Високоточний термоанемометричний витратомір біологічного палива з цифровою обробкою вимірювальної інформації

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

УДК 531.383

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Високоточний термоанемометричний витратомір біологічного палива з цифровою обробкою вимірювальної інформації

05.11.01 - Прилади та методи вимірювання механічних величин

Шавурський Юрій Олександрович

Київ - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Автоматизації і комп'ютеризованих технологій” Житомирського державного технологічного університету Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник: заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Безвесільна Олена Миколаївна Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», професор кафедри приладобудування.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Квасніков Володимир Павлович Національний авіаційний університет Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України, завідувач кафедри інформаційних технологій;

доктор технічних наук , професор Коломієць Леонід Володимирович Одеський державний інститут вимірювальної техніки Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України, завідувач кафедри метрології, стандартизації, сертифікації та управління якістю.

Захист відбудеться “27” травня 2011 р. о 15⁰⁰ на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.07 у Національному технічному університеті України «КПІ» Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, корпус №1, ауд. 317-1.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розісланий “27” квітня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради к.т.н., доцент Ю.В. Киричук.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Високоточні витратоміри (ВТ) палива необхідні у приладобудуванні, машинобудуванні, в автомобільній та інших галузях.

Вагомий вклад у розвиток методів та засобів вимірювань витрат енергоносіїв внесли наукові школи, сформовані в Інституті проблем моделювання в енергетиці ім. П.Е. Пухова НАН України, в НТУУ “КПІ” на приладобудівному факультеті, в ЖДТУ на факультеті інформаційно-комп'ютерних технологій, в інших вищих навчальних закладах та установах НАН України.

Однією з найбільш важливих галузей застосування є використання витратоміру в автомобілях у складі комплексу його приладів. Ефективність роботи всього комплексу значною мірою обумовлена саме конструкцією та точнісними характеристиками витратоміру. Одним із найперспективніших типів витратомірів для вимірювань витрати палива є термоанемометричний витратомір (ТАВ). Зростаючі вимоги до точності та швидкодії націлюють на пошук більш точних ТАВ з комп'ютеризованою обробкою інформації.

Останнім часом, у зв'язку з дефіцитом та високою вартістю звичайного палива, перспективним вважається використання біопалива. Однак, відсутні роботи, в яких були б вирішені наступні задачі: надано опис ТАВ, працюючого на біопаливі; були б наведені всі необхідні розрахунки такого ТАВ; був би проведений аналіз можливості та доцільності використання цього ТАВ. Тому, підвищення точності та швидкодії нового автоматизованого ТАВ для біопалива є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження та розробки нового комп'ютеризованого ТАВ, узагальнені в дисертації, виконувались у рамках відповідних науково-дослідних робіт на кафедрі автоматизації і комп'ютеризованих технологій Житомирського державного технологічного університету (ЖДТУ) Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України:

- № 2113 “Наукові теоретичні та експериментальні дослідження для одержання нових знань про закономірності розподілу гравітаційних аномалій Землі” (номер держреєстрації 0108U000623), здобувачеві належить розділ 4, присвячений визначенню зв'язку витрати з прискоренням сили тяжіння;

- № 21 “Розробка і дослідження нового динамічного настроюваного гравіметра для прецизійних навігаційних та гравіметричних систем” (номер держреєстрації РК0106008512), здобувачеві належить розділ 1, присвячений аналізу літератури по темі досліджень;

- № 25 “Розробка теорії і принципів побудови засобів вимірювань двовимірних механічних величин” (номер держреєстрації РК0109U001873), здобувачеві належить розділ 3, в якому отримано математичну модель розробленого витратоміру та проведено дослідження його основних похибок;

- № 333 “Розробка комп'ютеризованих методів та засобів вимірювань витрат палива та параметрів обертання автомобільних двигунів” (номер держреєстрації 0110U008205), здобувачеві належать розділи 1-3, в яких надано опис програмно-апаратного комплексу, дослідження похибок, дослідження теплових процесів у ТАВ.

Мета та задачі дослідження.

Мета дисертації - підвищення точності та швидкодії, розширення функціональних можливостей ТАВ біологічного палива з використанням цифрової обробки вимірювальної інформації.

Основні задачі дисертації:

- провести аналіз літератури у галузі вимірювань витрати біопалива;

- розробити новий тип ТАВ для вимірювань витрати біопалива;

- розробити нову математичну модель роботи ТАВ;

- провести дослідження похибок ТАВ;

- здійснити оцінку залежності похибок вимірювань від конструктивних параметрів ТАВ та фізико-хімічних властивостей біопалива;

- розробити методи зменшення основних похибок розробленого витратоміра;

- розробити систему автоматичної реєстрації вимірювального сигналу ТАВ за допомогою ЕОМ;

- провести на ЕОМ моделювання та аналіз температурного поля у потоці біопалива, що проходить через витратомір;

- здійснити експериментальні дослідження роботи нового витратоміра з метою підтвердження адекватності теоретичних результатів дослідження.

Об'єкт дослідження: процес високоточних вимірювань витрати біологічного палива автомобіля шляхом використання нового високоточного ТАВ біологічного палива з цифровою обробкою вимірювальної інформації.

Предмет дослідження: новий високоточний ТАВ біологічного палива з цифровою обробкою вимірювальної інформації.

Методи дослідження:

- методи математичного аналізу для отримання математичної моделі нового ТАВ та її дослідження;

- методи теорії синтезу вимірювальних інформаційних систем для розробки системи реєстрації сигналу витратоміра;

- методи обчислювальної техніки та комп'ютерного моделювання для дослідження залежності похибок вимірювань від конструктивних параметрів ТАВ та фізико-хімічних властивостей біопалива, моделювання та аналізу температурного поля у потоці біопалива, що проходить через витратомір;

- експериментальні методи та моделювання на ЕОМ для підтвердження результатів теоретичних досліджень.

