Адаптивная коррекция динамических характеристик термоконвективных расходомеров

Возможности и уровень автоматизации любого производства, в том числе и химического, зависят от экономической целесообразности, структуры технологического процесса, а также наличия соответствующей аппаратуры, в частности средств контроля и регулирования определяющих параметров. В подавляющем большинстве технологических процессов, где транспортируются какие-либо среды, номенклатура которых постоянно расширяется, возникает необходимость измерения или регулирования расхода или количества.

В этих условиях несомненную важность и значение преобретают работы по совершенствованию старых и разработке новых методов измерения расхода. Характерной особенностью современной техники ^ измерения расходов и количеств является широкое разнообразие применяемых методов и средств. Одним из таких методов является безконтактный тепловой метод измерения. Этот метод дает возможность контроля и измерения расходов жидких металлов, расплавов различных веществ, расхода компонентов в условиях высоких давлений и температур, микрорасходов жидкостей и газов, агрессивных и абразивных пульп и т. п. Одной из основных разновидностей расходомеров, основанных на этом методе, являются термоконвективные, в которых процесс передачи теплоты через стенку преобразователя осуществляется путем теплопроводности и конвекции.

Интенсификация технологических процессов и тенденции к повышению уровня автоматизации обуславливают требования существенного улучшения динамических характеристик средств измерения, в том числе и весьма инерционных термоконвективных расходомеров. • Уменьшить инерционность термоконвективных расходомеров можно несколькими способами, в частности широко применяемым методом электрической коррекции динамических характеристик. Применительно к термоконвективным расходомерам, динамические свойства которых зависят от входной величины (расхода), этот метод был недостаточно эффективен при его реализации на аналоговой технике. Когда возможности аналоговой техники по решению этого вопроса были исчерпаны, развитие этого направления улучшения динамических характеристик термоконвективных расходомеров было практически приостановлено.

В настоящее время в связи с распространением вычислительной техники, обладающей качественно новыми функциональными возможностями, реализация этого метода становится весьма перспективной.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с гос./бюдж. НИР «Разработка методологических основ и создание многофункциональных технических средств автоматизации, алгоритмического обеспечения и диагностики в распределенных АСУТП и ГАЛС» (рег.№/о1 910 048 387). * Целью настоящего исследования является разработка принципов построения термоконвективных расходомеров с адаптивной динамической коррекцией, создание методов адаптации, исследование и оценка эффективности предложенного метода повышения быстродействия.

В первой главе проведен анализ существующих методов и устройств снижения инерционности тепловых расходомеров. Из рассмотренных методов предпочтение отдано структурным методам, поскольку применение ^ конструктивных весьма ограничено в следствии усложнения, либо уменьшения прочности преобразователя расходомера. Методы динамического измерения, относящиеся к структурным, не имеют выше перечисленных недостатков, но одни — измеряющие параметры переходной характеристики в зоне активного нагрева — недостаточно эффективны вследствие узкого диапазона измерения, а другие, в частности меточные, ограничены конструктивными параметрами (диаметром условного прохода). Ф Рассматриваемые в данной работе методы динамической коррекции не имеют этих ограничений и недостатков. В п. 1.2 приведены теоретические основы метода динамической коррекции и ряд особенностей динамических свойств термоконвективных расходомеров, которые осложняют реализацию этого перспективного метода, приводя к необходимости создания адаптивных динамических корректоров. Проанализировав существующие методы и устройства адаптивной динамической коррекции инерционных преобразователей сделано обоснованное заключение об актуальности создания адаптивного динамического корректора на базе микропроцессорной ^ техники для повышения динамической точности термоконвевктивных расходомеров.

Во второй главе данной работы предложены структуры системы «преобразователь термоконвективного расходомера — динамический корректор», реализующие различные методы адаптации параметра корректора: по выходному сигналу преобразователя и по выходному сигналу системысозданы математические модели преобразователя ^ термоконвективного расходомера и динамического корректора. Приведено разработанное алгоритмическое обеспечение для математического моделирования расходомера с улученными динамическими свойствами и представлены результаты теоретического исследования возможностей динамического корректора с постоянными параметрами при работе с термоконвективным расходомером, свидетельствующие о весьма ограниченной эффективности такой системы для узких диапазонов изменения расхода и о необходимости адаптивной динамической коррекции.

Предложено 3 метода адаптации параметра корректора к динамическим свойствам преобразователя термоконвективного расходомера: ¡-.адаптация по выходному сигналу преобразователя;

2.адаптация по выходному сигналу системы;

3.адаптация по темпу изменения выходного сигнала преобразователя.

