Введение к работе
Актуальность темы. Современное развитие специальной техники, к которой относят ракетно-космическую технику, вооружение и военную технику, авиацию, двигателестроение, изделия для атомной энергетики и т.п., во многом зависит от технического уровня информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС), качество и технико-экономические показатели которых определяются использованной в них датчико-преобразующей аппаратурой (ДПА). В специальной технике ДПА эксплуатируется при воздействии большого количества дестабилизирующих факторов: ударов, вибраций, линейных ускорений, акустического шума, широкого диапазона воздействующих температур. При создании сложных комплексов в настоящее время широко используются электромагнитные датчики перемещений (ЭМДП). Они применяются во многих ИИУС специальной техники.
Практика использования ЭМДП специального назначения выдвигает перед разработчиками многообразные, зачастую противоречивые требования, которым они должны удовлетворять. Это точность, надежность, помехозащищенность, быстродействие, малые габаритные размеры, технологичность изготовления и пр. Жесткость требований к ЭМДП обусловлена необходимостью повышения их точности и одновременного уменьшения габаритных размеров, что связано в первую очередь с широким использованием датчиков на подвижных объектах, где уменьшение габаритов и массы оборудования позволяет увеличить общий коэффициент полезного действия объекта и объем формируемой информации. Это особенно важно при работе датчиков в ограниченных пространствах: во внутренних полостях агрегатов, двигателей, гидроцилиндров, под обшивками летательных аппаратов, в переносных устройствах, где ограничения в габаритных размерах играют решающую роль при выборе датчика. Кроме того, снижение габаритно-весовых показателей ведет к уменьшению энергопотребления и материалоемкости, однако при этом должны сохраняться метрологические характеристики датчиков.
В настоящее время разработано большое количество ЭМДП, которые отличаются по структуре построения и методу обработки сигналов с чувствительных элементов (ЧЭ).
Наибольшее распространение среди электромагнитных датчиков получили взаимоиндуктивные (трансформаторные) преобразователи перемещений, отличающиеся высокой помехоустойчивостью, наличием гальванической развязки и высокой надежностью в условиях воздействия де-
стабилизирующих факторов. Тем не менее они не свободны от ряда недостатков, таких как:
– влияние нестабильности питающего напряжения (тока);
– изменение параметров датчика от температуры окружающей
среды;
– зависимость диапазона измеряемых перемещений от габаритных размеров датчика.
Большой вклад в развитие теории, проектирования и промышленного освоения ЭМДП внесли приборостроительные фирмы как отечественные (МГТУ им. Н. Баумана; Самарский государственный аэрокосмический университет; Ульяновский авиационный институт; ОАО «НИИФИ»,
г. Пенза; НПО «Измерительная техника», г. Королев Московской обл.; Ульяновское конструкторское бюро приборостроения и др.), так и зарубежные (HEIDENHAIN; Siemence and Halske; Hottin Ger Baedwin Messteschnik GMBH, Германия; Shaevitz Electronic Corporation, США; Olivetti, Италия; Mitsubishi, Япония и др.). Современные методы и средства проектирования ЭМДП сформировались на базе большого количества исследовательских работ и изобретений известных ученых: Д. И. Агейкина,
А. А. Ахметжанова, Э. И. Гитиса, В. Г. Домрачева, М. Ф. Зарипова,
Н. Е. Конюхова, Л. Ф. Куликовского, К. Л. Куликовского, Е. А. Мокрова, П. В. Новицкого, Е. П. Осадчего, М. А. Ураксеева, М. П. Цапеко, В. Е. Шатерникова, В. М. Шляндина и др.