Наукова новизна отриманих результатів:

- обґрунтовано доцільність розробки та дослідження нового автоматизованого ТАВ біопалива більших точності та швидкодії, більш широких функціональних можливостей порівняно з відомими;

- розроблено новий високоточний ТАВ біопалива з цифровою обробкою вимірювальної інформації (патенти України на винахід № 91160 від 25.06.2010 та № 90985 від 10.06.2010);

- розроблено нову математичну модель ТАВ, отримано аналітичні вирази для розрахунків його основних похибок (проведено їх аналіз та надано пропозиції по зменшенню цих похибок);

- створено метод автоматизованого вимірювання витрати біологічного палива новим ТАВ;

- уперше запропоновано метод використання штучних нейронних мереж для корекції динамічних похибок нового ТАВ;

- уперше проведено моделювання та аналіз температурного поля у потоці біопалива, що проходить через витратомір, надано відповідні рекомендації по збільшенню точності приладу.

Практичне значення одержаних результатів:

- створено новий автоматизований ТАВ біопалива, що має, порівняно з відомими витратомірами, більші: точність (у два рази), швидкодію (у сотні разів), функціональні можливості (дозволяє за допомогою ЕОМ вимірювати витрати біопалива у будь-який момент реального часу, документувати вимірювальну інформацію у вигляді цифр, графіків, таблиць);

- уперше отримано аналітичні вирази та чисельні розрахунки основних похибок ТАВ, які враховують: вплив кривини поверхні сопла; вплив зміщення сопла двигуна; вплив шорсткості поверхні сопла двигуна. Проведено аналіз отриманих аналітичних виразів похибок, надано рекомендації по їх зменшенню;

- розроблено лінійний нейромережевий динамічний діагностичний комплекс з послідовним відновленням і фільтрацією вихідного сигналу ТАВ. Запропоновано новий алгоритм корекції інерційності витратоміра на основі динамічної моделі нейромережевого діагностичного комплексу з послідовним відновленням і фільтрацією вихідного сигналу витратоміра, який дозволяє за рахунок більш глибокої математичної обробки результатів вимірів ефективно поліпшувати метрологічні характеристики витратоміра без зміни його конструкції та параметрів. За результатами проведеного цифрового моделювання підтверджено можливість створення інтелектуальних діагностичних комплексів зі здатністю до індивідуалізації своїх динамічних параметрів під зовнішні фактори і умови проведення вимірів;

- розроблено нові методику та програму обробки результатів вимірювань витрати біопалива ТАВ за допомогою ЕОМ.

Результати дисертаційної роботи впроваджено у навчальному процесі кафедри автоматизації і комп'ютеризованих технологій ЖДТУ при проведенні лекційних, лабораторних та практичних занять з навчальної дисципліни “Технологічні вимірювання та прилади”, в Інституті проблем моделювання в енергетиці ім. П.Е. Пухова НАН України, в СП «Інтеравто», м. Житомир. Впровадження підтверджено відповідними актами.

Особистий внесок автора.

Основні теоретичні положення роботи розроблено автором разом з науковим керівником Заслуженим діячем науки і техніки України д.т.н., проф. Безвесільною О.М. Дослідження та вирішення конкретних задач, які було наведено вище, належать особисто автору. Автором проведено аналіз ТАВ. Розроблено функціональну схему вимірювальної системи нового ТАВ з використанням ЕОМ. Отримано математичну модель нового ТАВ. Досліджено можливі похибки вимірювання біологічного палива та запропоновано способи усунень цих похибок. Підвищено точність у два рази, швидкодію - у сотні разів та розширено функціональні можливості ТАВ за рахунок застосування ЕОМ цифровою обробкою вимірювальної інформації.

Достовірність та обґрунтованість отриманих результатів підтверджено співпадінням аналітичних розрахунків, результатів експериментів та моделюванням на ЕОМ.

Апробація результатів роботи.

Результати досліджень, представлені у роботі, висвітлено на таких конференціях: Міжнародна науково-практична конференція “Сучасні проблеми захисту інформації з обмеженим доступом - 2008” (Київ, НАУ, 2008 р.); ХХХIV науково - практична міжвузівська конференція, присвячена Дню університету (Житомир, ЖДТУ, 2009 р.); ІI Міжнародна науково-практична конференція “Інтегровані інтелектуальні робото-технічні комплекси” (Київ, НАУ, 2009 р.); VIII Міжнародна науково-технічна конференція “Приладобудування - 2009” (Київ, НТУУ “КПІ”, 2009 р.): V Міжнародна науково-технічна конференція “Інформаційно-комп'ютерні технології - 2010” (Житомир, ЖДТУ, 2010). Наукові розробки, виконані здобувачем в даній роботі, відзначено грамотою Президії Національної Академії Наук України для молодих вчених за 2010 р.

Публікації. За темою роботи надруковано 14 наукових праць (із них 7 - у фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України), 5 - у матеріалах наукових конференцій, отримано 2 патенти України на винаходи.

Структура та обсяг дисертації. Дисертацію викладено на 242 сторінках друкованого тексту. Робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку літературних джерел і додатків. Матеріали роботи проілюстровано 18 таблицями та 81 рисунком. Список літературних джерел нараховує 116 найменувань. Обсяг роботи, у якому викладено її основний зміст, становить 190 сторінок.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дослідження, можливість та доцільність використання ТАВ, сформульовано мету і задачі дослідження, наукову новизну, практичне значення отриманих результатів. Наведено основні наукові та практичні результати, отримані в роботі. Показано структуру та обсяг роботи.

У розділі 1 наведено основні теоретичні відомості про витратоміри та їх класифікацію. Здійснено аналіз літературних джерел по витратомірам. Проведено аналіз основних типів відомих витратомірів та їх технічних характеристик.

