника.

Исследована рабочая (частота/расход) характеристика вихревых преобразователей различных конструкций. Показано, что основным конструктивным элементом, определяющим параметры первичного преобразователя рассматриваемого типа является ВОК. На основании результатов исследования опытной серии датчиков расхода делается вывод о хорошей воспроизводимости результатов (разброс в серии не превышал 1015%) и высокой временной стабильности рабочих характеристик.

В завершение главы приведена рекомендуемая методика расчета вихревых преобразователей, суть которой состоит в минимизации сопротивления преобразователя потоку (методики расчета которого приведены в соответствующей литературе) при обеспечении работоспособности (уравнение 5) и заданных рабочих характеристик (уравнения 1 - 4).

Четвертая глава содержит результаты практической реализации теоретических и экспериментальных исследований в виде конкретных приборов и систем измерения расхода воздуха на базе вихревого преобразователя, прошедших сертификационные испытания на стабильность метрологических характеристик и устойчивость к внешним воздействиям.

В основе конструкции первичного преобразователя, используемого в разработанных приборах, лежит схема, приведенная на рис.1 с геометрическими размерами: высота ВОК - 8мм, число направляющих – 4, диаметр ВОК – 20 мм, диаметр ФП - 16мм, длина ФП – 20 мм, диаметр ПК – мм, угол раскрытия ПК - 90, длина ПК - 20 мм, длина струевыпрямителя – мм. Приведенные размеры получены с использованием разработанной методики и апробированы экспериментально. Вторичный преобразователь состоит из 2-х ПВД, включенных по дифференциальной схеме и расположенных симметрично относительно оси преобразователя. Такой расходомер позволяет измерять расход воздуха в диапазоне от 15 л/мин до 1л/мин (являющимся основным рабочим при пробоотборе).

Аппроксимирующая функция для диапазона от 15 до 100 л/мин имеет вид:

V = a + b f (6) где: f – частота вращения вихревой трубки (измеряется вторичным преобразователем) (Гц);

a, b – пересчетные коэффициенты;

V – значение объемного расхода (л/мин).

При необходимости работы в диапазоне от 15 до 160 л/мин используется аппроксимирующая зависимость вида:

V = a + b f + с f (7) с введением дополнительного коэффициента с.

Обе функции позволяют получить отклонение расчетных результатов от экспериментальных данных не хуже 5%.

Предложена методика калибровки, позволяющая выпускать измерительные приборы с погрешностью гарантированно не хуже 10% при индивидуальной калибровке. При этом больше 70% изделий имеет реальную точность лучше 3%. Предложена и апробирована методика групповой калибровки, обеспечивающая выпуск изделий с заданными метрологическим параметрами при снижении себестоимости работ.

Десятилетний опыт работы подтвердил положительные эксплуатационные качества вихревого расходомера, а именно:

- долговременную стабильность и воспроизводимость метрологических характеристик;

- нечувствительность к исходной структуре потока;

- инвариантность по отношению к изменению физических параметров измеряемой среды, таких как плотность, температура и вязкость;

- нечувствительность к загрязненному потоку благодаря эффекту санации (самоочищения) как вихреобразователя, так и стенок проточной части расходомера из-за обязательного присутствия устойчивого нестационарного течения потока.

Разработка АСЭМ, являющихся конечной целью работы, осуществлялась последовательно по этапам, обеспечивающим последовательное повышения функциональности:

- пробоотборные устройства без непосредственного анализа проб;

- встраиваемые системы измерения объемного расхода;

- приборы контроля параметров окружающей среды.

Такой подход к сферам применения преобразователя позволил отработать отдельные узлы и в результате получить комплекс механических, электронных и программно-информационных модулей позволяющих оперативно разрабатывать новые типы изделий.

Разработанные на первом этапе пробоотборные устройства без непосредственного анализа проб предназначены для определения объема воздуха, прошедшего через устройство выделения примесей.

На этапе разработаны специализированные встраиваемые системы измерения расхода воздуха, в которых измерение расхода является одной из задач измерения параметров физических величин. Другими измеряемыми параметрами могут являться концентрации тех или иных газов, аэрозолей и т.п., измеряемых иными, функционально законченными устройствами с последующей интеграцией результатов и вычисление искомой величины на основании тех или иных функционалов.

Логическим завершением цикла разработок является создание универсального, функционально завершенного измерительного модуля, включающего в себя:

- первичный и вторичный преобразователи расхода воздуха;

- схему обработки, обеспечивающую пересчет к нормированному виду полученных данных и передачу по протоколам, позволяющим интегрировать блок в единую информационно – измерительную среду наряду с другими модулями;

- схему сопряжения с физическим интерфейсом, отвечающим требованиям использования на промышленных объектах.

Создание такого модуля позволяет перейти на принципиально новый, блочный способ разработки устройств, когда они «собирается» из уже существующих модулей, имеющих унифицированное питание, интерфейс и протокол обмена информацией. Интеграция отдельных блоков в устройство осуществляется на программном уровне. При таком подходе существенно сокращаются сроки разработки изделий, повышается адаптивность к изменениям технического задания в процессе разработки. Кроме этого, изменение конструкций тех или иных модулей не влияет на выпуск изделий в целом, так как сохраняется преемственность новых и старых модулей.

