Помощь студентам в учебе
Исследование динамических характеристик датчиков температуры
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 8
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК 11
1.1 Постановка задачи 11
1.2 Основные понятия и определения 11
1.3 Нормирование динамических характеристик средств измерения 12
1.4 Проблемы динамических измерений 14
1.5 Обзор методов тестирования динамических характеристик 18
1.6 Экспериментальные методы тестирования полных динамических
характеристик 28
1.7 Выводы и постановка задач исследования 30
2 МЕТОДЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК. МЕТОД КОМПЕНСАЦИИ
САМОРАЗОГРЕВА 31
2.1 Постановка задачи 31
2.2 Методы прогнозирования динамических характеристик 31
2.3 Самонагрев датчика 33
2.4 Расчет параметров самонагрева для конкретного датчика 36
2.5 Стационарный метод компенсации саморазогрева 36
2.6 Термины. Аналитическая подготовка 37
2.7 Метод электрической коррекции 38
2.8 Корректирующее устройство. Подготовка к имитационному
моделированию 41
2.9 Выводы по главе 47
3 РЕАЛИЗАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО - АНАЛИТИЧЕСКОГО
МЕТОДА. КОРРЕКЦИЯ ПОСТОЯННОЙ ВРЕМЕНИ 48
3.1 Постановка задачи 48
3.2 Имитация системы термопреобразователь - корректирующее
устройство в Simulink 49
3.3 Выводы по главе 61
4 МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ -
КОРРЕКТИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО НА ОСНОВЕ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ “МЕТРАН-281” 62
4.1 Постановка задачи 62
4.2 Интерполяция исходных данных 63
4.3 Идентификация интерполяционных данных 66
4.4 Моделирование системы термопреобразователь-корректирующее
устройство с использованием идентификационных данных. Фильтрация сигнала 72
4.5 Подбор коэффициента коррекции и степени фильтра для уменьшения
показателя постоянной времени 81
4.6 Выводы по главе 89
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 90
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 92
ПРИЛОЖЕНИЕ А 98
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 99
ВВЕДЕНИЕ 8
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК 11
1.1 Постановка задачи 11
1.2 Основные понятия и определения 11
1.3 Нормирование динамических характеристик средств измерения 12
1.4 Проблемы динамических измерений 14
1.5 Обзор методов тестирования динамических характеристик 18
1.6 Экспериментальные методы тестирования полных динамических
характеристик 28
1.7 Выводы и постановка задач исследования 30
2 МЕТОДЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК. МЕТОД КОМПЕНСАЦИИ
САМОРАЗОГРЕВА 31
2.1 Постановка задачи 31
2.2 Методы прогнозирования динамических характеристик 31
2.3 Самонагрев датчика 33
2.4 Расчет параметров самонагрева для конкретного датчика 36
2.5 Стационарный метод компенсации саморазогрева 36
2.6 Термины. Аналитическая подготовка 37
2.7 Метод электрической коррекции 38
2.8 Корректирующее устройство. Подготовка к имитационному
моделированию 41
2.9 Выводы по главе 47
3 РЕАЛИЗАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО - АНАЛИТИЧЕСКОГО
МЕТОДА. КОРРЕКЦИЯ ПОСТОЯННОЙ ВРЕМЕНИ 48
3.1 Постановка задачи 48
3.2 Имитация системы термопреобразователь - корректирующее
устройство в Simulink 49
3.3 Выводы по главе 61
4 МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ -
КОРРЕКТИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО НА ОСНОВЕ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ “МЕТРАН-281” 62
4.1 Постановка задачи 62
4.2 Интерполяция исходных данных 63
4.3 Идентификация интерполяционных данных 66
4.4 Моделирование системы термопреобразователь-корректирующее
устройство с использованием идентификационных данных. Фильтрация сигнала 72
4.5 Подбор коэффициента коррекции и степени фильтра для уменьшения
показателя постоянной времени 81
4.6 Выводы по главе 89
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 90
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 92
ПРИЛОЖЕНИЕ А 98
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 99
Все большее внимание в науке и технике получают измерения температур, при которых входные и выходные величины изменяются с течением времени, т.е. в динамике. В основном эти измерения связаны с исследованием, анализом и изучением протекания физических процессов в исследуемых объектах. Благодаря чему, основная роль динамических измерений температур, особенно велика, к примеру, в областях науки и техники, где важнейшим показателем исследований являются анализ структуры материи и синтез новых веществ, и во-вторых, в областях измерений, методах и средствах обеспечения, для которых характерно создание высокоточных приборов и методик их контроля
Среди общего объема измерений, проводимых в отношении динамических величин на сегодняшний момент, сравнительно небольшая часть относится к анализу, изучению и исследованию переменных температур. Даже с учетом названного факта, научная и практическая ценность результатов, проводимых в этой области исследований определяют ее актуальность. Результаты исследований в области динамических измерений температуры, дают возможность не только для качественной, но и количественной оценки изменений свойств объектов в процессе их улучшения. Однако для этих целей, зачастую, невозможно использовать точные средства измерения, ввиду того, что работают они преимущественно в статическом режиме.