На кафедрі приладобудування НТУУ «КПІ» та на кафедрі автоматизації і комп'ютеризованих технологій ЖДТУ проводяться наукові дослідження характеристик нових типів найбільш перспективних високоточних комп'ютеризованих витратомірів. Встановлено, що одним з найбільш перспективних є ТАВ. Переваги ТАВ - широкий температурний діапазон використання, висока чутливість, довгочасна стабільність, мала інерційність, лінійність характеристик, мала вартість, простота виготовлення, тільки за допомогою ТАВ можна вимірювати витрати в'язкої рідини - біологічного палива.

Однак виявлено, що відомі ТАВ мають такі недоліки: їх точність (3 %) для сучасних вимірювань витрат в'язкої рідини біологічного палива є недостатньою (у відомих термоанемометричних витратомірів у математичній моделі не враховано відповідними поправками вплив деяких основних похибок від конструктивних параметрів приладу; динамічні похибки їх завеликі); швидкодія вимірювань недостатня (сучасні витратоміри не автоматизовані). Таким чином, доведено, що мета дисертації (підвищення точності та швидкодії вимірювань витрат біологічного палива новим ТАВ) є актуальною.

У розділі 2 розроблено математичну модель та досліджено похибки нового ТАВ.

Біопаливо впорскується у дизельному двигуні через ежекторне сопло. Встановлено, що при збільшенні діаметра вхідного сопла (у вимірювального сопла діаметр дорівнює 2 мм) діапазон вимірювання збільшується, а чутливість зменшується. Отримано експериментальні характеристики ТАВ з ежекторними соплами.

На основі рівняння збереження кількості руху між перерізами І-І і ІІ-ІІ сопла ТАВ (рис. 1 а):

,

де: - масова витрата та швидкість потоку біопалива, що витікає з вхідного сопла діаметром ; - швидкість потоку біопалива, що витікає з вимірюючого вихідного сопла діаметром ; - площа перерізу вимірювального сопла; - масова витрата ежекторного біопалива; - атмосферний тиск; - додаткова сила тиску на вхідну кромку вимірювального сопла; - сила тертя між перерізами; - отримано вираз чутливості схеми ТАВ з ежекторним соплом

,

де - тиск палива; ; та - густина середовища, яке витікає відповідно з вхідного та вимірювального сопла.

Встановлено, що форма торця вимірювального сопла істотно впливає на характер залежності (). Якщо вимірювальне сопло виконано з великим плоским пояском (1 мм), на робочій ділянці кривої () виникає різкий стрибок тиску - точка А (рис. 2 б), викликаний різким перестроювання течії в зазорі. Експериментальні характеристики вимірювальних сопел, отримані автором, показали, що при ширині плоского пояска стрибок тиску на кривій () не спостерігається. Торець сопла потрібно виготовляти з пояском, не більшим ніж 0,5 мм. Досліджено вплив довжини прохідного перерізу вимірювального сопла (рис. 2 в) на характер кривої ().

При налаштуванні ТАВ по блокам кінцевих мір, виникає похибка:

де - діаметр вхідного сопла двигуна.

При налаштуванні по деталі із циліндричною поверхнею діаметром (контролююча деталь, сопло двигуна) похибка вимірювання:

Рис. 1. Основні параметри ежекторного сопла ТАВ

На рис. 2 показано залежність від діаметра контрольованого сопла двигуна (від 5 до 500 мм) для вимірювальних сопел діаметром (1,2 і 3 мм). З рис. 2 видно, що кривизна поверхні істотно впливає на результати вимірювання витрати біопалива ТАВ, і цей вплив необхідно враховувати.

Досліджено похибки ТАВ, спричинені впливом зміщення сопла. Похибка, яка виникає при зміщенні осі сопла відносно осі сопла двигуна, визначається

, (1)

де - зміщення сопла двигуна; - радіус вимірюючого сопла.

На рис. 2 показано графіки , побудовані згідно з (1), для діаметра
=15...500 мм при =мм.

Рис. 2. Графік залежностей і

Досліджено вплив шорсткості поверхні сопла. Для різних класів чистоти (шорсткості) поверхні при налаштуванні зразкового та контрольованого сопел двигуна похибка вимірювання

де: - середня висота нерівностей контрольованого сопла; - середня висота нерівностей зразкового сопла.

Рис. 3. Вплив шорсткості поверхні сопла

На рис. 3 зображено отриманий графік залежності ().

Встановлено, що для зменшення похибки вимірювання від шорсткості поверхні, потрібно ТАВ настроювати за зразком, рівноцінним шорсткості контрольованого сопла двигуна, або вводити поправку по отриманій формулі до результатів вимірювань.

Встановлено основні параметри сопла ТАВ: сопло розраховано на тиск палива у діапазоні Па; постійна часу ТАВ (0,3... 0,5) с.

Отримано вираз сумарної похибки вимірювань ТАВ:

де - похибка через різницю прохідних перерізів між торцем вимірювального сопла і поверхнею сопла двигуна при настроюванні та вимірюванні; - похибка від впливу шорсткості поверхні двигуна, - похибка від впливу зміщення сопла двигуна.

Розраховано сумарну похибку ТАВ. Для діаметра вимірювального сопла ТАВ мм, діаметра форсунки мм отримано з номограми на рис. 2 значення похибки ТАВ від кривизни поверхні сопла мкм.

Прийнято зміщення осі двигуна відносно осі сопла ТАВ =0,2 мм та =15 мм. Знайдено з номограми на рис. 2 значення похибки ТАВ від впливу зміщення сопла =2,6 мкм.

Розраховано сумарну похибку ТАВ Д = 35 + 2,6 = 37,6 мкм.

Отримано середньоквадратичне значення похибки ТАВ мкм.

При діаметрі вимірювального сопла ТАВ мм та об'ємній витраті біопалива 5 л/годину похибка вимірювань об'ємної витрати становить 0,187 л/годину або 3,73 %. Для подальшого підвищення точності розробленого витратоміра біопалива необхідно використовувати алгоритмічну обробку його вихідного сигналу, яку розглянуто в розділі 5. В результаті точність розробленого витратоміра може бути збільшено до 1,5 %. Також проведено аналіз отриманих аналітичних виразів похибок, надано рекомендації по їх зменшенню.

