Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям

На правах рукописи

Строганов Дмитрий Анатольевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ИНДУКТИВНЫХ ДАТЧИКОВ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ

05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2012

Работа выполнена в Московском государственном университете приборостроения и информатики Научный руководитель : Щепетов Александр Григорьевич кандидат технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Назаров Николай Григорьевич доктор технических наук, профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана, профессор кафедры Метрология и взаимозаменяемость Этингоф Михаил Иосифович кандидат технических наук, с.н.с.

ОАО НИИизмерения, заведующий сектором Приборов активного контроля

Ведущая организация: ОАО ЦНИТИ

Защита состоится л 22 мая 2012 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.119.01 в Московском государственном университете приборостроения и информатики по адресу: 107996, г. Москва, ул. Стромынка, д. 20, зал заседаний Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета приборостроения и информатики.

Автореферат разослан л 19 апреля 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., проф. Филинов В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Индуктивные датчики перемещения (ИДП) широко применяются при создании различных информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС) и выполняют в них наиболее важные функции.

На рис. 1 показана обобщенная схема измерительного прибора.

ИК x у x ОИ ПП Д УПОС ВУ ОУ ПИ Рис. 1. Обобщенная схема измерительного прибора С помощью предварительного преобразователя ПП измеряемая физическая величина x, характеризующая состояние объекта измерений ОИ, подводится к датчику первичной информации Д, в частности - к индуктивному датчику перемещения. Выходной сигнал датчика подается на устройство первичной обработки сигнала УПОС, в котором осуществляются необходимые преобразования измерительного сигнала: селекция, масштабирование, модуляция, фильтрация, коррекция, нормализация и пр. Выходной сигнал УПОС y поступает на вычислительное устройство ВУ. В нем формируется (вычисляется) оценка измеряемой величины x, которая выводится на отсчетное устройство ОУ и используется потребителем информации ПИ. Совокупность элементов, обеспечивающих получение сигнала у, образует измерительный канал ИК, имеющий нормированные метрологические характеристики. Таких каналов может быть несколько. Обобщенная структурная схема информационно-измерительной системы (ИИС) аналогична схеме рис. 1, однако может содержать множество измерительных каналов.

На рис. 2 показана обобщенная схема замкнутой системы автоматического управления (САУ).

g e u x y УУ ОУ Д Рис. 2. Обобщенная схема САУ Процесс установления желаемого состояния объекта управления ОУ происходит в САУ автоматически за счет создания такого устройства управления УУ и выбора закона управления u, при которых значение ошибки регулирования e стремится к нулю.

Качество работы устройств, показанных на рис. 1,2, во многом зависит от характеристик датчиков Д, с помощью которых получают первичную информацию о значениях контролируемых параметров. Поэтому ключевой проблемой повышения эффективности и качества всех ИИУС является совершенствование существующих и создание новых датчиков первичной информации.

Опыт эксплуатации ИДП свидетельствует о том, что они надежны, легки в монтаже, не требуют при изготовлении дорогостоящих материалов, имеют простую конструкцию, малые габариты и массу. Благодаря этим достоинствам индуктивные датчики успешно применяются в различных областях техники.

Современные ИДП выпускают ведущие зарубежные фирмы США, Европы и Японии: Tesa (Швейцария), Mahr (Германия), MITUTOYO (Япония), Marposs (Италия) и др. В России ИДП различного назначения разрабатывают и выпускают множество приборостроительных организаций и фирм. Наиболее крупными являются: НИИизмерения (г. Москва), РОБОКОН (г. Москва), завод Измерон (г. Санкт-Петербург) и ООО Микромех (г. Санкт-Петербург).

ИДП востребованы при создании различных ИИУС. Однако до сих пор не достигнуты потенциальные возможности ИДП. Причиной этому является отсутствие полноценной теории ИДП, адекватно описывающей свойства и характеристики индуктивных датчиков, а также недостатки проектирования ИДП, связанные с применением традиционных методов их расчета. Для повышения метрологических характеристик и конкурентоспособности ИДП требуется применение современных компьютерных технологий их расчета, моделирования и оптимизации. Исследованиям в этой области уделяется основное внимание.

