Анализ и синтез фазовых датчиков механических величин с бегущим магнитным полем для информационно-измерительных и управляющих систем

Развитие информационно-измерительных и управляющих систем предполагает широкое использование датчиков. Датчики являются первичным звеном любой информационно-измерительной системы и в значительной мере определяют ее метрологические характеристики. Проектирование систем управления и контроля, в которые входит большое количество датчиков различных параметров, связано с некоторыми трудностями. Датчики подобных систем имеют различные принципы действия, часто требуют индивидуальных источников питания и устройств обработки информации. Разнообразие входных измеряемых параметров ставит задачу создания типовых рядов датчиков, которые целесообразно использовать для удовлетворения тех или иных потребностей при сборе первичной измерительной информации. Унификация предполагает переход к базовым моделям и внедрение единой элементной базы.

Для измерения линейных и угловых перемещений, линейных и угловых скоростей и ускорений, сил и крутящих моментов используются информационно-измерительные системы с датчиками, разработанными на основе самых разнообразных физических явлений. Большую часть датчиков механических величин составляют электромагнитные датчики, в которых используются законы электромагнитного взаимодействия обмоток или проводников.

Если рассматривать эти датчики с точки зрения технологии получения информации на выходе, то их можно разделить на две группы.

1. Датчики накапливающего типа. Эти датчики поставляют информацию об измеряемой величине, изменяющейся в ограниченных пределах. Проблема определения истинного значения измеряемой величины решается электронными блоками, способными накапливать информацию. Примером таких датчиков являются датчики перемещений с использованием индуктосинов. При сбоях в цепи питания таких датчиков возможна потеря информации.

2. Датчики непосредственного считывания, параметры выходного сигнала которых полностью соответствуют измеряемой величине с определенной точностью. Такие датчики широко используются в установках различного назначения, не требующих постоянного контроля и настройки после отключения питания или при различных сбоях в работе.

Набор информационно-измерительных систем измерения механических величин настолько широк, что возникают проблемы при проектировании и эксплуатации устройств, в состав которых входят датчики различного назначения. Датчики имеют различные принципы действия, различные метрологические характеристики, вид и уровень выходного сигнала и нуждаются в специализированных схемах обработки информации и источниках питания. Унификация конструкций, принципов действия и аппаратуры обработки информации является одним из основных путей сокращения стоимости и повышения надежности автоматизированных систем контроля и управления различными технологическими процессами.

Важным показателем качества датчиков является стабильность характеристик, то есть их неизменность при изменении условий эксплуатации датчиков. Наиболее стабильные характеристики имеют датчики, у которых носителем информации об измеряемой величине является фаза выходного сигнала. Речь идет об электромагнитных фазовращателях (ЭМФ), которые используются в качестве датчиков информации и в качестве преобразователей параметров электрической энергии.

При изменении угла поворота ротора ЭМФ изменяют фазу выходного напряжения. В информационных ЭМФ происходят те же электромагнитные процессы, что и в энергетических ЭМФ. Однако информационные ЭМФ имеют некоторые особенности. При проектировании информационных ЭМФ стремятся обеспечить в первую очередь стабильность функции преобразования. Информационным параметром выходного сигнала фазовращателей является фаза выходного напряжения, поэтому важной характеристикой измерительной системы является соответствие изменения фазы перемещению. Соответствие фазы измеряемому перемещению нормируется погрешностью, определяемой степенью разброса отклонений фазы от линейного закона, так как в большинстве случаев измерительных систем (ИС) механических величин предполагается использование линейной характеристики.

В настоящей работе предложена новая электромагнитная система (ЭМС) с бегущим магнитным полем, которая изменяет фазу выходного напряжения при линейном перемещении подвижной части системы. В настоящей работе рассмотрена технология анализа и синтеза фазовых датчиков механических величин с бегущим магнитным полем для информационно-измерительных и управляющих систем. Использование разработанной электромагнитной системы (ЭМС) позволяет расширить в два раза область применения ЭМФ, преобразующих угловые перемещения в изменение фазы выходного напряжения при использовании уже разработанной аппаратуры обработки информации. Практически речь идет об унификации устройств измерения параметров линейных и угловых перемещений. Предлагаемая ЭМС позволяет в значительной степени уменьшить габаритные размеры информационной линейки и увеличить коэффициент ее использования в датчиках линейных перемещений. В то же время датчики параметров угловых перемещений, разработанные на базе новой ЭМС, имеют меньшие габариты и повышенную надежность по сравнению с существующими ЭМФ.

