Методологические основы автоматизированного контроля качества датчиков давления
На правах рукописи
УДК 658.562.4:681.586'326(043.3)
Марков Андрей Валентинович
МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ
Специальность 05.02.23 – «Стандартизация и управление качеством продукции»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Санкт-Петербург
2011
Работа выполнена в ГОУ ВПО Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Санкт-Петербург
Научный консультант:
доктор технических наук, старший научный сотрудник
Сулаберидзе Владимир Шалвович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Белов Альберт Васильевич
доктор технических наук, профессор Ефремов Леонид Владимирович
доктор технических наук, профессор Хамидуллин Вакиф Карамович
Ведущая организация:
ГОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Защита состоится 20 октября 2011 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.010.03 при Балтийском государственном техническом университете «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова по адресу:
Санкт-Петербург, 1-ая Красноармейская ул., д. 1
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета
Автореферат разослан «___» ___________ 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Ю.В. Петров
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы диссертации. Проблемы улучшения качества датчиков давления неразрывно связаны с уровнем их метрологического обеспечения. Показателями качества датчиков давления являются: метрологические характеристики (диапазон, точность, быстродействие), стабильность показаний, метрологическая надежность. В Федеральном законе об обеспечении единства измерений (№ 102-ФЗ от 26.06.2008 г.) особое значение придается проблеме подтверждения соответствия средств измерений метрологическим требованиям. Поскольку метрологические характеристики с течением времени изменяются, то важным методом обеспечения требуемого качества датчиков давления является периодический контроль метрологических характеристик. При этом технические возможности повышения качества продукции обусловлены уровнем методического и инструментального оснащения операций контроля. Использование для этих целей средств измерения абсолютного давления, предписываемых нормативными документами (ГОСТ 8.223 ГСИ), таких как грузопоршневые манометры, оказывается целесообразным только для прецизионных измерений в силу того, что данные приборы характеризуются низкой производительностью измерительных операций и требуются специальные лабораторные условия для их эксплуатации. Отмеченные недостатки данной техники измерения давления являются «сдерживающими» факторами для более широкого применения методов и средств контроля качества датчиков давления при производстве и эксплуатации.
Развитие измерительной техники, постоянное совершенствование технических характеристик приборов контроля давления воздуха, широкое внедрение информационно-измерительных систем приводят к изменению методологии автоматизированного контроля качества средств измерения давления газа как при их производстве, так и при эксплуатации. Для повышения эффективности контроля качества датчиков давления должны создаваться автоматизированные комплексы, состоящие из: грузопоршневого манометра (ГПМ); автоматизированной системы задания давления (АСЗД), используемой в качестве многозначной эталонной меры давления воздуха; прибора сравнения; ЭВМ с соответствующим программным обеспечением. Для периодической калибровки эталонного датчика давления (ЭДД) АСЗД предназначен ГПМ. Процесс контроля с помощью автоматизированного комплекса заключается в сравнении выходных сигналов контролируемого датчика и АСЗД.
В автоматизированных и высокопроизводительных системах контроля качества датчиков давления можно получать данные, необходимые для оценки запаса метрологической надежности и прогноза метрологической исправности датчиков давления на предстоящий межповерочный интервал.
Одной из главных методологических проблем автоматизированного контроля качества средств измерения давления воздуха является высокое требование к точности приборов, которое не всегда возможно обеспечить достаточным запасом по точности АСЗД и ГПМ. Достоверность контроля качества измерителей давления и калибровки ЭДД АСЗД приходится обеспечивать усложнением организации поверочных работ и введением жестких приемочных допусков.
Разработка АСЗД осложняется рядом теоретических и практических проблем, главная из которых заключается в том, что при большом диапазоне [0,7 285 кПа] задаваемых давлений разница расходов воздуха при наполнении и опустошении рабочей полости поверяемых устройств достигает значительной величины. Рассматриваемый в работе диапазон давления относится к таким областям измерительной техники, как авиационные приборы и приборы контроля герметичности. Для решения этой задачи в работе предлагается использовать пневморегуляторы постоянного перепада давлений, обеспечивающие достаточно малые величины перепада давления на дросселирующих участках регулирующего органа, что позволяет достичь практически идентичности расходных характеристик при регулировании давления.
Принцип действия, используемых в авиационной и ракетно-космической технике высотомеров, основан на измерении атмосферного давления воздуха. В судостроении контроль герметичности больших замкнутых полостей в основном осуществляется по результатам изменения давления воздуха, накаченного в контролируемый объем. Датчики давления, применяемые для данных областей техники, должны обладать высокой точностью. Небольшое изменение атмосферного давления воздуха соответствует значительному повышению (понижению) высоты полета летательного аппарата (особенно это важно в слоях атмосферы близких к земной поверхности). При контроле герметичности течью считается незначительное падение давления воздуха в замкнутом сосуде за короткий промежуток времени. Таким образом, для калибровки и контроля качества приборов измерения давления, используемых в авиационной, ракетно-космической и судостроительной промышленностях необходима прецизионная (максимально допустимая погрешность 20 Па в диапазоне от 0,7 до 100 кПа и 0,015% верхней границы шкалы в диапазоне от 100 до 285 кПа) и производительная система контроля качества датчиков давления.
Работа выполнялась в рамках договора НИР № У5-22-5021 «Разработка и изготовление модернизированного образцового средства измерения абсолютного давления с диапазоном до 300 кПа и 720 кПа».
Результаты работы содействуют выполнению исследований Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 – 2012 годы», утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации от 17 октября 2006 г. N 613.
В работе решена актуальная научная проблема разработки методологии автоматизированного контроля качества датчиков давления и реализующих их инструментальных средств в виде систем задания давления воздуха, обеспечивающих точный и оперативный контроль и калибровку как на стадии технологического контроля в процессе производства, так и в процессе эксплуатации изделий.
Успешному решению сформулированной в работе проблемы в значительной мере способствовали труды отечественных и зарубежных ученых и специалистов: Бесекерского В.А., Белова А.В., Бессонова А.А., Ефремова Л.В., Загашвили Ю.В., Изермана Р., Окрепилова В.В., Сулаберидзе В.Ш., Хамидуллина В.К., Черненькой Л.В., Эйкхоффа П. и др.
Цель работы: Разработка теоретических основ синтеза средств и методов автоматизированного оперативного контроля качества датчиков давления в процессе их производства и эксплуатации.
Для достижения указанной цели решены следующие задачи:
- Определены основные направления разработки методов и средств автоматизированного контроля качества датчиков давления воздуха с применением инструментов анализа показателей качества продукции.
- Разработана структура прецизионной системы контроля качества датчиков давления на основе автоматизированной системы задания давления, включающей блок пневморегуляторов постоянного перепада.
- Теоретически исследованы расходные характеристики регулирующего органа при течении воздуха с постоянными перепадами давлений.
- Разработана и экспериментально верифицирована математическая модель системы автоматизированного задания давления воздуха.
- Обоснована целесообразность применения цифрового параметрически оптимизируемого закона управления при синтезе регулятора автоматизированной системы задания давления воздуха.
- Применен многомодельный подход к анализу и аналитическому описанию функции преобразования датчика давления с учетом множества состояний контролируемых параметров качества.
- Научно обоснована точность средств измерения (задания) давления, входящих в систему автоматизированного контроля качества датчиков давления при определенном соотношении погрешностей эталонного и контролируемого приборов.
- Разработаны математическое, алгоритмическое, программное и аппаратное обеспечения систем автоматизированного контроля качества датчиков давления.
- Проведены экспериментальные исследования для проверки эффективности предложенных математических моделей.
Методы исследований. Достижение поставленной цели обеспечено путем проведения теоретических и экспериментальных исследований. Основные выводы, положения и рекомендации обоснованы теоретическими расчетами и сравнением с экспериментальными данными. Математические модели имеют наглядную физическую интерпретацию и реализованы в программной среде MATLAB. В работе использованы методы теории систем и автоматического регулирования, моделирования систем, теории вероятностей и математической статистики, основные законы и положения газовой динамики. Экспериментальная часть выполнена с использованием персональной ЭВМ с привлечением методов графического программирования среды LabVIEW.
