Автоматический поверочный комплекс систем контроля расхода компонентов топлива в трубопроводах изделий ракетно-космической техники тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.07, кандидат технических наук Гудков, Кирилл Владимирович

• Гудков, Кирилл Владимирович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гудков, Кирилл Владимирович

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИИ.

ВВЕДЕНИЕ.;.:.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ТЕНДЕНЦИЙ. РАЗВИТИЯ ; ПОВЕРОЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ КОМПОНЕНТОВ ТОПЛИВА В ■■<• 1 1 ' ' • л ■ :. ': ■■ ■■ . . . систЕМАХРкжнки.;:.•;.;.

1U-. Основные понятия и определения.

1.2. Обобщенная систематизация методов построения высокоточных р асходомер ов.;.

1.3. Сравнительный анализ методов построения кориолисовых расходомеров.;.

1.4. Технологические предпосылки создания кориолисовых расходомеров .20 Г. 5 і Анализ структур систем поверки кориолисовых расходомеров L.

1.6. Анализ математической модели системы поверки кориолисовых расходомеров.

1.7. Выводы по первой главе:.:.

ГЛАВА 2 МЕТОДИКА СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА МЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ИЗДЕЛИЙ РКТ И НКИ.:.

2.1. Основные понятия и определения:.

2.2. Методика структурного синтеза механических систем с использованием имитационных математических моделей.

2.3. Анализ физических принципов возникновения силы Кориолиса и ее обобщенное математическое описание.

2.4. Анализ тенденций развития математических моделей кориолисовых расходомеров.;.

2.5. Методика реализации имитационных математических моделей прямотрубных кориолисовых расходомеров в среде МайаЪ / БтиНпк^тМескатсз).

2.6. Анализ канонической модели прямотрубного кориолисового расходомера.

2.7. Исследование воздействий на примере канонической модели прямотрубного кориолисового расходомера.

2.8. Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3 СИНТЕЗ ИМИТАЦИОННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ КР ИТ В СРЕДЕ МАТЬАВ / 81МиЫШ(8ШШСНАШСЗ).

3.1. Основные понятия и определения.

3.2. Методика совершенствования кориолисовых расходомеров.

3.3. Способ определения массового расхода, основанный на измерении инерционных сил.

3.4. Синтез обобщенной модели, обеспечивающей улучшение метрологических характеристик.

3.5. Моделирование внешнего вибрационного воздействия на КР ИТ.

3.6. Варианты конструкции КР ИТ.

3.7. Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПОВЕРКИ КОРИОЛИСОВЫХ РАСХОДОМЕРОВ.

4.1. Основные понятия и определения.

4.2. Реализация способа определения массового расхода, основанного на измерении инерционных сил при создании поверочного комплекса.

4.3. Синтез технического решения кориолисова расходомера.

4.4. Цифровая обработка сигнала.

4.5. Синтез технического решения поверочного комплекса.

4.6. Выводы по четвертой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматический поверочный комплекс систем контроля расхода компонентов топлива в трубопроводах изделий ракетно-космической техники»

Одной из важнейших задач при проведении испытаний жидкостных ракетных двигателей является необходимость контроля точности соотношения компонентов смесей в магистралях подачи топлива. Аналогичные задачи возникают при создании соответствующих подсистем наземных комплексов, стартового оборудования, и эксплуатации летательных аппаратов. При этом необходимо измерение массового расхода, плотности и температуры жидких сред, в том числе агрессивных, вязких, высокотоксичных, криогенных, электро-и неэлектропроводных. В настоящее время для решения указанных задач в составе стендовых магистралей подачи компонентов топлива получили широкое распространение измерительные преобразователи расхода жидких сред (расходомеры), входящие в состав измерительно-управляющих систем, обеспечивающих оптимальный режим протекания соответствующих технологических процессов. Повышение экономической эффективности работы наземных комплексов и систем летательных аппаратов вызвало потребность в проведении мероприятий по энергосбережению и обеспечению экологической безопасности стартов, что также выдвигает дополнительные требования к точности измерительных преобразователей расхода.

