Первая страница
Наша команда
Контакты
О нас

    Головна сторінка



Дементьєв Сергій Юрійович контроль витрат повітря в каналах із великим поперечним перерізом

Скачати 343.82 Kb.

Дементьєв Сергій Юрійович контроль витрат повітря в каналах із великим поперечним перерізом




Скачати 343.82 Kb.
Сторінка1/3
Дата конвертації24.05.2017
Розмір343.82 Kb.
ТипАвтореферат
  1   2   3

ВІННИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ


Дементьєв Сергій Юрійович
УДК 618.31.05


КОНТРОЛЬ ВИТРАТ ПОВІТРЯ В КАНАЛАХ ІЗ ВЕЛИКИМ ПОПЕРЕЧНИМ ПЕРЕРІЗОМ

Спеціальність 05.11.13 - Прилади і методи контролю

та визначення складу речовин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук
Вінниця - 2009

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у Вінницькому національному технічному університеті Міністерства освіти i науки України.

Міністе́рство осві́ти і нау́ки Украї́ни (МОН України) - центральний орган виконавчої влади України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор,



Квєтний Роман Наумович,

Вінницький національний технічний університет, завідувач кафедри автоматики та інформаційно-вимірювальної техніки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,

Квасніков Володимир Павлович,

Національний авіаційний університет, завідувач кафедри інформаційних технологій

доктор технічних наук, професор, Осадчук Володимир Степанович,

Вінницький національний технічний університет, завідувач кафедри електроніки

Захист відбудеться "_13_" __03______ 2009 р.

Володимир Стефанович (1858-1938?) - греко-католицький священик Станиславівської єпархії УГКЦ (тепер Івано-Франківська архієпархія УГКЦ).
Ка́федра - базовий структурний підрозділ вищого навчального закладу (його філій, інститутів, факультетів), що проводить навчально-виховну і методичну діяльність з однієї або кількох споріднених спеціальностей, спеціалізацій чи навчальних дисциплін і здійснює наукову, науково-дослідну та науково-технічну діяльність за певним напрямом.
Технічні науки - науки, що вивчають закономірності розвитку техніки і визначають способи найкращого її використання.
Інформаці́йні техноло́гії, ІТ (використовується також загальніший / вищий за ієрархією термін інформаційно-комунікаційні технології (Information and Communication Technologies, ICT) - сукупність методів, виробничих процесів і програмно-технічних засобів, інтегрованих з метою збирання, опрацювання, зберігання, розповсюдження, показу і використання інформації в інтересах її користувачів.
о _12:00_ годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 05.052.02 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Вінницького національного технічного університету за адресою: 21021, м.

Вíнницький націона́льний технічний університе́т - вищий навчальний заклад четвертого рівня акредитації.
Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розіслано "_12_ "__02_______2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Павлов С. В.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Процеси перебігу газів займають важливе місце в життєдіяльності людини. Це зумовлюється тим, що наша планета оточена газовим простором. У промисловості, сільському господарстві, енергетиці та в інших областях для роботи різноманітних механічних, пневматичних та інших пристроїв використовуються гази, у тому числі повітря, тому є таким важливим забезпечити його вимірювання і контроль.
Сільське́ господа́рство (с.-г.) - галузь народного господарства, направлена на забезпечення населення продовольством і отримання сировини для цілого ряду галузей промисловості. Галузь є однією з найважливіших, представлена практично у всіх країнах.
Відповідно постійно існує задача створення надійних і точних приладів контролю витрат газів. Для контролю використання газів у більшості країн Європи все більше викори­стовуються лічильники повітря із відносною похибкою від 0,5 до 1 від­сотка. Впровадження таких лічильників в Україні стримується вна­слідок їх високої вартості, а також відсутності робочих еталонів для повірки лічильників (витратомірів) на великі об'ємні витрати.

Гірничо-видобувна промисловість України, особливо видобуток залізної руди та кам’яного вугілля, складає сьогодні важливу частку національної економіки.