Научная новизна работы заключается в:
- разработке структуры прецизионной системы контроля качества датчиков давления на основе автоматизированной системы задания давления, включающей блок пневморегуляторов постоянного перепада. Впервые теоретически доказано и обосновано применение пневморегуляторов постоянного перепада давлений для расширения диапазона задаваемых давлений и повышения точности;
- разработке новой математической модели для расчета расходных характеристик регулирующего органа при течении воздуха с постоянными перепадами давлений;
разработке новой математической модели двухконтурной автоматизированной системы задания давления воздуха, позволяющей получить аналитическую зависимость между величиной перепада давлений на регулирующем органе и параметрами режима контроля;
- экспериментальном подтверждении и реализации математического, алгоритмического, программного и аппаратного обеспечения систем автоматизированного контроля качества датчиков давления;
- разработке элементов многомодельного подхода к анализу и аналитическому описанию функции преобразования датчика давления с учетом множества состояний контролируемых параметров качества;
- теоретическом обосновании точности средств измерения (задания) давления, обеспечивающей достоверность автоматизированного контроля качества, а именно: соответствие метрологических характеристик датчиков давления требуемым при определенном соотношении погрешностей эталонного и контролируемого приборов.
Достоверность и обоснованность научных положений и результатов работы обусловливаются:
- применением апробированного математического аппарата и методов управления качеством продукции;
- использованием известных физических эффектов и закономерностей;
- достаточно высокой сходимостью результатов расчетов по разработанным математическим моделям с экспериментальными данными, полученными в работе.
Практическая значимость работы определяется внедрением и использованием основных положений, выводов и рекомендаций, полученных при исследовании и разработке АСЗД как основного инструментального средства автоматизированного контроля качества датчиков давления. Практическую значимость работы представляют:
- теоретически обоснованное предложение использовать пневморегуляторы постоянного перепада давлений для улучшения статических характеристик регулирующего органа;
- созданный экспериментальный образец автоматического задатчика давления воздуха и программное обеспечение;
- научно обоснованный выбор точности средств измерения (задания) давления, входящих в систему автоматизированного контроля качества датчиков давления при определенном соотношении погрешностей эталонного и контролируемого приборов.
На защиту выносятся:
- Теоретическое обоснование применения пневморегуляторов постоянного перепада давлений для решения задач автоматического задания абсолютного давления газа в замкнутом объеме в широком диапазоне и с повышенной точностью.
- Математическая модель для расчета расходных характеристик регулирующего органа при течении воздуха с постоянными перепадами давлений.
- Математическая модель двухконтурной автоматизированной системы задания давления воздуха.
- Многомодельный подход к анализу и аналитическому описанию функции преобразования датчика давления с учетом множества состояний контролируемых параметров качества.
5. Теоретическое обоснование точности средств измерения (задания) давления, обеспечивающей достоверность автоматизированного контроля качества, а именно: соответствие метрологических характеристик датчиков давления требуемым при определенном соотношении погрешностей эталонного и контролируемого приборов.
Реализация результатов работы осуществлена в:
1. ГУП «Центральный научно-исследовательский институт технологии судостроения» при проведении научных исследований и конструкторских проработок в области создания новых видов приборов:
- предложенная структура системы автоматического регулирования давления использовалась при выполнении НИР, связанной с разработкой перспективных датчиков для систем автоматического управления;
- теоретические и экспериментальные результаты исследований вопросов течения воздуха с постоянными перепадами давления нашли практическое применение при разработке новых видов приборов контроля герметичности.
2. КБ «Арматура» филиала ГКНПЦ им. М.В. Хруничева в работах, связанных с разработкой и созданием агрегатов и систем пневмоавтоматики:
- предложенный многомодельный подход к анализу и аналитическому описанию функции преобразования датчика давления с учетом множества состояний контролируемых параметров качества;
- структура прецизионной системы контроля качества датчиков давления на основе автоматического задатчика давления, включающего блок пневморегуляторов постоянного перепада;
- решения, полученные в рамках разработанных методических основ автоматизированного контроля качества датчиков давления, обеспечивающие достоверность контроля, а именно: соответствие метрологических характеристик датчиков давления требуемым при определенном соотношении погрешностей эталонного и контролируемого приборов.
3. ФГУП «Адмиралтейские верфи» для совершенствования процесса метрологического обеспечения на предприятии в части обучения персонала и улучшения порядка управления приборами измерения давления и контроля качества.
4. ГОУ ДПО Академия стандартизации, метрологии и сертификации в работах, связанных с преподаванием по специальностям метрологического обеспечения теплотехнических и радиотехнических измерений, а также измерительных каналов измерительных систем, по математическому, алгоритмическому и программному обеспечению методологии автоматизированного контроля качества измерительных преобразователей на основе технологии виртуальных приборов в среде графического программирования LabVIEW.
5. ГОУ ВПО Владимирский государственный университет в учебном процессе использованы основные положения и теоретические результаты диссертации на кафедрах «Автоматические и мехатронные системы», «Управление качеством и техническое регулирование» для подготовки магистров по направлениям 220200 «Автоматизация и управление», 200500.68 «Стандартизация и метрология» при проведении лекций и научно-производственной практике.
6. ГОУ ВПО Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова в учебном процессе использованы основные положения и теоретические результаты диссертации на кафедре «Инжиниринг и менеджмент качества» и отражены в рабочих программах следующих дисциплин: «Моделирование измерительных процессов», «Проектирование измерительных приборов и систем», «Автоматизация измерений, контроля и испытаний», «Метрологическое обеспечение производства».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: Третьей международной конференции по проблемам физической метрологии, Санкт-Петербург, Россия, 1998 г.; Первой международной молодежной школе-семинаре, Санкт-Петербург, Россия, 1998 г.; International student's competition at Houston, USA, 1998; Second European region student's competition ERSC ' 99. Catania, Italy – St.Petersburg, Russia – Cork, Ireland, 1999; Международной конференции Транском’2001 «Управление и информационные технологии на транспорте», Санкт-Петербург, 2001; 59-й научно-технической конференции, посвященной Дню радио. Санкт-Петербург, 2004; Международной конференции «Четвертые Окуневские чтения», Санкт-Петербург, 2004; Четвертой международной школе-семинаре «Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем», Санкт-Петербург, 2004; 60-й научно-технической конференции, посвященной Дню радио, Санкт-Петербург, 2005; Международной конференции «Пятые Окуневские чтения», Санкт-Петербург, 2006; 61-й научно-технической конференции, посвященной Дню радио, Санкт-Петербург, 2006; 62-й научно-технической конференции, посвященной Дню радио, Санкт-Петербург, 2007; Международной конференции «Шестые Окуневские чтения», Санкт-Петербург, 2008; Всероссийской научно-практической конференции «Фундаментальные основы баллистического проектирования», Санкт-Петербург, 2010; 65-й научно-технической конференции, посвященной Дню радио, Санкт-Петербург, 2010; Общероссийской молодежной научно-технической конференции «Молодежь. Техника. Космос», Санкт-Петербург, 2011.
Личный вклад автора заключается в:
- теоретическом исследовании и обосновании применения пневморегуляторов постоянного перепада давлений для решения задач автоматизированного задания абсолютного давления газа в замкнутом объеме в широком диапазоне и с повышенной точностью;
- разработке новой математической модели для расчета расходных характеристик регулирующего органа при течении воздуха с постоянными перепадами давлений;
- разработке новой математической модели двухконтурной автоматизированной системы задания давления воздуха, позволяющей получить аналитическую зависимость между величиной перепада давлений на регулирующем органе и параметрами режима контроля;
- обосновании и разработке элементов многомодельного подхода к анализу и аналитическому описанию функции преобразования датчика давления с учетом множества состояний контролируемых параметров качества;
- научном обосновании точности средств измерения (задания) давления, обеспечивающей достоверность автоматизированного контроля качества, а именно: соответствие метрологических характеристик датчиков давления требуемым при определенном соотношении погрешностей эталонного и контролируемого приборов.