Известные методики расчета ИДП основаны на эмпирических соотношениях и графических построениях, что сужает область изменения варьируемых параметров, затрудняет автоматизацию расчетов, снижает их эффективность и затягивает сроки проектирования. Поэтому весьма актуальной задачей является разработка универсальных, эффективных и достоверных математических моделей ИДП, пригодных для автоматизированного расчета и проектирования датчиков.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является повышение точности и снижение сроков проектирования индуктивных датчиков перемещения для информационно-измерительных и управляющих систем.

Для достижения этой цели определены следующие основные задачи:

анализ текущего состояния, тенденций развития и технических требований к индуктивным датчикам перемещения для ИИУС;

разработка структурно-математических моделей индуктивных датчиков перемещения, позволяющих на стадии проектирования определить полный комплекс их метрологических характеристик;

разработка алгоритмов и программных средств для автоматизированного расчета параметров ИДП для ИИУС;

разработка методики автоматизированного расчета ИДП с применением программы Mathcad.

Методы исследования. Исследования базируются на использовании теории измерительных устройств, метрологии, структурного, математического и компьютерного моделирования, теории измерений и теории динамической точности.

Научная новизна. Заключается в разработке новых структурноматематических моделей, алгоритмов и методик расчета, позволяющих разрабатывать индуктивные датчики перемещения с желаемыми характеристиками.

К новым научным результатам, полученным лично автором и включенным в диссертацию, относятся:

классификация индуктивных датчиков перемещения по виду их функции преобразования. Найдены шесть видов функций преобразования ИДП, отличающихся формой статической характеристики, получены формулы для расчета параметров ИДП (размеров магнитопровода, витковых данных катушки, материала сердечника и пр.), обеспечивающих выполнение требований к чувствительности датчика и погрешности от нелинейности его статической характеристики;

структурно-математические модели ИДП для статического и динамического режимов измерений, позволяющие с заданной по техническому заданию на проектирование точностью определять выходные характеристики (амплитуда выходного сигнала, относительная девиация сопротивления катушки, погрешность от нелинейности статической характеристики) создаваемых датчиков;

алгоритмы и методики автоматизированного расчета ИДП с использованием системы компьютерной математики Mathcad, позволяющие создавать динамические интерактивные эскизы магнитнитопровода ИДП.

Практическая значимость результатов диссертации заключается в том, что они являются базой для автоматизированного проектирования и модернизации индуктивных датчиков перемещения для информационно-измерительных и управляющих систем. В диссертации разработаны математические модели и алгоритмы расчета ИДП, сокращающие сроки проектирования датчиков за счет автоматизации проектно-конструкторских работ. Полученные результаты позволили создать современное компьютеризированное приложение к курсу Основы проектирования приборов и систем для студентов, обучающихся по направлению подготовки 200100 Приборостроение, в виде комплекса учебных заданий для курсового и дипломного проектирования.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований используются специалистами ОАО ЦНИТИ при разработке новой техники, а также реализованы в учебном процессе на кафедре Приборы и информационноизмерительные системы Московского государственного университета приборостроения и информатики при подготовке инженерных кадров по специальности 200101 Приборостроение.

Апробация результатов. Полученные результаты используются в учебном процессе по дисциплинам: Точность измерительных приборов, Основы проектирования приборов и систем, Проектирование контрольно-измерительных приборов и систем, Автоматизация инженерных расчетов. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на заседаниях научнометодического семинара кафедры Приборы и информационно-измерительные системы Московского государственного университета приборостроения и информатики (2008, 2011) и научной конференции Актуальные проблемы приборостроения, информатики и социально-экономических наук (2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано семь научных статей, в том числе две в издании, рекомендованном ВАК РФ (индекс в общероссийском каталоге 79727 перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий от 04.2008), а также три учебно-методические работы по дисциплинам Автоматизация инженерных расчетов и Основы проектирования приборов и систем.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 45 наименований и приложения. Работа содержит 180 страниц машинописного текста, в том числе 72 рисунка, 31 таблицу, три приложения на 25 страницах.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

структурно-математические модели индуктивных датчиков перемещения, позволяющие для статического и динамического режимов измерений определить выходные характеристики датчиков, в том числе:

функции преобразования типовых дифференциальных и полудифференциальных ИДП с переменной величиной воздушного зазора, с переменной площадью воздушного зазора, соленоидных;