Отримано та проаналізовано аналітичний вираз чутливості ТАВ до параметрів біопалива та основних параметрів ТАВ. Встановлено, що: зі збільшенням в'язкості витрата біопалива буде зменшуватись; зі збільшенням довжини сопла витрата біопалива буде зменшуватись; зі збільшенням діаметра отвору сопла витрата біопалива буде збільшуватись; зі збільшенням питомої ваги біопалива витрата біопалива буде збільшуватись.

Проведено дослідження чутливості витрати біопалива ТАВ до основних параметрів біопалива та витратоміра. Встановлено, що

, (2)

де - відносна чутливість ТАВ до похибок вимірювань витрати, що обумовлена чутливістю до похибок параметрів ТАВ та параметрів біопалива; - відносна зміна коефіцієнта витрати; - відносна зміна площі перерізу вимірювального сопла; - відносна зміна гравітаційного прискорення; - відносна зміна тиску на вході ТАВ; - відносна зміна різниці тисків на вході й виході ТАВ; - відносна зміна постійної біопалива; - відносна зміна температури біопалива.

У формулі (2) вважаємо коефіцієнт витрати , площу отвору сопла , гравітаційне прискорення , тиск біопалива до і після сопла та , постійну біопалива постійними величинами. Тоді формулу (11) запишемо

,

тобто чутливість ТАВ до похибок вимірювань витрати прямо пропорційна чутливості до зміни температури біопалива зі знаком “-”.

Експериментально отримано оптимальні співвідношення і значення діаметрів ежекторного сопла та сопла двигуна для різних значень тисків біопалива, що зведено у відповідні таблиці. Встановлено, що для нормальної роботи двигуна на біопаливі, необхідно витримувати співвідношення Ця умова здійснюється, якщо , де , - амплітудно-частотні характеристики ТАВ у динаміці і у статиці відповідно. Встановлено, що доцільно використовувати об'єм сопла см³.

Запропоновано новий алгоритм корекції інерційності ТАВ на основі динамічної моделі нейромережевого комплексу (НМДК) з послідовним відновленням і фільтрацією вхідного сигналу ТАВ, який дозволяє за рахунок більш глибокої математичної обробки результатів вимірів ефективно поліпшувати метрологічні характеристики ТАВ без зміни його конструкції та параметрів (рис. 4). Результатами проведеного цифрового моделювання підтверджено можливість створення на основі запропонованої динамічної моделі нейромережевого ТАВ інтелектуальних діагностичних комплексів зі здатністю до індивідуалізації їх динамічних параметрів під зовнішні фактори і умови проведення вимірів.

Рис. 4. Об'ємна витрата моторного палива: 1 - точне значення стрибкоподібної зміни об'ємної витрати; 2 - результат визначення об'ємної витрати на основі вимірювання температури з динамічними похибками; 3 - результат компенсації похибок звичайним коригуючим фільтром; 4 - результат компенсації похибок лінійним нейромережевим фільтром (НМДК); випадкові похибки вимірювання температури =0,05 С

У розділі 3 розроблено програмно-апаратний комплекс на основі ЕОМ для експериментальних досліджень нового ТАВ (рис. 5).

ТАВ біопалива з цифровою обробкою вимірювальної інформації містить трубку 1 з потоком 2 біопалива, нагрівач 3, джерело 4 енергії, перший 5, другий 6 та третій 7 термоперетворювачі, нейропроцесор 8, блок 9 перемикачів та ЕОМ 10. Перший термоперетворювач 5 розміщено у потоці 2 біопалива послідовно один за одним на фіксованих відстанях l₁ і l₂ від першого термоперетворювача 5). Вихід нейропроцесора 8 з'єднано з входом ЕОМ 10, перший вихід якої підключено до входу блоку 9 перемикачів, а її другий вихід є виходом всього пристрою. Проведено тарування ТАВ на сертифікованій установці та експериментальне визначення точнісних характеристик розробленого ТАВ.

Точність вимірювань витрати біопалива підвищено у 2 рази за умови корекції динамічних похибок та врахування поточних значень фізико-хімічних властивостей біопалива. Забезпечено підвищення швидкодії та розширення функціональних можливостей вимірювань витрати біопалива з використанням ЕОМ.

Рис. 5. Блок-схема програмно-апаратного комплексу

Розділ 4 присвячено аналізу фізичних основ перетворення сигналів при вимірюванні витрати новим ТАВ. На рис. 6 зображено схему ТАВ із застосуванням термоперетворювача, що має опори - початковий і - у процесі вимірювань ( - підстроювальний опір для виставки схеми у рівновагу).

Рис. 6. Схема ТАВ з термоперетворювачем: а) конструкция термоперетворювача; б) мостова схема ввімкнення термоперетворювача: 1 - чутливий елемент (нитка з платинового дроту діаметром 5 мм та довжиною 10 мм); 2 - манганінові стержні, до яких прикріпляється дрот; 3 - ручка; 4 - виводи; - опір термоперетворювача при початковій температурі; - опір термоперетворювача при температурі у процесі вимірювання

Чутливий елемент 1 нагрівається протікаючим по ньому електричним струмом до температури залежно від матеріалу термоперетворювача. Одночасно він охолоджується потоком біопалива. Якщо підтримувати постійною температуру термоперетворювача , змінюючи силу струму , то функцією швидкості біопалива буде сила струму:

. (3)

У результаті отримуємо:

,

де А і В- температурні коефіцієнти опору (А=3,968·10^-3К^-1; В=5,847·10^-7К^-2).

Струм, що вимірюється у діагоналі мосту вимірювачем, дорівнює:

. (4)

Враховуючи малість третього доданку в скобках, перепишемо вираз (4) таким чином:

. (5)

З формули (5) бачимо, що температура при вимірюваннях біопалива суттєво впливає на величину струму І.