Публикации. По тематике исследований опубликовано 47 печатных работ, в том числе 15 статей в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, 1 монография, 1 патент РФ на полезную модель, 6 учебных пособий и методических указаний к лабораторным практикумам.
Структура и объем диссертации: Работа состоит из введения, 6 глав, заключения, библиографического списка, включающего 122 наименования, 3 приложений. Работа изложена на 215 страницах машинописного текста. Работа содержит 21 таблицу, 51 рисунок.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дается обоснование актуальности темы диссертации, формулируются цели и задачи исследований, определены основные этапы реализации задач, поставленных в работе.
В первой главе с целью реинжиниринга процесса автоматизированного контроля качества датчиков давления и выявления необходимых технических средств и методик контроля проведен структурный анализ по методологии IDEF0. На рис. 1 представлена контекстная диаграмма А0 («как должно быть»); на рис. 2 – ее декомпозиция, разработанные с помощью программного средства BPwin. Основными техническими средствами при контроле качества датчиков давления являются эталонный манометр, автоматизированная система задания давления, ЭВМ и специальные программные средства (программное обеспечение, разработанное в среде визуального программирования LabVIEW); управляющими воздействиями – методика калибровки чувствительного элемента АСЗД, методика построения функции преобразования чувствительного элемента АСЗД, методика контроля качества датчиков давления.
Рис. 1. Контекстная диаграмма А0
Рис. 2. Декомпозиция диаграммы А0
Результаты структурного анализа позволяют сформулировать основные требования к АСЗД: максимально допустимая погрешность 20 Па в диапазоне от 0,7 до 100 кПа и 0,015% верхней границы шкалы в диапазоне от 100 до 285 кПа; диапазон рабочего давления (0,7 285 кПа); высокая надежность и максимальная простота, обеспечивающая внедрение и эффективность применения АСЗД в производственных условиях; автоматическое воспроизведение требуемых значений давления, а также скоростей его изменения. Смена основного технического средства контроля меняет методику контроля качества датчиков давления, которая должна учитывать автоматизированный характер контроля.
Для выявления требований к техническим средствам автоматизированного контроля качества датчиков давления применен метод развертывания функций качества (QFD-анализ), который подтвердил результаты, полученные при структурном анализе по методологии IDEF0.
QFD-анализ установил наибольшую важность таких характеристик технических средств контроля качества датчиков давления как: погрешность измерения, стабильность задания физической величины и возможность регулирования скорости изменения давления, а также необходимо улучшения таких инженерных характеристик, как напряженность электромагнитного поля и диапазон задаваемых давлений. Наименее значимыми техническими характеристиками, оказались такие как: масса, габаритные размеры, потребляемая мощность и рабочая температура.
На основании QFD-анализа проводился обзор современного состояния разработок технических средств и методик ведущих иностранных и отечественных организаций в области систем автоматического задания давления для выбора аналогов.
Анализ технических характеристик приборов измерения и воспроизведения давления позволяет сделать выводы:
- отечественные промышленные регуляторы давления не обеспечивают требуемой точности и производительности измерений из-за присущих им конструктивных недостатков;
- эталонные устройства измерительной техники – грузопоршневые приборы – манометры и задатчики давления обладают высокой точностью, но являются лабораторными установками, которые привязаны к географической широте места, чувствительны к вибрации, имеют низкую производительность измерений, и могут быть использованы только при калибровке автоматической системы задания давления.
Для обеспечения требуемой точности и повышения производительности процесса контроля и поверки датчиков абсолютного давления в мировой практике появляются тенденции к совместному использованию грузопоршневых приборов и автоматических систем задания давления с эталонными частотными датчиками абсолютного давления. В этом случае грузопоршневым приборам отводится функция калибровки эталонного датчика давления автоматической системы задания давления.
Высокоточные датчики давления могут быть использованы в качестве рабочего эталона для поверки, калибровки и контроля качества приборов измерения давления. Однако для этого требуется наличие устройства для задания давления, подлежащего измерению поверяемым прибором, в качестве которого может быть использован обширный ряд различных задатчиков давления, основанных на принципах грузопоршневого или ртутного манометров. Применение этих приборов требует ручного управления, и они не пригодны для непосредственного автоматического управления или интеграции совместно с высокоточным датчиком давления в более крупные автоматизированные испытательные системы. Поэтому остается актуальной проблема создания и повышения точности автоматизированная система задания давления. Она может быть решена путем применения в качестве чувствительного элемента высокоточного датчика давления с частотным выходом.
С целью количественной сопоставительной оценки технических характеристик автоматизированных систем задания давления проведен их квалиметрический анализ. В качестве исследуемого изделия выбрана АСЗД, предлагаемая в работе, которая обладает относительно небольшой погрешностью задания абсолютного давления и высокой стабильностью показаний задаваемой величины давления. Указанные две характеристики отражают работу прибора в целом, и, следовательно, обуславливают выбор аналогов, в качестве которых выступают следующие типы задатчиков давления: цифровой задатчик давления модели DPI-515 («Druck GE», Великобритания) и высокоскоростной пневматический задатчик давления модели СРС3000 («WIKA», Германия).
В процессе квалиметрического анализа определены следующую основные группы показателей качества АСЗД:
- Показатель назначения (конструктивные показатели (габаритные размеры, масса), эксплуатационные показатели (рабочая температура, потребляемая мощность), классификационные показатели (диапазон давлений, погрешность и производительность измерений).
- Показатель эргономики (удобство в использовании) – в баллах.
- Показатель безопасности (напряженность электромагнитного поля в диапазоне частот от 5 Гц до 2 кГц).
- Показатель надежности (стабильность показаний за год).
В качестве базового изделия выбран высокоскоростной пневматический задатчик давления модели СРС-3000.
В работе произведен расчет комплексного показателя качества изделий по принципу среднего взвешенного:
, (1)
где Qi – относительный показатель качества, оцениваемый по i-му свойству; qi – коэффициенты весомости показателей качества. Результаты расчетов:
АСЗД=0,824; 
DPI-515=1,660; 
CPC-3000=1.
По полученным комплексным показателям, можно сделать вывод о том, что предлагаемая АСЗД наиболее приближенна по своим свойствам к базовому образцу (уступает базовой модели только по величине напряженности электромагнитного поля и характеристики диапазона давлений).
В предлагаемой АСЗД диапазон воспроизводимых давлений определяется эталонным датчиком давления, и в случае, когда потребуется увеличить границы задаваемых давлений, это технически просто реализовать, так как используемые в АСЗД конструктивные, программные и методические решения рассчитаны на большие значения задаваемых давлений.
Проведенные структурный, QFD и квалиметрический анализы позволяют сформулировать требования к основным компонентам АСЗД. В качестве чувствительного элемента АСЗД необходимо использовать вибрационно-частотный датчик абсолютного давления класса точности 0,01. Регулятор давления воздуха АСЗД должен обеспечивать стабилизацию давления с максимально допустимой погрешность 20 Па в диапазоне от 0,7 до 100 кПа и 0,015% верхней границы шкалы в диапазоне от 100 до 285 кПа, а также иметь возможность задавать скорость изменения давления.
Во второй главе проведена разработка концепции и анализ возможных структур системы контроля качества датчиков давления, который показал, что для достижения требуемой точности и производительности она должна включать в себя несколько эталонных средств измерения давления, обеспечивающих достаточно точные и надежные совместные измерения различными методами. Исходя из требований, предъявляемых к точности и производительности измерений, структура автоматизированной системы для контроля качества датчиков давления (рис. 3) должна состоять из: автоматизированной системы задания давления воздуха, включающей автоматический регулятор давления (АРД) и эталонный частотный датчик давления (ЭДД); ресивера (Р); эталонного (грузопоршневого) манометра (ЭМ); контролируемого прибора (КП). С помощью АСЗД в рабочей полости КП задается абсолютное давление с предельно допускаемой погрешностью 20 Па в диапазоне от 0,7 до 100 кПа и 0,015% верхней границы шкалы в диапазоне от 100 до 285 кПа. Это позволяет использовать АСЗД в качестве прецизионного инструмента при контроле качества приборов измерения давления. Эталонный частотный датчик давления нуждается в периодической поверке. С этой целью в состав структура автоматизированной системы для контроля качества датчиков давления включен эталонный грузопоршневой манометр со следующей предельно допускаемой погрешностью: 7Па в диапазоне от 0,7 до 100 кПа и 0,005% текущего значения в диапазоне от 100 до 720 кПа.