Из анализа потерь энергоресурсов в стендовых магистралях подачи компонентов топлива при- испытаниях жидкостного ракетного двигателя следует, что незначительное повышение точности измерения расхода обеспечивает значительное повышение эксплуатационных, экономических и экологических характеристик. Проведённый анализ патентной и научно-технической литературы показал, что главной косвенной причиной потерь тепловой энергии, которые составляют до 5% от тепловой нагрузки объекта потребления, является отсутствие метрологической базы для обслуживания применяемых приборов учёта объемного и массового расхода жидкостей. Актуальность мероприятий по экономии жидких сред, в том числе агрессивных, вязких, высокотоксичных, криогенных, электро- и неэлектропроводных, применяемых в стендовых магистралях подачи компонентов топлива при испытаниях жидкостного ракетного двигателя, увеличивается в связи с их возрастающей себестоимостью. Поэтому одним из направлений мероприятий по учёту расхода жидких сред в стендовых магистралях подачи компонентов топлива при испытаниях жидкостных ракетных двигателей является контроль точности соотношения компонентов.

Вместе с тем, метрологическое обеспечение измерительных преобразователей расхода компонентов топлива находится на довольно низком уровне как в техническом, так и в нормативно-методическом отношении, а используемые в настоящее время измерительные преобразователи разнообразны по конструкции, физическому принципу действия, типоразмеру, времени выпуска и эксплуатации. Существующие поверочные установки, предназначенные для проведения периодических поверок и подтверждения их точностных характеристик, имеют низкий класс точности, невысокую производительность и не позволяют провести поверку приборов, предназначенных для использования в составе информационно-измерительных систем.

Для организации поверки систем измерения массового расхода, применяемых в стендовых магистралях подачи' компонентов топлива при испытаниях жидкостного ракетного двигателя, состоящих из большого числа высокоточных расходомеров, необходимо полностью отказаться от демонтажа измерительного оборудования и вывода оборудования из эксплуатации, что непременно приведёт к сокращению нарушений непрерывного цикла работы трубопроводов ответственного назначения.

Для внедрения систем контроля расхода жидких сред, в том числе агрессивных, вязких, высокотоксичных, криогенных, электро- и неэлектропроводных, применяемых в стендовых магистралях подачи компонентов топлива при испытаниях жидкостного ракетного двигателя, необходимо современное автоматизированное поверочное оборудование.

В результате проведенного анализа факторов.; влияющих на точность соотношения компонентов смесей в стендовых магистралях подачи топлива, выявлена необходимость- минимизации влияния погрешностей, приборов и систем измерения^ массового расхода, но для- разработки и- внедрения необходимы устройства их поверки и аттестации:

Сложилось- противоречие между существующими методами поверки расходомеров, основанными на. методе сличения' показаний^ поверяемого преобразователя с показаниями образцовых расходомеров, имеющих известную градировочную характеристику, и требуемой погрешностью измерений, допустимым разбросом результатов измерений для- повышения эксплуатационных, экономических и экологических характеристик систем контроля-жидкостного ракетного двигателя (ЖРД)[60] и систем дозирования компонентов топлива:

Целью данной работы является повышение точности^ поверки« систем контроля расхода- компонентов топлива в трубопроводах изделий ракетно-космической техники при испытаниях ЖРД и в системах дозирования компонентов топлива.

Научная задача - разработка методики поверки систем-контроля расхода компонентов топлива в трубопроводах изделий ракетно-космической-техники и технических решений, обеспечивающих устранение методической погрешности, возникающей вследствие влияния грубоискаженных результатов измерений на точность поверки.

В результате решения поставленной научной задачи получены следующие научные результаты, вынесенные на защиту:

1. Методика структурного синтеза механических систем контроля расхода компонентов топлива с использованием имитационных математических моделей.

2. Имитационные математические модели прямотрубных кориолисовых расходомеров в составе поверочных комплексов, в среде МайаЬ / ЗЬпиИпк(81тМескатс8).

