Введение к работе
Актуальность работы.
В данном исследовании осуществлено обобщение опыта и дальнейшее развитие разработок методов и аппаратуры, расширяющих возможности и области применения средств контроля перемещений с помощью метода вихревых токов (МВТ) и параметрических вихретоковых преобразователей (ВТП) в условиях сильных влияющих воздействий (ВВ).
В первую очередь это относится к технике жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Весьма существенно то обстоятельство, что измерительное устройство (ИУ) должно функционировать не только в режимах нормальной работы энергетической установки (ЭУ), но и во время непредвиденных аварийных ситуаций, т.е. при недостаточной изученности процессов взаимодействия измерительного преобразователя с окружающей средой. При стендовых испытаниях агрегатов ЭУ возникают трудности, связанные с тем, что статистические данные оказываются малыми по объему и неоднородными по составу вследствие проведения ограниченного количества экспериментов и самое главное - изменения условий их проведения.
Перемещение представляет собой один из самых универсальных информативных параметров. С одной стороны, оно носит самостоятельный характер и может выступать в качестве первичного информативного параметра (вибрации, биения, зазоры), а с другой стороны, оно может выступать в качестве промежуточного информативного параметра (перемещение элементов при определении силы тяги двигателей, перемещение мембраны при измерении пульсаций давлений и т.д.).
Исследования в этих областях актуальны потому, что они являются главными, составляющими проблематику разработки основ метода измерения с помощью ВТП, охватывают базовые разделы теории и, в то же время, как показал опыт и анализ литературных данных, являются в настоящее время мало изученными.
Исследования взаимосвязаны и взаимообусловлены, что вызывает необходимость их комплексного рассмотрения. Совместное решение таких задач позволяет находить наиболее рациональные пути их решения и более полно раскрыть возможности разработанных методов и средств измерения перемещений в условиях стендовых испытаний ЭУ.
Работа непосредственно направлена на преодоление принципиальных трудностей контроля с помощью параметрических преобразователей (ПП) в условиях неопределенности сильных ВВ как по физической природе, так и по проявлению.
Работы, отраженные в диссертации, выполнялись в МВТУ им. Н.Э. Баумана на каф. М-8 в течение 1961—1988гг. совместно с рядом НИИ, ОКБ и заводов в соответствии с координационными планами НИР. Ряд разделов диссертации использован при выполнении НИР по постановлениям правительства СССР. С 1989 по 2006г. работы выполнялись на каф. РК-9 МГТУ им. Н.Э.Баумаиа.
Представленная работа является обобщением научных исследований в области теории и средств вихретокового контроля и направлена на решение важной проблемы экономической безопасности страны в отраслях аэро-космической, электронной и атомной техники.
Цель работы
Целью настоящей работы является разработка теоретических основ повышения стабильности метрологических характеристик вихретоковых средств измерений в условиях неопределенности сильных влияющих воздействий и создание на этой базе средств контроля перемещений для стендовых испытаний ЭУ.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
-
разработать для ВТП перемещений теорию решения некорректных задач восстановления функций преобразования параметров и дифференциального анализа измерительных цепей;
-
разработать математический аппарат решения задач анализа стабильности параметрической измерительной цепи (ПИЦ) с ВТП в условиях неопределённости и сильных ВВ;
3) разработать математические модели информационно-измерительного канала
(ИИК) с ВТП и установить закономерности для метрологических характеристик;
-
определить рациональные режимы настройки измерительных цепей с ВТП перемещений на основе метрологического моделирования;.
-
разработать способы повышения точности средств измерений (СИ) и синтезировать параметрические измерительные цепи с ВТП перемещений, предназначенные для работы в стендовых условиях испытаний ЖРД;
-
создать аппаратные средства и внедрить их в практику стендовых испытаний ЭУ.
Методы исследования
Основные научно-практические результаты получены путем обобщения современных достижений в области контроля с помощью МВТ перемещений и теоретико-экспериментальных исследований в области анализа выходных сигналов измерительных цепей при сильных ВВ на параметрические преобразователи.