Рис. 3. Обобщенная структура автоматизированной системы
для контроля качества датчиков давления
Указанная структура автоматизированной системы для контроля качества датчиков давления предполагает, что участие оператора сводится только к подготовке установки и прибора к поверке или контролю.
Функциональная модель АСЗД разрабатывалась исходя из требуемых характеристик к процессу воспроизведения давления. АСЗД является цифровой автоматической системой регулирования давления, в которой в качестве чувствительного элемента используется вибрационно-частотный датчик абсолютного давления класса точности 0,01.
Функциональная модель АСЗД представлена на рис. 4, где введены следующие обозначения: рзад. – заданное значение давления; 
– заданная скорость изменения давления; ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь; У – усилитель; ЭМП – электромеханический преобразователь; РО – регулирующий орган; Р – ресивер; БПДК – блок преобразования давления в код; ЧДД – частотный датчик давления; ИП – измеритель периода; ИВД – источник высокого давления; ИНД – источник низкого давления; ПРППД – пневморегулятор постоянного перепада давления.
Рис. 4. Функциональная модель АСЗД
Обосновано применение технологии виртуальных приборов и среды программирования LabVIEW при создании автоматизированной системы задания давления, позволяющей разрабатывать графическое прикладное программное обеспечение для организации взаимодействия элементов автоматизированной системы, сбора, обработки, отображения информации и создания отчетов о результатах контроля.
Из анализа Руководства по выражению неопределенности измерения; JCGM 100:2008 Evaluation of measurement data – Guide to the expression of uncertainty in measurement. Geneva, 2008 и РМГ 43-2001 ГСОЕИ. Применение Руководства по выражению неопределенности измерений, в которых результаты измерений рекомендуется описывать в концепции «неопределенности», а не «погрешности» измерений, следует, что стандартная неопределенность по типу А не отличается от СКО случайной составляющей погрешности, если в вычислениях не допущены ошибки, а суммарная и расширенная неопределенность отличается от доверительной погрешности лишь тогда, когда стандартная неопределенность по типу В равна или больше стандартной неопределенности по типу А. В терминах погрешности результата измерений такое соотношение неопределенностей по типу А и В означает преобладание систематической составляющей погрешности. Подобная ситуация не характерна для случаев применения рабочих средств измерений, а возникает лишь в измерениях на эталонном уровне.
Необходимо подчеркнуть, что в отечественных нормативных документах приводятся таблицы соответствия и варианты схем вычисления неопределенностей (стандартной, суммарной и расширенной) по известным значениям составляющих погрешности измерений. Наличие таких схем позволяет выражать результат измерения в терминах погрешности или неопределенности измерения, не отвергая при этом ни одного из подходов.
Применение термина «неопределенность» оправдано только при полном отсутствии какой-либо возможности судить о значении измеряемой величины. Другими словами, когда отсутствует эталон или мера, нет поверенного средства измерений, хранящего или воспроизводящего единицу физической величины с достаточной для целей измерительной задачи точностью, невозможно применить известные методы исключения систематического смещения результата измерения.
Анализ точностных характеристик автоматизированной системы задания давления был проведен в рамках концепции «погрешностей» и выявил ее основные составляющие (погрешность измерения периода сигнала частотного датчика давления; погрешность, вносимая функцией преобразования частотного датчика давления; погрешность дискретного задания скорости изменения давления), который показывает возможность обеспечения требуемой погрешности во всем диапазоне задаваемых давлений при обеспечении автоматизированного режима контроля качества датчиков давления.
В результате проведенных экспериментальных исследований определена погрешность автоматизированной системы задания давления, которая не превышает 20 Па в диапазоне от 0,7 до 100 кПа и 0,015% в диапазоне от 100 до 285 кПа, что доказывает соответствие погрешности АСЗД рабочему эталону 1-го разряда поверочной схемы для средств измерений абсолютного давления и возможность использования АСЗД в качестве прецизионного инструмента (рабочего эталона 1-го разряда) при автоматизированном контроле качества приборов измерения давления.
В третьей главе проанализированы статические и динамические характеристики автоматических систем задания давления воздуха. Исследования проводились на математических моделях, построение которых было основано на разбиении системы на отдельные звенья и к описанию этих звеньев. Последнее осуществлялось либо аналитически в виде уравнений, связывающих входные и выходные величины звена, либо графически в виде характеристик, описывающих ту же связь.
В принципе, для расчета пневматической части разрабатываемого устройства должна использоваться полная система уравнений газовой динамики. Однако решение такой системы уравнений в общем виде представляет сложную задачу. Вместе с тем, в большинстве практически важных случаев могут быть обоснованы и применены допущения, приводящие к упрощению модели:
- для ресиверов, в которых течение воздуха происходит при малых перепадах давлений, можно не учитывать влияние на характеристики дросселей изменения плотности воздуха, связанного с изменением давления;
- различие расходных характеристик дросселей на неустановившихся режимах работы пренебрежимо мало по сравнению со статическими условиями;
- разностью давлений в различных точках ресивера можно пренебречь;
- некоторыми процессами изменения параметров воздушной среды в ресивере можно пренебречь (например, не учитывать условия теплопередачи через стенки);
- при исследовании переходных процессов в ресивере в ряде случаев допустимо использование линеаризованных характеристик дросселей.
Задача регулирования (задание и стабилизация) давления рх в замкнутом объеме Vx решается с помощью управляемых пневмодросселей D1 и D2 (рис. 5). При достаточно большом диапазоне изменения давления р2<px<p1 (р1 – давление питания, р2 – давление сброса, Uупр. – сигнал управления) процесс регулирования затрудняется, так как разницы перепадов давления d1=p1px и d2=pxp2 на дросселях D1 и D2 на краях диапазона становятся слишком большими. Применение в конструкции регуляторов перепадов давлений Р1 и Р2, обеспечивающих постоянные перепады давлений d1 и d2 на дросселях D1 и D2 относительно рх независимо от ее величины, улучшает процесс регулирования давления.
Рис. 5. Функциональная модель пневматической части
автоматизированной системы задания давления
Рассмотрим расходные характеристики пневмодросселей, считая режим течения турбулентным. Общепринятой расчетной моделью дросселей является истечение газа через отверстие (канал) в перегородке, разделяющей бесконечно большие полости с разными давлениями. Такая модель позволяет не учитывать скорость газового потока в подводящих и отводящих каналах. Зависимость между расходом и подводимыми к дросселю разностями давлений, называемая
расходной характеристикой, определяется режимом течения газа в канале дросселя. Под режимом течения газа понимается характер движения его частиц, обуславливаемый турбулентной или ламинарной формой струй в потоке. В случае турбулентных режимов получаются различные соотношения для до- и надкритического течений. В частном случае изотермического истечения воздуха через отверстие в сравнительно тонкой стенке можно воспользоваться следующими приближенными формулами, которые по сравнению с формулами Сен-Венана и Ванцеля увеличивают погрешность на 4%:
для докритического режима 
(2)
для надкритического режима 
, (3)
где m – коэффициент расхода, учитывающий несоответствие действительного расхода с расходом, вычисленным по данным формулам при m=1, F – площадь проходного сечения канала дросселя, R – газовая постоянная, Т – абсолютная температура, р' – давление перед стенкой, р" – давление за стенкой.