параметры статической характеристики ИДП, обеспечивающие минимальное значение максимальной приведенной погрешности от нелинейности этой характеристики и заданную чувствительность датчика;

коэффициенты передаточной функции, обеспечивающие получение требуемых по техническому заданию на проектирование динамических характеристик индуктивного прибора;

алгоритмы и методика расчета ИДП, обеспечивающие получение заданных характеристик датчиков, в том числе:

расчетные схемы ИДП;

физические параметры схемы и конструкции ИДП;

методика применения программы Mathcad в задачах расчета и проектирования ИДП.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель диссертационной работы и конкретизированы основные задачи исследований.

В первой главе показаны тенденции развития ИИУС с индуктивными датчиками перемещения и проведен анализ требований к таким датчикам.

Проанализированы роль и значение ИДП как базовых элементов ИИУС. Показаны недостатки современных ИДП, методов их расчета и проектирования. Обоснована необходимость разработки уточненных структурно-математических моделей индуктивных датчиков, пригодных для их автоматизированного расчета и проектирования. Проанализированы особенности расчета и проектирования ИДП, связанные с их физическим принципом действия. Даны технические характеристики отечественных и зарубежных индуктивных преобразователей и датчиков.

Обоснована необходимость использования компьютерных технологий расчета ИДП.

Показано, что основными элементами ИДП являются дифференциальный индуктивный преобразователь (ДИП) и мостовая схема включения (СВ) (рис. 3). С помощью ДИП измеряемое перемещение x преобразуется в изменения электрических сопротивлений катушек преобразователя z и z. Информативным x1 xпараметром выходного сигнала схемы включения является амплитуда напряжения АД в измерительной диагонали моста. Как правило, статические характеристики ДИП и СВ - нелинейные, поэтому общая статическая характеристика датчика АД F(x) в общем случае также нелинейная. Вид этой характеристики зависит от типа используемых ДИП и вида СВ.

z x1 АД x ДИП СВ z xРис. 3. Функциональная схема индуктивного датчика В работе рассматриваются шесть основных видов первичных индуктивных преобразователей перемещения. К ним относятся дифференциальные индуктивные преобразователи с переменной величиной воздушного зазора (рис. 4,а), с переменной площадью воздушного зазора (рис. 4,б), преобразователи соленоидного типа (рис. 4,в) и полудифференциальные индуктивные преобразователи (ПДИП): с переменной величиной воздушного зазора (рис. 4,г), с переменной площадью воздушного зазора (рис. 4,д) и соленоидного типа (рис. 4,е). Устройства, показанные на рис. 4,а,б,г,д относятся к преобразователям с замкнутой магнитной цепью. Для них характерно наличие относительно малого воздушного зазора, изменение величины , или площади S которого, вызванное перемещением якоря, приводит к изменению магнитного сопротивления преобразователя R и, как следствие - mx изменению индуктивности его катушки wLx , (1) Rmx где w - число витков катушки. Индуктивные преобразователи соленоидного типа также имеют подвижный сердечник, который перемещается вдоль оси катушки (соленоида) (рис. 4,в,е) и для них также справедлива формула (1), но зависимость магнитного сопротивления R от перемещения сердечника x в них гораздо более mx сложная, чем в индуктивных преобразователях с замкнутым магнитопроводом, поэтому соленоидные ИПр при правильном выборе параметров имеют более линейную статическую характеристику и могут использоваться для измерения перемещений в более широком диапазоне.

Lx1 L xS var L xLxx var x L Lxxx а) б) в) L Lx var x LL x S var LL x x x г) д) е) Рис. 4. Индуктивные преобразователи перемещения:

а) дифференциальный с переменной величиной воздушного зазора;

б) дифференциальный с переменной площадью воздушного зазора;

в) дифференциальный соленоидного типа; г) полудифференциальный с переменной величиной воздушного зазора; д) полудифференциальный с переменной площадью воздушного зазора; е) полудифференциальный соленоидного типа Рассматриваемые преобразователи имеют по две идентичные катушки. При перемещении якоря индуктивность одной из них увеличивается, а другой - уменьшается (в полудифференциальных преобразователях не изменяется). Это позволяет снизить влияние нестабильности параметров источника питания и существенно уменьшить погрешность, вызванную изменением температуры окружающей среды. Использование полудифференциальных ИПр упрощает конструкцию датчика, однако они уступают дифференциальным преобразователям по чувствительности и погрешности от нелинейности статической характеристики.