Витрату біопалива визначаємо за допомогою ТАВ, який згідно формули (3) вимірює швидкість потоку біопалива:

, (6)

де - площа перерізу трубки (сопла) ТАВ, через яку проходить біопаливо.

Підставимо у формулу (6) значення струму з формул (5) та (3)

і отримаємо значення витрати біопалива

. (7)

У результаті, отримано нову формулу (7) для вимірювань витрати біопалива ТАВ. З аналізу характеристик термоперетворювачів, які зведено у таблицю, вибрано для використання у ТАВ терморезистор, який має значні переваги перед іншими термоперетворювачами: стабільний температурний коефіцієнт опору; лінійну залежність опору від температури; на нього практично відсутній вплив навколишнього середовища.

Розділ 5 присвячено аналізу математичної моделі температурного поля у потоці біопалива, що дозволяє з високою точністю визначити його витрату.

У новій математичної моделі температурного поля у потоці біопалива, що проходить через ТАВ, враховано такі суттєві особливості: тепловий вплив нагрівача, що має постійну потужність; термоперетворювачі розташовано уздовж осі потоку біопалива, тому розподіл температур визначено уздовж однієї просторової координати; розглянуто як ламінарний, так і турбулентний режими течії біопалива; діапазон зміни початкової температури біопалива при експлуатації ТАВ може бути широким, тому введено корекцію ТАВ з урахуванням цієї зміни температури. При розрахунку теплового потоку між поверхнею нагрівача і середовищем біопалива щільність теплового потоку представлено у вигляді закону Ньютона

, (8)

де - перепад температур між поверхнею і навколишнім середовищем.

Отримано рівняння, що характеризує тепловий потік біопалива у нерухомому середовищі біопалива за рахунок його теплопровідності. Тепловий потік біопалива:

, (9)

де - температура на поверхні нагрівача, - початкова температура біопалива.

Тепловий потік до середини сфери радіусом та площею поверхні можна обчислити, використовуючи рівняння (8) і (9)

. (10)

Порівнюючи (9) і (10), отримуємо:

.

Отримано вираз для розрахунку температури нагрівача при русі біопалива при :

, (11)

де - потужність нагрівача; - коефіцієнт динамічної в'язкості біопалива; - теплоємність біопалива; - в'язкість біопалива; - діаметр трубки ТАВ; - об'ємна витрата біопалива; ; - довжина нагрівача.

Отримано формулу для обрахування об'ємної витрати біопалива:

, (12)

де - коефіцієнт, що враховує конструктивні параметри ТАВ, - коефіцієнт, що враховує фізико-хімічні властивості біопалива та режим течії через витратомір.

На основі формул (11), (12) виконано чисельне моделювання на ЕОМ теплового балансу нагрівача у рухомому потоці палива через ТАВ. Використано параметри палива (табл. 1) та конструктивні параметри ТАВ (табл. 2).

Таблиця 1 Фізико-механічні властивості моторних палив

№ з/п	Фізико-механічні параметри	Бензин	Дизельне паливо	Біопаливо
1	Густина,	750,0	805,0	865,0
2	Питома теплоємність,	2,20	2,10	1,50
3	Коефіцієнт теплопровідності,	0,11	0,11	0,17
4	Коефіцієнт температуропровідності,	6,6710-8	6,5110-8	1,3210-7
5	Коефіцієнт динамічної в'язкості,	0,3710-3	1,7010-3	3,6410-3
6	Коефіцієнт кінетичної в'язкості	4,9310-7	2,1110-6	4,2510-6

Таблиця 2 Конструктивні параметри ТАВ

№ з/п	Конструктивні параметри	Варіант 1	Варіант 2	Варіант 3
1	Діаметр трубки , мм	15	10	5
2	Довжина трубки , мм	300	300	300
3	Діаметр нагрівача , мм	3	3	1
4	Довжина нагрівача , мм	12	12	12
5	Потужність нагрівача , Вт	12	12	12

Результати моделювання теплового балансу нагрівача ТАВ наведено на рис. 7 згідно формул (11) і (12).

Для підвищення точності ТАВ запропоновано одночасно вимірювати температуру моторного палива у відповідних точках потоку. Отриманий результат оброблено алгоритмічними процедурами в ЕОМ та отримано уточнене значення витрати біопалива. Для цього отримано математичну модель розподілу температурного поля уздовж трубки. При ламінарній течії моторного палива у трубці ТАВ отримано нову формулу визначення температури палива уздовж осі трубки ТАВ:

.

Вимірюючи за допомогою термоперетворювачів температуру поверхні нагрівача та температуру біопалива на відстані від нагрівача, визначено об'ємну витрату біопалива

Рис. 7. Залежності: а) температури нагрівача від витрати; б) витрати від температури нагрівача

При турбулентній течії біопалива отримано остаточний вираз для розрахунку температури нагрівача:

. (13)

Вимірюючи за допомогою термоперетворювачів температуру поверхні нагрівача, температуру оточуючого середовища та температуру біопалива на відстані від нагрівача, визначено об'ємну витрату біопалива на основі формули (13):

, (14)

де , .

Для підвищення точності вимірювань при ламінарному та при турбулентному режимах запропоновано виміри проводити у декількох точках потоку біопалива та використовувати процедуру лінійної апроксимації.

Виконано теоретичний розрахунок точності визначення витрати моторного палива за формулою (12) на основі температури нагрівача, що вимірюється з похибкою. Ця похибка має нормальний закон розподілу та дисперсію . Довірчий інтервал похибки визначення витрати з ймовірністю 0,997 дорівнює:

.

При визначення витрати за формулою (14) та вимірюванні температури у двох точках потоку моторного палива () довірчий інтервал похибки

,

,

, ,

.