Критерием существования того или иного режима течения служит отношение р2/р1. Если в качестве рабочего тела используют сжатый воздух, и это отношение больше 0,5, то течение считают докритическим, если же отношение р2/р10,5, то течение надкритическое.
В соответствии с обозначениями, указанными на рис. 5, перепишем уравнение (2) при наполнении (G'11) и опустошении (G'12) рабочего объема.
(4)
(5)
При применении пневморегуляторов, которые поддерживают постоянные перепады давлений d1=p1-px и d2=px-p2 (в дальнейшем d=d1=d2). В соответствии с этим весовой секундный расход при наполнении (G"11) и опустошении (G"12) рабочего объема вычисляется по формулам (6) и (7).
(6)
(7)
На основании выражений (4), (5), (6), (7) построены графики расходных характеристик при р2=0, р1=8d. При расчетах и разработке конструкции принято d=d1=d2, k=k1=k2.
На рис. 6 представлены характеристики G'11= G'11(рх) и G'12= G'12(рх) для наполняющего и опустошаемого рабочий объем расхода при отсутствии пневморегулятора постоянного перепада давлений. На рис. 7 представлены характеристики G"11= G"11(рх) и G"12= G"12(рх) для наполняющего и опустошающего рабочий объем расхода при наличии пневморегулятора постоянного перепада давлений.
При равных перепадах давления (d=d1=d2) весовой секундный расход при наполнении несколько отличается от расхода при опустошении рабочего объема. При определенных значениях d1 и d2 можно достичь минимальной разницы расходов в рабочем диапазоне. Обеспечение с помощью пневморегуляторов постоянных величин перепадов давления (d1 и d2) на дросселирующих участках позволяет достичь идентичности расходных характеристик при регулировании давления, что повышает точность и расширяет диапазон задаваемых давлений.
 Рис. 6. Расходные характеристики дросселя при отсутствии пневморегулятора |  Рис. 7. Расходные характеристики дросселя при наличии пневморегулятора |
Математическая модель пневматической части системы для исследования динамической характеристики АСЗД строилась на основе формулы Менделеева-Клайперона для изменения давления в объеме Vх:
,
где p давление воздуха в ресивере; Vx объем ресивера; R – универсальная газовая постоянная; T абсолютная температура воздуха; G1 и G2 расход воздуха через регулирующий орган (пневмодроссель) при наполнении и опустошении ресивера соответственно.
Учитывая, что при открытом регулирующем органе высокого давления регулирующий орган низкого давления закрыт и наоборот, вышеприведенное уравнение примет вид:
.
Динамические характеристики электромагнитного преобразователя определяются уравнениями для тока в обмотке управления и для моментов на валу якоря:
где 
и 
активное сопротивление и индуктивность обмотки управления электромагнита; 
активное сопротивление выходного каскада электронного усилителя; 
и 
приведенные к валу электромагнита коэффициент вязкого трения и момент инерции ротора электромагнита и регулирующего элемента; 
коэффициент пропорциональности между моментом, приложенным к валику электромагнита и углом поворота его ротора; 
ток в обмотке управления; 
угол поворота ротора; 
напряжение на выходе электронного усилителя; 
статический момент на валу электромагнита.
Для повышения эффективности работы регулирующего органа пневматической части АСЗД применены пневморегуляторы постоянного перепада давлений. Они обеспечивают равные величины перепада давления на дросселирующих участках регулирующего органа. Это позволяет достичь практической идентичности расходных характеристик при наполнении и опустошении замкнутого объема.
Дифференциальное уравнение движения подвижных частей пневморегулятора постоянного перепада давления:
,
где m приведенная масса воздуха и подвижных частей пневморегулятора; f сила вязкого трения; S площадь мембраны; 
упругая противодействующая сила; c упругость мембраны и пружины; x перемещение подвижных частей пневморегулятора постоянного перепада давлений.
Построенные математические модели реализованы в программной среде MATLAB Simulink.
На рис. 8 представлена линеаризованная в окрестности рабочей точки математическая модель АСЗД.
Рис. 8. Модель АСЗД (без учета пневморегулятора)
На рис. 9 показана динамическая характеристика АСЗД.
На рис. 10 представлена линеаризованная в окрестности рабочей точки математическая модель пневморегулятора постоянного перепада давлений.
На рис. 11 показана динамическая характеристика пневморегулятора постоянного перепада давлений.
С теоретической и практической точек зрения представляет интерес математическая модель, которая в режиме реального времени и во всем диапазоне задаваемых давлений учитывает совместное функционирование основного контура управления и пневморегуляторов постоянного перепада, которые являются малым контуром управления.
Рис. 9. Динамическая характеристика АСЗД без учета пневморегулятора
Рис.10. Модель пневморегулятора
Рис. 11. Динамическая характеристика пневморегулятора
На рис. 12 представлена математическая модель двухконтурной автоматической системы задания давления.
Рис. 12. Модель АСЗД (с учетом пневморегулятора)
На рис. 13 показана динамическая характеристика двухконтурной автоматической системы задания давления.
Рис. 13. Динамическая характеристика двухконтурной АСЗД
Для учета эффектов квантования по времени и уровню в АСЗД необходимо при построении модели применить математический аппарат z-преобразований. В этом случае математическая модель двухконтурной автоматической системы задания давления будет иметь вид, представленный на рис. 14.
На рис. 15 показана динамическая характеристика цифровой двухконтурной автоматической системы задания давления.
Рис. 14. Модель цифровой АСЗД (с учетом пневморегулятора)
Рис. 15. Динамическая характеристика двухконтурной цифровой АСЗД
Полученные математические модели позволяют достаточно точно описать динамические процессы, происходящие в рабочих полостях контролируемых приборов измерения давления воздуха при различных режимах и учитываемых ограничениях, и выбрать цифровой параметрически оптимизируемый закон управления для регулятора АСЗД.
В четвертой главе изложен многомодельный подход к построению функции преобразования частотного датчика давления.
Согласно принципу моделируемости теории систем, включающему постулат многообразия моделей, сложная система может быть представлена конечным множеством моделей, которые различаются используемыми математическими зависимостями и физическими закономерностями.
Задача построения функции преобразования датчика включает ее графическое представление: интерполяцию, сглаживание и аппроксимацию. Введем следующие обозначения: – nмерное множество, принадлежащее пространству Rn (n1); {i} iI – множество функционалов, то есть отображений, которые каждой функции, определенной на, ставят в соответствие действительное число i(); {zi}iI – заданное множество действительных чисел; V – множество функций, определенных на, которые могут быть функциями интерполяции, сглаживания или аппроксимации (полиномы, кусочно-полиномиальные и другие функции).
Анализ возможных моделей функции преобразования датчика давления позволяет выделить следующие основные задачи:
1. Интерполяция. Необходимо найти такой элемент из V, что для всех i из I i() = zi.
2. Сглаживания. Необходимо найти такой элемент из V, чтобы множество величин {i()} iI было удалено от множества {zi} iI. Критерий удаления может быть математически выражен достаточно строго, но в данном случае его необходимо уточнить в общем виде. Он определяется через полунорму на RI, и задачу можно сформулировать следующем образом: найти элемент из V, такой что полунорма ({i()} iI – {zi} iI) будет минимальной.
3. Аппроксимация. Исходными данными для решения задачи аппроксимации являются: W – множество функций, определенных на со значениями в R; – элемент W; VW; – полунорма, определенная в W. Необходимо найти элемент из V, чтобы полунорма ( – ) была минимальной.
При анализе моделей функции преобразования использовался ортонормированный базис. Предполагалось, что рассматриваемые кривые являются однозначными функциями в этом базисе: одной абсциссе t соответствует одна и только одна ордината (t).