Катушки индуктивных преобразователей включаются в мостовую схему переменного тока (СВ): последовательно-симметричную (ПОСМ) или параллельносимметричную (ПРСМ). На рис. 5 показаны эти схемы. Здесь используются следующие обозначения: U - напряжение питания моста; R - сопротивления П пассивных плеч моста; RN - сопротивление нагрузки моста (входное сопротивление усилителя). Пунктиром выделены катушки преобразователя.

zx1 zx1 z z z x zx xR R UП UП UП UП R RN R RN N R RN R zx2 R R R zа) б) г) в) Рис. 5. Мостовые схемы включения:

а, б - дифференциальных ИПр; в, г - полудифференциальных ИПр Несмотря на относительно простую конструкцию рассматриваемых преобразователей, происходящие в них процессы требуют для своего описания сложного математического аппарата теории нестационарных электромагнитных полей, а их расчет связан с необходимостью выполнения большого объема вычислений. Это объясняется отсутствием замкнутых аналитических выражений, непосредственно связывающих выходные характеристики ИПр с их физическими параметрами, и определенными традициями, сложившимися в области расчета и проектирования электромагнитных устройств, где часто господствует эмпирический подход. Поэтому применяемые в настоящее время методики расчета ИПр базируются в основном на теории магнитных цепей с малыми немагнитными зазорами и в большинстве случаев сводятся к поверочному расчету преобразователя с известными размерами магнитопровода.

Во второй главе разрабатываются структурно-математические модели ИДП для статического и динамического режимов измерений.

1. Статический режим измерений В статическом режиме измеряемое перемещение не изменяется во времени. На рис. 4 показана соответствующая структурная схема ИДП.

Получены функции преобразования звеньев рассматриваемых индуктивных преобразователей f1(x) и f2 (x) (табл. 1). В таблице 1 используются следующие обозначения: x - перемещение якоря; z0 - начальное сопротивление катушек;

a, b,, kx - положительные постоянные коэффициенты, зависящие от параметров преобразователей; СХ ИПр - статическая характеристика индуктивного преобразователя.

Предполагается что измеряемое перемещение совпадает с перемещением якоря ДИП x. В противном случае структурная схема ИДП, показанная на рис. 6, дополняется предварительным преобразователем.

(ДИП) (СВ) z xf1(x) x AД х FСВ (z, z ) x1 xz xf2 (x) х Рис. 6. Структурная схема индуктивного датчика перемещений для статического режима измерений Таблица 1. Статические характеристики индуктивных преобразователей Расчетная СХ ИПр Форма СХ ИПр z f1(x) z f2 (x) x1 xz0 zzz z 1 x1 x1 kxx 1 kx x xВ xВ z1 kxx 1 kxx z z0 z z2 x1 x1kx x 1kxx xВ xВ zzx1 z0 1 ax 1 bx2 zx2 z0 1 ax 1 bx 3 xВ xВ zzz z z4 xx1 kxx xВ xВ z1 kxx z zz z5 xx1kx x xВ xВ zzx1 z0 1 ax 1 bx2 z z 6 xxВ xВ Функция преобразования мостовой схемы включения (СВ) FСВ (z, z ) зависит x1 xот ее типа: для ПОСМ она имеет вид z z x1 x AД AП RN, (2) 2zx1zx2 (R 2RN )(zx1 zx2 ) для ПРСМ - ПДСИП ПДПИП ПДЗИП ДСИП ДПИП ДЗИП R(z z ) x1 x AД AП RN, (3) RN (R zx1)(R zx2 ) Rzx1(R zx2 ) Rzx2 (R zx1) где AП - амплитуда напряжения питания моста.