Актуальность и практическая ценность работы в метрологическом обеспечении измерений температур в динамике, в частности измерений переменных температур промышленного оборудования, заключается в том, что за последние годы произошел подъем интереса к проблемам мониторинга окружающей среды в процессе производства, а именно в газовой и ядерной промышленности, где теплотехнические процессы протекают довольно быстро, изменение температуры происходит с такой частотой, что большинство термопреобразователей, с относительно большим показанием постоянной времени и тепловой инерции, не успевают реагировать на изменение температур.
Объект исследования - динамические характеристики, а именно показатель тепловой инерции и постоянная времени, благодаря большим значениям которых большинство термопреобразователей не проходят поверку на класс точности. Возникает вопрос: как уменьшить эти показания, не влезая в корпус термопреобразователя? Очевидна необходимость создания методов и средств, позволяющих исследовать и уменьшать показатели тепловой инерции и постоянной времени, без изменения конструкций термопреобразователя.
Цель выпускной квалификационной работы заключается в определении, исследовании и уменьшении динамической характеристики, такой как, показатель тепловой инерции или постоянной времени термопреобразователя, определяющих переменную температуру, непременно без нарушения конструктивных особенностей термопреобразователя.
Задачи выпускной квалификационной работы носят в себе как научный, так и исследовательский характер, и разделены на следующие этапы:
1) обзор научной технической и патентной литературы;
2) классификация методов определения динамических
характеристик, выявления актуальных;
3) математический расчет и моделирование системы
термопреобразователь-корректирующее устройство по переходной характеристике, с помощью проанализированных методов определения;..
Среди общего объема измерений, проводимых в отношении динамических величин на сегодняшний момент, сравнительно небольшая часть относится к анализу, изучению и исследованию переменных температур. Даже с учетом названного факта, научная и практическая ценность результатов, проводимых в этой области исследований определяют ее актуальность. Результаты исследований в области динамических измерений температуры, дают возможность не только для качественной, но и количественной оценки изменений свойств объектов в процессе их улучшения. Однако для этих целей, зачастую, невозможно использовать точные средства измерения, ввиду того, что работают они преимущественно в статическом режиме.
Актуальность и практическая ценность работы в метрологическом обеспечении измерений температур в динамике, в частности измерений переменных температур промышленного оборудования, заключается в том, что за последние годы произошел подъем интереса к проблемам мониторинга окружающей среды в процессе производства, а именно в газовой и ядерной промышленности, где теплотехнические процессы протекают довольно быстро, изменение температуры происходит с такой частотой, что большинство термопреобразователей, с относительно большим показанием постоянной времени и тепловой инерции, не успевают реагировать на изменение температур.
Объект исследования - динамические характеристики, а именно показатель тепловой инерции и постоянная времени, благодаря большим значениям которых большинство термопреобразователей не проходят поверку на класс точности. Возникает вопрос: как уменьшить эти показания, не влезая в корпус термопреобразователя? Очевидна необходимость создания методов и средств, позволяющих исследовать и уменьшать показатели тепловой инерции и постоянной времени, без изменения конструкций термопреобразователя.
Цель выпускной квалификационной работы заключается в определении, исследовании и уменьшении динамической характеристики, такой как, показатель тепловой инерции или постоянной времени термопреобразователя, определяющих переменную температуру, непременно без нарушения конструктивных особенностей термопреобразователя.
Задачи выпускной квалификационной работы носят в себе как научный, так и исследовательский характер, и разделены на следующие этапы:
1) обзор научной технической и патентной литературы;
2) классификация методов определения динамических
характеристик, выявления актуальных;
3) математический расчет и моделирование системы
термопреобразователь-корректирующее устройство по переходной характеристике, с помощью проанализированных методов определения;..
В ходе выполнения выпускной квалификационной работы, поставленные задачи были выполнены, а именно:
1. Был проведен математический расчет и моделирование системы термопреобразователь-корректирующее устройство по переходной характеристике, с помощью метода коррекции сигнала была определена и исследована постоянная времени термопреобразователя;
2. Произведена идентификация экспериментальных данных
полученных термопреобразователем «Метран-281» с помощью кубической сплайн-интерполяции;
3. На основе идентификации смоделировали систему четвертого
порядка термопреобразователь-корректирующее устройство, которая
позволяет уменьшить постоянную времени (в нашем случае на 8,324 секунд) и, вдобавок, быстродействие датчика, то есть выход термопреобразователя на уставочную температуру происходит быстрее (в нашем случае на 185,920 секунд);
4. Разработан алгоритм, представленный ниже с помощью которого можно пошагово смоделировать систему термопреобразователь- корректирующее устройство, позволяющую исследовать, анализировать и уменьшать показатель постоянной времени или тепловой инерции.
