Введение к работе
Актуальность темы. Одним из важных условий успешной эксплуатации морских и речных судов является обеспечение безопасности судовождения. Для этой цели разрабатываются новые технические средства, которые вырабатывают информацию, необходимую судоводителю в различных условиях плавания.
Для контроля физических параметров управления судном, применяются различные методы измерения. В настоящее время твердую позицию среди методов измерения скорости судов занимают электромагнитный метод измерения. Электромагнитный метод измерения скорости обладает достаточно высокой точностью измерения во всем диапазоне измеряемых скоростей, позволяет измерять скорость жидкостей с различными плотностями и вязкостью. Электромагнитные датчики скорости имеют малые размеры, небольшую массу, не требует регулярного ухода.
Погрешность измерений при использовании электромагнитного метода измерения скорости судна определяется в основном погрешностью градуировки датчика и погрешностью измерения разности потенциалов измерительных электродов. Однако электрохимические процессы в потоке жидкости, резкие изменения направления потоков воды в зоне измерения, различные помехи и наводки не позволяют пока получить той потенциально высокой точности измерений, которая вытекает из теоретических принципов данного метода. Погрешности измерения электромагнитных датчиков скорости в основном находятся в пределах ± 0,5 % от измеряемой величины.
Теоретические основы проектирования современных электромагнитных преобразователей скорости базируются на работах Кораблева А. В., Массарова В.Ф., Воронова В. В., Саранчина А. И., Яловенко А. В, ПолковниковА В. В., Филипченко В. Г.
Для одновременного измерения нескольких составляющих скорости судна применяются многокомпонентные датчики. Большинство многокомпонентных электромагнитных приборов для измерения скорости были запатентованы в семидесятых-восьмидесятых годах прошлого века. Среди советских разработчиков, занимавшихся проблемой электромагнитного контроля нескольких составляющих скорости, необходимо отметить работы Болонова Н. И., Повх И. Л., Калинина Н. Д., Мирончука А. Ф., Крыловой Г. И., Вельта И. Д. К сожалению, их изобретения, как и подавляющее большинство других многокомпонентных датчиков, не поступили в производство из-за низких показателей точности, сложности конструкции и проблем с электромагнитной совместимостью устройств. Поэтому до настоящего времени для одновременного измерения нескольких составляющих скорости судов используется комплекс из нескольких однокомпонентных датчиков скорости. Для исключения их взаимного влияния друг на друга датчики необходимо размещать на расстоянии друг от друга, что значительно снижает их чувствительность к изменению течений, например, при поворотах судна.
Внесение поправок в методику преобразования исходного сигнала электромагнитного датчика, учитывающих перечисленные выше факторы, влияющие на величину погрешности, и усовершенствование конструкции многокомпонентных датчиков позволит повысить точность их измерений. Увеличение точности позволит использовать устройства, основанные на электромагнитном методе измерений, в ситуациях, где необходимо точное и одновременное измерение двух или трех компонент скорости, например, при швартовке судна или проведении различных исследовательских работ на подводных аппаратах. Таким образом, проблема повышения точности одновременного измерения нескольких составляющих скорости судов в морской воде является актуальной.
Цель работы. Целью работы является повышение точности измерения электромагнитным методом нескольких составляющих скорости полупроводящей жидкости путем построения единой конструкции многокомпонентного датчика скорости и повышения адекватности моделирования электромагнитного поля датчика за счет учета динамики поля скоростей жидкости у поверхности датчика и изменений ее электрохимического состава.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи.
Разработать математическую модель магнитного поля в пространстве между электродами датчика скорости судов.
Разработать математическую модель электрического поля в пространстве между электродами датчика скорости судов.
Разработать инженерную методику расчета скорости, измеряемой датчиком.
Разработать инженерную методику расчета проводимости морской воды между электродами сферического датчика скорости.
Разработать методики построения двухкомпонентных и трехкомпонентных электромагнитных датчиков скорости судна.
Произвести оценку погрешностей разработанных электромагнитных датчиков скорости судна.
Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались общие положения:
теории физических полей,
теории идентификации,
механики сплошных сред,
электрохимии растворов,
морской навигации,
математического аппарата решения уравнения Лапласа методом разделения переменных,
дифференциального и интегрального исчисления,
программирования и компьютерного моделирования.
Научная новизна работы
Разработана численно-аналитическая математическая модель электромагнитного поля в пространстве между электродами датчика скорости, основанная на теории идентификации электромагнитных полей, учитывающая изменения скорости измеряемого потока воды из-за эффектов обтекания и имеющая более высокую оперативность расчета электромагнитных характеристик датчика по сравнению с классическим подходом к решению полевой задачи.
Разработана методика расчета проводимости среды между электродами датчика скорости судов, отличающаяся тем, что она учитывает эффекты обтекания морской водой сферического датчика и изменения солевого состава воды.
Разработана методика преобразования исходного сигнала датчика скорости, отличающаяся тем, что она учитывает влияние эффектов обтекания морской водой поверхности датчика и изменения солевого состава воды, и за счет этого повышающая точность при одновременном измерении двух или трех составляющих скорости судов.
Практическая значимость работы
В ходе работы получены следующие практические результаты.
Разработаны два новых двухкомпонентных электромагнитных датчика скорости судов, имеющих повышенную относительно предшественников точность измерения, защищенных патентами на изобретение и полезную модель.
Разработан новый трехкомпонентный электромагнитный датчик скорости судов, имеющий повышенную относительно предшественников точность измерения, защищенный патентом на полезную модель.
Произведена оценка погрешностей запатентованных датчиков скорости, согласно результатам которой разработанные датчики имеют погрешность измерения в четыре раза меньше, чем применяемые в настоящее время электромагнитные датчики скорости судов.
Разработана компьютерная программа на языке Turbo Pascal для преобразования сигнала электромагнитного датчика скорости судна.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Математическая модель магнитного поля между измерительными электродами электромагнитного датчика скорости.
-
Математическая модель электрического поля между измерительными электродами электромагнитного датчика скорости.
-
Инженерная методика обработки сигнала электромагнитного датчика скорости.
-
Инженерная методика расчета проводимости между электродами датчика скорости.
-
Методики построения двухкомпонентных и трехкомпонентных электромагнитных датчиков скорости судов.
Внедрение результатов
Алгоритм и компьютерная программа обработки сигнала датчика используется в разработках ЗАО «Научно-производственный концерн «Промэлектроника».
Двухкомпонентный и трехкомпонентный датчики скорости внедрены в разработку средств измерения скорости ЗАО «Научно-производственный концерн «Промэлектроника».
Разработанные математические модели были внедрены в учебный процесс ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» в качестве лабораторных работ по дисциплине теория физических полей.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались в научных сессиях ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» за годы 2008-2010 и и журналах «Завалишинские чтения» за 2008-2010 годы.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 Печатных работ, включающих 5 статей в сборниках научных трудов и журналах, 1 патент на изобретение, 2 патента на полезные модели.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 133 страницах и состоит из введения, трех глав, заключения, приложений и списка использованных источников, включающего 44 наименования. Основное содержание диссертации включает 28 рисунков и 3 таблицы.
Похожие диссертации на Методическое обеспечение и средства электромагнитного контроля составляющих скорости жидких полупроводящих сред