Определены статические характеристики индуктивных датчиков AД f(x), связывающие амплитуду AД напряжения в измерительной диагонали моста с перемещением якоря x. Это послужило основой для классификации ИДП по виду функции преобразования. В зависимости от состава используемых преобразователей и типа схемы включения возможны шесть видов этой функции (табл. 2). В таблице 2 используются следующие обозначения: A, B - постоянные положительные коэффициенты, зависящие от физических параметров ИПр и СВ; a, b, , kx - положительные постоянные коэффициенты, зависящие параметров ИПр; UП - амплитуда напряжения питания моста; RN / z0, k R / z0 - относительные сопротивления плеч моста.

Таблица 2. Статические характеристики индуктивных датчиков Статическая Тип ИПр № A B характеристика - тип СВ kx ДЗИПAД Ax UП 1 - ПОСМ 1 k 2 UП kx k 2 ПДЗИП kx 2(1 k 2 ) 2(1 k 2 ) Ax ПОСМ AД 1 Bx U kk kkx (k (k 1)) ПДЗИПП x (k 1)[2k (k 1)] (k 1)[2k (k 1)] ПРСМ UП kx(1 ) 2(1 ) k( 1) ПДПИП kx 2(1 k 2 ) 2(1 k 2 ) Ax ПОСМ AД UП kxk(1 ) 1 Bx ПДПИП- k(2 ) k (1 ) kx (k 1)(2k (k 1)) (k 1)(2k (k 1)) ПРСМ 2U kkx ДЗИП- k2kx П (k 1)[2k (k 1)] ПРСМ (k 1)[2k (k 1)] Ax ДПИП- UП kx (1 ) 1 k 2 AД 4 kx 1 B2x2 ПОСМ 1 k 2 1 k 2 2UП kkx(1 ) 2k k[2( k) k ] ДПИПkx (k 1)[2k (k 1)] ПРСМ (k 1)[2k (k 1)] UП a a(2 k 2 ) ПДСИП2(1 k 2 ) 2(1 k 2 ) Ax(1 bx2) ПОСМ AД UП ka a( k(2 k )) 1 Bx(1 bx2) ПДСИП(k 1)[2k (k 1)] (k 1)[2k (k 1)] ПРСМ a UП a ДСИППОСМ 1 k 2 1 k 2 Ax(1 bx2) AД 2UП ka 1 B2x2(1 bx2)2 ( 2k) ДСИПa (k 1)[2k (k 1)] ПРСМ (k 1)[2k (k 1)] На рис. 7 показаны статические характеристики рассматриваемых ИДП.

Пунктиром показаны аппроксимирующие прямые (прямые наименьших модулей).

При правильном построении этих прямых максимальные отклонения статической характеристики ИДП 1,2, 3 от аппроксимирующей прямой равны друг другу по величине.

Статические характеристики ИДП (табл. 2) являются типичными для большого числа других датчиков первичной информации: резистивных, емкостных, фотоэлектрических и др. Поэтому приведенные результаты могут иметь более широкое применение.

АД xn АД xv АД xn xv xn xv xВ xВ xВ xВ xВ xВ Ax Ax AД Ax AД AД 1 Bx 1 Bx 2 АД АД xn xv xn xv xn АД xv xВ xВ xВ 1 xВ xВ xВ 2 Ax Ax(1bx2) Ax(1 bx2 ) AД AД AД 1 B2x1 Bx(1bx2 ) 1 B2x2 (1 bx2)Рис. 7. Статические характеристики ИДП Получены формулы, с помощью которых можно выбрать тип схемы включения и определить ее параметры, обеспечивающие получение желаемой статической характеристики ИДП если известны желаемое значение средней чувствительности датчика K и допустимая погрешность от нелинейности его статической характеристики . Соответствующие оптимальные значения d коэффициентов A, B функций преобразования ИДП можно вычислить по формулам, приведенным в таблице 3.

Таблица 3. Оптимальные значения параметров статических характеристик ИДП Статическая Оптимальные значения Погрешность от № характеристика коэффициентов нелинейности AД Ax A K d Ax AД 2 Q 1 4 1 Bx 4 d d d ;