Практическая реализация рассмотренных в работе моделей функции преобразования датчика давления требует большого времени вычислений, значительного объема памяти ЭВМ. Один из путей устранения указанных трудностей состоит в сегментации задачи, т.е. поочередном решении задачи на небольших областях с последующей сшивкой результатов, которая может быть осуществлена соответствующими математическими методами. Однако возможны случаи, когда сама функция или одна из ее производных имеет разрыв. Если точка разрыва известна, ее учитывают при решении задачи в качестве дополнительного условия и задача в целом остается линейной. Если известна только область, где находится точка разрыва, то решают задачу по обе стороны от этой области и вычисляют точку пересечения двух кривых, решая возникающие при этом нелинейные уравнения.
Многомодельный подход к анализу и аналитическому описанию функции преобразования датчиков давления реализован при создании программного обеспечения АСЗД.
В пятой главе разработаны методические основы контроля качества датчиков давления, позволяющие научно обосновать выбор точности средств измерения (задания) давления при определенном соотношении погрешностей эталонного и контролируемого приборов. Существующие методики и рекомендации не всегда учитывают, что требования к точности контролируемых приборов достаточно сложно обеспечить необходимым запасом по точности эталонных средств измерений, входящих в состав автоматизированной системы контроля качества датчиков давления. Достоверность контроля приборов приходится обеспечивать усложнением организации контрольных операций, введением жестких приемочных допусков, усложнением технических средств.
Следует отметить, что недостаток точности эталонных средств измерений отражен в методиках поверки рабочих средств измерения давления МИ 2124 ГСИ. Предлагается вводить приемочный допуск более жесткий, чем паспортное значение погрешности контролируемого прибора. Величина приемочного допуска рассчитывается на основе статистической модели, обеспечивающей требуемую достоверность контроля при соотношении погрешностей поверяемого и эталонного приборов до p0,5 в соответствии с рекомендациями МИ 187 ГСИ и МИ 188 ГСИ.
В нормативных документах предлагается при периодической поверке датчика давления соблюдать следующее условие:
(0/D)100p, (8)
где 0 – предел допускаемой абсолютной погрешности эталонного прибора; D – диапазон показаний поверяемого прибора; p – отношение предела допускаемого значения погрешности эталонного прибора к пределу допускаемого значения основной погрешности поверяемого прибора; – предел допускаемой основной погрешности контролируемого прибора в процентах от максимального значения шкалы. Это изменяет статистический подход к выбору эталонной меры, в качестве которой выступает АСЗД, при контроле датчика давления, позволяя выбирать p большего значения (p0,5). При этом высокое качество контроля обеспечивается введением, так называемого, приемочного допуска пр., меньшего, чем предел допускаемой основной погрешности max. поверяемого датчика давления
пр.<max.. (9)
Система контроля качества датчиков абсолютного давления предлагаемой в работе структуры имеет в своем составе два эталонных прибора с разными принципами измерений. Наличие грузопоршневого манометра, реализующего прямой метод измерения давления, позволяет обеспечить высокую достоверность метрологических характеристик градуируемых и калибруемых измерительных преобразователей.
В диссертационной работе в рамках выбора точности средств измерения (задания) давления, входящих в систему автоматизированного контроля качества датчиков давления при определенном соотношении погрешностей эталонного и контролируемого приборов определены:
- условия годности и вероятности годности датчиков давления при их автоматизированном контроле качества;
- условия приемки датчиков давления при автоматизированном контроле;
- вероятности ошибок автоматизированного контроля партии датчиков давления с учетом «риска изготовителя» и «риска потребителя или заказчика»;
- вероятности ошибок индивидуального контроля датчиков давления;
- вероятности ошибок калибровки автоматизированной системы задания давления с учетом соотношения погрешностей АСЗД и многомерной меры давления, в качестве которого выступает грузопоршневой манометр.
Автоматизированный контроль качества датчиков давления позволяет накапливать большие массивы данных, сопоставлять результаты периодических поверок средств измерений, анализировать причины их отказов, рассчитывать показатели метрологической надежности и оперативно корректировать межповерочные интервалы.
В шестой главе проведены экспериментальные исследования автоматического задания давления воздуха и предложена процедура верификации разработанной математической модели регулирующего органа.
При настройке экспериментального образца автоматической системы задания давления был выбран цифровой параметрически оптимизируемый закон управления регулятора.
Разностное уравнение, описывающее ПИД-регулятор, имеет вид:
, (10)
где e(k)=pз.тек.(k) pтек.(k), e(k-1)=pз.тек.(k-1) pтек.(k-1), e(k-2)=pз.тек.(k-2) pтек.(k-2), рз. тек. – заданное текущее значение давления, ртек. – текущее значение давления, u(k) – сигнал управления.
Параметры q0, q1 и q2 рассчитывались с использованием алгоритмов параметрической настройки, предложенных Такаши, что позволило получить параметры регулятора близкие к оптимальным, которые корректировались при точной настройке прибора.
При верификации математической модели регулирующего органа исходной информацией для построения математических моделей служили сигналы, доступные непосредственному измерению. Входные и выходные сигналы регулирующего органа обрабатывались с использованием методов идентификации, которые позволили описать соотношения между этими сигналами в виде некоторой параметрической математической зависимости. При синтезе алгоритмов для управляющих ЭВМ целесообразно пользоваться параметрическими моделями, поскольку современная теория систем в основном ориентирована на описание объектов, содержащих параметры в явной форме. Кроме того, для синтеза алгоритмов управления по параметрическим моделям могут применяться аналитические методы.
В работе задача верификации ставилась следующим образом: на основе экспериментальных данных (11) рассчитать значения выбранных параметров а, при которых модель (12) в соответствии с выбранным критерием аппроксимирует объект Хвых(t)= F[Xвх(t)] на множестве сигналов (11):
(11)
где Хnвх, Xnвых – пространство входных и выходных сигналов реального регулирующего органа при верификационных экспериментах.
(12)
Для регулирующего органа выходной координатой является значение давления. Поэтому при планировании эксперимента с учетом формулировки общей задачи параметрической идентификации в качестве экспериментальных данных были выбраны графики переходного процесса давления р(t). Входными сигналами, в соответствии с формулировкой задачи, при проведении планируемой серии экспериментов выбраны фиксированные значения управляющего сигнала.
Таким образом, набор экспериментальных данных представляет собой серии кривых р(t, x), при Uупр=const в процессе одного эксперимента.
В работе оценка параметров производилась с применением метода наименьших квадратов:
, (13)
где J – значение критерия, L – число измерений, p(k) – значения параметров теоретических кривых, 
(k) – значения параметров экспериментальных кривых.
При построении математической модели системы регулирования давления первый этап можно считать завершенным, если закончена структурная схема и определена система уравнений. Вторым этапом в построении модели можно считать оценку работоспособности построенной модели. Очевидно, что понятие работоспособности модели формируется относительно предъявляемого критерия. Для оценки математической модели выбран квадратичный критерий качества (13). В соответствии с выбранным критерием осуществлялось планирование эксперимента.
Оценка и уточнение параметров математической модели осуществлялись на готовой математической модели методами минимизации квадратичного критерия качества. Для математической модели системы регулирования давления критерий качества (13) определяет точность моделирования выходной величины давления.
Предложенная процедура верификации математической модели позволила провести экспериментальные исследования не снижая степени приближения модели и реального объекта.
В заключении сформулированы основные выводы, полученные в результате проведенной работы.
В приложениях приведены материалы внедрения результатов диссертации, технические характеристики приборов измерения и воспроизведения давления ведущих производителей и методика обработки результатов измерений.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе поставлена и решена актуальная в научном отношении и практически важная проблема разработки теоретических основ синтеза средств и методов автоматизированного оперативного контроля качества датчиков давления в процессе их производства и эксплуатации. При решении данной проблемы разработана и научно обоснована методология автоматизированного контроля качества датчиков давления и получены следующие основные результаты.
- Проведен системный анализ и реинжиниринг процесса контроля качества датчиков давления воздуха с применением современных инструментов управления качеством продукции (структурный анализ по методологии IDF0, развертывание функции качества (QFD-анализ) и квалиметрический анализ), который выявил актуальность в совершенствовании методологии и технических средств.
