Введение к работе
Актуальность темы. Развитие информационно-измерительных систем (ИИС) управления и контроля предполагает широкое использование датчиков. Датчики являются первичным звеном любой ИИС и в значительной мере определяют величину ее результирующей погрешности.
Большой вклад в разработку ИИС для измерения механических величин внесли Н. Е. Конюхов, Е. П. Осадчий, Е. А. Мокров, В. М. Шлян-дин, А. И. Мартяшин, Е. А. Ломтев, А. Н. Трофимов и В. И. Батищев.
Среди датчиков угловых перемещений наиболее стабильные характеристики имеют датчики, у которых носителем информации является фаза выходного сигнала - электромагнитные фазовращатели (ЭМФ). Наиболее важной задачей проектирования и разработки новых конструкций фазовращателей является повышение разрешающей способности ИИС.
Повышение разрешающей способности ИИС с классическими фазовращателями достигается путем увеличения числа пар полюсов электромагнитной системы и использованием принципа электромагнитной редукции. Увеличение числа пар полюсов приводит к резкому увеличению габаритных размеров фазовращателей и ограничено жесткими требованиями к точности изготовления магнитопровода. Поэтому коэффициент редукции классических фазовращателей достаточно мал (он колеблется в пределах от 4 до 8). Как показали исследования, разрешающая способность ИИС пропорциональна квадрату коэффициента редукции ЭМФ. Таким образом, одним из способов повышения разрешающей способности ИИС с ЭМФ является увеличение коэффициента редукции ЭМФ.
Анализу работы ЭМФ посвящен ряд трудов А. А. Ахметжанова и А. А. Батоврина. Однако использование обобщенного магнитного потока в качестве базового положения в теории ЭМФ не позволяет учесть влияние большинства конструктивных параметров магнитопровода на погрешность.
Для измерения угловых перемещений автором предлагается использовать ИИС на основе редукционных ЭМФ, построенных на взаимодействии бегущего магнитного поля с неоднородным магни-топроводом. Коэффициент редукции разработанных ЭМФ с продольным бегущим магнитным полем в десятки раз больше, чем
у классических ЭМФ с поперечным магнитным полем, что обеспечивает повышение разрешающей способности ИИС в несколько раз, не прибегая к увеличению числа пар полюсов или к усложнению конструкции обмоток фазовращателя. Предлагаемая конструкция ЭМФ с продольным магнитным полем имеет гораздо меньшие габаритные размеры по сравнению с ЭМФ с поперечным магнитным полем.
Таким образом, разработка ИИС для измерения угловых перемещений на базе редукционного ЭМФ с бегущим магнитным полем является чрезвычайно актуальной, так как позволяет уменьшить погрешность измерений и повысить разрешающую способность ИИС.
Предмет исследований - информационно-измерительная система на основе редукционного электромагнитного фазовращателя, предназначенная для измерения угловых перемещений.
Цель исследований - разработка ИИС с повышенной разрешающей способностью для измерения угловых перемещений на основе редукционного ЭМФ.
Задачи исследования:
Проведение анализа и математическое описание ИИС для измерения угловых перемещений на основе редукционного ЭМФ.
Определение передаточной функции ИИС для измерения угловых перемещений с редукционным ЭМФ.
Выбор методов анализа, разработка и обоснование методов определения погрешности ИИС для измерения угловых перемещений с редукционным ЭМФ.
Определение степени влияния различных факторов на погрешность ИИС для измерения угловых перемещений, построенной на базе редукционного ЭМФ с бегущим магнитным полем.
Разработка ИИС для измерения угловых перемещений на основе редукционного ЭМФ и компьютерных технологий.
Методы исследований. Методологическую основу работы составила классическая теория электромагнитных устройств с использованием введенных удельных первичных параметров, идеализации процессов в электромагнитной системе и дискретизация характеристик магнитопровода.
В процессе исследований использованы методы математического анализа, имитационного моделирования и натурных испытаний ИИС
для измерения угловых перемещений, построенной на основе редукционного ЭМФ и компьютерных технологий.
Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:
Разработана новая конструкция электромагнитного фазовращателя с повышенным коэффициентом редукции.
Разработана методика получения передаточной функции ИИС для измерения угловых перемещений с редукционным ЭМФ, работающим в однофазном и двухфазном режимах.
Разработан алгоритм имитационной модели ИИС угловых перемещений на основе ЭМФ с электромагнитной редукцией.
Создана имитационная модель ИИС для измерения угловых перемещений на базе электромагнитного фазовращателя, позволяющая учесть влияние наиболее значимых конструктивных факторов на погрешность ИИС.
Разработана ИИС для измерения угловых перемещений, реализованная на базе редукционного ЭМФ и персонального компьютера.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
Разработана электромагнитная система для измерения параметров угловых перемещений, позволяющая расширить область применения фазового признака выходного сигнала.
Разработана новая конструкция ЭМФ, основанная на использовании продольного бегущего магнитного поля, с повышенным коэффициентом редукции.
Создана базовая имитационная модель ИИС с редукционным ЭМФ, позволяющая проводить предварительную оценку электрических и метрологических свойств ИИС для измерения угловых перемещений.
Решена задача разработки ИИС для измерения угловых перемещений на основе редукционного ЭМФ и персонального компьютера с использованием программного обеспечения, реализованного в среде MatLab.
Реализация и внедрение. ИИС для измерения угловых перемещений на основе редукционного ЭМФ внедрена в качестве элемента действующего оборудования оборонного значения (ВЧ 68501, Пензенская обл.). Имитационная компьютерная модель ИИС для измерения угловых перемещений на основе редукционного ЭМФ также
внедрена в практику проектных работ ООО «Вектор плюс» (г. Пенза). Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Автономные информационные и управляющие системы» Пензенского государственного университета при подготовке студентов по дисциплине «Контактные и неконтактные датчики».
Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на международных научно-технических симпозиумах и конференциях: ежегодный Международный симпозиум «Надежность и качество» (Пенза, 2006-2008), Международная научно-техническая конференция «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2007); Международная научно-техническая конференция «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации» («Измерения-2006») (Пенза, 2006).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК. Основные положения диссертации полностью представлены в опубликованных работах.
На защиту выносятся:
Усовершенствованная конструкция ЭМФ с повышенным коэффициентом редукции, основанная на использовании продольного бегущего магнитного поля.
ИИС с повышенной разрешающей способностью для измерения угловых перемещений на базе редукционного ЭМФ.
Передаточные функции ИИС для измерения угловых перемещений на базе редукционного электромагнитного фазовращателя, работающего в однофазном и двухфазном режимах.
Имитационная модель ИИС для измерения угловых перемещений на базе редукционного электромагнитного фазовращателя.
Анализ влияния наиболее значимых факторов на погрешность ИИС для измерения угловых перемещений.
ИИС для измерения угловых перемещений на базе редукционного ЭМФ и персонального компьютера.
Результаты экспериментального исследования ИИС для измерения угловых перемещений на базе редукционного ЭМФ и персонального компьютера.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 102 наименований и 6 приложений. Она содержит 212 страниц основного текста, 1 таблицу, 56 иллюстраций.