A K B 2 2 2 1 1 Q Ax 1 4 1 4 xВ d d AД 1 Bx QQ 2(1 Q2) Ax ; B d A K AД 1 xВ 2 1 Q2 1 1 Q1 B2x 1 Q ;, где A K B Ax(1 bx2) Q(1 ) 1 2Q2 Q2 (1 )xВ AД 5 d 1 Bx(1 bx2) bxВ 2 1 Q2z1 (1 z1 )2 Q ;, где A K B 1 z1 xВ Ax(1 bx2) 1 A(1 ) AД ; 6 d 1 2 1 Q2(1 )2 1 B2x2(1 bx2)2 Q 2 2 2 (1 z1 )(1 z2 ) (z1 z2 ) 1 bxВ Статическая характеристика датчика с соленоидным индуктивным преобразователем является наиболее сложной для анализа. При оптимальных значениях параметров A, B, b она имеет шесть точек, в которых погрешность приближения (z) AД (z) KxВ z максимальна и пять точек 0, z1 и z2, в которых она равна нулю (рис. 8). Координаты z1 и z2 этих точек определяются методом интерполяции. При выполнении условия bxВ 0,2 они практически совпадают с нулями z1 0,5878, z2 0,9511 полинома Чебышева пятой степени наименее отклоняющегося от нуля.

(z) 1 2 3 max x z1 zz xВ z zРис. 8. Распределение погрешности приближения для соленоидного ИДП 2. Динамический режим измерений В динамическом режиме измерений передаточная функция измерительного канала ИИУС, содержащего ИДП, аппроксимируется одной из трех передаточных функций:

K W1( p) ; (4) T1 p K W2 ( p) ; (5) T22 p2 2T2 p K W3 ( p) , (6) T33 p3 a1T32 p2 a2T3 p где K - коэффициент чувствительности ИДП; T1,T2,T3 - постоянные времени; - относительный коэффициент демпфирования; a1,a2 - параметры Вышнеградского.

Формула (4) применяется в случае, когда инерционность ИДП главным образом определяется инерционностью индуктивного преобразователя. В этом случае постоянная времени T1 вычисляется по формуле T1 L0 / R, где L0 - начальная индуктивность катушки; R - сопротивление пассивного плеча моста (см. рис. 5).

Формула (5) применяется для измерительного канала ИИУС с инерционным стрелочным отсчетным устройством. Формула (6) объединяет формулы (4) и (5) и позволяет получить более достоверные оценки показателей динамической точности измерительного канала.

Рассмотрены способы анализа динамических характеристик ИДП и алгоритмы синтеза их параметров по различным критериям динамической точности. При этом учитываются форма и показатели качества переходного процесса, форма амплитудно-частотной характеристики и ширина полосы пропускания частот (ППЧ).

Относительная передаточная функция измерительного канала ИИУС второго порядка (5) содержит два параметра, влияющих на динамические характеристики прибора: собственную частоту 0 1/T2 и относительный коэффициент демпфирования . Разработаны алгоритмы расчета желаемых значений этих параметров. Схема расчета зависит от состава и характера требований, которые предъявляются к динамическим характеристикам измерительного канала. В таблице 4 приведены типовые сочетания таких требований и алгоритмы решения соответствующих задач синтеза. Разработанные алгоритмы позволяют получить желаемые динамические характеристики измерительного канала ИИУС на стадии проектирования.

Таблица 4. Алгоритмы синтеза параметров передаточной функции Показатели динамической № Алгоритм расчета параметров передаточной точности функции tП IОБ П I ПЗ ПЗ 1 - - - (1) min опт 0 tП min П П min tПЗ tПЗ 2 - - - max (2) опт 0 П max П П max ПЗ , tПЗ ПЗ 3 - - - (П tПЗПЗ) П П tПЗ tПЗ - - 4 - З -1 2 - ln ln2 З З П tПЗ tПЗ 5 - - - min 0,5 П 0,5 0 Te1 4 1 h0 h0e 6 - - - - min В таблице 4 используются следующие обозначения: - допустимое значение относительной переходной погрешности; - допустимое значение относительной частотной погрешности; - безразмерная относительна ширина ППЧ; П - П относительная длительность переходного процесса; h0 - относительная переходная функция.