- Разработана структура прецизионной системы контроля качества датчиков давления на основе автоматизированной системы задания давления, включающей блок пневморегуляторов постоянного перепада. Впервые теоретически доказано и обосновано применение пневморегуляторов постоянного перепада давлений для расширения диапазона задаваемых давлений и повышения точности.
- Проведен анализ погрешности автоматизированной системы задания давления, в результате которого выявлены ее основные составляющие, и экспериментально определена ее погрешность, которая не превышает 20 Па в диапазоне от 0,7 до 100 кПа и 0,015% верхней границы шкалы в диапазоне от 100 до 285 кПа, что доказывает соответствие погрешности АСЗД рабочему эталону 1-го разряда поверочной схемы для средств измерений абсолютного давления и возможность использования АСЗД в качестве прецизионного инструмента (рабочего эталона 1-го разряда) при автоматизированном контроле качества приборов измерения давления.
- Впервые предложена и теоретически исследована математическая модель для расчета расходных характеристик регулирующего органа при течении воздуха с постоянными перепадами давлений. Математическая модель приведена к расчетному уровню и может быть использована для решения практических задач проектирования систем автоматизированного контроля качества датчиков давления.
- Разработана новая математическая модель двухконтурной автоматизированной системы задания давления для определения аналитической зависимости между величиной перепада давлений на регулирующем органе и параметрами режима контроля.
- Математическое, алгоритмическое, программное и аппаратное обеспечение реализованы в экспериментальном образце автоматизированной системы задания давления, являющейся основным компонентом системы контроля качества датчиков давления. Предлагаемые решения защищены патентом РФ на полезную модель (заявка № 2010147209 от 18.11.2010, положительное решение опубликовано 06.05.2011 на http://fips.ru.).
- Применен многомодельный подход к анализу и аналитическому описанию функции преобразования датчика давления с учетом множества состояний контролируемых параметров качества.
- Научно обоснована точность средств измерения (задания) давления, обеспечивающая достоверность автоматизированного контроля качества, а именно: соответствие метрологических характеристик датчиков давления требуемым при определенном соотношении погрешностей эталонного и контролируемого приборов.
- Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований приняты к использованию и внедрены в ГУП «Центральный научно-исследовательский институт технологии судостроения» при проведении научных исследований и конструкторских проработок в области создания новых видов приборов, в КБ «Арматура» ГКНПЦ им. М.В. Хруничева при создании агрегатов и систем пневмоавтоматики, в ФГУП «Адмиралтейские верфи» для совершенствования процесса метрологического обеспечения на предприятии в части обучения персонала и улучшения порядка управления приборами измерения давления, в учебных процессах Академии стандартизации, метрологии и сертификации, Владимирского государственного университета и Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова.
Список публикаций по теме диссертации
Статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ
- Лопарев В.К., Марков А.В., Спиридонов Э.И. Структура цифровой системы автоматического регулирования задатчика дискретных значений абсолютного давления. // Методы прикладной математики в транспортных системах: Выпуск 2, Сб. науч. тр., СПб.: СПбГУВК, 1998. – с. 93-98.
- Марков А.В., Спиридонов Э.И. Аппроксимация характеристики частотного датчика давления с помощью интерполяционного многочлена Лагранжа. // Методы прикладной математики в транспортных системах: Выпуск 1, Сб. науч. тр., СПб.: СПбГУВК, 1998. – с. 169-170.
- Лопарев В.К., Марков А.В., Спиридонов Э.И. Применение упрощенных формул Сен-Венана и Венцеля для определения расходных характеристик пневмодросселей. // Методы прикладной математики в транспортных системах: Вып. 3, Сб. науч. тр., СПб.: СПбГУВК, 2000. – с. 125-130.
- Лопарев В.К., Марков А.В., Спиридонов Э.И. Применение критерия Гурвица к оценке устойчивости автоматического регулятора абсолютного давления. // Методы прикладной математики в транспортных системах: Вып. 4, Сб. науч. тр., СПб.: СПбГУВК, 2000. – с. 175-177.
- Лопарев В.К., Марков А.В., Спиридонов Э.И. Анализ точности дискретного задания скорости изменения абсолютного давления. // Прикладная математика в инженерных и экономических расчетах: Вып.1, Сб. науч. тр., СПб: СПбГУВК, 2001. – с. 235-240.
- Лопарев В.К., Марков А.В., Маслов Ю.В. Структура системы автоматического поддержания постоянного перепада давлений на регулирующем органе задатчика давления летательных аппаратов. // Прикладная математика в инженерных и экономических расчетах: Вып. 2. Сб. науч. тр., СПб.: СПбГУВК, 2001. – c. 58-61.
- Лопарев В.К., Марков А.В., Маслов Ю.В., Спиридонов Э.И. Исследование влияния пневморегуляторов постоянного перепада давлений на динамические возможности автоматической системы задания абсолютного давления. // Судостроение, судоремонт и техническая эксплуатация флота. Сб. науч. тр., СПб: СПбГУВК, 2002. – с. 96-99.
- Лопарев В.К., Марков А.В., Поливанов Н.В., Степанян Н.М. Повышение точности функции преобразования частотного датчика давления. // Информационные системы на транспорте. Сб. науч. тр., СПб.: Судостроение, 2002. – с. 190-192.
- Лопарев В.К., Марков А.В., Маслов Ю.В. Исследование точности генератора-задатчика абсолютных значений давления. // Методы прикладной математики в транспортных системах: Вып. 6, Сб. науч. тр., СПб: СПбГУВК, 2002. – с. 131-137.
- Лопарев В.К., Марков А.В., Спиридонов Э.И., Степанян Н.М. Организация поверки частотного датчика давления при соотношении погрешностей поверяемого и эталонного приборов. // Методы прикладной математики в транспортных системах: Вып. 6, Сб. науч. тр., СПб.: СПбГУВК, 2002. – с. 137-139.
- Лопарев В.К., Марков А.В., Петров В.М., Степанян Н.М. Выбор точностных характеристик эталонного манометра, используемого при поверке частотного датчика давления. // Методы прикладной математики в транспортных системах: Вып. 7, Сб. науч. тр., СПб.: СПбГУВК, 2002. – с. 198-199.
- Лопарев В.К., Марков А.В., Поливанов Н.В., Степанян Н.М. Улучшение расходных характеристик автоматической системы задания абсолютного давления. // Технологии третьего тысячелетия. Сб. науч. тр., СПб.: Инструмент и технологии, 2003. – с. 103-107.
- Лопарев В.К., Марков А.В., Степанян Н.М., Сеитов Г.Д., Дрюк В.А. Линеаризованная модель автоматической системы задания абсолютного давления. // Автоматизированные системы управления на транспорте: Сб. науч. тр., СПб.: СПбГУВК, 2003. – с. 75-81.
- Лопарев В.К., Марков А.В., Степанян Н.М. Исследование процесса течения газа в рабочих объемах приборов измерения воздушно-скоростных параметров полета. // Автоматизированные системы управления на транспорте: Сб. науч. тр., СПб.: СПбГУВК, 2003. – с. 82-84.
- Лопарев В.К., Марков А.В., Степанян Н.М., Дрюк В.А. Структура автоматического поверочного комплекса приборов измерения давления воздуха. // Информационные технологии на транспорте. Сб. науч. тр., СПб.: Политехника, 2003. – с. 220-222.
Монография
- Марков А.В. Моделирование автоматизированных систем задания давления. СПб.: БГТУ, 2011. – 88 с. ил.
Статьи, опубликованные в научных изданиях,
и материалы конференций
- Лопарев В.К., Маслов Ю.В., Степанян Н.М., Марков А.В. Влияние изменения давления газов на стабильность характеристик приборов летательных аппаратов. // Фундаментальные и прикладные проблемы теории точности процессов, машин, приборов и систем. Сб. науч. тр., СПб.: ИПМаш РАН, 2003. – с. 206-209.
