Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ методов и средств контроля негоризонтальности 11
1.1 Условия эксплуатации средств контроля негоризонтальности II
1.2 Анализ существующих методов и средств измерения и контроля негоризонтальности 15
1.3 Обзор публикаций по теме исследования 21
1.4 Выводы и задачи исследования 30
Глава 2 Разработка гидроакустических методов контроля негоризонтальности и принципов их реализации 32
2.1 Принципы построения и теоретическое описание жидкостных датчиков негоризонтальности с ультразвуковым амплитудным съемом информации 32
2.2 Принципы построения и теоретическое описание жидкостно-меха-нических датчиков негоризонтальности с ультразвуковым амплитудным съемом информации
2.3 Принципы построения и теоретическое описание жидкостных датчиков негоризонтальности с ультразвуковым частотным съемом информации 49
2.4 Принципы построения и теоретическое описание жидкостных датчиков негоризонтальности с ультразвуковым дифференциальным съемом информации 52
2.5 Выводы 56
Глава 3 Теоретическое исследование гидроакустических датчиков контроля негоризонтальности 57
3.1 Разработка обобщенной математической модели механической подсистемы датчиков негоризонтальности 5 7
3.2 Анализ динамических характеристик датчиков 65
3.3 Уменьшение вредного воздействия вибрации на датчики негоризонтальности 73
3.3.1 Амортизация гидроакустических датчиков 73
3.3.2 Фильтрация выходного сигнала гидроакустических датчиков 76
3.4 Общая математическая модель датчиков негоризонтальности 78
3.5 Выводы 81
Глава 4 Теоретическое исследование точностных характеристик гидроакустических датчиков контроля негоризонтальности 82
4.1 Общая характеристика погрешностей 82
4.2 Исследование погрешностей ультразвуковой подсистемы 83
4.2.1 Погрешности жидкостных и жидкостно-механических датчиков с амплитудным съемом 83
4.2.2 Погрешности жидкостных датчиков с частотным съемом 94
4.2.3 Погрешности жидкостных датчиков с дифференциальным съемом 99
4.3 Исследование погрешностей механической подсистемы 104
4.4 Нормирование погрешностей и рекомендации по повышению точности датчиков 110
4.5 Выводы 116
Глава 5 Экспериментальное исследование гидроаку стических датчиков контроля негоризонтальности 117
5.1 Конструкции экспериментальных датчиков 117
5.2 Методика проведения и аппаратурная реализация экспериментальных исследований 122
5.3 Исследование адекватности математических моделей гидроакустических датчиков 128
5.4 Выводы 132
Заключение 133
Список использованных источников 135
Приложения 143
- Анализ существующих методов и средств измерения и контроля негоризонтальности
- Принципы построения и теоретическое описание жидкостно-меха-нических датчиков негоризонтальности с ультразвуковым амплитудным съемом информации
- Уменьшение вредного воздействия вибрации на датчики негоризонтальности
- Погрешности жидкостных и жидкостно-механических датчиков с амплитудным съемом
Введение к работе
Сфера применения средств контроля негоризонтальности весьма широка. Они являются основным элементом систем навигации и стабилизации, широко используются при научных исследованиях, в геодезии, геофизике и пр. Причем требования к их техническим характеристикам все время возрастают. В первую очередь это относится к точности и порогу чувствительности, поскольку точность их работы определяет точность систем, в которых они применяются, или точность проводимых исследований. Естественно, что улучшение их характеристик не должно сопровождаться большими аппаратными затратами.
Во многих как специальных, так и общепромышленных приложениях возникает гораздо более сложная задача динамических измерений углов негоризонтальности. Так одной из актуальных задач является измерение поперечной негоризонтальности уложенного железнодорожного пути. Безопасность, бесперебойность движения, уровень комфорта пассажиров в значительной мере зависят от состояния пути. Неисправный путь может создать аварийную ситуацию, вызвать задержки и сбои в движении поездов. Отрицательное воздействие неровностей пути на поездные бригады и пассажиров выражается в существенном повышении уровней шума и вибрации в подвижном составе. При прохождении колесными парами неровностей пути возникают значительные динамические нагрузки, следствием чего является преждевременный износ ходовых частей. Таким образом, задача поддержания исправного состояния пути очень важна, для ее решения необходимо производить систематический контроль и текущее содержание железнодорожного пути.