Исходя из этих принципов, разработан ряд измерительных устройств, непременным атрибутом которых является предлагаемый вихревой преобразователь.

Прибор ПВП-04А: предназначен для контроля примесей в атмосфере рабочих мест производственных и жилых зон, состоит из собственно пробоотборного устройства, выполненного в виде моноблока, внешнего химического источника питания, микропроцессора управления и зарядного устройства и имеет следующие технические характеристики:

- скорость аспирации: от 20 до 120 л/мин;

- возможность отбора пробы как на фильтры типа АФА-РСП-20, адсорберы типа НТЦ “Нитон” (4 шт.), так и совместное их использование;

- максимальный аспирированный объем при использовании аккумуляторной батареи типа 6СГ-15: 10 м3;

- возможность ручного, либо автоматического управления скоростью аспирирования;

- автоматическое прекращение работы при достижении финишным параметром (время работы, либо набранный объем) заданного значения;

- КПД прибора - не менее 80%;

- масса прибора - не более 8 кг.

Расходомер воздуха многофункциональный УКРВ-2: (зарегистрирован в Государственном реестре средств измерения под № 41980-09 и допущен к применению в Российской Федерации) предназначен для измерений и автоматизированного контроля расхода и прокачанного объёма воздуха через внешние пробоотборные устройства в системе централизованного пробоотбора. УКРВ-2 обеспечивает:

- выдачу информации в режиме текущего времени об объёме прокачанного воздуха, и объёмном расходе воздуха, на встроенные индикаторы;

- автоматическое управление внешним исполнительным механизмом (кран, клапан) с контролем его состояния «ЗАКРЫТО/ОТКРЫТО» по датчикам концевых положений;

- выдачу предупредительной сигнализации на лицевую панель расходомера и во внешнюю информационную сеть при выходе измеренного значения объёмного расхода воздуха за допустимые пределы и при превышении прокачанного объёма заданного порогового значения;

- автоматический контроль наличия/отсутствия в фильтродержателе фильтра типа АФА-РСП-20 или аналогичного;

- ведение журнала в энергонезависимой памяти расходомера, позволяющей хранить информацию о последних 638 процедурах пробоотборах;

- удалённый доступ к обработанной информации по линиям связи, организованным на базе интерфейса RS-485 (протокол обмена DiBus).

Установка для измерения активности радиоактивных аэрозолей УДА1АБ: предназначена для измерения объёмной активности радиоактивных аэрозолей, обусловленной техногенными альфа (бета) излучающими нуклидами в воздухе. Установка имеет возможность передачи данных в информационные каналы связи и обеспечивает доступ к обработанной информации по линиям связи, организованным на базе интерфейсов Ethernet IEEE 802.3 (протокол обмена TCP/IP) или RS-485 (протокол обмена ModBus), RS-232 и может работать как в автономном режиме, так и в составе систем, комплексов и установок радиационного контроля.

Установка способна работать с внешними насосными блоками или другими внешними устройствами пробоотбора. Кроме этого, установка способна управлять исполнительными механизмами (насосами, клапанами и т.д.) коммутируя напряжение питания этих устройств.

Установка УДА-1АБ зарегистрирована в Государственном реестре средств измерения под № 24548-08 и допущена к применению в Российской Федерации, зарегистрирована в Государственном реестре средств измерений под номером РБ 03 17 3167 06 и допущена к применению в Республике Беларусь, зарегистрирована в Реестре государственной системы обеспечения единства измерений Республики Казахстан за № KZ.02.03.01372-2006/2454803, зарегистрирована в Государственном реестре средств измерительной техники и, допущена к применению в Украине под № 24548-03.

Установка радиометрическая УДИ-1Б: предназначена для непрерывного измерения объёмной активности гамма-излучающих радионуклидов йода 131I, а также 132I, 133I и 135I в воздухе рабочих помещений, в вентиляционных системах, трубопроводах, камерах и т.п., на объектах радиохимического производства, атомной энергетики и промышленности.

Установка имеет аналогичный УДА-1АБ набор внешних интерфейсов, может работать как в автономном режиме, так и в составе систем, комплексов и установок радиационного контроля. Установка может работать как с внешними насосными устройствами, так и с пробоотборными магистралями. Кроме этого, установка способна управлять исполнительными механизмами (насосами, клапанами и т.д.) коммутируя напряжение питания этих устройств.

Установка УДИ-1Б зарегистрирована в Государственном реестре средств измерения под № 27535-09 и допущена к применению в Российской Федерации, зарегистрирована в Государственном реестре средств измерительной техники и допущена к применению в Украине под № 27535-04.

Основные результаты и выводы диссертации Комплексный анализ методов и средств контроля расхода воздуха, обеспечивающих технологичность изготовления, стабильность рабочих параметров и возможность применения в различных средах показал, что в настоящее время наиболее подходящими для целей экологического мониторинга следует признать вихревые системы с прецессирующей струей.

Однако, их широкому применению в расходоизмерительной технике препятствуют недостаточность теоретической проработки поведения вихревой структуры и вытекающие из этого несовершенства конструкций приборов.

Выполненные теоретические исследования и обширный экспериментальный материал создают научно - методическую основу для разработки приборов и систем измерения расхода воздуха на базе вихревого преобразователя, который, благодаря оптимальному сочетанию технологических, эксплуатационных и метрологических параметров, нашел широкое применение в приборах контроля воздушной среды.

Таким образом, в процессе исследований получены следующие основные результаты:

1. Разработана математическая модель, позволившая как оценить влияние различных факторов на анализ работы вихревых преобразователей, так и рассчитать их оптимальные геометрические размеры. На ее основе предложена и апробирована методика разработки конструкций вихревых преобразователей.

2. Разработан и апробирован аппаратный комплекс и методики изучения поведения вихревой структуры в объеме первичного преобразователя информации о расходе газовой среды вихревого типа с прецессирующей струей.

3. Разработана и апробирована конструкция вихревой камеры, отличная от существующих и позволяющая существенно снизить сопротивление измерительной системы потоку, а также снизить нижний уровень измеряемых расходов.

4. Разработан и апробирован вторичный преобразователь информации, использующий малогабаритные конденсаторные микрофоны и оказывающий малое влияние на сформированную первичным преобразователем вихревую структуру.

5. Разработан и исследован малогабаритный вихревой преобразователь на диапазон от 15 л/мин. На его основе разработаны и серийно производится разнообразные приборы для экологического и технологического контроля атмосферы.

6. Сертификационные испытания, проводимые метрологическими лабораториями как в Российской Федерации так и других странах, подтвердили соответствие реальных характеристик заявленным. Опыт эксплуатации выпущенного оборудования подтвердил все выводы, сделанные при проведении теоретических и практических исследованиях разрабатываемого расходомера, и приведенных в работе.

7. Приборы, использующие разработанный вихревой измеритель расхода, используются как индивидуально, так и в составе различных систем контроля воздушной среды. Объединение этих приборов в информационноизмерительные системы осуществляется с использованием имеющихся на объекте технических средств и позволяет создавать распределенные сети, комплексно оценивающие ситуацию на контролируемой территории Публикации по теме диссертации 1. Мальцев А.В., Шарков А.В., Шарапов В.И. “Оценка погрешности мостовых схем измерительных тепловых автоматов”. Сборник научных трудов “Технологические процессы и материалы компонентов электронных устройств”. МГИЭТ. М., 1996. С. 208.

2. Мальцев А.В., Шарапов В.И. “Информационно-управляющие системы территориального комплекса экологического контроля”. Вторая Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием “Электроника и информатика - 97”. М., 1997, С. 161.

3. Мальцев А.В., Шарапов В.И. “Конструкция вихревого датчика с прецессирующей струей на малые расходы”. Вторая Всероссийская научнотехническая конференция с международным участием “Электроника и информатика - 97”. М., 1997. С. 228.

4. Мальцев А.В. “Влияние допущений на результаты моделирования вихреобразования в приборах контроля расхода воздуха”. Межвузовский сб.

научн. трудов “Методы и средства контроля природной среды, веществ, материалов и изделий”. М.: МИЭТ, 2011. С. 79-82.

5. Мальцев А.В. “Моделирование процесса вихреобразования в измерителях расхода воздуха”. Межвузовский сб. научн. трудов “Методы и средства контроля природной среды, веществ, материалов и изделий”. М.: МИЭТ, 2011. С. 83-89.

6. Мальцев А.В. “Вихревой преобразователь расхода. Расчет рабочих характеристик”. «Актуальные научные проблемы»: материалы IV всероссийской заочной научно-практической конференции / журнал «Мир гуманитарных наук», Екатеринбург: ИП Бируля Н.И., 2011. С. 54-59.

7. Мальцев А.В. “Оценка применимости расчетных моделей вихревого потока”. «Инновации и современная наука»: материалы международной заочной научно-практической конференции. Новосибирск: Изд. «Сибирская ассоциация консультантов», 2011. Ч.1. С. 93-101.

8. Мальцев А.В. “Оценка рабочих параметров вихревых преобразователей расхода”. «Техника и технология: новые перспективы развития»: материалы IV международной научно-практическая конференции. М.: Спутник +, 2011.

С. 74-76.

9. Каракеян В.И., Мальцев А.В., Голубев С.В. “Использование вихревых расходомеров в приборах экологического контроля”. АНРИ №1(68). 2012.

С. 71-75.

10. Каракеян В.И., Мальцев А.В. “Опыт применения вихревых преобразователей расхода” // Естественные и технические науки. 2012. №2.

С. 35-45.

11. Мальцев А.В. “Разработка вихревого преобразователя расхода для приборов экологического контроля” // Естественные и технические науки.

2012. №2. С.26-34.







© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.