Предлагаемая электромагнитная система относится к ЭМС с распределенными параметрами, с одной стороны, и к фазовращающим устройствам, с другой стороны. Идея использования теории электрических линий с распределенными параметрами для анализа ЭМС с распределенными параметрами встречается в работах Зарипова М. Ф. [71] и КуликовскогоЛ.Ф. 80]. Однако полной аналогии провести невозможно, так как особенность магнитных линий с распределенными параметрами заключается в том, что в них, как правило, имеет место распределение в пространстве не только пассивных параметров, но и намагничивающих сил.

Для анализа существующих ЭМФ используется теория асинхронных двигателей. Это объяснятся тем, что информационные ЭМФ конструктивно выполнены как энергетические преобразователи. Этому вопросу посвящен ряд работ Ахметжанова, А А. [5, 6] и Батоврина А. А. [9, 10]. Однако использование обобщенного магнитного потока в качестве базового положения в теории ЭМФ не позволяет учесть влияние большинства конструктивных параметров магнито провода на погрешность датчика.

Используемые методики проектирования датчиков ориентированы на получение параметров элементов конструкции исходя из энергетических характеристик. Достаточно полно разработана теория многофакторного эксперимента, позволяющая выработать рекомендации по проведению много факторных испытаний. Многофакторные испытания позволяют определить воздействие внешних влияющих факторов на погрешность измерительных систем. Воздействие конструктивных влияющих факторов (внутренних влияющих факторов) на погрешность информационно-измерительных систем механических величин изучено не в полном объеме. Практически полностью отсутствует теория проектирования измерительных систем механических величин из условия получения заданных метрологических характеристик измерительной системы.

Создание новой электромагнитной системы предполагает разработку базовой теории, позволяющей анализировать работу датчиков, получать их функции преобразования и метрологические характеристики.

Актуальность работы

Среди электромагнитных датчиков механических величин лучшие метрологические характеристики имеют ЭМФ, нашедшие широкое применение в измерительных системах параметров угловых перемещений. К сожалению, фазовые датчики, построенные на основе изменения взаимного положения рабочих обмоток, не могут использоваться для измерения параметров линейных перемещений, что ограничивает область применения фазового признака выходного сигнала как наиболее устойчивого к внешним влияющим факторам. Разработка электромагнитной системы, позволяющей создать датчики с фазовым признаком выходного сигнала для измерения как угловых, так и линейных перемещений при сохранении устройств обработки информации, является актуальной, так как позволяет, с одной стороны, расширить область применения фазовых датчиков, с другой, унифицировать аппаратуру обработки информации. Кроме этого использование предлагаемой электромагнитной системы позволяет повысить надежность датчиков, так как при этом сокращается количество обмоток.

Для анализа работы ИС с датчиками подобного типа необходимо иметь методику определения электрических параметров фазовых датчиков механических величин с учетом особенностей конструкции, методику анализа работы в различных режимах, методику получения функций преобразования, позволяющих получить статические и динамические характеристики ИС. Наиболее важной, не решенной к настоящему времени проблемой является проблема анализа погрешностей ЭМС с бегущим магнитным полем и разработка методики проектирования датчиков с учетом результатов этого анализа.

Цель работы и задачи исследования

Цель работы — разработка общей методики анализа и синтеза измерительных систем с фазовыми датчиками механических величин, принцип действия которых основан на использовании плоскопараллельного бегущего магнитного поля. Исходя из указанной цели, в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Разработка теоретических основ анализа ЭМС с бегущим магнитным полем.

2. Разработка методики получения функций преобразования измерительных систем с фазовыми датчиками механических величин.

3. Выбор, разработка и обоснование методов анализа систематической погрешности ИС параметров угловых и линейных перемещений.

4. Анализ систематических погрешностей ИС.

5. Определение степени влияния различных факторов на результирующую погрешность ИС.

6. Выбор модели погрешности ИС, позволяющей провести полный анализ метрологических характеристик.

7. Обоснование способов определения электрических параметров датчиков механических величин.

8. Разработка методики инженерного проектирования ИС механических величин с заданными метрологическими свойствами.

Основные методы научных исследований

Теоретические исследования базовой ЭМС произведены путем использования впервые предложенной системы удельных первичных параметров, что позволило получить достаточно точные формулы для определения параметров идеализированных датчиков.

Использование разработанной системы удельных параметров распределенных магнитных линий позволило определить условия функционирования базовой ЭМС и сформулировать технические требования на разработку отдельных элементов.