Для дальнейшего исследования были выбраны второй и третий методы, <1 Так как при применении метода адаптации по темпу изменения выходного сигнала преобразователя необходимо обладать минимальным объемом априорной информации о свойствах и метрологических характеристиках преобразователя. По итогам сравнения первых двух методов адаптации сделан вывод о преимуществе второго метода, поскольку при прочих равных условиях время адаптации параметра динамического корректора на порядок меньше, что в конечном итоге скажется и на быстродействии расходомера в целом. В п. 2.6. приводятся результаты исследования, полученные при математическом моделировании преобразователя термоконвективного ^ расходомера с динамическми корректором при различных методах адаптации. На основании этих исследований систематизированы факторы, влияющие на: погрешность термоконвективных расходомеров с адаптивной динамической коррекцией.

Третья глава данной работы посвящена экспериментальным исследованиям физической модели термоконвективного расходомера. Сформулированы задачи исследования и предложена методика планируемого эксперимента. Проведена идентификация свойств физической модели первичного измерительного преобразователя термоконвективного расходомера. На основании результатов теоретических исследования (гл.2) и экспериментально полученных статической и динамической характеристик преобразователя расходомера проведена серия экспериментов для количественной оценки эффективности работы термоконвективного расходомера с адаптивным динамическим корректором. Достоверность

0 полученных результатов подтверждена соответствием экспериментальных и теоретических исследований.

Четвертая глава завершает диссертацию и посвящена практическим вопросам разработки термоконвективных расходомеров с адаптивным динамическим корректором, реализованным на базе ПЭВМ. Представлен состав аппаратурного исполнения расходомера. Для разработанной серии термоконвективных расходомеров с диаметрами условного прохода 2,6,10 и

• 20 мм проведен параметрический синтез адаптивных микропроцессорных динамических корректоров. Предложен алгоритм функционирования таких расходомеров, в которых адаптация осуществляется по совмещенному методу, объединяющему способы адаптации по выходному сигналу системы и по темпу изменения выходного сигнала преобразователя расходомера. Техническая документация по разработке термоконвективных расходомеров с улучшенными динамическими свойствами передана РНЦ «Прикладная химия» для их реализации и применения на опытных технологических установках.

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ. На защиту выносятся:

1. Структуры и математические модели термоконвективного расходомера с динамической коррекцией.

2.Методы адаптации параметров корректора к динамическим свойствам первичного измерительного преобразователя термоконвективного расходомера.

3.Результаты математического моделирования термоконвективных расходомеров с адаптивной динамической коррекцией.

4.Систематизация источников погрешностей, влияющих на эффективность коррекции.

5.Результаты экспериментальных исследований, методика параметрического синтеза и алгоритм функционирования термоконвективного расходомера с адаптивной динамической коррекцией.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1.С учетом анализа современного состояния в области снижения инерционности преобразователей методами электрической коррекции, особенностей динамики бесконтактных термоконвективных расходомеров и расширенного применения микропроцессорной техники, предложены структуры термоконвективного расходомера с адаптивным динамическим корректором и методы адаптации: по мгновенному выходному сигналу системы и по темпу изменения выходного сигнала преобразователя расходомера.

2.Разработаны математические модели ПИП термоконвективного расходомера и динамического корректора для их реализации на ЭВМ. Предложены 2 варианта алгоритма исследования, обеспечивающие моделирование скорректированной системы в целом или во втором случае только адаптивного динамического корректора, функционирующего в комплекте с физической моделью преобразователя расходомера.

3.Результаты проведенных теоретических исследований работы адаптивного динамического корректора для предложенных методов адаптации при широком диапазоне изменения исходных параметров обобщены и представлены в виде номограмм.

4.На основании выводов, сделанных по результатам исследований были систематизированы факторы, влияющие на погрешность термоконвективных расходомеров с адаптивными динамическими корректорами, которые в совокупности с разработанными, указанными выше, номограммами являются основными составляющими методики параметрического синтеза.

5. Сформулированы задачи исследования, экспериментально определены статическая характеристика (СКО <1%), зависимость постоянной времени ПИП от расхода (СКО <8%) и получена аппроксимационная зависимость для адаптации постоянной времени корректора к постоянной времени преобразователя. Погрешность аппроксимации этой зависимости не превышает 7%.

6.Экспериментальные исследования выявили наличие корреляции влияния представленных в изложенной систематизации факторов, влияющих на погрешность (рис.57), что и сказалось на результатах сходимости теории и эксперимента. Расхождение составляет: 20−23% - для адаптации по выходному сигналу преобразователя и 12−15% - для адаптации по темпу его изменения.