3. Методика определения массового расхода и техническое решение кориолисова расходомера, основанные на измерении инерционных сил.

4. Методика поверки кориолисовых расходомеров и техническое решение поверочного комплекса с использованием кориолисова расходомера с минимизированным влиянием помех и шумов на точность измерения параметров расхода.

Методы исследования При решении поставленных задач использовались методы* теоретической механики, сопротивления материалов, теории измерений^ численного моделирования аналоговых систем. Программный комплекс для ПЭВМ реализован в среде математического моделированияМя//<2& / 31ти1тк(51тМесЬатс5).

Новизна научных результатов работы:

1. Методика структурного синтеза механических систем контроля расхода компонентов топлива отличается использованием имитационных математических моделей соединительных элементов гибких тел. Методика позволила разработать математические модели прямотрубных кориолисовых расходомеров в составе поверочных комплексов измерительных преобразователей расхода компонентов топлива. -Имитационные математические модели, представляющие с необходимой точностью механические системы, обеспечивают определение показателей массового расхода- с требуемой точностью, а так же оценку эффективности элементов поверочных комплексов с учётом эксплуатационных факторов, воздействия среды и эксплуатационных свойств измеряемой среды.

2. Методика определения массового расхода и техническое решение кориолисова расходомера отличаются измерением инерционных сил датчиками усилия, что позволяет исключить косвенные методы снятия, и повысить чувствительность расходомера.

3. Методика5 поверки кориолисовых расходомеров и техническое решение поверочного комплекса отличаются использованием независимой полиномиальной! картины шумов, что позволяет определить динамические поправочные коэффициенты,кориолисовых расходомеров:

Практическая'значимость работы::

1. Методика структурного синтеза механических; систем*, контроля: расхода! компонентов« топлива, позволяет создать математические модели, описывающие прямотрубные/ кориолисовы расходомеры с требуемой;

ТОЧНОСТЬЮ;

2. Имитационные математические модели прямотрубных, кориолисовых расходомеров,- входящих в состав поверочных: комплексов» систем контроля расхода компонентов ^топлива; позволяют провести- адекватное моделирование внешнего шумового воздействия.

3. Техническое решение кориолисова. расходомера; с измерением инерционных сил датчиками усилия позволяет минимизировать влияние помех и шумов на точность измерения параметров расхода: .

4. Техническое решение поверочного комплекса с определением динамических; поправочных коэффициентов кориолисовых расходомеров позволяет устранить влияние грубоискаженных результатов) вычислений!

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждены на следующих научно-технических конференциях:

Международный? симпозиум «Надежность, и» качество» (г.Пенза,, 2009 г.); Международная научно-техническая конференция «Современные информационные технологии»( г.Пенза 2005 г. 2009г.); XXIV международная научно-техническая конференция «Математические методы и информационные, технологии в экономике, социологии и образовании»^ г.Пеиза, 2009 г.)

Публикации

По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе статья в журнале из перечня ВАК и патент РФ №2380660 «Способ повышения точности,поверки расходомера».

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, перечня принятых сокращений, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Диссертация содержит страниц основного текста, включаярисунков,таблиц, список литературы из наименований.

Заключение диссертации по теме «Контроль и испытание летательных аппаратов и их систем», Гудков, Кирилл Владимирович

4.6.Выводы по четвертой главе

На основании предложенных в главе 3 математических моделей разработано техническое решение КР ИТ и предложены варианты автоматической поверки датчиков КР ИТ в ходе их эксплуатации и анализа состояния подводящих гибких участков.

Разработано техническое решение поверочного комплекса, позволяющего использовать КР ИТ, что обеспечивает независимость процесса поверки от внешних негативных воздействий со стороны трубопровода.

Проведенные исследования показаний с датчиков КР ИТ показали, что наличие нуля АЧХ в начале координат делает процесс измерения практически нечувствительным к медленным изменениям (температурным и временным) напряжения смещения, входных токов ИУ и ИАЦП, что позволяет наряду с повышением точности измерения существенно упростить их реализацию и акцентировать внимание на других параметрах используемой элементной базы •при реализации технического решения поверочного комплекса на базе КР ИТ.