В качестве инструмента для исследования электрических параметров датчиков с учетом дискретности распределения электромагнитных параметров разработана базовая имитационная модель ИС, позволяющая с высокой степенью приближения к реальной конструкции изучать свойства ИС. Имитационная модель позволила проанализировать степень влияния большинства конструктивных параметров на погрешность ИС.

Для анализа погрешности ИС с фазовыми датчиками и определения требований к параметрам элементов ИС может быть использована традиционная модель погрешности в форме многочлена, которая широко используется в теории многофакторного эксперимента. Показаны сложности использования традиционной модели при проектировании ИС механических величин. С целью упрощения синтеза ИС разработана модель погрешности, базирующаяся на анализе спектральных характеристик систематических погрешностей. Использование разработанной модели позволило решить проблему проектирования ИС с заданными метрологическими характеристиками.

Для моделирования измерительных систем использованы компьютерные среды BASIC, MathCAD, MAPLE.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертации подтверждена результатами исследования ИС, созданных в рамках выполнения договорных и госбюджетных работ.

Научная новизна

1. Разработана новая базовая электромагнитная система с бегущим магнитным полем, позволившая создать ряд датчиков для измерения параметров линейных и угловых перемещений

2. Впервые разработана методика анализа процессов в ЭМС на основе использования удельных параметров распределенного магнитопровода.

3. Определены пути получения функций преобразования ИС с фазовыми датчиками, работающими в различных режимах.

4. Разработан алгоритм синтеза ИС с заданными метрологическими характеристиками.

5. Впервые разработан спектральный метод анализа погрешности МС, позволяющий учитывать взаимное влияние факторов.

6. Получены аналитические уравнения зависимости фазовой ошибки от перемещения при учете влияния большинства конструктивных параметров ЭМС.

7. Разработаны принципы построения имитационной модели ИС на основе датчиков с плоскопараллельным бегущим магнитным полем.

8. Выработаны рекомендации для проектирования ИС механических величин.

Практическая ценность

Практическая ценность работы заключается в использовании бегущего магнитного поля ЭМС для построения датчиков, расширении области применения ЭМФ, в использовании спектрального метода анализа систематических погрешностей при проектировании ИС.

1. Разработана ЭМС, позволившая использовать фазовый признак выходного сигнала для измерения параметров линейных и угловых перемещений с использованием универсальных блоков обработки информации, расширить область применения фазового признака выходного сигнала и повысить надежность ИС.

2. Разработаны датчики различного назначения для измерения параметров угловых и линейных перемещений на основе единой электромагнитной системы.

3. Разработаны различные способы реализации ЭМС, повышающие технологичность изготовления электромагнитных конструкций.

4. Определены пути получения функций преобразования и схем замещения датчиков с бегущим магнитным полем для анализа свойств ИС механических величин.

5. Разработана методика определения статических и динамических свойств датчиков.

6. Разработана базовая имитационная модель ИС на основе датчиков с бегущим магнитным полем, позволяющая проводить полный анализ электрических и метрологических свойств ИС.

7. Разработан алгоритм проектирования ИС из условия получения системы с заданной погрешностью измерений.

8. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом госбюджетных научно-исследовательских работ «Рзработка датчиковой аппаратуры».

9. Теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы при выполнении НИР № 928 «Исследование и разработка перспективных средств измерения» в рамках сотрудничества с предприятием п/я В-2572, г. Москва 1981 г.- НИОКР «Система измерения механических величин» в рамках сотрудничества с ПО «Электромеханика», г. Пенза 1983 г.- НИОКР «Разработка датчиковой аппаратуры» в рамках сотрудничества с в.ч. № 2541, г. Железнодорожный Московской области 1995 г.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Спектральный метод анализа систематической погрешности ИС, позволяющий получить систематическую погрешность при несоответствии параметров идеальным значениям с учетом их взаимного влияния.

2. Теоретические основы анализа ЭМС с плоскопараллельным бегущим магнитным полем.

3. Методика использования результатов анализа систематической погрешности для синтеза ИС.

4. Методика определения влияния большинства конструктивных факторов на погрешность ИС.

5. Способы определения статических и динамических характеристик ИС механических величин.

6. Алгоритм проектирования ИС механических величин с заданными метрологическими характеристиками.