Моделювання на ЕОМ виконано для постійної об'ємної витрати 5 л/годину та для трьох видів моторного палива (бензин, дизельне пальне і біопаливо), а також для різних відстаней від нагрівача ТАВ. Отримано графіки на рис. 8. термоанемометричний витратомір біопаливо

Проведено моделювання на ЕОМ похибок об'ємної витрати палива ТАВ у залежності від похибок вимірювання температури термоперетворювачами у діапазоні відносних похибок термоперетворювача від 0,01 % до 1 % для трьох видів моторного палива (бензин, дизельне паливо і біопаливо) з фізико-механічними властивостями згідно табл. 1 та для 7 варіантів (рис. 9):

1. Визначення витрати на основі вимірювання температури нагрівача і початкової температури моторного палива (відповідно з формулою (12)).

2. Визначення витрат на основі вимірювання початкової температури моторного палива і температури моторного палива у двох точках вздовж вісі трубки з усередненням результатів для цих двох точок (див. формулу (14)).

3. Підвищення точності варіанту 2 на основі алгоритмічної компенсації випадкових і динамічних похибок за допомогою штучних нейронних мереж (згідно патенту [8]);

4. Підвищення точності варіанту 1 на основі апроксимації результатів вимірювання температури термоперетворювачами та компенсації похибок цих вимірювань (згідно патенту [9]).

5. Підвищення точності варіанту 2 на основі апроксимації результатів вимірювання температури термоперетворювачами та компенсації похибок цих вимірювань (згідно патенту [9]).

6. Підвищення точності варіанту 1 на основі:

- алгоритмічної компенсації випадкових і динамічних похибок за допомогою штучних нейронних мереж (згідно патенту [8]);

- апроксимації результатів вимірювання температури термоперетворювачами та компенсації похибок цих вимірювань (згідно патенту [9]).

7. Підвищення точності варіанту 2 на основі:

- алгоритмічної компенсації випадкових і динамічних похибок за допомогою штучних нейронних мереж (згідно патенту [8]);

- апроксимації результатів вимірювання температури термоперетворювачами та компенсації похибок цих вимірювань (згідно патенту [9]).

Рис. 8. Залежності температури палива Т_н від відстані до нагрівача (діаметр трубки 15 мм; діаметр нагрівача 3 мм)

Рис. 9. Моделювання на ЕОМ похибок ТАВ для біопалива

Висновки з рис. 9: при мінімальних об'ємах алгоритмічних обчислень доцільно використання варіанту 1 (визначення витрати на основі вимірювання температури нагрівача і початкової температури моторного палива відповідно з формулою (12)). Цим забезпечено точність вимірювання об'ємної витрати моторного палива 1,5% при точності вимірювання температури нагрівача до 0,2%.

Обґрунтовано, що підвищення точності ТАВ забезпечено використанням алгоритмічних процедур (апроксимації результатів вимірювань на основі методу найменших квадратів та використанням штучних нейронних мереж). Підвищення швидкодії ТАВ забезпечено включенням до складу ЦОМ спеціалізованого нейропроцесора для компенсації випадкових і динамічних похибок вимірювань на основі теорії штучних нейронних мереж. Це забезпечило точність вимірювання витрати біопалива 0,25% при точності вимірювання температури нагрівача 0,2%.

Загальні висновки

Викладені у дисертаційній роботі дослідження дозволили вирішити актуальну і складну науково-технічну задачу, що має важливе народногосподарське значення, - підвищення точності і швидкодії вимірювань ТАВ. Здобуто такі нові результати:

1. З огляду сучасних витратомірів показано, що найбільш перспективними є ТАВ. Точність відомих ТАВ є недостатньою (3 %), їх швидкодія мала (вони не автоматизовані). Обґрунтовано, що задача підвищення точності до 1,5 % та швидкодії вимірювань витрати шляхом використання нового високоточного автоматизованого ТАВ є актуальною.

2. Розроблено та досліджено новий ТАВ більшої точності (1,5 %) од відомих (3 %). Показано, що збільшення точності розробленого витратоміра забезпечено шляхом використання:

- запропонованої нової математичної моделі ТАВ з введеними додатковими поправками, що враховують вплив основних конструктивних параметрів приладу;

- запропонованих у результаті дослідження теплового потоку біопалива нових методів зменшення похибок ТАВ;

- апарату штучних нейронних мереж для корекції динамічних похибок ТАВ.

3. Створено програмно-апаратний комплекс на основі ЕОМ, що забезпечує автоматизований процес вимірювань у реальному часі з одночасним документуванням інформації у потрібній формі (цифри, графіки, таблиці).

4. Обґрунтовано вибір схеми ТАВ з ежекторним соплом. Встановлено основні параметри ежекторного сопла ТАВ: сопло розраховано на тиск палива у діапазоні р=(1-2)10⁵ Па; постійна часу ТАВ (0,3-0,5) с.

5. Проведено тарування ТАВ на сертифікованій установці та експериментальне визначення точнісних характеристик розробленого витратоміру. Експериментально та моделюванням на ЕОМ підтверджено висновки, отримані аналітичним шляхом.

6. Отримано нові формули, що пов'язують об'ємну витрату моторного палива витратоміра з температурою нагрівача. Уперше отримано формули, що пов'язують температуру витрати палива на відстані від нагрівача з об'ємною витратою моторного палива за умови його ламінарної та турбулентної течії через витратомір.

7. Уперше запропоновано застосувати процедуру лінійної апроксимації з одночасним вимірюванням температури у декількох точках потоку моторного палива для підвищення точності витратоміра.

8. Уперше запропоновано для підвищення точності витратоміра реалізовувати обчислення об'ємної витрати моторного палива з використанням штучної нейронної мережі та нейропроцесора у складі цифрової ЕОМ.

Список опублікованих автором праць за темою дисертації

1. Безвесільна О. М. Витратомір для визначення малих витрат газів і рідин / О. М. Безвесільна, Ю. О. Шавурський // Праці Луганського відділення Міжнародної Академії інформатизації. - 2009. - №2 (19), частина 1. - С. 16 - 17.