Работа КР ИТ и поверочного комплекса на- его базе может быть максимально автоматизирована, а уже имеющиеся средства автоматизации классических КР могут быть полностью адаптированы под новое техническое решение.

Проведенный анализ вариантов построения подсистемы сбора данных для кориолисова расходомера и синтезированные принципиальные схемы позволяет реализовать данную подсистему на современной элементной базе. Также рассмотренный вариант построения подсистемы на основе модернизированной схемы ИУ позволил снизить уровень абсолютной погрешности в измерительном канале до уровня 1-2 мкВ.

Проведенное моделирование использования фильтров с целью улучшения качества сигнала позволяет сделать вывод о том, что возможно использование вейвлет-фильтров, повышающих качество сигнала с выхода КР ИТ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Получено новое решение актуальной научной задачи разработки методики поверки систем контроля расхода компонентов топлива в трубопроводах изделий ракетно-космической техники, имеющее существенное значение для повышения точности поверки при испытаниях ЖРД и в системах дозирования компонентов топлива.

1. Выявлены фундаментальные соотношения между скоростью протекания жидкости и возникающей в трубе силой Кориолиса, влияющей на форму колебаний трубки, положенные в основу процедуры разработки имитационных математических моделей.

2. Разработанная имитационная математическая модель кориолисова расходомера позволила смоделировать воздействие шумовых составляющих помех на результаты измерений.

3. Выявлено ухудшение показателей массового расхода при наличии шумов, близких по частоте к резонансной частоте работы расходомера, влияние которых устранить не возможно.

4. На основании разработанной методики структурного синтеза механических систем изделий РКТ и НКИ было проведено моделирование кориолисова расходомера, имеющего в своей конструкции гибкие полимерные участки. Выявлена сложность технической реализации и повышенные требования к материалам кориолисовых расходомеров с гибкими участками.

5. Синтезирована модель КР, использующего в качестве подводящих элементов гибкие полимерные участки и жесткую расходомерную трубку, отличающаяся отказом от изгиба трубки и от косвенных методов определения скорости и плотности потока.

6. Разработана методика определения массового расхода и техническое решение кориолисова расходомера, основанные на измерении инерционных сил.

7. Минимизировано влияние вибрационного воздействия со стороны трубопровода, и частота работы КР ИТ смещена в зону, свободную от промышленных шумов.

8. Проанализированы варианты построения подсистемы сбора данных для кориолисова расходомера и синтезирована его принципиальная схема.

9. Рекомендовано использование вейвлет-фильтров для очистки сигнала с датчиков КР ИТ.

10. Разработана методика поверки кориолисовых расходомеров на месте их эксплуатации и техническое решение поверочного комплекса.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гудков, Кирилл Владимирович, 2011 год

1. Сайт фирмы Micro Motion Inc Электронный ресурс. / Режим доступа: http://www.micromotion.com ;

2. Сайт фирмы Endress+Hauser Электронный ресурс.; /Режим доступа: http://www.endress.com

3. Сайт фирмы Krohne Messtechnik GmbH: Электронный ресурс. 7 Режим доступа: http://www.krohnc.com/

4. Сайт фирмы Danfoss A/S Электрониый ресурс. / Режим доступа: http://www.danfoss.com/

5. Александрову В. С. Макроскопические флуктуации плотности воды / В. С. Александров, Л. А. Баденко, В. С. Снегов // Измерительная техника:-2004. -N3;-С. 54-56

6. Хомяков, Г. Д. Государственный первичный эталон единицымассового расхода жидкости / Г. Д. Хомяков, А. Г. Сафин, Н. В. Комиссаров // Измерительная техника. 2003: - N 10. - С. 3-6

7. Дмитриев, A. JI. Влияние температуры тела на его вес / А. Л. Дмитриев, Е. М. Никущенко, В. С. Снегов // Измерительная техника. -2003.-N 2.-С. 8-11 .