7.Разработана методика параметрического синтеза адаптивного динамического корректора, позволяющая определить значения факторов, влияющих на динамическую погрешность, при которых достигается максимальное увеличение быстродействия термоконвективного расходомера. С позиции эффективности коррекции по результатам эксперимента для исследуемого расходомера были рекомендованы следующие значения исследуемых факторов Кк=10-ь20- у1Ь=30- 1=0.3сёр=2.5%- крк=1.

8.Предложено аппаратурное исполнение термоконвективного расходомера с адаптивной динамической коррекцией, алгоритм его функционирования, построенный по совмещенному методу адаптации, и приводятся примеры применения разработанной системы (Кэ=7−9). Основные результаты диссертационной работы переданы РНЦ «Прикладная химия» для применения разработанных динамических корректоров, реализованных на ПЭВМ, в комплекте с тепловыми расходомерами типа РТНК на опытных и опытно-промышленных установках.

1. Обновленский П. А., Соколов Г. А. Тепловые системы контроля параметров процессов химической технологии. Л.:Химия, 1982.-174с.

2. Кремлевский П. П. Расходомеры и счетчики количества. — Л.: Машиностроение, 1979.-776с.

3. Коротков П. А., Беляев Д. В., Азимов Р. К. Тепловые расходомеры.-Л. Машиностроение, 1969,-176с.

4. Коротков П. А., Лондон Г. Е. Динамические контактные измерители тепловых величин.-.Машиностроение, 1974. 224с.

5. Должиков В. А., Соколов Г. А., Беляев Д. В., Обновленский П. А. Динамические тепловые методы измерения расхода//1 Всесоюзный симпозиум по динамическим измерениям: Тез.докл.-Л., 1974.-с.49

• 6. Соколов Г. А., Беляев Д. В., Обновленский П. А. Тепловые расходомеры с применением полупроводниковых резисторов//Изв.Вузов,

Приборостроение.-1973 .-Т. 16, N%8 .-с.98−1О1

7. Николаев И. С. Исследования в области создания автоматического управления потенциально опасного процесса получения двуокиси хлора: Автореф.дис.канд.техн. наук/ЛТИ им. Ленсовета.-Л., 1978.-16с.

8. Соколов Г. А., Коротков Д. В., Беляев Д. В. Динамические свойства и ^ методы компенсации погрешности тепловых расходомеров. — Тезисы докладов НТК ЛТИ им. Ленсовета (секция химической техники и общеинженерных дисциплин). Л., 1967, с.103

9. Соколов Г. А. Повышение динамической точности тепловых расходомеров жидкости и газов//Автоматизация и контрольно-измерительные приборы.-1969.-N%3.-c.8-l 1

Ю.Соколов Г. А., Беляев Д. В. Коррекция динамических характеристик % жидкостей и газов//Изв.Вузов, Приборостроение.- 1969.-T.12,N%9.-c.l09

12.A.c. 556 329 (СССР). Тепловой нестационарный расходомер/Должиков В .А., Соколов Г. А., Беляев Д. В. и др.- Опубл. в Б.И., 1977,№/о16

1 З. Соколов Г. А., Фомичев Ю. С., Обновленский П. А. Быстродействующая тепловая система измерения расхода и состава потоков.-Изв.Вузов.Приборостроение, 1979. Т.22, N%12,c.75−77 9

14.Басков В. Б., Соколов Г. А. Динамические многоцелевые тепловые системы измерения технологических параметров.- Тез.докл. II Всесоюз.симп. Динамические измерения.- Л.-.1978,с.197−198

15.Соколов Г. А., Басков В. Б. Неконтактный тепловой меточный расходомер жидкостей.-Изв.ВУЗов. Приборостроение, 1980, Т.23,N%3,с. 10−13

16.Басков В. Б., Кириллов С. Е., Соколов Г. А., Сягаев H.A. Тепловая меточная • система для измерения параметров потоков жидкостей.-Изв.ВУЗов,

Приборостроение, 1982, T.25,N%6,c. 14−18

17.A.c. 830 341 (СССР). Способ измерения расхода потока/ Соколов Г. А., Кириллов С. Е. — Опубл. в Б.И., 1981,№/о19

18.Жуков Ю. П., Кулаков М. В. Высокочастотная безэлектродная кондуктометрия.-М.-.Энергия, 1968.-111с.