Здобувачем описано принцип дії нового термоанемометричного витратоміра більшої точності од відомих.

2. Безвесільна О. М. Основні вимоги до витратомірів автомобільного біологічного дизельного палива / О. М. Безвесільна, Ю. О. Шавурський // Вісник ЖДТУ. Технічні науки. - 2009. - № 1(48). - С.58 - 63.

Здобувачем досліджено та сформульовано основні вимоги до найбільш поширених витратомірів біологічного дизельного палива.

3. Безвесільна О. М. Дослідження похибки термоанемометричного витратоміру / О. М. Безвесільна, Ю. О. Шавурський // Вісник Інженерної академії України. - 2009. - №2. - С. 240 - 242.

Здобувачеві належить дослідження основних похибок термоанемометричного витратоміра.

4. Безвесільна О. М. Динамічні характеристики термоанемометричного витратоміру / О. М. Безвесільна, Ю. О. Шавурський // Вісник ЖДТУ. Технічні науки. - 2009. - №2(49). - С 20 - 23.

Здобувачем проаналізовано основні динамічні характеристики термоанемометричного витратоміра.

5. Безвесільна О. М. Математична модель термометричного витратоміру / О. М. Безвесільна, Ю. О. Шавурський // Вісник Інженерної академії України. - 2009. - № 1. - С. 202 - 204.

Здобувачем досліджено основні похибки термоанемометричного витратоміра.

6. Безвесільна О. М. Новий термоанемометричний витратомір для вимірювання витрати біопалива / О. М. Безвесільна, Ю. О. Шавурський // Східно - Європейський журнал передових технологій. - 2009. - № 6. - С. 11 - 13.

Здобувачем розглянуто основні елементи конструкції та принцип дії термоанемометричного витратоміра.

7. Безвесільна О. М. Лінійне нейромережеве відновлення і фільтрація вимірювальної інформації про механічні величини / О. М. Безвесільна, Ю. О. Подчашинський, Ю. О. Шавурський // Вісник Інженерної академії України. - 2011. - № 1. - С. 132 - 138.

Здобувачем виконано розробку алгоритмічних процедур компенсації випадкових та динамічних похибок витратоміра моторного палива.

8. Пат. 91160 C2 Україна, МПК (2009) G 01 F 1/68. Високоточний витратомір моторного палива з цифровою обробкою вимірювальної інформації / Безвесільна О. М., Подчашинський Ю. О. Ільченко А. В., Шавурський Ю. О. ; заявник і власник патенту Житомирський державний технологічний університет. - № а2009 06515 ; заявл. 22.06.09 ; опубл. 25.06.10, Бюл. № 12.

Здобувачем виконано опис нового витратоміра моторного палива з цифровою обробкою вимірювальної інформації.

9. Пат. 90985 C2 Україна, МПК (2009) G 01 F 1/68. Високоточний витратомір моторного палива з цифровою обробкою вимірювальної інформації / Безвесільна О. М., Ільченко А. В., Подчашинський Ю. О. Шавурський Ю. О. ; заявник і власник патенту Житомирський державний технологічний університет. - № а 2009 10565; заявл. 19.10.09 ; опубл. 10.06.10, Бюл. № 11.

Здобувачем обґрунтовано доцільність використання нового калориметричного витратоміра.

10. Безвесільна О. М. Похибки динамічно-настроюваного гравіметра при спільній дії кутових швидкостей та лінійних прискорень основи / О. М. Безвесільна, Ю. О. Шавурський, Ю. О. Подчашинський, К. П. Воропаєва // Сучасні проблеми захисту інформації з обмеженим доступом - 2008 : Міжнародна науково-практична конференція. 20 - 21 листопада 2008 р. : тези доповідей / НАУ. - К., 2008. - С. 76 - 77.

Здобувачем визначено взаємний зв'язок витрати з прискоренням сили тяжіння.

11. Безвесільна О. М. Комп'ютеризований витратомір для визначення витрат палива в автомобільних двигунах / О. М. Безвесільна, Ю. О. Шавурський // ХХХIV науково - практична міжвузівська конференція, присвячена Дню університету, 16 - 18 березня 2009 р. : тези доповідей / ЖДТУ. - Житомир, 2009. - С. 19.

Здобувачем надано опис конструкції та наведено особливості конструкції нового термоанемометричного витратоміра.

12. Безвесільна О. М. Тарування термоанемометричного витратоміра / О. М. Безвесільна, Ю. О. Шавурський // Інтегровані інтелектуальні робото-технічні комплекси (ІІРТК - 2009) : ІI Міжнародна науково-практична конференція. 25 - 28 травня 2009 р. : тези доповідей / НАУ. - К., 2009. - С. 137.

Здобувачем надано опис обладнання та методики тарування ТАВ.

13. Шавурський Ю. О. Новий високоточний термоанемометричний витратомір / Ю. О. Шавурський // Погляд у майбутнє приладобудування - 2010 : III Науково-практична конференція, 27 - 29 квітня 2010 р. : тези доповідей / НТУУ “КПІ”. - К., 2010. - С. 201.

Здобувачем описано принцип дії комп'ютеризованого витратоміра.

14. Безвесільна О. М. Фізичні основи перетворень сигналів при вимірюванні витрат біопалива термоанемометричним витратоміром / О. М. Безвесільна, Ю. О. Шавурський // Інформаційно-комп'ютерні технології - 2010 : V Міжнародна науково-технічна конференція, 20 - 22 травня 2010 р : тези доповідей / ЖДТУ. - Житомир, 2010. - С. 26 -29.

Здобувачем сформульовано основні вимоги до витратоміра автомобільного біологічного дизельного палива.