Націона́льна еконо́міка - це структурно і організаційно єдина система взаємозв'язаних галузей і сфер діяльності людей, якій властива відповідна пропорційність, взаємозумовленість розміщення на території, обмеженій державними кордонами.
Європа є однією з частин світу, що обіймає частину материка Євразія. Площа Європи становить понад 10,5 млн км², населення - близько 730 млн осіб.
Залізняк (рос. железняк, англ. iron ore, нім. Eisenerz n) - загальна назва оксидів заліза.
При видобутку руди та вугілля потрібно здійснювати примусову вентиляцію шахт, що знаходяться на глибині більше 1000 метрів. При цьому потрібно контролювати витрату повітря, яке надходить у шахту, та визначати його об’єм при стандартних умовах.
Станда́ртний стан - сукупність термодинамічних умов, які застовуються для оцінки термодинамічних величин.
Існуючі методи контролю базуються на визначенні витрат за потужністю нагнітальних вентиляторів, або за допомогою вимірювання депресії у вентиляційному каналі – такі підходи не забезпечують достатньої точності.

З метою удосконалення вузлів обліку, підвищення рівня достовірності показань вимірювання об'єму газу для забез­печення ефективності його використання потрібно створювати сучасні прилади для вимірювального контролю газів та підвищувати точність вимірювання, шляхом впровадження сучасних технологій та вдосконаленням існуючих методів контролю.

То́чність вимі́рювань (англ. accuracy of measurement) - головна характеристика якості вимірювання, що відображає близькість результату вимірювання до істинного значення вимірюваної фізичної величини .

Україна займає одну з провідних позицій в науковому світі серед розробників первинних перетворювачів та методів контролю витрат газів завдяки роботам відомих науковців Беляєва М.М., Володарського Є.Т., Кремлевского П.П., Кухарчука В.В., Лобачева П.В., Осадчука В.С., Пістуна Є.П., Поджаренка В.О., Цейтлина Ю.А. та інших.



Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основний зміст роботи складають результати досліджень, які проводились протягом 2005-2008р. за планами наукових робіт кафедри автоматики та інформаційно-вимірювальної техніки ВНТУ та ПП «Енергооблік-сервіс» на замовлення ВАТ «Суха балка» м. Кривий Ріг. Дослідження також відповідають пріоритетним науковим напрямкам України. Програмі розвитку та реформування гірничо-металургійного комплексу на період до 2011 року, відповідно до постанови Кабінету Мiнiстрiв України від 28 липня 2004 р. №967, та програмі розвитку промисловості України на 2003-2011 роки відповідно до постанови Кабінету Мiнiстрiв України від 28 липня 2003 р. № 1174.

Мета і завдання дослідження. Підвищення вірогідності вимірювального контролю витрат повітря у каналах із великим поперечним перерізом шляхом вдосконалення методу максимальної швидкості та засобу вимірювання на основі напірної трубки.

Відповідно поставленій меті потрібно розв’язати такі завдання:



  • провести аналіз існуючих методів вимірювання витрат газів та вибрати напрямок досліджень;

  • дослідити фізичні характеристики, особливості контролю у вентиляційному каналі шахти;

  • проаналізувати існуючі прилади контролю витрати газів;

  • розробити математичну модель та визначити метод вимірювання миттєвої витрати повітря у вентиляційному каналі;
    Ме́тод вимі́рювання - сукупність способів використання засобів вимірювальної техніки та принципів вимірювань для створення вимірювальної інформації.
    Математи́чна моде́ль - система математичних співвідношень, які описують досліджуваний процес або явище. Математична модель має важливе значення для таких наук, як: економіка, екологія, соціологія, фізика, хімія, механіка, інформатика, біологія та ін.


  • обґрунтувати вибір первинних вимірювальних перетворювачів для контролю витрати повітря;
    Вимі́рювальний перетво́рювач - вимірювальний пристрій, призначений для формування на своєму виході сигналу, що функціонально зв'язаний із сигналом вимірюваної інформації на вході у формі, зручній для передачі, подальшого перетворення, обробки та збереження.


  • розробити первинний перетворювач для контролю швидкості потоку повітря у каналі;

  • розробити структурну схему та алгоритм роботи приладу контролю витрати повітря;
    Структу́рна схе́ма - схема, яка визначає основні функціональні частини виробу, їх взаємозв'язки та призначення. Під функціональною частиною розуміють складову частину схеми: елемент, пристрій, функціональну групу, функціональну ланку.


  • вдосконалити метрологічне забезпечення для градуювання первинного перетворювача швидкості потоку повітря.

Об’єктом дослідження є процес вимірюваного контролю витрат повітря у каналах із великим поперечним перерізом.

Предметом дослідження є методи та засоби контролю витрат повітря у вентиляційному каналі шахти.

Методи досліджень базуються на використанні:

  • рівнянь математичної фізики для розроблення математичних моделей;
    Математична фізика - загальна назва математичних методів дослідження і розв'язання диференціальних рівнянь, які виникають, зокрема, в фізиці. Теорія математичних моделей фізичних явищ; займає особливе положення і у математиці, і у фізиці, перебуваючи на стику цих наук.


  • основних положень і теорій руху газів в закритих каналах для побудові моделі визначення середньої швидкості;

  • оброблення статистичних даних експериментів при випробовуваннях приладу;

  • обчислювальних методів для створення спрощених рівнянь визначення параметрів на основі табличних даних;

  • теорії ймовірності для оцінки невизначеності вимірювання та вірогідності контролю.

Наукова новизна одержаних результатів складається з таких запропонованих, або отриманих в результаті дослідження автором пунктів:

  1. Удосконалено математичну модель вимірювання витрат повітря, яка враховує підвищену вологість, шорсткість стінок каналу та характер потоку повітря, що дозволило підвищити точність вимірювання витрат, спростити визначення коефіцієнта стисливості та динамічної в’язкості повітря і підвищити вірогідність контролю до значення 0,953.

  2. Удосконалено метод контролю витрат повітря у каналах із великим поперечним перерізом, який відрізняється тим, що як первинний вимірювальний перетворювач запропоновано єдину напірну трубку з індивідуальним коефіцієнтом градуювання, що дозволило механічно не змінювати переріз вентиляційного каналу та забезпечити вимірювання швидкості повітря із похибкою, яка не перевищує 0,5%.

  3. Вперше запропоновано метод автоматизованого градуювання і повірки напірних трубок на атестованій повірочній установці УПЛГ-2500, який дозволяє виконувати градуювання та повірку напірних трубок тими ж засобами, що й при повірці механічних лічильників природного газу.

Практичне значення одержаних результатів:

  • запропоновано спосіб роботи обчислювача для вимірювального контролю витрат повітря, який на відміну від аналогів дозволяє автоматично визначати прямий та зворотній напрямок руху потоку повітря у вентиляційному каналі шахти.

  • розроблено та впроваджено прилад контролю витрат повітря із покращеними метрологічними характеристиками (невизначеність вимірювання становить 0,0183, а вірогідність контролю дорівнює 0,953);

  • розроблено прилад, який у поєднанні з атестованою повірочною установкою УПЛГ-2500 дозволяє виконувати градуювання та повірку напірних трубок тими ж апаратними засобами, що й при повірці механічних лічильників природного газу;

  • розроблено первинний вимірювальний перетворювач – напірну трубку з підвищеною чутливістю та можливістю визначення напрямку руху потоку повітря;

  • розроблено пакети прикладних програм для математичного середовища MathCAD, які дозволяють виконувати розрахунки та моделювати характеристики повітря у каналах із великим поперечним перерізом.
    Застосунок, застосовна програма або прикладна програма (англ. application, application software, app) - користувацька комп'ютерна програма, що дає змогу вирішувати конкретні прикладні задачі користувача.