Теоретические исследования базируются на математическом аппарате анализа электрических цепей, теории электромагнитного поля, теории восстановления зависимостей по эмпирическим данным, метода регуляризации при решении некорректных задач и теории точности измерительных систем, а также на численном анализе и прикладных методах программирования.
Научная новизна
-
В работе впервые разработана теория анализа и определения характеристик измерительных устройств с параметрическими ВТП в условиях неопределенности сильных ВВ и предложены обобщенные оценки стабилизации метрологических характеристик измерительных устройств, разработаны и обоснованы алгоритмы и имитационные модели сравнительного анализа характеристик ИУ с параметрическими ВТП, которые могут быть использованы также для средств измерений с иными типами параметрических преобразователей.
-
. Впервые обобщены и систематизированы понятия о симметрировании применительно к измерениям параметрическими преобразователями, а также сформулирован принцип бисимметрии, который положен в основу повышения стабилизации измерительного канала в условиях сильных ВВ.
-
Показано, что в ПИЦ область параметрической нестабильности при модулирующих ВВ может иметь место как на режимах глубокой, так и малой модуляции параметра преобразователя.
-
Разработан способ отстройки чувствительного элемента ВТП от влияния экрана на его параметры.
-
Предложены новые конструкции генераторных обмоток в форме «восьмерки», которые позволили, как эффективно отстраиваться от влияния экрана, так и обеспечить возможность создания планерных ортогональных чувствительных элементов с взаимной индуктивностью, стремящейся к нулю. Это открывает возможности повышения стабильности характеристик ВТП, уменьшения габаритов экранированных преобразователей и увеличения прочности датчика.
-
Теоретически и экспериментально установлено, что в ближней зоне крутизна характеристик как для экранированных, так и для неэкранированных датчиков ВТП с весьмёркообразной обмоткой больше, чем для датчиков с круговой обмоткой. В дальней зоне преимущество имеет неэкранированная круговая обмотка. Для экранированного чувствительного элемента разработана и исследована математическая модель.
-
Установлено, что методы определения параметров ВТП перемещений приводят к необходимости анализа характеристик в классе задач некорректных по Тихонову А.Н.. Использование экспериментальных методов определения вносимых параметров с последующим восстановлением зависимостей путём регуляризации позволяет получать устойчивые решения при анализе метрологических характеристик, основанных на разностях высших порядков малости.
-
Предложена измерительная схема с дифференциальными ПП, исполь-зуюшая обработку сигналов по алгоритму отношений разность/сумма, и установлено, что она во всем диапазоне измеряемой величины является полностью инвариантной по отношению к симметричным МВВ. и более устойчивой к асимметричным МВВ, чем классическая дифференциальная схема.
-
Исследованы и определены основные закономерности влияния режимов настройки резонансных контуров с параметрическими ВТП на выходные метрологические характеристики ИУ и разработаны алгоритмы и программное обеспечение для анализа характеристик ПИЦ с ВТП перемещений
-
Установлено, что расстройка контура ВТП при зазоре (Н), стремяшемся к бесконечности, до уровня напряжения на нем, составляющего 0,707Vp, не соответствует ни режиму наилучшей линейности, ни режиму наибольшей чувствительности. В условиях квазипараллельного резонанса наилучшая линейность СФП требует значительной расстройки контура (вплоть до уровня 0,5 Vp),
-
Установлено, что при обобщенном параметре р=1б и более ВТП практически безынерционен и при этом, если нелинейность СФП более 1%, то скоростная составляющая вносимого сопротивления практически не изменяет коэффициента гармоник при интенсивных колебаниях реальных механических объектов в условиях стендовых испытаний ЭУ.
Практическая ценность
-
Созданы методики и программно-математическое обеспечение для определения метрологических характеристик ИУ, что позволило разработать новые способы и аппаратные средства контроля перемещений с помощью ВТП в условиях стендовых испытаний ЭУ.