Алгоритм:
1. Начинать моделирование системы, описывающей работу термопреобразователя, лучше всего с математического расчета передаточных характеристик отдельно взятых блоков;
2. Смоделировать систему с использованием полученных передаточных характеристик, проанализировать результаты;
3. Если показатель постоянной времени вам кажется большим, применить экспериментальный метод коррекции сигнала, а именно рассчитать переходную характеристику корректирующего блока и добавить в систему;
4. Сымитировать внешние воздействия на систему в виде блоков “белого-шума”, проанализировать результат, по необходимости применить фильтрацию сигнала;
5. Реализовать эту систему, но с учетом реальных
экспериментальных данных (провести идентификацию системы), заменив при этом блоки, описывающие работу математически-полученного термопреобразователя, на блок, описывающий работу реального термопреобразователя;
6. Подкорректировать два показателя: коэффициент коррекции и степень фильтра, для значительного уменьшения показателя постоянной времени, с использованием сравнительных схем.
Для нашего же случая также стоит заметить, что:
1. Чтобы правильно идентифицировать модель
термопреобразователя, необходимо проанализировать экспериментальную выборку, и если она распределена неравномерно, т.е. шаг измерений меняется, то следует применить кубическую сплайн-интерполяцию, которая позволит получить массив данных распределенных с равномерным шагом;
2. При идентификации нами были получены передаточные функции, которые с точностью до 99,59% (tf4) совпадают с экспериментальной проинтерполированной функцией распределения температуры датчика “Метран-281”, но модель передаточной функции восьмого порядка (tf8) обладала большим значением совпадения - 99,64%, тогда стоит учесть, что разница между этими числа мала (0,05%), а сложность анализа и подбора элементов значительно бы усложнилась.
1. Был проведен математический расчет и моделирование системы термопреобразователь-корректирующее устройство по переходной характеристике, с помощью метода коррекции сигнала была определена и исследована постоянная времени термопреобразователя;
2. Произведена идентификация экспериментальных данных
полученных термопреобразователем «Метран-281» с помощью кубической сплайн-интерполяции;
3. На основе идентификации смоделировали систему четвертого
порядка термопреобразователь-корректирующее устройство, которая
позволяет уменьшить постоянную времени (в нашем случае на 8,324 секунд) и, вдобавок, быстродействие датчика, то есть выход термопреобразователя на уставочную температуру происходит быстрее (в нашем случае на 185,920 секунд);
4. Разработан алгоритм, представленный ниже с помощью которого можно пошагово смоделировать систему термопреобразователь- корректирующее устройство, позволяющую исследовать, анализировать и уменьшать показатель постоянной времени или тепловой инерции.
Алгоритм:
1. Начинать моделирование системы, описывающей работу термопреобразователя, лучше всего с математического расчета передаточных характеристик отдельно взятых блоков;
2. Смоделировать систему с использованием полученных передаточных характеристик, проанализировать результаты;
3. Если показатель постоянной времени вам кажется большим, применить экспериментальный метод коррекции сигнала, а именно рассчитать переходную характеристику корректирующего блока и добавить в систему;
4. Сымитировать внешние воздействия на систему в виде блоков “белого-шума”, проанализировать результат, по необходимости применить фильтрацию сигнала;
5. Реализовать эту систему, но с учетом реальных
экспериментальных данных (провести идентификацию системы), заменив при этом блоки, описывающие работу математически-полученного термопреобразователя, на блок, описывающий работу реального термопреобразователя;
6. Подкорректировать два показателя: коэффициент коррекции и степень фильтра, для значительного уменьшения показателя постоянной времени, с использованием сравнительных схем.
Для нашего же случая также стоит заметить, что:
1. Чтобы правильно идентифицировать модель
термопреобразователя, необходимо проанализировать экспериментальную выборку, и если она распределена неравномерно, т.е. шаг измерений меняется, то следует применить кубическую сплайн-интерполяцию, которая позволит получить массив данных распределенных с равномерным шагом;
2. При идентификации нами были получены передаточные функции, которые с точностью до 99,59% (tf4) совпадают с экспериментальной проинтерполированной функцией распределения температуры датчика “Метран-281”, но модель передаточной функции восьмого порядка (tf8) обладала большим значением совпадения - 99,64%, тогда стоит учесть, что разница между этими числа мала (0,05%), а сложность анализа и подбора элементов значительно бы усложнилась.