Непрерывный контроль пути под нагрузками, близкими к нагрузкам поездов со скоростями 100 км/ч и более, осуществляется измерительными комплексами, размещаемыми в вагонах-лабораториях.
Задача текущего содержания пути заключается в обеспечении требуемых геометрических параметров железнодорожного пути. Для решения поставленной задачи с помощью специальных путевых машин производится выправка и стабилизация пути в плане, горизонте и по направлению. При этом допускаемая поперечная негоризонтальность составляет ±4,6 угл. мин., что соответствует превышению одного рельса над другим ±2 мм на базе колеи 1520 мм [1, 2]. Скорость выправки достигает 2 км/ч. Допустимая приведенная погрешность измерения негоризонтальности железнодорожного полотна составляет 0,4 % при диапазоне измерения 10° [3]. Измерение осуществляется в условиях трех-компонентной вибрации с амплитудой ускорения (5-8) g на частотах (33-45) Гц по каждой компоненте, создаваемой рабочими органами путевых машин. Приборы работают в условиях тепловой нагрузки, определяемой диапазоном температур (-10 °С - +40 °С) [1].
Качество исправления железнодорожного пути в значительной степени зависит от работы системы управления органами машины. Одним из приборов, формирующим информацию о железнодорожном пути является измеритель поперечной негоризонтальности.
В настоящее время базовым измерителем негоризонтальности железнодорожного пути является прибор ELT-133.00 австрийской фирмы «Plasser&Theurer», реализующий прямой метод измерения на основе механического маятника [2]. Основной недостаток прибора — высокая стоимость и затраты на техническое обслуживание, кроме того, он не приспособлен к российским климатическим условиям, и поэтому обладает неудовлетворительной точностью, а также имеет значительные габаритные размеры (350x145x415 мм) и вес (30 кг), фазовое запаздывание в полосе частот до 0,5 Гц около 50°.
Другой важной сферой применения датчиков негоризонтальности является измерение морского волнения для целей гидростроительства, океанологии, морской геологии, судостроения и мореплавания. Следует отметить, что на сегодняшний день известно значительное количество методов и средств измерения волнения моря, однако наибольшее распространение получили волномер-ные буи. В волномерных буях определение двухмерного спектра осуществляется на основе измерения углов волнового склона [4].
При измерении морского волнения возникают две задачи: измерение развитого волнения значительной интенсивности и измерение малого волнения. Причем при измерении развитого волнения максимальная частота измеряемых углов имеет порядок единиц герц, а при измерении малого волнения частоты лежат в диапазоне от нескольких сотых до 0,5 Гц [4].
Таким образом, у отечественной промышленности существует потребность в достаточно точных, дешевых и малогабаритных средствах контроля негоризонтальности.
Указанная задача может быть решена на основе перехода от механических маятников к жидкостным, что позволит улучшить динамические характеристики, уменьшить габаритные размеры и вес.
В настоящее время известны технические решения по использованию жидкостных маятников для контроля негоризонтальности. Однако используемые принципы съема информации не обеспечивают требуемых метрологических характеристик, либо для их повышения предлагались очень сложные аппаратурные реализации. В.Н. Есипов предложил для измерения угловых рассогласований между корпусом и жидкостным маятником использовать ультразвуковые методы измерений [5].
Проведенный обзор технической и теоретической базы средств контроля негоризонтальности на основе жидкостных маятников с ультразвуковым съемом информации показал, что в настоящее время не разработаны принципы построения указанных средств, отсутствует математическая проработка работы жидкостных маятников на движущемся основании и ультразвуковой измерительной части, не исследованы их метрологические характеристики.
Объектом исследования в данной работе является система, состоящая из маятниковой механической подсистемы в виде корпуса, с полостью, полностью заполненной двумя несмешивающимися жидкостями с различной плотностью или одной жидкостью с размещенной в ней на торсионном подвесе или в специальных опорах пластинкой со смещенным центром масс, и ультразвуковой подсистемы съема информации. В дальнейшем эта система будет называться датчиком.
Цель диссертационной работы: улучшение технических характеристик средств контроля негоризонтальности.
Указанная цель требует решения следующих задач:
— разработка и теоретическое обоснование схем гидроакустических датчиков контроля негоризонтальности;
— разработка математической модели датчиков, установленных на основании, совершающем угловые колебания;
— исследование статических и динамических характеристик датчиков, их показателей точности;
— разработка опытных образцов датчиков и проведение их экспериментальных исследований.