- Спиридонов Э.И., Марков А.В. Автоматический генератор воздушных сигналов. // Тезисы докладов первой международной молодежной школы-семинара БИКАМП-98, посвященной 25-летию студенческой экспериментальной лаборатории СтЭЛа Государственного университета аэрокосмического приборостроения. – СПб., 1998. – с. 45-46.
- Spiridonov E.I., Markov A.V. Estimation of the effects of constant pressure-drop controllers upon the accuracy of pressure meters. // The Third International Conference on Problem of PHYSICAL METROLOGY. Abstracts. Saint Petersburg, Russia 15-19 June, 1998, p. 143.
- Spiridonov E.I., Markov A.V. Calibration productivity increase of pressure measuring devices under high accuracy requirements. // The Third International Conference on Problem of PHYSICAL METROLOGY. Abstracts. Saint Petersburg, Russia 15-19 June, 1998, p. 144.
- Markov A.V., Spiridonov E.I. An investion of the effect of constant pressure drop pneumatic controllers upon static characteristics of absolute pressure automatic assignment system. // 18 international conference ”Educational informatics and sustainable development problems” (EISDP 99). Abstracts. Saint Petersburg, 16-17 April, 1999, p. 48-50.
- Markov A.V., Spiridonov E.I. Air data generator. // Second European region student’s competition (ERSC 99). Abstracts. Catania, Italy – St. Petersburg, Russia – Corc, Ireland. January, 1999, p. 24-25.
- Лопарев В.К., Марков А.В., Маслов Ю.В. Идентификация математической модели регулирующего органа автоматической системы задания абсолютного давления. // Материалы международной конференции Транском’2001 «Управление и информационные технологии на транспорте», СПб.: СПбГУВК, 2001. – с. 95-96.
- Марков А.В., Шматко А.Д. Анализ перспектив использования технологии виртуальных приборов на основе среды LabVIEW. // Актуальные вопросы управления в организационно-технических системах: Вып. 2. Сб. тр., СПб.: БГТУ, 2004. – с. 123-125.
- Марков А.В., Шматко А.Д. Реализация процессного подхода в области метрологического обеспечения на базе программных средств. // Тезисы докладов 59-й научно-технической конференции, посвященной Дню радио. СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2004. – с. 249-251.
- Марков А.В., Шматко А.Д. Проектирование автоматизированных систем управления технологическими процессами на базе виртуальных приборов и среды LabVIEW. // Тезисы докладов 59-й научно-технической конференции, посвященной Дню радио. СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2004. – с. 253-254.
- Марков А.В., Шматко А.Д. Перспективы использования распределенных информационно-измерительных систем при проведении экспериментальных исследований. // Тезисы международной конференции «Четвертые Окуневские чтения». СПб.: БГТУ, 2004. – с. 132-133.
28. Марков А.В., Шматко А.Д. Исследование процесса течения газа в замкнутом объеме с использованием средств LabVIEW. // Материалы четвертой международной школы-семинара «Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем». СПб.: БГТУ, 2004. – с. 109-113.
29. Марков А.В., Шматко А.Д. Синтез методов и инструментальных средств проектирования распределенных информационно-измерительных систем. // Материалы международной конференции «Четвертые Окуневские чтения», СПб., БГТУ, 2005. – с. 176-184.
30. Марков А.В. Анализ методов построения градуировочной характеристики частотного датчика давления. // Тезисы докладов 60-й научно-технической конференции, посвященной Дню радио, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2005. – с. 238-239.
31. Марков А.В. Проблемы моделирования течения воздуха с постоянными перепадами давлений в замкнутом объеме. // Тезисы докладов международной конференции «Пятые Окуневские чтения», СПб., БГТУ, 2006. – с. 117-118.
32. Марков А.В. Проблемы метрологического обеспечения средств измерения давления. // Тезисы докладов 61-й научно-технической конференции, посвященной Дню радио, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2006. – с. 226-228.
33. Марков А.В. Анализ структуры функции преобразования датчика давления. // Материалы международной конференции «Пятые Окуневские чтения», СПб., БГТУ, 2007. – с. 124-134.
34. Марков А.В., Спиридонов Э.И. Моделирование систем задания давления воздуха. // Тезисы докладов 62-й научно-технической конференции, посвященной Дню радио, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2007. – с. 254-255.
35. Калягин И.Л., Марков А.В. Анализ чувствительности оптимизируемых процессов. // Тезисы докладов 62-й научно-технической конференции, посвященной Дню радио, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2007. – с. 256-257.
36. Марков А.В. Моделирование течения воздуха в программной среде MATLAB. // Материалы международной конференции «Шестые Окуневские чтения», СПб., БГТУ, 2008. – с. 93-96.
37. Марков А.В. Проектирование многоуровневой системы контроля. // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Фундаментальные основы баллистического проектирования», СПб., БГТУ, 2010. – с. 136-139.
38. Марков А.В., Соболев А.М., Спиридонов Э.И. Синхронизация программы LabVIEW и внешних устройств в системе задания давления воздуха. Тезисы докладов 65-й научно-технической конференции, посвященной Дню радио, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2010. – с. 347-348.
39. Марков А.В., Соболев А.М. Математическое моделирование системы контроля качества датчиков давления. // Сб. трудов Всероссийской научно-практической конференции «Фундаментальные основы баллистического проектирования», СПб., БГТУ, 2010. – с. 136-148.
40. Марков А.В., Соболев А.М. Инжиниринг систем контроля качества датчиков давления. // Сб. трудов III Общероссийской молодежной научно-технической конференции «Молодежь. Техника. Космос», СПб., БГТУ, 2011. – с. 188-190. (Библиотека журнала «Военмех. Вестник БГТУ», №11).
Патент РФ
41. Патент РФ на полезную модель. МПК G05D16/20. Программно-управляемая система задания давления/ Марков А.В. Заявка № 2010147209 от 18.11.2010, положительное решение опубликовано 06.05.2011 на http://fips.ru.
Учебные пособия и методические указания
42. Марков А.В., Шматко А.Д. Коммуникационное интегрирование систем: Учебное пособие. СПб.: БГТУ, 2005. – 160 с. ил.
43. Марков А.В., Шматко А.Д. Применение пакета LabVIEW 7 при проектировании измерительных приборов и систем: Методические указания к лабораторным работам. СПб.: БГТУ, 2004. – 39 с. ил.
44. Марков А.В., Шматко А.Д. Применение технологии виртуальных приборов для проектирования распределенных информационно-измерительных систем: Методические указания к лабораторным работам. СПб.: БГТУ, 2004. – 48 с. ил.
45. Марков А.В., Шматко А.Д. Организация обмена данными в распределенных информационно-измерительных системах: Методические указания к лабораторным работам. СПб.: БГТУ, 2004. – 38 с. ил.
46. Большакова Г.А., Волкоморов В.И., Марков А.В., Спиридонов Э.И. Метрологическое обеспечение производства: Лабораторный практикум. СПб.: БГТУ, 2006. – 89 с. ил.
47. Большакова Г.А., Волкоморов В.И., Марков А.В., Спиридонов Э.И. Основы метрологии: Лабораторный практикум. СПб.: БГТУ, 2006. – 74 с. ил.
Принятые обозначения
ГПМ грузопоршневой манометр; АСЗД автоматизированная система задания давления; ЭДД эталонный датчик давления; АРД автоматический регулятор давления; ЭДД эталонный частотный датчик давления; Р ресивер; ЭМ эталонный (грузопоршневой) манометр; КП контролируемый прибор; ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь; У – усилитель; ЭМП – электромеханический преобразователь; РО – регулирующий орган; БПДК – блок преобразования давления в код; ЧДД – частотный датчик давления; ИП – измеритель периода; ИВД – источник высокого давления; ИНД – источник низкого давления; ПРППД – пневморегулятор постоянного перепада давления.
Подписано в печать 20.06.2011. Формат бумаги 60х84/16. Бумага документная.
Печать трафаретная. Усл. печ. л. 2. Тираж 150 экз. Заказ № 147
Отпечатано с готового оригинал-макета
Балтийский государственный технический университет
Типография БГТУ
190005, С.-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д.1