8. Гудков К.В. Синтез кориолисова расходомера для дозирования компонентов топлива/ К.В. Гудков, В.А. Юрманов, М.Ю. Михеев // Труды международного симпозиума Надёжность и качество. Том 2. -Пенза. 2011-С 252-256.

9. Гудков К.В. Математическое моделирование кориолисова расходомера/ К.В. Гудков, В.А. Юрманов, А.В. Люсев // Труды международного симпозиума Надёжность и качество. Том 1. — Пенза. 2009-С 361-364.

10. Расширенное управление фазовым измерителем массового расхода Кориолиса (СМБМ) Труды конгресса мира Х1Х1МЕКО Основная и Прикладная Метрология

11. В. Кравченко, М. Риккен журнал "Законодательная и Прикладная Метрология" №4 от 15 июня 2006г. "Измерение расхода с помощью кориолисовых расходомеров в случае двухфазного потока"

12. Гудков К.В. Синтез имитационной модели кориолисова расходомера с гибкими участками // Труды международной научно-технической конференции Современные информационные технологии. Вып. 13. — Пенза: ПГТА, 2011г. С. 42-47.

13. Патент № 2312310. Расходомер Кориолиса, состоящий в основном из перфоторалкокси-соединения. Заяв.: Шлоссер Мартин, Уилл ер Метью Глен, Полаз Гари Эдвард. Патентообладатель Эмерсон Электрик Ко. Заявл.- 19.11.2002 Зарег.- 10.12.2007

14. Патент № 2371678. Высокоскоростная оценка частоты и фазы расходомеров. Заяв.: Белл Марк Джеймс, Маконалли Крейг, Магиннис Ричард Патентообладатель Майкро Моушн, ИНК. Заяв.-05.12.2005. Зарег.- 27.10.2009

15. Реализация весового интегрирования в высокоточных интегрирующих АЦП Текст./ А.В. Куц, К.Ю. Пискаев, В.А. Юрманов // Вопросы радиоэлектроники. Серия ЭВТ. Выпуск 5. Изд-во: ОАО «ЦНИ «Электроника», Москва, 2010г. С. 157-165.

16. Контроль уровня шума и вибрации в аэрокосмической отрасли Электронный ресурс. / Режим доступа:http://www.podshipnik.ru/ analyst/3 83 î/element3843 .html

17. Г. И: Волович. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровыхiэлектронных устройств.'-M.: Издательский дом1 «Додэка-XXI», 2005. 528 с.

18. A.B. Куц, К.Ю. Пискаев, В.А. Юрманов. Реализация весового интегрирования в высокоточных интегрирующих АЦП // Вопросы радиоэлектроники. Серия ЭВТ. Выпуск 5. Изд-во: ОАО «ЦНИ «Электроника», Москва, 2010г. С. 157-165.

19. Сайт фирмы Analog Devices Электронный ресурс. / Режим доступа: http://www.analog.com

20. Сайт фирмы Texas Instruments Электронный ресурс.'/ Режим доступа: http://www.ti.com

21. Куц.Л.В, Кузнецов A.A., Логунов М.В. Выбор спектрального преобразования для получения вектора информативных признаков./ «Радиопромышленность», М. 2010, вып 2, 58-68

22. Чуй Ч Введение в вевлеты: Пер с англ. — М. Мир 2001. 412с.

23. Патент №23 69841. Измерительный преобразователь вибрационного типа и его применения. Заяв.: Шютце Кристиан, Анклин-Имхоф Мартин: Патентообладатель Эндрес+Хаузер Флоутек АГ. Заяв:2911.2005. Зарег.- 20.01.2009

24. Патент №2275606 Способ определения доли для основного компонента текучей среды. Заяв.: Кейелти Майкл, Петтен Эндрю. Патентообладатель Майкро Моушн, ИНК. Заяв.- 26.08.2002. Зарег.-10.02.2005

25. Frank Е. Grubbs, Glenn Beck. Extension of sample sizes and percentage points for significance tests of outlying observations // Technometrics, 1972. Vol. 14. - No. 4. - P.847-854.