Практической разработке сформулированных задач посвящена данная работа, состоящая из введения, пяти глав и заключения.
В первой главе проанализированы условия эксплуатации датчиков, проведен обзор состояния практических разработок и теоретических исследований в области средств контроля негоризонтальности. Показано, что разработка таких приборов требует проведения теоретических и экспериментальных исследований, направленных на разработку принципов построения и теоретическое обоснование гидроакустических датчиков негоризонтальности, получение адекватных математических моделей для соответствующих условий эксплуатации, исследование точностных характеристик датчиков.
Во второй главе разработаны различные схемы гидроакустических датчиков контроля негоризонтальности, проведено их теоретическое обоснование, получены и проанализированы математические модели ультразвуковой подсистемы датчиков.
В третьей главе проведено теоретическое исследование датчиков контроля негоризонтальности, разработана обобщенная математическая модель механической подсистемы датчиков негоризонтальности, получены зависимости для определения и проведено теоретическое исследование динамических характеристик датчиков, получена общая математическая модель датчиков негоризонтальности. Показано, что гидроакустические датчики негоризонтальности превосходят по динамическим характеристикам используемые в настоящее время приборы.
В четвертой главе проведено теоретическое исследование точностных характеристик ультразвуковых датчиков негоризонтальности, дана общая характеристика погрешностей, получены теоретические зависимости для оценки отдельных составляющих статической и динамической погрешности, предложен алгоритм уменьшения статической погрешности датчиков. Показана возможность обеспечения требуемой при измерении поперечной негоризонтальности железнодорожного пути точности.
В пятой главе описаны конструкции экспериментальных датчиков, рассмотрена методика и аппаратурная реализация экспериментальных исследований, проанализированы их результаты и доказана адекватность математических моделей.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
Методы и средства исследований. При решении поставленных задач использовались методы математического моделирования с использованием ЭВМ, методы теоретической механики, теории колебаний, теории точности и теории численных методов.
Экспериментальные исследования проведены с помощью платы аналого-цифрового преобразования, подключенной к ЭВМ, стандартных электроизмерительных приборов, а также специально созданных средств: стенда угловых колебаний, амплитудного детектора и цифрового фильтра нижних частот. Обработка данных выполнена на ЭВМ по унифицированным и оригинальным алгоритмам с использованием системы автоматизации математических расчетов MathCAD. Научная новизна работы:
1. Разработаны и научно обоснованы схемы гидроакустических датчиков контроля негоризонтальности.
2. Разработаны математические модели движения маятниковой подсистемы жидкостных и жидкостно-механических датчиков, установленных на основании, подверженном угловым колебаниям. Получены математические модели датчиков, связывающие их механическую и ультразвуковую подсистемы.
3. Найдены расчетные зависимости для определения их статических и динамических параметров гидроакустических датчиков, а также их характеристик точности.
Практическая ценность работы:
1. Разработана система математических моделей, позволяющих рассчитывать параметры гидроакустических датчиков контроля негоризонтальности, на основе которых разработана методика их проектирования.
2. Разработаны конструкции и техническая документация для изготовления опытных образцов гидроакустических датчиков.
3. В результате экспериментальных исследований показано превосходство датчиков по динамическим характеристикам перед приборами ELT-133.00 (фирма «Plasser&Thurer», Австрия).
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены в Калининградском отделении железной дороги, используются в учебном процессе кафедры «Приборостроение, метрология и сертификация» Орловского государственного технического университета.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на 4 научно-технических конференциях, в том числе: международного уровня — «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (Новочеркасск, 2002), «Чкаловские чтения — ИПАКТ-Ш» (Егорьевск, 1999); всероссийского уровня — «Диагностика веществ, изделий и устройств» (Орел, 1999); «Методы и средства измерений физических величин» (Нижний Новгород, 1997). По результатам исследований опубликовано 8 работ, получены два па тента на изобретение. Теоретические и экспериментальные исследования проводились в рамках гранта Минобразования РФ ТОО-13.0-1128 «Научные основы создания высокоточных контрольно-измерительных систем для выправоч-ных железнодорожных машин».
Положения, выносимые на зашиту:
1. Система математических моделей, включающая уравнения движения маятникового чувствительного элемента датчиков и уравнения, описывающие подсистему ультразвукового съема информации.
2. Теоретические зависимости для расчета статических и динамических характеристик различных типов гидроакустических датчиков.