Пункт 1 этой таблицы соответствует случаю, когда требуется минимальная длительность переходного процесса (tП min ) и заданное значение ширины ППЧ (П ПЗ ). С помощью алгоритма п. 2 можно определить такие значения и 0, при которых измерительный канал имеет максимальную ширину ППЧ (П max ) и заданную длительность переходного процесса (tП tПЗ ). Пункт 3 соответствует случаю, когда нужно получить заданные значения tП tПЗ и П ПЗ. В остальных пунктах таблицы 4 рассматривается случаи, когда требования предъявляются только к показателям качества переходного процесса. В п. 4 такими требованиями является получение заданных значений перерегулирования ( З ) и длительности переходного процесса ( tП tПЗ ). В п. 5 и п. 6 рассматриваются случаи, когда для оценки качества переходного процесса используются интегральные показатели:

квадратичная интегральная оценка I и обобщенная интегральная квадратичная оценка IОБ.

Алгоритмы синтеза параметров передаточной функции измерительного канала ИИУС с передаточной функцией (6) аналогичны показанным в таблице 4.

В третьей главе разрабатываются алгоритмы автоматизированного расчета индуктивных датчиков перемещения.

Разработанные алгоритмы учитывают специфику использования ИДП в составе ИИУС, в том числе конструктивно-габаритные ограничения и условия, выполнение которых обеспечивает достоверность полученных результатов.

Алгоритмы расчета ИДП сводятся к последовательному вычислению необходимых характеристик и проверке выполнения требований ТЗ. Если требования не выполняются, то значения варьируемых параметров ИДП изменяются до тех пор, пока требования ТЗ будут выполняться. При этом выявляется необходимость использования корректирующих звеньев. Разработанные алгоритмы удобны для реализации с использованием компьютерной математики Mathcad.

В настоящее время в большей степени используются ИДП с соленоидными преобразователями. На рис. 9 в качестве примера приведен алгоритм расчета такого ИДП. Алгоритм условно делится на две части: расчет геометрических параметров I и расчет электротехнических параметров II.

I II Начало Требования ТЗ: xv, dzT, T, KКР 0,7..1, сипT Нет d 10%, T 5% z0 250...2500, dП 0,01...0,zT Задаются параметры:

SОК, w0, w, RК, R,r,lк,lс,tВ, z0, dп Нет Т pк, pс, s, q,,; ,, N L, AL, m1, m2, L, fП к x Sв5, Sв6, LCД, SCД, LЯ, SЯ ;SВ, LC, SC R, r,lк,lс,tВ, lТ, z0, dП, w, RК,, d,СИП,ma, xП, a,b, fП z ,, ,; N Конец c, C, p, xП,lТ, xc Нет xv xП , ,c, d;M, Np, K,r, L0 p p p a,b,,ma,, d СИП z Нет d d, ma maT z zT Рис. 9. Алгоритм расчета ИДП с СИП На стадии I, исходя из конструктивно-габаритных требований и ограничений, задаются исходные значения геометрических параметров преобразователя: средний радиус катушки R, радиус сердечника r, длина катушки lк, длина сердечника lс, величина воздушного зазора между сердечником и катушкой tВ, а также диаметр провода dП ([0,01Е0,3] мм) и начальное сопротивление катушки z0 ([250Е2500] Ом). После вычисления необходимых параметров проверяется выполнение условия xv xП ( xv - верхний предел диапазона измерения; xП - координата точки перегиба на статической характеристике преобразователя). Если оно не выполняется, то изменяют геометрические параметры преобразователя. Затем вычисляются параметры статической характеристики преобразователя: коэффициенты a,b (см.

таблицу 1, п. 3 и 6), погрешность приближения ma, относительная девиация сопротивления катушки dz и погрешность от нелинейности статической характеристики преобразователя СИП. После этого проверяется выполнение соответствующих требований. В результате определяется такое сочетания параметров СИП, при котором все требования ТЗ к статической характеристике преобразователя выполняются.

На стадии II выполняется расчет электротехнических параметров ИДП, к которым относятся: площадь окна катушки SОК, удельное число витков катушки w0, активное сопротивление катушки RК и доля активного сопротивления . Если Т, то корректируются исходные данные. По завершении этих расчетов вычисляется необходимое значение частоты напряжения питания fП.

В четвертой главе разрабатывается методика автоматизированного расчета ИДП с использованием программы Mathcad.

С целью совершенствования процесса проектирования разработана подпрограмма, позволяющая строить в Mathcad векторное изображение эскиза расчетной схемы ИДП и изменять его в соответствии с данными текущих расчетов.