26. Алгоритм LOWESS Электронный ресурс. / Режим доступа: http://ww.machinelearning.m/wiki/index.plip?title=%D0%90o/oD0%BB %D0%B3%D0%BE%D 1 %80%D0%B8%D 1 %82%DO%BCLOWESS

27. Патент №2251082 Устройство и способ для измерения потока масс. Заяв.: Валентин Жюли, Петтен Эндрю Тимоти. Патентообладатель Майкро Моушн, ИНК. Заяв.- 11.01.2001. Зарег.- 27.04.2005

28. Патент №2143102 Способ измерения расхода вещества. Заяв.: Титаев E.H., Титаев В.Е. Патентообладатель: Титаев E.H., Титаев В.Е. Заявл.-20.12.99 Зарег.- 26.11.97

29. Патент №2112929 Преобразователь массового расхода. Заяв.: Титаев E.H., Титаев В.Е. Патентообладатель: Титаев E.H., Титаев В.Е. Заявл.-06.02.96 Зарег.-10.06.98

30. Оценка погрешности при калибровании и использовании приборов для измерения потока. Электронный ресурс. / Режим доступа http://www.iso.org/iso/isocatalogue/cataloguetc/cataloguedetail.htm7cs mimber=32199

31. Тимошенко С.П.Колебания в инженерном деле. Перевод с английского. Изд.З 2007.

32. Тимошенко С.П.Теория упругости, пер. с англ., М., 1975

33. Блехман И.И. Вибрационная механика. М., 1994; англ. пер.: Blekhman I.I., Vibrational Mechanics (Nonlinear Dynamic Effects, General Approach, Applications). Singapore, 2000.

34. Вибрации в технике: Справочник в 6 т. М., 1978-1981.

35. Андронов А. А., Витт А. А., Хайкин С. Э. Теория колебаний. — М.: Физматгиз, 1959 (2-е изд.).

36. Хайкин С. Э. Физические основы механики. Учеб. пособие для студ. ун-тов. —, М.: Наука, 1971.

37. Александров A.B., Потапов В.Д. Основы теории упругости и пластичности. М.: Высшая школа, 1990.

38. Вольмир A.C., Григорьев Ю.П., Станкевич А.И. Сопротивление материалов. М.: Дрофа, 2007

39. Маркова Б.Н. Сопротивление материалов. М.: КДУ, 2006.

40. Сборник задач по сопротивлению материалов с теорией и примерами: учеб. пособие для вузов /Под ред. А.Г. Горшкова, Д.В. Тарлаковского. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Физматлит, 2003.

41. М. И. Бать, Г. Ю. Джанелидзе, А. С. Кельзон. Теоретическая механика в примерах и задачах. В 2 томах. СПб: Лань, 2010.

42. В.М. Тарасов, И.В. Бояркина, М. В. Коваленко и др. Теоретическая механика. М.: Транслит, 2010.

43. В.И. Дронг, В.В. Дубинин, Ильин М.М. и др. Курс теоретической механики. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005.

44. А. А. Яблонский, В. М. Никифорова Курс теоретической механики. Статика, кинематика, динамика. М.: КноРус, 20 Юг

45. В.Дьяконов. Simulink 4. Специальный справочник. Питер. 2001.

46. В.Кондрашов, С.Королев. Matlab как система программирования научно-технических расчетов. Мир. 2002.

47. Н.К. Смоленцев. Основы теории Вейвлетов. Вейвлеты в Matlab. ISBN: 5-94074-122-3. Издательство "ДМК" 2005г.

48. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. 1 -е издание, 2007 год

49. Закабунин В.И. Теория механизмов и машин. Синтез механизмов: Учебное пособие. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2006.

50. Васильев А.П., Кудрявцев В.М., Кузнецов В.А. Основы теории ирасчета жидкостных ракетных двигателей, (в 2х книгах)(Изд. 4е) Год: 1993