Разработаны образцы ЭМДП с высокими точностными показателями, временной стабильностью, быстродействием, приемлемыми массо-габаритными характеристиками и т.п. Тем не менее в настоящее время не существуют серийно выпускаемые ЭМДП, сохраняющие свои точностные характеристики в диапазоне температур от –196 до +300 С, не разработаны унифицированные конструкции, на базе которых возможно построение ряда датчиков, способных удовлетворять потребности отраслей промышленности в преобразователях специального назначения для измерения перемещений в жестких условиях эксплуатации. Отсутствуют теоретические основы проектирования унифицированных ЭМДП с использованием растровых сопряжений; разработанные математические модели, описывающие воздействие нестационарных тепловых процессов на конструкции ЭМДП, когда внешняя и измеряемая среды имеют существенно неоднородные характеристики; обоснованные правила выбора параметров конструктивных элементов, позволяющие проектировать ЭМДП с заданными характеристиками; инженерные методики расчета магнитной проводимости в рабочих зазорах растровых электромагнитных датчиках угловых перемещений, имеющих температурную погрешность не более 0,001 %/С;
В результате возникла необходимость разработки теории и конструктивных решений по созданию унифицированных рядов, а именно совокупности датчиков перемещений одинакового функционального назначения, включающей базовую конструкцию и ее модификации с сохранением числового ряда главного параметра (диапазон измерения), для ИИУС специального назначения с малой температурной погрешностью, высокой точностью измерения и малыми габаритными размерами, не зависящими от диапазона измерения.
Решение поставленных выше задач по созданию унифицированных ЭМДП для ИИУС специального назначения обусловливает актуальность представленной работы.
Целью диссертационной работы является совершенствование существующих, разработка новых ЭМДП ИИУС; развитие теории и разработка методик инженерного проектирования электромагнитных датчиков, работающих в жестких условиях эксплуатации с заданными метрологическими и эксплуатационными характеристиками; создание и внедрение унифицированных рядов датчиков линейных и угловых перемещений.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
1) разработка физической и математической моделей взаимоиндуктивных ЧЭ для растровых ЭМДП с цилиндрическим и торцевым сопряжением растров;
2) анализ обобщенной схемы замещения и создание методики расчета проводимостей рабочих зазоров в ЭМДП с комбинационным сопряжением зубцовых растров;
3) исследование влияния нестационарных тепловых процессов при различных условиях и режимах работы ЭМДП, получение качественных и количественных оценок параметров этих процессов;
4) проведение анализа погрешностей ЭМДП, определение зависимости между метрологическими и конструктивными параметрами датчиков;
5) исследование метрологических характеристик и источников погрешностей растровых ЭМДП при использовании амплитудно-логического метода обработки сигналов;
6) проведение физического моделирования растровых сопряжений ЭМДП для определения оптимальных соотношений элементов конструкций и влияния инструментальных погрешностей на метрологические характеристики датчиков;
7) разработка базовых конструкций и создание на их основе унифицированных рядов ЭМДП, работоспособных в жестких условиях эксплуатации;
8) разработка градуировочно-испытательного оборудования для подтверждения метрологических и эксплуатационных характеристик разработанных датчиков с учетом особенностей технологии изготовления и испытаний ЭМДП.
Методы исследований. При решении поставленных задач использованы методы интегрального и дифференциального исчисления, аналитической геометрии, математического моделирования, теории электрических цепей, электромагнитного поля. Теоретические и экспериментальные исследования проводились с использованием пакета программ MathCAD и алгоритмического языка Turbo Pascal. При проектировании конструкций датчиков применялись системы автоматизированного проектирования КОМПАС и AutoCAD.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы подтверждена результатами экспериментальных исследований опытных образцов ЭМДП, разработанных при выполнении НИОКР по государственным программам и прямым договорам, результатами стендовых и натурных испытаний в составе ИИУС изделий авиационной и ракетно-космической техники.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
1. Созданы теоретические основы проектирования растровых взаимоиндуктивных датчиков линейных и угловых перемещений.
2. Предложена и теоретически обоснована модель теплового поля ЭМДП при его эксплуатации в условиях сложных тепловых воздействий, позволяющая на ранних стадиях разработки проводить анализ, рассчитывать температурные поля и выбирать основные конструктивные параметры.
3. Разработаны обобщенная схема замещения и математическая модель чувствительных элементов растровых ЭМДП. На их основе сформированы теоретические основы методик расчета магнитной проводимости в зубцовых зазорах с учетом сопротивлений утечки, позволяющие рассчитывать основные конструктивные параметры датчиков.
4. Разработаны научные основы проектирования высокотемпературных бесконтактных ЭМДП с использованием металлопленочных и металлокерамических обмоток.
5. Проведен метрологический анализ инструментальных погрешностей растровых взаимоиндуктивных датчиков угловых и линейных перемещений, определены пути их уменьшения.
