S - Научная библиотека ОГУ - Оренбургский государственный

2
3
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Многие промышленные изделия эксплуатируются
при избыточном давлении рабочей среды. К таким изделиям относятся трубопроводы различного назначения, стационарные сосуды на промышленных
предприятиях, сосуды на подвижной технике, различные виды трубопроводной
арматуры. Важнейшим параметром работоспособности изделий является герметичность. Из практики эксплуатации подобных изделий известно, что они
подвергаются различным вибрационным воздействиям от перемещения машины или агрегата по поверхности или от прохождения жидкой или газообразной
рабочей среды в технологическом оборудовании.
В работах Гуревича Д.Ф., Долотова А.М., Сажина С.Т., Огар П.М. рассмотрены основы теории уплотнений и уплотнительной техники, общие вопросы автоматизации технологических процессов испытаний изделий на герметичность. Способы и устройства контроля герметичности освещены во многих
отечественных и зарубежных авторских свидетельствах и патентах, сайтах Интернета и научных публикациях. Однако в этих работах не рассматриваются
вопросы влияния вибрации на повышение эффективности контроля герметичности изделий за счет интенсификации утечек пробной среды через микрощели изделий и совершенствования устройств, используемых в системах автоматизированного контроля герметичности.
В условиях растущей потребности в проведении испытаний изделий на
герметичность исследования по совершенствованию методов контроля герметичности изделий и разработке систем автоматизированного контроля герметичности изделий по утечкам пробной среды с использованием вибрации
как применительно к элементам устройств контроля герметичности, так и к
непосредственно испытываемым на герметичность пробной средой изделиям,
являются актуальными.
Настоящая работа выполнена в рамках госбюджетной НИР
№01000000120 "Разработка интеллектуальных систем автоматизированного
проектирования и управления" (2000 г. – н.в.) кафедры систем автоматизации
производства Оренбургского государственного университета.
Целью работы является повышение эффективности контроля герметичности промышленных изделий путем создания автоматизированных систем
контроля и управления с использованием вибрации как в устройствах контроля
герметичности изделий, так и при сообщении вибрации изделиям, испытываемым на герметичность.
Объект исследований: производственные процессы контроля герметичности изделий, включающие методы и способы контроля, средства и системы
контроля и управления.
Методы исследования. Использованы методы теории автоматического
управления, методы проектирования цифровых систем автоматического управ-
4
ления, методы механики жидкостей и газов.
Научную новизну работы составляют:
- теоретические положения к методу контроля герметичности изделий
при сообщении им вибрации;
- обоснование возможности использования компенсационного способа
контроля герметичности изделий при сообщении им вибрации и основы расчета сильфонного регулирующего органа, используемого при компенсационном
способе контроля герметичности изделий;
- аналитические зависимости по расчету необходимой частоты вибрации
горизонтальной трубки и барботажной трубки пузырьковой камеры при контроле герметичности изделий.
Практическая значимость работы:
- предложен и исследован метод контроля герметичности изделий с использованием вибрации, позволяющий интенсифицировать утечки пробной
среды через микрощели и повысить эффективность контроля герметичности
изделий;
- предложен и исследован компенсационный способ контроля герметичности изделий применительно к устройствам с горизонтальной трубкой при испытаниях изделий пробной жидкостью или газом, позволяющий повысить точность контроля герметичности изделий;
- разработаны системы автоматизированного контроля герметичности
изделий при сообщении вибрации изделию, испытываемому на герметичность,
и элементам устройств контроля герметичности изделий с использованием горизонтальной трубки и пузырьковой камеры;
- предложены инженерные методики проектирования САУ амплитудой
вибрации горизонтальной и барботажной трубки, САУ вибрации изделия, испытываемого на герметичность, САУ компенсацией утечек среды из изделия
для условий применения объекта управления как колебательного звена и как
апериодического звена второго порядка.
Реализация результатов работы. Результаты работы используются в
«Научнотресте «Оренбургмежрайгаз» ОАО «Оренбургоблгаз», ООО
производственное предприятие «ТАН» (г. Оренбург).
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и были одобрены на всероссийской научно-практической
конференции «Интеграционные евразийские процессы в науке, образовании и
производстве» (Уфа, 2006), всероссийской научно-практической конференции
«Вызовы ХХI века и образование» (Оренбург, 2006), всероссийской научной
конференции «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике» (Оренбург, 2007).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 10 работ, в
том числе 3 статьи в научном журнале из Перечня ВАК, получено 3 патента
на изобретения.
5
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6
глав, заключения, списка использованных источников из 107 наименований.
Общий объем работы 184 страниц, в том числе 104 страницы машинописного
текста, 75 рисунков и 13 таблиц.
На защиту выносятся:
1) теоретические положения по предложенному методу автоматизированного контроля герметичности изделий при сообщении им вибрации;
2) компенсационный способ контроля герметичности изделий пробной
жидкостью или пробным газом при сообщении вибрации изделию и горизонтальной трубке;
3) теоретические и экспериментальные исследования работоспособности
горизонтальной и барботажной трубок устройств контроля герметичности изделий при сообщении им вибрации;
4) разработанные системы автоматизированного контроля герметичности
изделий с использованием синтезируемых САУ амплитуды вибрации горизонтальной трубки, САУ компенсацией утечек среды из изделия, САУ частотой
вибрации изделия, испытываемого на герметичность.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи, научная новизна и практическая значимость исследований.
В первой главе проведен анализ литературных источников и приведены
современные теоретические представления об истечении жидкости из вибрирующих сосудов; основные уравнения движения частицы по плоской вибрируемой поверхности; уравнения колебательной системы с моторным двигателем; основные методы контроля герметичности изделий, применяемые на промышленных предприятиях, и возможности применения вибрации при контроле
герметичности изделий известными методами.
По истечению жидкости из вибрирующих сосудов установлено: а) существующие теории разработаны применительно к трубопроводам, закрепленным
в топливные баки самолетов, которые интенсивно вибрируют при полете самолета, а не к щелям и микрощелям, которые выявляются при контроле герметичности изделий пробной средой; б) известные формулы фактически невозможно использовать на практике потому, что их интегралы аналитически не
определяются; в) формулы расхода среды не позволяют отделить статические
расходы от динамических расходов и установить параметры, от которых зависят расходы среды при вибрации сосудов.
По движению частицы по плоской вибрирующей поверхности проанализированы варианты движения твердой частицы без отрыва от вибрирующей
поверхности; условия существования и устойчивости возможных установившихся режимов движения частицы вверх или вниз при отсутствии подбрасывания.
По колебательным системам рассмотрено решение задачи для установившихся режимов движения колеблющейся массы тела под воздействием источника колебаний в виде электродвигателя.
6
По контролю герметичности установлено: вибрация при контроле герметичности не используется как для интенсификации утечек пробной среды из
изделий, так и для линеаризации нелинейных характеристик измерительных
устройств контроля герметичности изделий; наиболее распространенными на
производстве являются манометрический, пузырьковый и гидростатический
методы контроля герметичности изделий; точность контроля герметичности
этими методами не позволяет проводить контроль изделий по наивысшим классам герметичности А и В.
На основании анализа литературных источников сформулированы следующие задачи:
1. Разработка и теоретические исследования метода автоматизированного контроля герметичности изделий при сообщении испытываемому изделию
вибрации.
2. Разработка и исследование компенсационного способа автоматизированного контроля герметичности изделий при сообщении вибрации испытываемому изделию.
3. Теоретические и экспериментальные исследования работоспособности
горизонтальной и барботажной трубок устройств контроля герметичности изделий при сообщении им вибрации.
4. Разработка систем автоматизированного контроля герметичности изделий гидростатическим и пузырьковым методами с использованием вибрации.
5. Синтез и исследование цифровых систем автоматического управления
амплитудой вибрации горизонтальной трубки, частотой вибрации изделия, испытываемого на герметичность, компенсацией утечек пробной среды из изделия при контроле его герметичности.
Во второй главе приведены теоретические исследования по обоснованию возможности и целесообразности использования вибрации изделий при
испытаниях на герметичность. На основании известного уравнения Пуазейля
выполнен вывод уравнения расхода жидкости Q вибр через щель изделия при
приложении к ее границам статического давления ∆ Р ст и сообщении изделию
вибрации с амплитудой А, м, и угловой частоте ω , с-1, в виде
Q вибр = к пз ∆ Р ст + к пз к ω ∆ Р ст − к пз ∆ Р ст
5
кω
2π
2π
∫ cos ω tdt ,
0
(1)
где к пз - размерный коэффициент, м /(Н·с); к пз = πd 128 µL ; кω - коэффициент
вибрационной перегрузки кω = ρ ж hA ω 2 ∆Pст ; h – размер изделия по оси приложения вибрации, м. Интеграл в выражении (1) равен нулю, поэтому средний
расход жидкости через щель при приложении к ее границам статического и
вибрационного давления Qср.вибр = кпз ∆Рст (1 + кω ).
(2)
В системах контроля герметичности изделий жидкостью статические
давления изменяются, например, от 0,1 до 10 МПа, а давления, создаваемые
вибрацией изделия, могут достигать 0,1-0,5 статического давления. В этом случае через щель изделия, контролируемого на герметичность, в течение всего
периода колебания при вибрации жидкость будет вытекать через щель. Если
будут выполнены условия ρжhAω2 > ∆Рст или A > ∆Рст / ρжhω2 , тогда давление от
вибрации будет больше статического давления, и в течение некоторой части
4
7
периода колебания вибрационного давления жидкость или газ будет входить в
изделие из окружающей среды. Например, если ∆Pст= 0,1 МПа (1 кгс/см2) , тогда при частоте колебаний f = 80 Гц и А > 0,4 мм ∆Рдин> ∆Pст. На способ использования вибрации при контроле их герметичности изделий получен патент
РФ на изобретение.
В третьей главе приводятся теоретические положения по использованию вибрации, подводимой к элементам измерительных устройств для линеаризации их нелинейных характеристик. В работе предлагается к горизонтальной и барботажной трубкам подводить вибрации соответствующей амплитуды
и частоты. Для определения необходимой частоты fв и амплитуды Ak продольной вибрации горизонтальной трубки установлены выражения:
2
16V2σ
E г π ⋅ d тр
1
4σ
; (3) Ak >
. (4)
f в > ω / 2π =
−
2
3
2π Ak d тр l п ρ ж 4V 2 l п ρ ж
4 d тр l п ρ ж ω − E г π ⋅ d тр
Для определения необходимой частоты и амплитуды вибрации барботажной трубки пузырьковой камеры установлены выражения:
2
2
2
V2 48σ +3ρжgdмтр
ϖ
1 48σ + 3ρ ж gd мтр Eгπ ⋅ d мтр ;
. (5)
Aмk >
=
−
fв >
2
2
2π 2π 16d мтр hж ρ ж Aмk 4hж ρ жV2
4dмтр 4V2hжρжω + Eгπ dмтр
(
)
(
(
)
)
По известным уравнениям движения твердой частицы по вибрируемой
поверхности установлены и решены дифференциальные уравнения движения
жидкостного поршня вперед x в (t ) и назад x н (t ) в вибрируемой вдоль продольной оси горизонтальной трубке с учетом сил поверхностного натяжения жидко(6)
сти:
x в ( t ) = − 0 , 345 gt 2 − A sin ω t ; x н ( t ) = 0 , 345 gt 2 + A sin ω t .
Если сложить эти выражения для движения жидкостного поршня вперед
и назад, тогда в сумме получается нуль. Это свидетельствует о том, что жидкостный поршень в горизонтальной трубке при ее горизонтальном положении не
будет смещаться со временем в одну или другую сторону от приложенной к
трубке вибрации при отсутствии приложенного перепада давлений. Определено
также, что жидкостный поршень не будет отрываться от стенок горизонтальной трубки при изменении угла вибрации от 0 до 300. Проведены теоретические исследования по влиянию амплитуды и частоты вибрации горизонтальной
и барботажной трубки устройств контроля герметичности изделий в зависимости от диаметра трубок, от типа жидкости в пузырьковой камере или в горизонтальной трубке.
В четвертой главе проведены совершенствования гидростатического,
манометрического и пузырькового методов систем контроля герметичности изделий с использованием горизонтальной трубки и пузырьковой камеры путем
сообщения вибрации изделиям, контролируемых на герметичность, и измерительным устройствам для линеаризации нелинейных характеристик, а также
путем применения компенсационного способа контроля герметичности изделий; разработаны функциональные схемы шести систем автоматизированного
контроля герметичности изделий пробным газом или пробной жидкостью с использованием вибрации; проведен теоретический анализ компенсационного
способа контроля герметичности изделий; установлены дифференциальные
8
уравнения и передаточные функции измерительных преобразователей и усилителей вибрации, электромагнитного и моторного исполнительных устройств,
сильфонного регулирующего органа систем автоматического управления.
Пример разработанной принципиальной схемы системы автоматизированного контроля герметичности изделий газом компенсационным способом
с использованием вибрации и горизонтальной трубки приведен на рис. 1.
Рис.1 - Система автоматизированного
40
контроля герметично1
3
сти изделий
газом
2
37 компенсационным
5 39
V1;
способом с использо38
4
ванием вибрации и горизонтальной трубки:
16 17
6
1-источник контроль15
7 8 9 10 11
ного газа; 2, 4, 5, 6, 15,
R1
14
12 13
19
±х
20 38 - вентиль; 3 - эталонная емкость; 7, 37 18
27
28
23
датчик вибрации; 8,
24
25
11, 14 - скользящие
21 22
26
опоры; 9 - электромаг30
31
29
нитный вибратор; 10 –
32
33
толкатель; 12 - горизонтальная трубка; 13 34
жидкостный поршень;
16 - сильфон; 17 - резистор; 18 - емкостный измерительный преобразователь;
19, 42 - механический редуктор; 20, 29 - усилитель постоянного тока; 21, 25,
40 - гибкий трубопровод; 22, 23, 33 - усилитель напряжения; 24, 28 - показывающий и записывающий прибор; 26, 31, 34 - пропорциональный преобразователь; 27, 41 - электрический моторный исполнительный механизм; 30 –
управляющая вычислительная машина; 32 - монитор; 35 - изделие, испытываемое на герметичность; 36 - вибрационный стол; 39 - пневматический моторный вибратор; 43 - клапан регулирующий
41
42
43
35
36
Система автоматизированного контроля герметичности изделий газом с
использованием вибрации и горизонтальной трубки (рис.1) состоит из: а) системы автоматического управления амплитудой вибрации горизонтальной
трубки (элементы 12, 7-14, 22, 29, 30, 32); б) системы автоматического управления частотой вибрации изделия (элементы 37, 33, 30, 32, 34, 41, 42, 43, 39, 38,
36, 35, 40); в) системы автоматической компенсации утечек среды из изделия
при контроле его герметичности (элементы 12, 13, 18, 23, 30, 31, 27, 19, 16, 5,
40, 35); г) системы автоматического контроля герметичности изделия (элементы 35 16, 17, 20, 28, 26, 30, 32); д) системы автоматического контроля положения жидкостного поршня в горизонтальной трубке (элементы 12, 13, 18, 23, 24).
9
В системе (рис. 1) используются: а) вибрация изделия, испытываемого
на герметичность, для интенсификации утечек пробной среды; б) вибрация
горизонтальной трубки для линеаризации нелинейных характеристик; в) компенсационный способ для увеличения достоверности контроля герметичности
изделий. Разработано 6 вариантов систем автоматизированного контроля герметичности изделий газом или жидкостью.
На рис. 2 представлена функциональная схема системы автоматической
компенсации утечек среды из изделия при контроле герметичности (по рис.1),
которая реализует один из вариантов компенсационного способа контроля
герметичности изделий газом или жидкостью с использованием устройств с
горизонтальной трубкой в соответствии с полученным патентом РФ на изобретение.
ОУ2
Зд
ПП2
На рис. 3 приведена
свернутая функциональОУ1
хвх +
ная схема, представлен– ∆Vком± хвибр
ная на рис. 2.
Установлено
выражение
U 2∗
U5
U 3∗
U4
y вых 1 = x 2 / S 2 = х вх / S 2
ИМ
У1
Ф
Р
n1 (рис. 3), которое
Т
Т
показывает, что в момент
U7
∆V1 измер компенсации сигнал на
U6
S1
ПП1
R1
У2
выходе прямого звена 1,
У3
yвых
охваченного звеном 2
РО
обратной связи, пропорционален входному сиг∆Vпитание
налу х вх , не зависит от
Рис. 2 – Функциональная схема системы
S1
автоматической компенсации утечек среды из чувствительности
прямого звена 1, а завиизделия при контроле герметичности
сит от коэффициента
увых
увых1 3
∆х1
хвх
преобразования S 2 звена
1
+
2 обратной связи. Общая
–
х2 2
чувствительность S общ
компенсационной измеРис.3 - Свернутая функциональная
рительной системы для
схема, приведенная на рис. 2
утечек газа из изделия
(рис. 3): а) пропорциональна чувствительности третьего звена S 3 и обратно
пропорциональна чувствительности второго звена - звена обратной связи S 2
(то есть сильфону 16 на рис. 1) или S общ = S 3 / S 2 ; б) не зависит от чувстви∆V1фак
ИП1
S2
С1
С1
У4
U5
U1
тельности первого звена S1 , то есть от чувствительности горизонтальной трубки 13 (рис. 1) и присоединенных к ней устройств.
Для комплекса устройств (рис. 1), в который входят эталонная емкость 3,
изделие 35, горизонтальная трубка 12 с жидкостным поршнем 13 и сильфон 16,
10
выполняющий роль регулирующего органа в системе автоматического управления компенсацией утечек среды из изделия, определены дифференциальные
уравнения изменения давления во всей системе контроля ∆Pсис (t) и изделии
∆Pи (t) и расхода среды, поступающей в изделие ∆Q2 (t ) в зависимости от
смещения подвижного торца сильфона 16 ∆x1(t) , в следующем виде:
FcVи
∆ x1( t ) . (7)
Fc ρ г RT
∆ Pсис ( t ) = ∆ Pи ( t ) =
∆ x1 ( t ) ; ∆ Q 2 ( t ) =
(Vc + Vи + V p ) ∆ t
(V c + Vи + V p )
Перемещение жидкостного поршня в горизонтальной трубке ∆x2 (t) и
перемещение подвижного торца сильфона регулирующего органа ∆x1(t) , соединенного с изделием горизонтальной трубкой и эталонной емкостью устройства контроля герметичности изделий, имеют следующую взаимосвязь
x2(t ) =
4Fc
πd
2
тр
⎡
Vи
⎢1 −
Vc + Vи + V
⎣⎢
(
р
⎤
.
⎥ x1 ( t )
⎦⎥
)
(8)
Для вибрации горизонтальной трубки 12 (рис. 1) выбран электромагнит
общепромышленного назначения на постоянном токе и определена с учетом
литературных данных и конкретных систем контроля герметичности изделий
передаточная функция перемещения якоря электромагнита от тока, проходящего по обмотке, в виде W x / i ( s ) = к 6 T12 s 2 + 2 ξ T1 s + 1 , где к6, Т1, ξ - коэффициент преобразования, постоянная времени и коэффициент демпфирования. По
этой передаточной функции применительно к электромагниту 9 (рис. 1) с учетом граничных значений параметров электромагнита и горизонтальной трубки
определена передаточная функция в виде W x / i ( s ) = 24,45 0,004s 2 + 2s + 1000 .
По этому выражению определена частотная передаточная функция и построены
амплитудночастотные и фазочастотные характеристики и установлена работоспособность выбранного электромагнита в устройствах контроля герметичности изделий для вибрации горизонтальной трубки и барботажной трубки пузырьковой камеры.
Для измерения вибрации вибрируемых горизонтальной и барботажной
трубок и изделия, контролируемого на герметичность, выбраны по литературным данным необходимые пьезоэлектрические измерительные преобразователи
для измерения вибрации и усилители, для которых определена общая переда-
(
)
(
)
точная функция в виде WИП ( s) = U вых ( s ) U вых ( s ) = ms 2 к 2 ИП к3 ИП .
В пятой главе приведен синтез цифровых: а) системы автоматического
управления амплитудой вибрации горизонтальной трубки; б) системы автоматического управления компенсацией утечек газа из изделия при объекте управления как апериодическом звене второго порядка и как колебательном звене; в)
системы автоматического управления частотой вибрации изделия контролируемого на герметичность. На рис. 4 приведена функциональная схема САУ
амплитудой вибрации горизонтальной трубки, на рис. 5 - функциональная и
структурная схемы управляемого процесса САУ амплитудой вибрации, а на
рис. 6 - структурная схема САУ амплитудой вибрации горизонтальной трубки
устройств контроля герметичности изделий.
11
U2
Зд
∆U
_
Р
Т
Рис. 4 - Функциональная
схема САУ амплитудой вибрации горизонтальной трубки
устройства автоматизированного контроля герметичности
изделий (по рис. 1)
U5
U6
У2
ИМ
ИМ1
а)
х1
ОУ
U5(s)
x осн (s)
хосн
U1
У1
U6
U5 У2 U6
ИМ
х
ИМ1 1
ИП1-3
Q
РВ
ИП1-2
ИП1
Q
Р
ИП1-1 В ИП1-2
к6
хосн
ОУ
UВЫХ
U6(s)
К5
к1ИП s 2
Т
Ф
ИП1
хосн
ИП1-1
ИП1-3
UВЫХ
У1
U1
хосн(s)
T12 s 2 + 2ξ1T1 s + 1
Pв (s) к
Q( s )
2 ИП
к3 ИП
Uвых(s)
К4
U1(s)
б)
Рис. 5 – Схема управляемого процесса САУ амплитудой вибрации горизонтальной трубки: а) функциональная, б) структурная
U2(s)
∆U(s)
_
U 3∗ (s)
Gp(s)
U 4∗ (s)
Gho(s)
U5(s)
Gуп(s)
U1(s)
Рис. 6 - Структурная схема САУ амплитудой вибрации горизонтальной трубки
Передаточная функция управляемого процесса САУ амплитудой вибрации горизонтальной трубки Gуп (s) = к1ИПк2ИПк3ИПк4к5к6 ⋅ s 2 T12 s 2 + 2ξ1T1s + 1
(
)
или после перехода к z-преобразованию с интерполятором нулевого порядка
(9)
GhоG уп ( z ) = 0,513z 3 − 0,973z 2 + 0,460 z z 3 − 1,415 z 2 + 0,606 z .
На рис. 7 приведены логарифмические амплитудночастотная (кривая 1) и
фазочастотная (кривая 2) характеристики управляемого процесса для САУ
амплитудой вибрации горизонтальной трубки, построенные по выражению (9).
По этим характеристикам управляемого процесса выбран регулятор с
передаточной функцией на W - плоскости G p ( w) = К р (1 + 1000 ,02 w ) / (1 + 79, 43 w ) .
После перехода к z- преобразованию передаточная функция регулятора
(10)
принимает вид
G p ( z ) = К р ⋅ (z − 0,998) (z − 0,975) .
12
Передаточная функция управляемого процесса (9) совместно с
передаточной функцией выбранного регулятора (10) для САУ амплитудой
вибрации горизонтальной трубки принимает вид
G p ( z)Ghо G уп ( z) = (513,5z 4 − 1486,5z 3 + 1432,5z 2 − 459,5z ) / (80,4z 4 − 192,2 z 3 + 158,5z 2 − 47,5z ). (11)
Lуп(ωw)
дБ
80
3
40
4
0
-90
-180
-270
2
ϕ(ωw )
градус
0,01 0,0
0,06 0,1 0,2 0,4 0,6 1,0
1
Рис.7 – Логарифмические
амплитудночастотные
(кривые 1 и 3) и
фазочастотные
(кривые 2 и 4)
характеристики
управляемого процесса (кривые 1 и 2)
и замкнутой САУ
амплитудой вибрации горизонтальной
трубки с выбранным
регулятором
(кривые 3 и 4)
−1
2,0 4,0 ω w с
С использованием выражения (11) построены (рис. 7) логарифмические
амплитудночастотная (кривые 3) и фазочастотная (кривая 4) и переходные характеристики (рис. 8) замкнутой САУ амплитудой вибрации горизонтальной
трубки с выбранным цифровым регулятором, которые указывают на устойчивость САУ на рассматриваемом интервале частот и удовлетворительный переходный процесс.
Проведена реализация выбранного цифU 1 (t )
3
2
рового регулятора для САУ амплитудой
мВ
вибрации горизонтальной трубки устройст0,8
ва контроля герметичности изделий в виде
1
импульсного RC – фильтра. После перехода
0,6
от z - к s - преобразованию выражения (10)
Кривая 1 при Кр = 20,0;
0,4
получим G p (s) = К р (1 + 0,486s ) 1 + 0,039s .
кривая 2 при Кр = 400;
кривая 3 при Кр = 2000
Импульсный дифференцирующий RC - кон0,2
тур имеет W ( s ) = G 0 ⋅ (1 + Т 1 s ) / (1 + Т 2 s ) , где
Т1 = R1 ⋅ C1 ; Т 2 = R1 R2 C (R1 + R2 ) ;
t с
0,01 0,02
0
Рис. 8 – Переходные характе- G0 = R2 ( R1 + R2 ) . Сопоставляя значения
ристики САУ амплитудой вибра- параметров по этим двум передаточным
ции горизонтальной трубки с вы- функциям определены численные значения
бранным регулятором
элементов RC- контура.
Для САУ компенсацией утечек газа из изделия с объектом управления
как апериодическим звеном второго порядка при ξ ≥ 1 и цифровыми П и ПИ
регуляторами получены результаты, приведенные на рис. 9 и 10, показывающие
хорошую работу системы управления.
13
U1 (t )
мВ
1,0
5
3 4
0,8
2
0,6
0,4
1
0,2
Lуп(ωw)0
Рис. 9 - Переходные
характеристики замкнутой САУ компенсацией
утечек газа из изделия
при ξ ≥ 1 : а) с цифровым П регулятором:
1 - Кр = 0,1; 2 - Кр = 0,5;
3 - Кр =1,0; б) с цифровым ПИ регулятором :
4 - Кр = 0,5; 5– Кр = 1,0.
0,2
0,4
0,6
0,8
дБ
20
0 1
-20
+90
0
-90
-180
ϕ (ω )
2
w
градус0,01
0,04
0,1 0,2 0,4
1,0
1,2
t с
Рис. 10 – Логарифмические
амплитудночастот3
ные и фазочастотные характеристики для управляемого процесса (кривые
4
1 и 2) и для САУ компенсацией утечек газа из
изделия ξ ≥ 1 с цифроПИ регулятором
−1вым
1,0 2,0 4,0 ω w / с (кривые 3 и 4).
САУ компенсацией утечек газа из изделия с объектом управления как
колебательным звеном с ξ < 1 неудовлетворительно работает с П и ПИ регуляторами, поэтому выбран регулятор по логарифмическим частотным характеристикам управляемого процесса (кривые 1 и 2 на рис. 11), который имеет передаточную функцию G p ( z ) = К р ( z − 0,905 ) / ( z − 0,333 ) .
Рис. 11 – ЛогарифLуп(ωw)
3
мические
амплитудночастотные и
дБ
1
фазочастотные ха30
рактеристики
для
15
управляемого процесса
(кривые 1 и 2)
0
4
и для САУ компен-90
2
сацией утечек газа
-180
из изделия при
-270
ξ < 1 с выбранным
ϕ (ω w )
регулятором (кри−1
градус
0,01 0,02 0,06 0,1 0,2 0,4 0,6 1,0 2,0 4,0 ωw / с вые 3 и 4).
На рис. 12 и 13 приведены частотные и переходные характеристики для
системы автоматического управления частотой вибрации изделия, испытываемого на герметичность, с цифровыми П и ПИ регуляторами, которые отражают удовлетворительную работу САУ.
14
U1(t)
мВ
5
3
30
1
2
САУ вибрации изделия:
3-ЛАЧХ, 4-ЛФЧХ
60
3
0,75
0,25
дБ
4
1,00
0,50
Lуп(ωw)
ПИ регулятор: кривые 3, 4 и 5
4
2
0
П регулятор:
кривые 1 и 2
1
Управляемый процесс:
1-ЛАЧХ, 2-ЛФЧХ
-90
ϕ(ωw)
t с град. 0,01
0,4 1,0 ω w / с −1
Рис.13 – Частотные характеристиРис. 12 - Переходные характеристики САУ вибрации изделия
ки управляемого процесса и САУ
вибрации изделия
В шестой главе приведены результаты экспериментальных исследований
по частоте вибрации горизонтальной трубки (рис. 14) и барботажной трубки, по
точности контроля герметичности изделий компенсационным способом с использованием вибрации (рис. 15 и таблица 1) и сопоставление полученных данных с теоретическими.
Vизм Погрешность контроля герметичности
fв
изделий классов В, С и D
Кривые 1 и 3 для жидкост- 103 мм3
Гц
ного поршня из воды, а кри30
вые 2 и 4 - из ртути. Теоре1
тические кривые 1 и 2, экс2
1 периментальные - 3 и 4
2
20
2
3
Погрешность контроля
1
герметичности изделий
10
класса А
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10
4
−3
1,5 Ак 10 м
1,0
0,5
0
Рис. 14 – Зависимость частоты fв
колебаний горизонтальной трубки,
необходимой для сдвига жидкостного
поршня при вибрации, от амплитуды
колебаний Ак
0
0,1
1
3
3
2 Vут 10 мм
Рис. 15 - Изменение погрешности контроля герметичности изделий классов A, В, С и D в зависимости от объема изделия, контролируемого на герметичность
Таблица1 - Оценка погрешностей измерения утечек газа из изделия
Измеряемый объем утечек газа из 9,85
314,0 628,0 1256 1884
изделия, мм3
Погрешность оценки утечек газа
из изделия при компенсационном ± 4,93 ± 4,93 ±7,39 ±7,39 ±9,85
(±1,57) (±1,18) (±0,59 ) (±0,52)
способе контроля герметичности,
3
мм , (%)
Погрешность оценки утечек газа
±10 мм3 ± 5,0 % ± 5,0 % ± 5,0 % ± 5,0 %
по ГОСТ 9544-93
15
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Разработан и теоретически обоснован метод контроля герметичности
изделий жидкостью или газом с использованием вибрации, который может
применяться в сочетании с известными методами контроля герметичности, например, манометрическим, гидростатическим или пузырьковым.
2. Полученные теоретические зависимости по предложенному методу позволяют определять мгновенные (текущие) расходы среды через щели изделий
в течение периода вибрационного воздействия на изделие, средние суммарные
и отдельные составляющие расхода среды через щели от статического давления и от динамического давления, создаваемого за счет вибрации изделия.
3. Разработан компенсационный способ контроля герметичности изделий
применительно к манометрическому и гидростатическому методам с использованием горизонтальной трубки, позволяющий повысить точность контроля
герметичности изделий на 15-30 %.
4. Выведены аналитические выражения, позволяющие определить необходимую частоту и амплитуду продольной вибрации горизонтальной трубки
и барботажной трубки устройств контроля герметичности изделий в зависимости от диаметра горизонтальной или барботажной трубки и типа жидкости
поршня горизонтальной трубки (вода, ртуть, этиловый эфир) или типа жидкости в пузырьковой камере.
5. Выведены дифференциальные уравнения давления и расхода газа,
создаваемых сильфонным регулирующим органом, соединенным с изделием,
горизонтальной трубкой и эталонной емкостью для компенсационного способа контроля герметичности изделий.