-
Восьмеркообразная обмотка ВТП по сравнению с круговой обеспечивает возможность достижения лучшей чувствительности и локальности в ближней зоне и при этом показатель трансверсальной локальности для неэкранированных чувствительных элементов с восьмёркообразной обмоткой в 1,2-2,4 раза больше, чем для круговых обмоток.
-
Токовихревой виброметр (ТВВ-2) впервые в мировой практике был использован в ОКБ академика М.К. Янгеля при стендовых испытаниях ЖРД и впоследствии серийно выпускался заводом "Контрольприбор";
-
Созданы средства контроля перемещений и вибраций, среди которых:
вихретоковые измерительные устройства различных типов для контроля перемещений и многоцелевых измерений при стендовых испытаниях ЭУ: ТВИ-8/2-М, МИВ-10, ТТВИМС-1, ТВИЛУС-10, ВТИЛПС-10, ВТИЛПС-10-2, ВТИЛП-4, ВТИ-1, ВТИ-2, ПУЛЬСАР-1М, ВИП-6 с вихретоковыми датчиками: ППВ-В, ВТДП, ВТДП-У, ВТДП8, ВТПП, ВДП-8/8, ВТДПД-1, 2ДПД, ДП-001 и др.;
расширена область перспективного применения результатов исследований на технологические процессы активного контроля толщины теплозащитных покрытий, контроля геометрических параметров магнитных дисков при их динамических стендовых испытаниях (приборы БИВД-1, КДП-1, ВИБ-1, КДП-3) и на другие области контроля с помощью ВТП перемещений.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Теория анализа и определения характеристик измерительных устройств с ВТП перемещений при сильных ВВ на основе решения некорректных задач с помощью регуляризующих функций и обобщенного показателя влияющих воздействий.
-
Введение обобщенных оценок стабилизации измерительной цепи и понятия неопределенности влияющих воздействий.
-
Симметрирование параметрической измерительной цепи при сильных ВВ на преобразователи, формулировка принципа бисимметрии и результаты метрологического моделирования информационно-измерительного канала.
-
Способ отстройки чувствительных элементов ВТП от влияния экрана, а также конструкции восьмеркообразных ВТП и результаты исследований их параметров.
-
Измерительная схема с дифференциальным параметрическим преобразователем перемещений, использующая обработку сигнала по алгоритму отношений разность/сумма.
-
Результаты экспериментальных и модельных исследований влияния режимов настройки резонансных контуров на выходные метрологические характеристики.
-
Результаты исследования влияния динамики входных воздействий на выходные сигналы параметрических цепей с ВТП перемещений.
-
Способы и измерительные устройства, реализованные на основе проведенных исследований.
Апробация работы
Основные положения диссертации были изложены в докладах на Всесоюзной научно-технической конференции «Современная технология электронно-вычислительной аппаратуры и машин» (МВТУ, 1978г.), на Юбилейной 5-ой Всесоюзной межвузовской конференции «Научные основы автоматизации производственных процессов, управление качеством в машиностроении и приборостроении» (МВТУ, 1979г.), на 9-ой и 11-ой Всесоюзной научно-технической конференции «Электромагнитные методы контроля качества материалов и изделий» (Омск, 1983); на Всесоюзной научно-технической конференции "Робототехника и автоматизация производственных процессов» (Барнаул, 1983); на Всесоюзной научно-техн. конференции «Современное состояние и перспективы развития виброметрии". (Запорожье, 1985), на "Всесоюзном совещании по проблемам развития газовой смазки" (М. 1977), на научно-техн. конференциях «Виброметрия» и семинарах «Вибрационная техника» (МДНТП, 1965 - 1985); на научно-техн. конференциях "Состояние и проблемы технических измерений".М.:-1997- 2006 и др.
Публикации
По материалам диссертации опубликованы 93 основные работы, в числе которых 31 авторское свидетельство
Объём и структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 435 страниц, включая 219 рисунков, 8 таблиц и 3 приложения.