Практическая ценность работы определяется внедрением основных положений, выводов и рекомендаций, полученных при исследовании и разработке ЭМДП для ИИУС специального назначения. Практическую ценность работы представляют:
1. Программное обеспечение в комплексе «DLP», позволяющее проводить анализ, рассчитывать и визуализировать неоднородные, нестационарные температурные поля ряда ЭМДП.
2. Результаты математического моделирования тепловых процессов в бесконтактном ЭМДП при различных условиях и режимах его работы, позволившие получить качественные и количественные оценки параметров этих процессов для разработки тепловых моделей программируемых контроллеров для космического аппарата «Фотон-М» №2.
3. Инженерная методика расчета конструктивных параметров растровых ЭМДП.
4. Разработанные базовые конструкции ряда датчиков:
– линейных и угловых перемещений ПЛИ 086, ПУИ 065, ПУИ 063 для системы измерения стендового оборудования по теме «КБС» и системы измерений при испытаниях динамического макета разгонного блока 465ГК0000АХ61-0 по теме «Наземный старт»;
– линейных перемещений С 085 для системы контроля параметров изделия «Булава»;
– угловых перемещений ПУИ 062 для системы измерения параметров внутритрубного профилемера;
– угловых перемещений ПУИ 064 для системы контроля параметров шасси объекта Т-50.
5. Результаты проверочных испытаний разработанных в ОАО «НИИФИ» (г. Пенза) унифицированных конструкций ЭМДП (С 085,
ПУИ 062, ПУИ 064, ПУИ 065, ПЛИ 086), подтвердившие технические характеристики датчиков.
На защиту выносятся:
1. Математическая модель на основе обобщенной магнитной схемы замещения ЧЭ взаимоиндуктивных датчиков перемещений с растровым сопряжением, позволившая сформировать основные расчетные выражения для выходных сигналов с учетом сопротивлений утечки с торцевых поверхностей статора и ротора, сопротивлений магнитопровода и сопротивлений воздушного зазора.
2. Модель теплового поля бесконтактного ЭМДП при его эксплуатации в условиях воздействия нестационарных тепловых полей, позволяющая определять температуру в любой точке датчика во время воздействия теплового потока и размеры теплозащитного экрана.
3. Аналитические выражения, определяющие зависимости между конструктивными параметрами и инструментальными погрешностями растровых взаимоиндуктивных датчиков перемещений и зависимости между точностными и динамическими показателями, позволяющие проводить расчет конструкций датчиков исходя из заданных метрологических характеристик.
4. Варианты разработанных автором унифицированных ЧЭ и оригинальных конструкций различных ЭМДП для экстремальных условий эксплуатации.
Реализация и внедрение.
Разработанные в диссертационной работе теоретические основы инженерных методов расчета внедрены в ОАО «НИИФИ» (г. Пенза) при создании ряда датчиков линейных и угловых перемещений ПУИ 062, С 085, ПУИ 065, ПЛИ 086, ПУИ 064, которые прошли приемочные испытания и поставляются потребителям.
Методики оценки погрешностей и предложенные автором конструктивные решения использованы в ОАО «НИИФИ» при проведении ОКР по теме «Возрождение», включенной в Федеральную космическую программу развития датчиковой аппаратуры на период 2006–2015 гг. утвержденной Постановлением Правительства от 22 октября 2005 г. № 635, НИР «Обнова», «Разработка макетных образцов перспективных датчиков, преобразователей физических величин и компонентов датчиков параметров физических величин с подтверждением их основных технических характеристик», выполняемой в рамках Комплексной целевой программы «Датчик ВВТ», по госконтракту № 5341/215-05 от 12.05.2005, ОКР «Разработка системы контроля параметров шасси для объекта Т 50» по прямому договору с ОАО «ОКБ Сухого», ОКР «Булава», «Разработка системы измерения линейных перемещений» по договору с ГРЦ «КБ им. академика
В. П. Макеева».
Новые технические решения (патент РФ № 2208762) использованы в датчике линейных перемещений системы С 085. Датчик серийно поставлялся в течение 2002–2003 гг. в КБ им. В. П. Макеева (г. Миасс).
Разработанный автором датчик ПУИ 062 внедрен в систему измерений внутритрубного профилемера и серийно поставлялся предприятию ОАО ЦТД «Диаскан» в течение 2003 г. Датчик угловых перемещений
ПУИ 064 и переключатель конечный ПК 3 внедрены в систему контроля параметров шасси объекта Т 50 и поставляются предприятию ОАО «ОКБ Сухого».