19.Кириллов С. Е. Автоматическое управление потенциально опасными процессами химической технологии с применением быстродействующих тепловых систем измерения расхода с излучателями: Автореф.дис.канд. техн. наук/ЛТИ им. Ленсовета.-Л., 1977., 18с.

20.A.c. 53 3826(СССР).Расходомер жидкости/Кириллов С.Е., Соколов Г. А., Обновленский П.А.-Опубл. в Б.И., 1976, N%40

21.Соколов Г. А., Михеев К. Г., Обновленский П. А. Быстродействующий тепловой расходомер.-Приборы и системы управления,!978,N%3,с.24−25

22. А.с. 53 0182(СССР). Высокочастнотный калориметрический расходомер/Соколов Г. А., Михеев К. Г., Николаев И. С. и др.- Опубл. в Б.И., 1976,№/о36

23.А.с. 530 181 (СССР).Калориметрический расходомер жидкости/Соколов Г. А., Михеев К. Г., Николаев И. С. и др.- Опубл. в Б.И., 1976,№/о36

24:Соколов Г. А-., Николаев И. С., Обновленский П. А. Калориметрический расходомер жидкостей с радиационными источниками нагрева.-Изв.Вузов, Приборостроение,!975,Т. 18, N%4,с. 114−118

25.Домрачева JI.С.Синтез систем измерения нестационарных температур газовых потоков.-М.-.Машиностроение, 1987. 223с.

26.Азизов A.M., Гордов А. Н. Точность измерительных преобразователей. Л. .-Энергия, 1975.-256с.

27.Вашны Е. Динамика измерительных цепей. М.:Энергия, 1969.-287с.

• 28. Петров В. В., Усков A.C. Основы динамической точности автоматических информационных устройств и систем.М.: Машиностроение, 1976.-216с.

29.Бувин Н. П. Исследование динамических свойств промышленных термоприемников.-Теплоэнергетика, 1960, N% 11, с.49−54

30.Ярышев H.A. Теоретические основные измерения нестационарных температур. Л. :Энергия, 1967.-299с.

31.Кириллов С. Е., Николаев И. С., Басков В. Б. и др. Тепловые расходомеры с излучателями. В сб.:Расчет и конструирование расходомеров.-Л. Машиностроение, 1978.-е. 115−120

32.Шукшунов В. Е. Корректирующие звенья в устройствах измерения нестационарных температур.-М.:Энергия, 1970. 118с.

33.Коротков П. А., Соколов Г. А., Полевой B.C. Устройство для компенсации динамических погрешностей тепловых расходомеров.-Измерительная техника, 1969, N% 12, с.30−32

Ф 34. Солодовников В. В. Статистическая динамика линейных систем автоматического управления.-М.:Физматгиз, I960. 656с.

35.Тартаковский Д. Ф. Теоретическое и экспериментальное исследование метода последовательной электрической коррекции динамических характеристик термоприемников при измерении нестационарных температур: Автореф.дис. канд.техн.наук/ВНИИМ.-Л., 1964., 18с.

36.Хофман Д. Электрическая коррекция динамических характеристик инерционных датчиков, промышленных электрических термометров: Автореф.дис.канд.техн. наук/ЛЭТИ.-Л., 1966., 18с.

37.Краус М., Вошни Э. Измерительные информационные системы.-М.:Мир, 1975.-3 Юс.

38.Гофман A.A. Коррекция динамической погрешности преобразователей температуры системой комбинированных термоприемников.-Измерительная техника, 1966, N%4,c.41 -43

39.Боднер В. А. и др. Приборы первичной информации.-М.: Машиностроение, 1981.-341 с.

40.Гордов А. Н. Измерения температур газовых потоков.- М.:Машгиз, 1962.-136с.

41.Гордов А. Н., Малков Я. В., Эргардт H.H., Ярышев H.A. Точность контактых методов измерения температуры.Л.: Энергия, 1976.-285с.

42.Пинчевский А. Д. Исследование современных методов улучшения динамических характеристик термоприемников для измерения меняющихся температур: Автореф.дис. канд.техн.наук/Л., 1965.-20с

43. Соколов Г. А. Исследование динамических свойств тепловых расходомеров жидкостей и газов и методы компенсации их динамических погрешностей: Автореф. дис.канд.техн.наук/ЛТИ им. Ленсовета.,-Л., 1969.-20с.