3. Теоретические зависимости погрешностей различных типов гидроакустических датчиков.
4. Схемы и конструкции гидроакустических датчиков, в том числе защищенные патентами РФ на изобретения.
Анализ существующих методов и средств измерения и контроля негоризонтальности
Датчики негоризонтальности строятся на основе прямых и компенсационных методов измерения. В первом случае используются свойства физического маятника. Во втором случае в качестве чувствительных элементов применяются акселерометры, при этом, сигнал пропорциональный угловому отклонению получается путем двойного интегрирования выходного сигнала акселерометра. Приборы, построенные на основе акселерометров, обладают высокой чувствительностью, однако характеризуются наличием перекрестных связей, что резко ограничивает возможность их применения на реальных объектах. Поэтому в дальнейшем будем рассматривать датчики негоризонтальности, построенные на основе прямых методов измерения.
При реализации прямого метода измерений за базовую линию отсчета принимается либо вертикаль, либо горизонталь маятника [1, 13]. При этом маятник может быть механическим или жидкостным (рисунок 1.1), кроме того известно устройство, использующее конвективные потоки. В свою очередь среди датчиков с механическим маятником можно выделить датчики с одной точкой подвеса, с несколькими точками подвеса и шариковые, а среди жидкостных датчиков — соответственно датчики с одной жидкостью, с двумя несмеши-вающимися жидкостями и с пузырьковым маятником. Дальнейшее деление датчиков негоризонтальности возможно на основе выделения различных методов съема информации. На рисунке 1.1 для каждой разновидности датчиков указаны известные методы съема информации [2, 3, 14-29].
Приведенные разновидности датчиков позволяют сделать вывод о том, что датчики негоризонтальности представляют собой систему, состоящую из маятниковой механической подсистемы (механический или жидкостный маятниковый чувствительный элемент) и подсистемы съема информации.
Анализ представленных разновидностей датчиков показывает, что датчики негоризонтальности с механическим маятником, в целом, характеризуются наличием сухого трения в подвесе, что существенно ограничивает их порог чувствительности. Кроме того, известные реализации механических маятников обладают большими габаритными размерами и массой, имеют большое фазовое запаздывание (таблицы 1.4-1.5). Так, применяемый настоящее время прибор ELT-133.00 фирмы Plasser&Theurer (Австрия) имеет габаритные размеры (350x145x415) мм и массу 30 кг. Фазовое запаздывание в полосе частот до 0,5 Гц составляет около 50, что приводит к ошибке идентификации неровности. Рассмотренный прибор не приспособлен к российским климатическим ус-ловиям, поэтому обладает неудовлетворительной точностью [1,2].
Распопов В.Я., Иванов Ю.В. Датчики уровня систем управления железнодорожных машин: Монография.— Тула: Тул. гос. ун-т, 2000. ный прибор типа ИН-1, также реализующий резистивный съем, кроме того, был разработан прибор ИН-2, реализующий индукционный съем [1-3]. Данные приборы имеют большие габаритные размеры ((340x130x365) мм) и вес (20 кг), большое фазовое запаздывание в полосе частот рабочего сигнала (54).
Известно также устройство для измерения негоризонтальности, использующее конвективные потоки. Данное устройство имеет высокую инерционность, большие габаритные размеры и массу.
Указанные факторы позволяют отдать предпочтение применению в качестве чувствительных элементов жидкостных маятников.
Жидкостные маятниковые датчики со свободной поверхностью, в том числе и пузырьковые, имеют низкую виброустойчивость, так как свободная поверхности жидкости при динамических возмущениях подвержена волновому движению [14], что приводит к ее искажению. А поскольку положение свободной поверхности жидкости используется для съема информации об угле наклона, то в результате могут возникать очень значительные погрешности измерения.
Таким образом, проведенный сравнительный анализ методов построения датчиков негоризонтальности прямого измерения позволяет сделать вывод, что наиболее предпочтительными являются датчики с жидкостным маятником, представляющим собой две несмешивающиеся жидкости различной плотности, в которых горизонтальная поверхность раздела жидкостей принимается за базовую плоскость отсчета. При этом верхняя жидкость осуществляет демпфирование колебаний нижней жидкости [14]. Для съема информации в известных реализациях применяются следующие методы: емкостный [27] и оптический, с использованием ЭЛТ [28].