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс на кафедре «Информационно-измерительная техника» ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет».
Запатентованные новые технические решения (патент РФ № 63143) реализованы в преобразователе для растровых датчиков линейных и угловых перемещений Б 014, разработанном по теме ОКР «Возрождение – ПГУ», договор № 5-06/11/06.
Внедрение результатов работ подтверждено актами ОАО «НИИФИ» (г. Пенза); ГРЦ «КБ им. академика В. П. Макеева» (г. Миасс Челябинской обл.); ОАО ЦТД «Диаскан» (г. Луховицы Московской обл.); РКК «Энергия» (г. Королев Московской обл.); НПП «Антарес» (г. Саратов); ЗАО Волжское конструкторское бюро РКК «Энергия» (г. Самара); ИПТМУ РАН (г. Саратов), ОАО «ОКБ Сухого» (г. Москва); ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет» (г. Пенза).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях и семинарах: международной научно-технической конференции (МНТК) «Методы и средства измерения в системах контроля и управления» (г. Пенза, 2001, 2002 гг.); на российско-германской конференции «Датчики и системы» (г. Санкт-Петербург, 2002 г.); на IV международной молодежной научно-практической конференции «Человек и космос» (г. Днепропетровск, Украина, 2002 г.); на международной НТК «Измерения» (ПГУ, г. Пенза, 2002, 2003, 2006, 2008 гг.); на международном форуме «Топливно-энергетический комплекс России: региональные аспекты» (Санкт-Петербург, 2002 г.); на 8-й всероссийской НТК «Состояние и проблемы измерений» (г. Москва, 2002 г.); на научно-практической конференции «Нефтегазовая отрасль: тенденции и перспективы развития» (г. Саратов, 2002 г.); на научно-техническом семинаре «МПС–2003» (г. Таганрог,
2003 г.); на международной НТК «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (г. Самара, 2003 г.); на НТК «Датчики и детекторы для авиационной техники» (г. Пенза, 2003 г.); на международной НТК «Датчики и системы» (г. Пенза, 2005 г.); на IV и V международных конференциях «Авиация и космонавтика» (г. Москва, МАИ, 2005, 2006 гг.); на второй международной НТК «Авиадвигатели XXI века» (ФГУП «ЦИАМ
им. П. И. Баранова», г. Москва, 2005 г.); на НТК «Датчики и системы»
(г. Москва, Дом оптики, 2006 г.); на международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2007 г.); на отраслевой НТК «Информационно-управляющие и измерительные системы» (НПО «Измерительная техника», г. Королев Московской обл., 2007 г.); на международной НТК «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (ПГУ, г. Пенза, 2008, 2009 гг.); на межотраслевой конференции «Технологии производства перспективных МЭМС-приборов» (ЗАТО, г. Заречный Пензенской обл., ФГУП ФНПЦ «ПО Старт», 2009 г.); на НТК «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий» (РНИИКП, г. Москва, 2007, 2009, 2010 гг.); на международной НТК «Перспективные информационные технологии для авиации и космоса» (СГАУ, г. Самара, 2010 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано лично и в соавторстве 65 печатных работ, в том числе 1 монография, 13 статей в журналах по списку ВАК, 2 патента РФ на изобретение, 1 патент РФ на полезную модель и 3 учебных пособия.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных результатов и выводов по работе, библиографического списка из 164 наименований и приложений. Общий объем работы – 303 страницы. Библиографический список и приложения выполнены на
36 страницах.
Диссертационная работа написана автором по материалам НИОКР, выполненных в ОАО «Научно-исследовательский институт физических измерений» (г. Пенза) в рамках работ, проводимых по госконтрактам,
а также по прямым договорам с предприятиями авиационной и ракетно-космической отраслей и договорным работам, выполненным на кафедре «Информационно-измерительная техника» ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет».
Автор выражает благодарность бывшему генеральному директору-главному конструктору ОАО «Научно-исследовательский институт физических измерений», доктору технических наук, профессору Е. А. Мокрову за ценные замечания, полученные при постановке и решении задач в процессе разработки ЭМДП специального назначения.