Особистий внесок здобувача. Основні положення та результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. У роботах, що опубліковані у співавторстві здобувачу належать такі ідеї та розробки:

  • методика визначення коефіцієнта напірної трубки [2];

  • структура та алгоритм роботи пристрою для забезпечення його інформаційної надійності [5];

  • формула розрахунку параметрів для елементів вводу даних [12];

  • характеристики можливих режимів роботи пристрою, а також алгоритм роботи пристрою вимірювання швидкості повітря [13].

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що розглядаються у даній роботі, пройшли апробацію на таких науково-технічних конференціях: І Міжнародної конференції „Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та приладобудування” (м. Вінниця, 2005); ІV Міжнародній науково-практичній конференції „Комп’ютерні системи в автоматизації виробничих процесів” (м. Хмельницький, 2005); ІІ науково-технічній конференції з міжнародною участю „Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології” (м. Кременчук, 2006); XIII Міжнародній конференції з автоматичного управління „Автоматика-2006” (м. Вінниця, 2006); ІІІ-й Міжнародній науково-технічній конференції "Датчики, прилади і системи - 2007" (м. Черкаси 2007);

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 14 праць, в тому числі 8 статей надруковано у фахових виданнях, затверджених ВАК України, 4 публікації у збірках матеріалів та тез доповідей та 2 патентах України на корисну модель.
Автомати́чне керува́ння (англ. automatic control) - виконання без безпосередньої участі людини певних впливів на об'єкт керування, необхідних і достатніх для одержання цілеспрямованого його функціювання із заданою точністю.
Кор́исна мод́ель - нове технічне рішення, що не випливає із існуючого рівня техніки і є промислово придатним; результат інтелектуальної діяльності людини в будь-якій сфері технології.


Структура то об’єм дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, 4 розділів основної частини, загальних висновків, списку використаних джерел і 4 додатків. Загальний обсяг наукової роботи 162 сторінок, з яких основний зміст викладено на 119 сторінках друкованого тексту. Наукова робота містить 13 таблиць та 43 рисунка. Список використаних джерел складається з 137 найменувань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність задач, що вирішуються в дисертаційний роботі, визначено об`єкт i предмет дослідження. Зазначено зв‘язок роботи з науковими планами і темами, сформульовані мета i задачі роботи. Визначено методи дослідження, їх наукова новизна, а також практична цінність отриманих результатів.

У першому розділі проведено порівняльний аналіз та подано систематизацію методів та засобів контролю витрати повітря які теоретично можливо застосувати для даної задачі. Це зроблено з метою виявлення доцільності застосування кожного з них при автоматизованому контролі витрати повітря в реальному часі.

Порівнювалися найбільш поширені на сьогодні засоби вимірювання, а саме: витратоміри на основі звужуючих пристроїв, турбінні витратоміри та лічильники, ультразвукові витратоміри, вихрові витратоміри, напірні та усереднюючі трубки.

Реальний час - режим роботи автоматизованої системи обробки інформації і керування, при якому враховуються обмеження на часові характеристики функціювання.
Ультразвуковий (акустичний) витратомір - витратомір, у якому для вимірювання швидкості потоку рідини або газу використовують ультразвук.
Дані методи базуються на перетвореннях енергії потоку, і на відміну від теплових, міточних, кореляційних та оптичних методів знаходять широке використання, є простими у використанні та мають високу точність (в середньому 0,5-1%), хоча і не завжди є універсальними.

Висвітлено сучасний стан об’єкта дослідження – контроль витрат повітря у вентиляційному каналі гірничодобувної шахти, де на практиці найчастіше використовують ручні анемометри типу АСО-3, МС-13 або АПР-1. Автоматизація вимірювання та контролю практично відсутня, а існуючі засоби не в змозі забезпечити точне вимірювання середньої швидкості потоку що відповідно впливає на визначення витрати об’єму повітря.