Датчик с емкостным съемом информации имеет достаточно простое схемотехническое решение. Однако проведенный теоретический анализ показывает, что для цилиндра диаметром 5 см при использовании современных методов измерения емкостей порог чувствительности датчика составляет около 10 . Попытки его уменьшения приводят к увеличению размеров самого датчика. В связи с этим, значительный интерес представляет собой устройство для измерения углов наклона объектов, использующее ЭЛТ. Однако указанное устройство при высоком пороге чувствительности и быстродействии, имеет сложное техническое решение, что приводит к увеличению габаритов прибора и к значительной громоздкости аппаратурной части.
Таким образом, дальнейшее улучшение технических характеристик приборов с прямым методом измерения возможно на основе перехода от механических маятников к жидкостным, что позволит улучшить динамические характеристики, уменьшить габаритные размеры и вес [30, 31, 32]. Проблема съема информации может быть решена с помощью ультразвуковых методов измерения. Применение ультразвука позволяет с одной стороны сканировать состояние жидкостного маятника, не оказывая существенных воздействий на него, а с другой — обеспечить высокие метрологические характеристики [5].
Жидкостный датчик с ультразвуковым съемом информации содержит корпус с цилиндрической камерой, заполненной в равных частях двумя несме-шивающимися жидкостями с различной плотностью [29]. Излучатель и приемник ультразвука располагаются под одинаковыми углами к плоскости основания корпуса и сопряжены посредством границы раздела жидкостей. Излучатель соединен с выходом генератора, а приемник подключен к амплитудному детектору. При отклонениях от горизонтальности появляются угловые рассогласования между камерой и поверхностью раздела жидкостей, вследствие чего на приемник попадает лишь часть излучения от излучателя. Соответственно уменьшается амплитуда электрического сигнала на выходе приемника и, следовательно, на выходе амплитудного детектора.
Принципы построения и теоретическое описание жидкостно-меха-нических датчиков негоризонтальности с ультразвуковым амплитудным съемом информации
Ультразвуковые методы измерений позволяют реализовать жидкостно-механический датчик, в котором за базовую линию отсчета принимается вертикаль физического маятника. При этом маятник имеет вид пластинки со смещенным центром масс, подвешенной на торсионах с малой угловой жесткостью или установленной в специальных опорах в корпусе с цилиндрической камерой полностью заполненной жидкостью. Излучение и прием ультразвука осуществляется двумя пьезопреобразователями.
Маятниковая пластинка может служить как преградой, так и отражателем для ультразвуковых колебаний. При этом в первом случае уменьшение амплитуды сигнала будет происходить за счет того, что коэффициент прохождения через пластинку зависит от угла падения ультразвука. При угловых отклонениях пластинки коэффициент прохождения уменьшается, проходит только часть излучения от передатчика и соответственно уменьшается амплитуда сигнала на приемнике ультразвуковых колебаний. Во втором случае механизм изменения амплитуды сигнала на приемнике аналогичен рассмотренному ранее случаю использования двух несмешивающихся жидкостей в качестве отражателя ультразвуковых колебаний.
Датчик содержит корпус 1 с цилиндрической камерой полностью заполненной жидкостью 2, в котором установлена пластинка 3 со смещенным центром масс. Пластинка 3 может быть подвешена на торсионах с малой угловой жесткостью 4 или установлена в специальных опорах в корпусе I. Заполнение всей камеры жидкостью позволяет увеличить момент инерции чувствительного элемента и обеспечить требуемое демпфирование. Излучение ультразвука осуществляется с помощью генератора 7 и излучателя 5, обратное преобразование — приемником 6. Информативный параметр — амплитуда сигнала, изменение которой выделяется амплитудным детектором 8.
При отклонениях от горизонтальности появляются угловые рассогласования между камерой и маятниковой пластинкой, вследствие чего уменьшается коэффициент прохождения через пластинку и на приемник 6 попадает меньшая часть излучения от передатчика 5. Соответственно уменьшается амплитуда электрического сигнала на выходе приемника 6 и, следовательно, на выходе амплитудного детектора 8. Схема, реализующая второй вариант использования пластинки, представлена на рисунке 2.7.
Механическая часть датчика идентична предыдущей схеме. Отличие заключается в том, что ультразвук излучается под углом к пластинке, т.о. пластинка служит отражателем ультразвука. Излучение ультразвука осуществляется с помощью генератора 7 и излучателя 5, обратное преобразование — приемником 6. Информативный параметр — амплитуда сигнала, изменение которой выделяется амплитудным детектором 8.