6. Разработаны системы автоматизированного контроля герметичности
изделий пробным газом или пробной жидкостью (шесть вариантов) при подведении к изделию вибрации с использованием устройств с горизонтальной
трубкой или пузырьковой камерой, каждая из которых содержит: а) САУ амплитудой вибрации горизонтальной трубки или барботажной трубки, б)
САУ частотой вибрации изделия, в) систему автоматического контроля герметичности изделия.
7. Проведен анализ управляемого процесса в частотной области с использованием логарифмических частотных характеристик и билинейного преобразования передаточных функций на W плоскости, расчетным путем выбран
цифровой регулятор и построены частотные и переходные характеристики
для САУ амплитудой вибрации горизонтальной трубки, САУ компенсацией
утечек пробной среды из изделия и САУ вибрации изделий.
8. Полученные теоретические и экспериментальные результаты исследований позволяют проводить контроль герметичности изделий, например, затворов трубопроводной арматуры всех классов герметичности А – D в соответствии с требованиями стандартов.
16
Основные результаты диссертации опубликованы в работах:
1. Абубакиров, Д.Р. Испытания изделий на герметичность жидкостью с использованием пузырьковой камеры при неравных давлениях контрольного газа и жидкости /
Н.И. Жежера, Д.Р. Абубакиров // Законодательная и прикладная метрология. - 2006. - №1.С.62-64.
2. Абубакиров, Д.Р. Влияние касательных и капиллярных напряжений на движение и
диаметр жидкостного поршня горизонтальной трубки устройств испытаний изделий на герметичность / Н.И. Жежера, Д.Р. Абубакиров // Законодательная и прикладная метрология. –
2006. - №4. – С. 49-52.
3. Пат. 2296311 Российская Федерация, МПК8 G 01 M 3/26. Устройство контроля герметичности изделий / Жежера Н.И., Абубакиров Д.Р.; заявитель и патентообладатель
Оренбургский государственный университет. - №2005134093/28; заявл. 03.11. 2005; опубл.
27.03. 2007, Бюл. №9. – 7 с.
4. Пат. 2297609 Российская Федерация, МПК8 G 01 M 3/06. Способ испытания изделий на герметичность / Жежера Н.И., Абубакиров Д.Р.; заявитель и патентообладатель
Оренбургский государственный университет. - №2005135761/28; заявл. 17.11. 2005; опубл.
20.04. 2007, Бюл. №11. – 7 с.
5. Пат. 2308691 Российская Федерация, МПК8 G 01 M 3/06. Способ испытания цельных или с неподвижными соединениями изделий на герметичность
/ Жежера Н.И.,
Абубакиров Д.Р.; заявитель и патентообладатель Оренбургский государственный университет. -№2006114336/28; заявл. 26.04.2006; опубл. 20.10. 2007, Бюл. №29. - 5 с.
6. Абубакиров, Д.Р. Испытания с вибрацией изделий на герметичность жидкостью
устройством с горизонтальной трубкой / Н.И. Жежера, Д.Р. Абубакиров // Законодательная и
прикладная метрология. – 2007. - №3. – С. 82-84.
7. Абубакиров, Д.Р. Испытания изделий на герметичность жидкостью с использованием горизонтальной трубки при неравных давлениях контрольного газа и жидкости : матер.
всероссийской науч.- прак. конференции «Вызовы ХХI века и образование» / Н.И. Жежера,
Д.Р. Абубакиров. – Оренбург : ГОУ ОГУ, 2006. – С. 39-43.
8. Абубакиров, Д.Р. Испытания изделий на герметичность устройством с барботером
при сообщении изделию вибрации : матер. всероссийской науч.- практ. конференции «Интеграционные евразийские процессы в науке, образовании и производстве» / Н.И. Жежера,
Д.Р. Абубакиров. – Уфа : Гилем, 2006.– С. 76-80.
9. Абубакиров, Д.Р. Испытания изделий на герметичность жидкостью устройством с
пузырьковой камерой при сообщении изделию вибрации : матер. всероссийской науч. конференции «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике» /
Д.Р.Абубакиров. – Оренбург : ОГУ, 2006. – С. 87-90.
10 Абубакиров, Д.Р. Частота продольной вибрации горизонтальной трубки при испытаниях изделий на герметичность: матер. всероссийской науч.- практ. конференции «Развитие университетского комплекса как фактор повышения инновационного и образовательного потенциала региона» / Н.И. Жежера, Д.Р. Абубакиров; Оренбургский государственный
университет. – Оренбург : ОГУ, 2007. - С. 22- 27.