44.Арутюнов Г. К. Вычислительные и управляющие машины. ТНИИСА, вып.5,1962

45.A.c. 213 133 (СССР). Способ самонастройки автоматических измерительных систем/Шукшунов В.Е. и др. — Опубл. в Б.И., 1968,№/о10

46.Шукшунов В. Е., Потоцкий С. И. Самонастраивающаяся система в устройствах коррекции динамических характеристик инерционных датчиков температуры//Изв. Вузов, Электромеханика.-1967,N% 10, с.87−89

47.Шукшунов В. Е., Зверев В. В. Автоматическая компенсация динамической погрешности датчиков температуры с большой тепловой инерцией/УИзв.Вузов, Электромеханика.-1966,N%9,с.54−56

48.Rusnak J. Flowmetering in 1990's//SAE Techn.Pap. Ser.-1989.-N%890 981.pp.l-4.

49.Reeve A. Successful selection facts for flowmeters// C&I.-1991.-February.-pp.33−37.

50.Денисова P.A., Новикова Т. Н., Торопова Л. П. Развитие интеллектуальных датчиков за рубежом.-СПб.: Энергоатомиздат, СПб отдел, 1992.-с.214.

51.Cobb J. The impact of digital communications on flow measurement//Sensors.-1990.-7.-N%13.-pp.9−12.

52.Ляшенко A.A. Оптимизация микропроцессорных меточных термоконвективных систем измерения расхода веществ.: Автореф.дис.канд.техн.наук/СПбГТИ (ТУ).-СПб., 1995. 20с.

53.Ющенко O.A., Соколов Г. А., Ляшенко A.A. Методы адаптивной динамической коррекции технологической информации// Тез.докл.Межд.конф." Математические методы в химии и химической технологии" .-Тула, 1996. с.83

54.Березин С. Я. Расчет систем автоматического регулирования.-Л. :СУДПРОМГИЗ, 1962.-338с.

55.Ющенко O.A., Соколов Г. А. Принципы самонастройки динамических корректирующих устройств.-Методы и средства измерений физических величин//Тез.докл.- Нижний Новгород, 1998.-с.20

56.Кондратьев Г. М. Регулярный тепловой режим.-М.: Гостехиздат, 1954.-408с.

57.Ющенко O.A., Соколов Г. А., Новичков Ю. А. Динамическая термоконвективная система контроля расхода, концентрации и свойств потоков жидкостей.- Автоматизация технических процессов в химической промышленности//Тез .докл.-Челябинск, 1990. -с. 43 -44

58.Ющенко O.A., Соколов Г. А., Ляшенко A.A. Динамическая коррекция в термоконвективных системах измерения параметров потоков веществ//Совершенствование средств измерения расхода жидкости, газа и пара: Материалы конференции/МЦЭНТ.-С.-Пб., 1994.-с.63−66

59.Микропроцессорные автоматические системы регулирования. Основы теории и элементы: Учебн. пособие/Солодовников В.В., Коньков В. Г. и др.-М.: Высшая школа, 1991.-255с.

60.Бесекерский В. А., Изранцев В. В. Система автоматического управления с микроЭВМ.-М.-.Наука, 1987.-320с.

• 61. Деч Г. Руководство к практическому применению преобразования

Лапласа и 2-преобразования.-М.:Наука, 1971.-288с.

62.Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров.-М. .-Наука, 1976.-831с.

63.Практикум по теории автоматического управления химико-технологическими процессами. Цифровые системы./Плютто В.П., Путинцев В. А., Глумов В.М.-М.: Химия, 1989.-168с.

64.Егоров К. В. Основы теории автоматического регулирования.-М.-.Энергия, 1967.-647с.

65.Ющенко O.A., Соколов Г. А., Ляшенко A.A. Исследование методов динамической коррекции при измерении параметров потоков веществ термоконвективными преобразователями.-Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления// Тез.докл.-ГурзуфД 995.-с.91−92

Ф бб. Ющенко O.A., Соколов Г. А., Ляшенко A.A. Тепловые расходомеры с микропроцессорными динамическими корректорами//Совершенствование средств измерения расхода жидкости, газа и пара: Материалы конференции /МЦЭНТ.-С.-Пб., 1996.-е. 153−155

67.Ющенко O.A., Соколов Г. А., Олейник В. Ю. Компенсация погрешности динамических тепловых измерений расходов газов и жидкостей.-Научно-техническая конференция аспирантов СПГТИ (ТУ), посвященной памяти Сычева М.М.//Тез.докл.-С.-Пб., 1997.-е. 145

68.Ющенко O.A., Соколов Г. А., Олейник В. Ю. Интеллектуальные динамические тепловые измерительные системы.- Математические методы в химии и химической технологии//Тез.докл.-Новомосковск, 1997.-с.ЗО