При отклонениях от горизонтальности появляются угловые рассогласования между камерой и маятниковой пластинкой, вследствие чего на приемник 6 попадает лишь часть излучения от передатчика 5. Соответственно уменьшается амплитуда электрического сигнала на выходе приемника 6 и, следовательно, на выходе амплитудного детектора 8.
Рассмотрим первый случай. На рисунке 2.8 показана схема излучения и приема ультразвуковой волны при использовании пластинки «на просвет». При излучении фронт волны движется прямолинейно, затем встречает на своем пути пластинку, проходит через нее с коэффициентом прохождения Кпр{а) и попадает на приемник излучения. Следует отметить, что при прохождении через пластинку ультразвук не меняет направление распространения [47].
Из выражения (2.28) видно, что амплитуда напряжения на приемнике ультразвуковых колебаний определяется углом отклонения а пластинки. Функция преобразования является нелинейной.
Из выражения (2,24) следует, что чувствительность прямо пропорционально зависит от постоянной Кдат. Изменяя постоянную Кдат, то есть меняя конструктивные параметры датчика, можно подбирать требуемую чувствительность.
Рассмотрим второй случай. На рисунке 2.10 показана схема излучения и приема ультразвуковой волны при использовании пластинки как отражателя.
В этом случае излучение и прием ультразвука аналогичны жидкостному датчику, разница заключается в том, что качестве отражателя используется пластинка. Следовательно механизм изменения напряжения на приемнике ультразвука эквивалентен. Следует отметить что так, как в качестве отражателя используется пластинка, то выражение для коэффициента отражения будет иметь другой вид. Таким образом, для амплитуды напряжения на приемнике ультразвука можно использовать выражение (2.19), с учетом коэффициента отражения от пластинки.
Полученное выражение идентично формуле (2.19) для напряжения на приемнике жидкостного датчика, поэтому для него равносильно все сказанное о чувствительности, пороге чувствительности и диапазоне измерения жидкостного датчика. Следует отметить, что предпочтительным является вариант жидкостно-механического датчика, в котором пластинка используется в качестве отражателя ультразвука, так как он имеет линейную функцию преобразования.
Из изложенного следует, что жидкостно-механические датчики можно использовать для измерения негоризонтальности, при этом информативным параметром является амплитуда сигнала на приемнике ультразвуковых колебаний.
Уменьшение вредного воздействия вибрации на датчики негоризонтальности
Анализ существующих виброизоляторов [71, 72, 73] показал, что по коэффициенту эффективности наиболее подходят резинометаллические виброизоляторы типа AM, кроме того указанные виброизоляторы имеют одинаковые характеристики при действии вибрации по горизонтальным и вертикальной осям. Коэффициент эффективности виброизоляторов типа AM на частоте вибрации 33 Гц равен 0,15, при увеличении частоты до 40 Гц он достигает значения 0,1, а при дальнейшем увеличении частоты эффективность возрастает практически на порядок.
С целью определения эффективности использования виброизоляторов типа AM, выполнено численное интегрирование уравнений (3,15) для нескольких вариантов вибрации (ув = A os(2%fet) Ф 0, ze = А2ъоъ{2тх/в 0 = 0 — однокомпонентная вибрация; ув Ф 0, ze Ф 0 — двухкомпонентная вибрация) при отсутствии угловых колебаний основания (у = y0sin(2rc#) = 0). Интегрирование выполнено для жидкостного и жидкостно-механического датчиков.
Колебания поверхности раздела жидкостей жидкостного датчика с цилиндрической полостью а) и пластинки жидкостно-механического датчика б) в установившемся режиме при двухкомпонентной линейной вибрации Ау— 1 мм, Аг—\ мм,/= 33 Гц с использованием виброизоляторов типа AM
Результаты численного интегрирования показали, что применение виброизоляторов снижает амплитуду паразитных колебаний маятника более чем в 6,5 раз, а вибрационный сдвиг снижается более чем в 37 раз для жидкостных датчиков и соответственно — более чем в 33 раза — для жидкостно-механических датчиков.
Информативным параметром в гидроакустических датчиках является амплитуда выходного сигнала, поэтому фильтром нижних частот должен быть фильтр Баттерворта, так как он обладает монотонной амплитудно-частотной характеристикой [74].
Основными параметрами фильтра нижних частот является полоса пропускания, полоса задерживания и подавление сигнала в полосе задерживания. При использовании гидроакустических датчиков в составе железнодорожных путевых машин ширина полосы пропускания должна составлять (0-0,5) Гц. Для подавления вибрационной составляющей сигнала до величины, сравнимой с допустимой погрешностью измерения негоризонтальности, необходимо обеспечить ослабление сигнала (40-77) дБ на частоте основной гармоники вибрации (33-45) Гц [1]. Для обеспечения указанных выше параметров необходимо использовать фильтры 4-6 порядка.
В состав системы управления рабочими органами многих машин входит цифровое вычислительное устройство (например, ДСП, ВПР-02К, ВПО-3-ЗООО и др.), поэтому имеет смысл реализовать цифровой фильтр, имеющий следующие преимущества: 1. Точность работы фильтра не зависит от температуры окружающей среды; 2. Точность работы фильтра не зависит от величины напряжения питания; 3. Параметры фильтра не зависят от номиналов элементов; 4. Имеется возможность быстро изменить эти параметры программным путем. В соответствии с отмеченным была разработана программа, реализующая цифровой фильтр нижних частот (фильтр Баттерворта) шестого порядка. Листинг программы представлен в приложении 1.
Выражение (3.44) определяет напряжение на выходе ультразвукового дифференциального датчика для случая периодических угловых колебаний площадки? на которой установлен датчик. Следует отметить, что полученное выражение учитывает свойства маятниковой механической подсистемы, т.е. является общей математической моделью датчика негоризонтальности.
Аналогичным образом можно получить соответствующие выражения для датчиков, построенных по другим принципиальным схемам. Следует отметить, что для жидкостно-механического датчика напряжение на выходе будет определяться подобным выражением, но с учетом соответствующей постоянной Кдат, учитывающей конструктивные параметры датчика.
1. Получена обобщенная математическая модель, описывающая движение маятникового чувствительного элемента жидкостных и жидкостно-механических датчиков для случая действия угловых колебаний площадки, на которой установлен датчик, и трехкомпонентной линейной вибрации, с учетом высоты установки датчика на объекте.
2. Анализ коэффициента динамичности и фазового запаздывания показал: в рабочем диапазоне частот (0-0,5 Гц) коэффициент динамичности практически одинаков для различных исполнений датчиков и имеет значение 1,04 для максимального значения частоты; фазовое запаздывание датчиков мало — для максимальной частоты достигает 0,012 у жидкостных датчиков и 0,06 — у жидкостно-механических.
3. При воздействии однокомпонентной вибрации после затухания свободных колебаний маятник совершает гармонические колебания на частоте внешней вибрации. Воздействие двухкомпонентной вибрации приводит к появлению вибрационного сдвига нуля, относительно которого происходят гармонические колебания на частоте внешней вибрации.
4. В результате исследования эффективности использования виброизоляторов показано, что виброизоляторы типа AM снижают амплитуду паразитных колебаний маятника более чем 6,5 раза, а вибрационный сдвиг нуля более чем в 33 раза при предельных амплитудных и частотных параметрах вибрации, характерной для железнодорожных машин.
5. С целью подавления вибрационной составляющей выходного сигнала датчиков реализован цифровой фильтр нижних частот, который обеспечивает ее ослабление на 125 дБ при неравномерности амплитуды в рабочей полосе частот 0,005 %.
Погрешности жидкостных и жидкостно-механических датчиков с амплитудным съемом
В главе 2 показано, что предпочтительным является вариант жидкостно-механического датчика с пластинкой-отражателем, поэтому погрешности будем рассматривать для этого варианта жидкостно-механического датчика. Погрешности будем рассматривать на примере жидкостного датчика с амплитуд-ным съемом, так как функция преобразования жидкостно-механического датчика с пластинкой-отражателем аналогична функции преобразования жидкостного датчика с амплитудным съемом (см. формулы 2.19 и 2.32).
Рассмотрим инструментальную погрешность от нестабильности параметров генератора ультразвуковых колебаний. В качестве генератора ультразвуке 84 вых колебаний следует использовать генератор с кварцевой стабилизацией частоты. В таком генераторе суточный уход частоты не превосходит 5 10-9 [75], а годовой 1(Г6, поэтому нестабильность частоты колебаний можно не учитывать.
Из полученного выражения видно, что приведенная погрешность от нестабильности амплитуды имеет максимальное значение при нулевом значении угла негоризонтальности; для ее уменьшения необходимо уменьшать радиус пьезокерамики г и увеличивать длину акустического пути L. Определим данную погрешность на примере использования серийно выпускаемого генератора сигналов ГЗ-121, для которого нестабильность напряжения на основном выходе за любые три часа работы не превышает ±0,05 % [79]. При использовании сигналов с амплитудой UQ - 2 В абсолютное изменение амплитуды составит АС/о = ±0,001 В. Приведенная погрешность от нестабильности амплитуды для датчика с полостью радиусом R = 60 мм (L « 2Д), в которой установлены пьезо-преобразователи радиусом 9 мм, для диапазона измерения 10 («0,175 рад) будет равна у = 0,07 %.
Рассмотрим погрешность от несоответствия угла падения заданному значению. Для жидкостных и жидкостно-механических датчиков с амплитудным съемом отклонение угла падения от заданного значения будет приводить к изменению коэффициента отражения, а также к появлению ложных рассогласований между корпусом и поверхностью раздела жидкостей или пластинкой, то есть к появлению ложного угла негоризонтальности (рисунок 4.1).
Рассмотрим изменение коэффициента отражения при отклонении угла падения от заданного значения. Отклонение угла от заданного значения будет определяться допуском на данный угол. Отклонение угла падения ф на величину Дф от заданного значения приведет к тому, что фронт ультразвуковой волны сместится на ту же величину (рисунок 4.1), таким образом возникнут ложные рассогласования между корпусом и поверхностью раздела жидкостей, равные отклонению угла падения от заданного значения.
Из полученного выражения видно, что данная погрешность не зависит от угла негоризонтальности и является постоянной во всем диапазоне измерения, таким образом эта погрешность является систематической аддитивной погреш \ ностью. Следовательно, данная погрешность может быть исключена по результатам калибровки датчика.
Рассчитаем данную погрешность для допусков на данный угол по самой грубой 17 и средней 10 степеням точности. Допуск на угловой размер по самой грубой 17 степени точности составляет ±1, допуск по 10 степени точности составляет ±2 30" [80]. Тогда для 17 степени точности значение приведенной погрешности составляет у = 10 %, а для 10 степени точности — у = 0,4 %. Следовательно, допуск на угловой размер необходимо выбирать выше 10 степени точности.
Рассмотрим дополнительную погрешность жидкостных датчиков, возникающую при отклонении температуры от рабочей. При изменении температуры будет изменяться уровень жидкостей вследствие теплового изменения объема, кроме того изменятся размеры полости, из-за теплового объемного расширения корпуса. Для датчиков с амплитудным съемом смещение поверхности раздела жидкостей приводит к смещению фронта волны относительно пьезоприемника.
Рассмотрим влияние смещения границы раздела жидкостей на жидкостный датчик с амплитудным съемом. Из рисунка 4.2 видно, что смещение поверхности раздела жидкостей на величину / приводит к смещению фронта волны относительно пьезоприемника на величину ДА, что вызывает ложное изменение напряжения на пьезоприемнике.
Определим относительное изменение диаметра при изменении температуры на 1С для различных материалов, например стали, алюминия и поливи-нилхлорида. Коэффициенты линейного расширения для этих материалов равны [81]: алюминий — а = 23,8 Ю-6 К"1; сталь — а = 11,7-10"6 К"1; поливинилхло 89 рид — a = 80-10"6 КГ1; относительное изменение диаметра соответственно равно: 8д = 2,38-10-3 %; 5д= 1,17-10-3 %; 5 = 8-10-3 %. Следовательно, тепловым расширением корпуса можно пренебречь.
Рассчитаем данную погрешность для датчиков с полостью радиусом 30 мм, заполненной в равных частях ртутью и трансформаторным маслом, в которой под углом 45 установлены пьезопреобразователи радиусом 9 мм. Коэф фициент линейного расширения ртути р = 0,1819 10" — [83]. Тогда приве денная погрешность при изменении температуры на 1 С равна: у ф = 0,05 %, f = 0,06 %; при изменении температуры на 10 С — уф = 0,5 %, уцил = 0,6 %. Следовательно, при колебаниях температуры больших 1 С необходимо принимать меры к уменьшению погрешности от теплового смещения границы раздела жидкостей.