Апробация работы

Основные положения диссертации, результаты проведенных исследований, опыт практического применения разработок докладывались и обсуждались на международных, всероссийских, всесоюзных, региональных, и отраслевых научно — технических симпозиумах, конференциях и семинарах:

Международный симпозиум «Надежность и качество», Пенза, 2007 г.- Международная научно-техническая конференция «Проблемы автоматизации и управления в технических системах», Пенза, 2007 г.- Международный симпозиум «Надежность и качество», Пенза, 2006 г.- Международный юбилейный симпозиум «Актуальные проблемы науки и образования», Пенза, 2003 г.- Международный симпозиум «Надежность и качество», Пенза, 2005 г.- Международная научно-техническая конференция «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации» («Измерения-2006»), Пенза, 2006 г.- Международная научно-техническая конференция «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации» («Измерения-2004»), Пенза, 2004 г.- Научно-техническая конференция «Автоматизация производства», Тула, 1994 г.- Научно-техническая конференция «Измерения и контроль при автоматизации», Барнаул, 1991 г.- Научно-техническая конференция «Методы и средства измерения», Пенза, 1992 г.- Научно-техническая конференция «Проблемы применения микропроцессорных контроллеров», Минск, 1991 г.- Научно-техническая конференция «Методы и средства измерения механических параметров», Пенза, 1990 г.- Научно-техническая конференция «Измерение и контроль в производстве», Москва, ЦНИИ «Электроника», 1989 г.- Научно-техническая конференция «Методы и средства измерения», Пенза, 1989 г.- Научно-техническая конференция «Теория и практика производственных процессов», Уфа, УПИ, 1989 г.- Научно-техническая конференция «Датчики в системах куонтроля и управления», Ижевск, 1988 г.- Научно-технический семинар «Повышение уровня технической оснащённости ГАП», Севастополь, 1986 г.- Научно-техническая конференция «Методы и средства измерения», Пенза, 1982 г. Публикации

По материалам диссертации опубликовано 54 научных труда, в том числе учебное пособие, получено 4 авторских свидетельства на изобретения, 2 патента, издана монография. Отдельные результаты отражены в четырех отчетах по НИР. Основные положения диссертации полностью представлены в опубликованных работах.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложенийсодержит 367 страниц основного текста, 137 иллюстраций, 118 наименований использованных литературных источников, 37 страниц приложений.

Выводы

1. При проектировании фазовых датчиков на базе ЭМС с бегущим магнитным полем необходимо использовать имитационную модель ИС, которая позволяет получить абсолютную погрешность в зависимости от измеряемого перемещения при однофакторном воздействии.

2. Степень влияния отдельного фактора на результирующую погрешность следует определять весом данного фактора с учетом влияния других факторов.

3. Допустимые отклонения конструктивных параметров от расчетных значений можно определять из условия равенства весов с введением поправочных коэффициентов. Однако такое решение не является оптимальным.

4. Оптимальный результат дает определение допустимых отклонений параметров измерительной системы на основе спектральных характеристик отклонений фазы от действия факторов и минимальной стоимости изделия.

5. Электрический расчет магнитной системы следует вести по методике расчета маломощных трансформаторов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе представлена теория анализа и синтеза фазовых датчиков с бегущим магнитным полем для информационно-измерительных и управляющих систем. Разработанная и реализованная электромагнитная система с бегущим магнитным полем позволила создать электромагнитные фазовращатели для измерения параметров линейных и угловых перемещений. Фазовые датчики позволяют измерять весь набор механических величин при практически неизменных блоках обработки информации. Разработанная ЭМС позволяет создавать датчики перемещений, носителем информации у которых является уровень выходного напряжения.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Разработана общая теория электромагнитной системы с бегущим неоднородным магнитным полем, основанная на использовании удельных параметров распределенной магнитной линии.

2. Разработан спектральный метод анализа систематических погрешностей фазовых датчиков с бегущим магнитным полем и произведен их полный анализ с помощью имитационной модели.

3. Разработан принцип построения электромагнитной системы с распределенными параметрами, позволившей создать фазовые датчики механических величин угловых и линейных перемещений. При этом структура ИС механических величин остается такой же, как и структура ИС на базе известных электромашинных фазовращателей.

4. Создана модель систематической погрешности измерительной системы с фазовыми датчиками механических величин на основе спектрального анализа погрешности.

5. Выработаны основы проектирования измерительных систем с датчиками механических величин. Предлагается производить электрический расчет измерительной системы, расчет характеристик системы и расчет элементов с целью получения ИС с заданными метрологическими характеристиками.