Анотація

Шавурський Ю.О. Високоточний термоанемометричний витратомір біологічного палива з цифровою обробкою вимірювальної інформації. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.01 - Прилади та методи вимірювань механічних величин. -Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут». - Київ, 2011. З аналітичного огляду сучасних витратомірів обгрунтовано, що найбільш перспективними є термоанемометричні витратоміри. Обґрунтовано, що задача підвищення точності до 1,5 % та швидкодії вимірювань витрати шляхом використання нового високоточного автоматизованого термоанемометричного витратоміра є актуальною. Розроблено та досліджено новий термоанемометричний витратомір більшої точності (1,5 %) од відомих (3 %). Показано, що збільшення точності розробленого витратоміра забезпечено шляхом використання: запропонованої нової математичної моделі витратоміра з введеними додатковими поправками, що враховують вплив основних конструктивних параметрів приладу, запропонованих у результаті дослідження теплового потоку біопалива, нових методів зменшення похибок ТАВ, апарату штучних нейронних мереж для корекції динамічних похибок ТАВ. Створено програмно-апаратний комплекс на основі ЕОМ, що забезпечує автоматизований процес вимірювань у реальному часі з одночасним документуванням інформації у потрібній формі (цифри, графіки, таблиці).

Уперше отримано формули, що пов'язують температуру витрати палива на відстані від нагрівача з об'ємною витратою моторного палива за умови його ламінарної та турбулентної течії через витратомір. Уперше запропоновано застосувати процедуру лінійної апроксимації з одночасним вимірюванням температури у декількох точках потоку моторного палива для підвищення точності витратоміра. Уперше запропоновано для підвищення точності витратоміра реалізовувати обчислення об'ємної витрати моторного палива з використанням штучної нейронної мережі та нейропроцесора у складі цифрової ЕОМ. Експериментально і моделюванням на ЕОМ підтверджено висновки, отримані аналітичним шляхом.

Ключові слова: витратомір, термоанемометр.

Аннотация

Шавурский Ю.А. Высокоточный термоанемометрический расходомер биологического топлива с цифровой обработкой измерительной информации. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.01 - Приборы и методы измерения механических величин. - Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт». - Киев, 2011.

Из аналитического обзора современных расходомеров обосновано, что наиболее перспективными являются термоанемометрические расходомеры (ТАР). Обосновано, что задача повышения точности до 1,5 % и быстродействия измерений расхода путем использования нового высокоточного автоматизированного ТАР является актуальной. Разработано и исследовано новый ТАР большей точности (1,5 %) по сравнению с известными (3 %). Показано, что увеличение точности разработанного расходомера обеспечено путем использования: предложенной новой математической модели ТАР с введеными дополнительными поправками, которые учитывают влияние основных конструктивных параметров прибора, новых методов уменьшения ошибок ТАР, апарата искуственных нейронных сетей для коррекции динамических ошибок ТАР. Получены аналитические выражения основных погрешностей расходомера, какие учитывают: влияние кривизны поверхности контролируемой детали; влияние смещения сопла двигателя; влияние шероховатости поверхности сопла двигателя. Проведен анализ полученных аналитических выражений погрешностей, предоставлены рекомендации по их уменьшению.

Создан програмно-апаратный комплекс на основе ЭВМ, который обеспечивает автоматизорованный процесс измерений в реальном времени с одновременным документированием информации в необходимой форме (цифры, графики, таблицы). Проведено тарировку расходомера на сертифицированном стенде и экспериментальное определение точностных характеристик расходомера. Внедрены результаты расходомера для измерений расходов топлива, приведен пример практических использований. ТАР обеспечивает повышение точности и расширение функциональных возможностей измерений расхода моторного топлива, в том числе, - биотоплива. Исследованы характеристики макета расходомера в условиях эксплуатации, что соответствуют расходам моторного топлива, который работает в переменных и нестационарных условиях роботы.

Впервые получены формулы, которые связывают температуру расхода топлива на расстоянии от нагревателя с объемным расходом двигательного топлива при условии его ламинарного и турбулентного течения через расходомер. Впервые предложено использовать процедуру линейной аппроксимации с одновременным измерением температуры в нескольких точках потока двигательного топлива для повышения точности расходомера. Впервые предложено для повышения точности расходомера реализовывать вычисления объемного расхода двигательного топлива с использованием искусственной нейронной сети и нейропроцессора в составе цифровой ЭВМ. Экспериментально и моделированием на ЭВМ подтверждены выводы, полученные аналитическим путем.

Ключевые слова: расходомер, термоанемометр.

Annoтaтion

Shavursky Yu.A. High-precision heat-loss anemometrical flowmeter of biological fuel with digital processing of measurement information. - Manuscript.

The thesis is submitted for awarding of a scientific degree of the candidate of engineering science on speciality 05.11.01 - Devices and methods of mechanical values measurement. - National Technical University of Ukraine “The Kyiv Polytechnical Institute” - Kyiv, 2011.

The modern flowmeter analytical review has proved that heat-loss anemometrical flowmeters (TAFs) are the most perspective. It is grounded that the problem of accuracy increase up to 1,5 % and the depletion measurement response applying new high precision automated TAF is urgent. The new TAF of greater accuracy (1,5 %) compared to known one (3 %) is developed and investigated. It is shown, that the accuracy increase of the developed flowmeter is achieved by means of: new offered TAF mathematical model capable to input extra corrections considering the influence of basic constructive parameters of the device (obtained as a result of biological fuel flow investigation); new methods of TAF errors decrease; the device of artifical neural networks aimed to correct dynamic TAF errors. The hardware-software complex based on digital computer system is created. This complex provides automated measurements in real time simultaneusely producing the necessary form of documentation (figures, schedules, tables). The formulas which connect the sufficient loss with the sufficient loss of engine fuel provided the application of TAF are obtained for the first time. The procedure of linear approximation with simultaneous temperature measurement of engine fuel is also got for the first time. The calculations of sufficient engine fuel loss, applying artificial neural networks and neuroprocessor as the components of digital computer are offered for the first time. These are aimed to increase the flowmeter precision. The conclusions are proved by experimental way and by means of computed modeling.

Key word: flowmeter, heat-loss anemometer.

Размещено на Allbest.ru

...