Розглянуто особливості контролю та специфіка роботи вентиляційного каналу гірничевидобувної шахти (рис. 1) де потрібно контролювати витрату повітря. Канал насамперед призначений для вентиляції шахти — викачуванні шахтного повітря з шахти на поверхню де присутня висока вологість до 100 відсотків через підхоплення повітрям вологи із забою. Технологією передбачено також реверсивний режим — швидка подача атмосферного повітря в шахту.

Пові́тря - природна суміш газів, з яких складається атмосфера, тобто повітряна оболонка планети. Спочатку це слово виникло для опису повітря планети Земля, ще в ті часи, коли інші планети мало цікавили людство і тому нині воно все ще вживається саме в такому значенні.


Рис. 1. Схема вентиляційного каналу гірничевидобувної шахти


Поставлено задачі по вимірюванню та контролю витрат повітря у вентиляційних каналах із великим поперечним перерізом, які дозволили розробити точні математичні моделі для визначення коефіцієнта стисливості повітря та його динамічної в'язкості, розробити метод розрахунку середньої швидкості потоку, визначити функціональні блоки приладу контролю та вдосконалити метод вимірювання витрат.

Другий розділі присвячено розробці математичних моделей які мають безпосередній вплив на вимірювання миттєвої втрати повітря. Насамперед було побудовано математичні моделі для визначення динамічної в'язкості повітря μ, а також коефіцієнту стисливості повітря k. Динамічна в’язкість враховується при розрахунку числа Рейнольдса.
Число Рейнольдса( R e } ) - характеристичне число та критерій подібності у гідродинаміці, що базується на відношенні інертності руху течії флюїда до його в'язкості.
Графіки отриманих залежностей даних коефіцієнтів від впливових параметрів – температури та тиску приведено відповідно на рис. 2 та рис. 3.

Рис. 2. Графік отриманої залежності коефіцієнта стисливості повітря k від

температури та тиску у каналі

Рис. 3. Графік отриманої залежності коефіцієнта динамічної в’язкості

повітря μ від температури та тиску у каналі
Математичні моделі будувалися для використання в діапазоні абсолютного тиску Pабс = 90÷130 кПа та в діапазоні температури -20÷50 °С, що відповідають реальним умовам вентиляційного каналу гірничодобувної шахти.

Отримані моделі дозволить не вносити у пам’ять програми велику за обсягом таблицю, інтерполювати точні табличні значення вхідних параметрів до будь-якого проміжного значення температури та тиску, забезпечити високу точність розрахунку параметра. Отримані моделі наведені відповідно у табл. 1 та табл.2.


Таблиця 1

Математична модель визначення коефіцієнта стисливості повітря

Параметр

Значення

Модель

z=a bx cy dx2 ey2 fxy gx3 hy3 ixy2 jx2y







x

Абсолютний тиск повітря (кПа)

y

Температура повітря (оС)







A

0,999912452

B

-3,4801e-06

c

-1,7828e-07

D

-2,567e-08

E

-2,2403e-08

F

1,35804e-07

g

7,8125e-11

h

4,48232e-10

i

-7,5298e-10

j

-7,4405e-12
  1   2   3


Скачати 343.82 Kb.

  • Осадчук Володимир Степанович
  • Вінницького національного технічного університету
  • ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ Актуальність теми
  • Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами
  • Мета і завдання дослідження.
  • Об’єктом дослідження
  • Методи досліджень
  • Наукова новизна одержаних результатів
  • Практичне значення одержаних результатів
  • Особистий внесок здобувача.
  • Апробація результатів дисертації.
  • Структура то об’єм дисертації.
  • ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ У вступі
  • Математична модель визначення коефіцієнта стисливості повітря Параметр
  • Значення Модель z=a bx cy dx 2 ey 2 fxy gx 3