В результате появляется возможность в реальном режиме времени наблюдать связь между параметрами модели объекта проектирования и его характеристиками, а также оперативно изменять исходные данные в нужном направлении.

Разработана методика расчета максимальной приведенной погрешности от нелинейности статической характеристики ИДП. Расчет выполняется на основе поиска минимума функции Maxmod(A,B), аргументами которой являются параметры A, B расчетной статической характеристики ИДП (табл. 2). В результате найден алгоритм, позволяющий определять параметры наилучшей аппроксимирующей прямой (рис. 7) и оценивать максимальную приведенную погрешность от нелинейности статической характеристики ИДП.

Приведены результаты апробации методики расчета ИДП на примере серийного датчика М-022 (Микромех). Результат расчета погрешности практически совпадает с основной погрешностью, указанной в паспорте датчика.

Предложено уменьшение погрешности ИДП М-022 за счет увеличения диаметра датчика. Показано, что при увеличении диаметра ИДП М-022 с 8 мм до 10 мм необходимо увеличить длину катушки на 20%, при этом погрешность от нелинейности статической характеристики датчика уменьшается в 2 раза. В результате повышается механическая прочность датчика, увеличивается срок его службы и снижаются эксплуатационные расходы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ В результате проведенных исследований получены следующие основные результаты:

определены шесть основных типов конструкции индуктивных датчиков, отличающихся формой статической характеристики, используемых в измерительных каналах ИИУС;

разработаны структурно-математические модели ИДП для статического режима измерений, позволяющие установить непосредственную связь между выходными статическими характеристиками ИДП и физическими параметрами датчиков;

получены формулы для расчета параметров статической характеристики ИДП, обеспечивающие минимальное значение максимальной приведенной погрешности от нелинейности этой характеристики и заданную чувствительность датчика;

разработаны алгоритмы расчета параметров передаточной функции измерительного канала ИИУС с ИДП по критериям минимума длительности переходного процесса, максимума ширины полосы пропускания частот, минимума интегральных оценок переходного процесса и заданных показателей динамической точности;

разработаны алгоритмы и методика автоматизированного расчета ИДП с использованием системы компьютерной математики Mathcad, позволяющая более чем в два раза сократить сроки проектирования ИДП для измерительного канала ИИУС;

доказана возможность уменьшения в два раза погрешности от нелинейности статической характеристики и повышения механической прочности ИДП М-0за счет увеличения его диаметра до 10 мм и увеличения длины катушки на 20%;

создано современное компьютеризированное приложение к курсу Основы проектирования приборов и систем для студентов, обучающихся по направлению подготовки 200100 Приборостроение, в виде комплекса учебных заданий для курсового и дипломного проектирования.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Строганов Д.А., Щепетов А.Г. Структура и принцип построения распределенной измерительной системы. Приборостроение. Межвузовский сборник научных трудов. - М.: МГАПИ, 2004, с. 226-234;

2. Строганов Д.А. Система автоматизированного проектирования индуктивных измерительных приборов. Приборостроение. Межвузовский сборник научных трудов. - М.: МГУПИ, 2007, с. 137-141;

3. Строганов Д.А. Первичные преобразователи индуктивных измерительных приборов. Приборостроение. Межвузовский сборник научных трудов. - М.:

МГУПИ, 2007, с. 166-169;

4. Строганов Д.А. Индуктивные измерительные приборы с микропроцессорной обработкой сигнала. Приборостроение. Межвузовский сборник научных трудов.

- М.: МГУПИ, 2007, с. 210-213;

5. Строганов Д.А. Использование MATHCAD при проектировании индуктивных преобразователей. Сборник трудов научной конференции Актуальные проблемы приборостроения, информатики и социально-экономических наук. - М.: МГУПИ, 2008, с. 70-75;

6. Строганов Д.А. Расчет и выбор параметров индуктивного преобразователя с переменной величиной воздушного зазора. Журнал Приборы. - М.: 11.2008, с. 36-40;

7. Строганов Д.А., Щепетов А.Г. Структурно-математические модели индуктивных измерительных устройств. Журнал Приборы. - М.: 05.2011, с. 4-10.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Строганов Дмитрий Анатольевич Исследование и разработка индуктивных датчиков перемещения для информационно-измерительных и управляющих систем    Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям