Взаимоиндуктивные преобразователи перемещений, работоспособные в широком диапазоне температур

Актуальность темы

Эффективность развития и эксплуатации современных автоматизированных систем контроля и управления различными технологическими процессами во многом определяется технико-экономическими характеристиками первичных средств сбора и обработки информации, среди которых значительный удельный вес занимают первичные преобразователи (датчики) перемещений. Информация с датчиков о контролируемых процессах поступает в автоматизированные системы управления, и её достоверность определяется метрологическими и надёжностными характеристиками датчиков в условиях эксплуатации. При этом к датчикам перемещений предъявляется широкая гамма требований, зачастую противоречащих, а иногда и исключающих друг друга. Это высокая надёжность в жёстких условиях эксплуатации и малая стоимость, высокий выходной сигнал, не требующий последующих преобразований и малое энергопотребление, минимальные веса, габариты и большая информативность и т. п.

Одним из основных требований является сохранение высоких метрологических характеристик при воздействии жестких дестабилизирующих факторов: механические удары, вибрация, линейные ускорения, влажность и особенно широкий диапазон воздействующих температур (от криогенных до +600°С). Исходя из общей философии измерений, одновременное удовлетворение всем перечисленным требованиям является противоречивой задачей. Поэтому развитие первичных преобразователей перемещений (111 111) происходило на основе разнообразных способов и физических принципов преобразования. В результате к настоящему времени создано большое разнообразие 111 111 основанных на электромагнитных, ёмкостных, магнитоэлектрических и фотоэлектрических, ультразвуковых, электростатических, магнитострикционных и других эффектах [4,33,61,78,90,91].

Важное место в общей номенклатуре ППП занимают электромагнитные, а именно взаимоиндуктивные преобразователи перемещений (ВИПП). Они отличаются такими достоинствами как: высокая надёжность в жёстких условиях эксплуатации, относительно малый вес, широкий диапазон измеряемых перемещений, линейность функции преобразования, отсутствие гальванической связи между цепями питания и измерительными цепями, достаточно высокая точность измерений, простота в изготовлении и эксплуатации [4,14,34,45,80,84,88,89,95].

К основным недостаткам взаимоиндуктивных преобразователей, ограничивающим область их применения, относятся: влияние нестабильности питающего напряжения (тока) на выходной сигнал датчика, изменение параметров датчика от температуры окружающей среды [92], зависимость диапазона измеряемых перемещений от габаритных размеров датчика.

Большой вклад в развитие теории, проектирования и промышленного освоения ВИПП внесли известные научные коллективы и приборостроительные фирмы как у нас в стране (МВТУ им Баумана, СГАУ, УАИ, НИИФИ, НПОИТ, УКБП и др.), так и за рубежом (HEIDENHAIN, Siem-ence and Halske, Hottin Ger Baedwin. Messteschnik GMBH (Германия), Shaivits Electronic Corporation (США), Olivetti (Италия), Mitsubishi (Япония) и др.) В результате разработаны образцы ВИПП с высокими точностными показателями, высокой временной стабильностью, быстродействием, приемлемыми массо-габаритными характеристиками и т. п.

Однако отсутствуют серийно — выпускаемые электромагнитные датчики перемещений, которые бы сохраняли точностные характеристики при воздействии температур в диапазоне от -196 доЬ250°С, а также ВИПП, габариты которых не связаны с максимальным измеряемым перемещением.

Наряду с предприятиями большой вклад в область исследования ВИПП внесли отечественные учёные: Агейкин Д. И., Зарипов М. Ф., Урак-сеев М.А., Куликовский Л. Ф., Конюхов Н. Е., Осадчий Е. П., Домрачев В. Г,.

Федотов А.В., Новицкий П. В, Куликовский КЛ. и др. [4,32,33,44,45,80,85,86,87]. Тем не менее, существует целый ряд нерешённых вопросов в теории и практике создания ВИПП, работоспособных в широком диапазоне температур с одновременным воздействием жёстких механических нагрузок (удары, вибрация). Среди них можно выделить следующие:

1) Отсутствуют разработанные математические модели, описывающие воздействие нестационарных тепловых процессов, когда внешняя и измеряемая среды имеют существенные неоднородные характеристики. При этом тепловые процессы определяют наряду с точностью такие важные характеристики, как долговечность и время готовности датчиков.

2) Отсутствуют обоснованные правила выбора параметров конструктивных элементов, позволяющие проектировать ВИПП с заданными характеристиками: погрешностью измерения, быстродействием, габаритно-массовыми показателями и т. п.

3) Отсутствуют инженерные методики расчёта магнитной проводимости в рабочих зазорах растровых преобразователей перемещений с температурной погрешностью не более 0,005% на 10 °C.

4) Отсутствуют унифицированные конструкции ВИП линейных и угловых перемещений, работоспособные в диапазоне температур от -50 до +600 °С, а также конструкции многофункциональных преобразователей, позволяющих измерить одновременно линейные и угловые перемещения объекта контроля.

В настоящей диссертационной работе предлагаются варианты решения поставленных выше задач с целью создания унифицированных высокотемпературных ВИПП с диапазонами измерения от 0-^-4 до 0-Н6000 мм для линейных перемещений и 0-К3600 для угловых... Таким образом, целью диссертационной работы является развитие теории расчёта ВИПП, работоспособных в широком диапазоне температур, разработка инженерной методики проектирования ВИПП с заданными метрологическими и эксплуатационными характеристиками, разработка математических моделей нестационарных тепловых процессов, действующих в датчиках перемещений и создание на их основе унифицированных конструкций преобразователей линейных и угловых перемещений, отличающихся лучшими техническими характеристиками, чем существующие приборы аналоги.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

— проведение классификации электромагнитных ПП по конструктивному исполнению и анализ методов обработки периодических сигналов АЦП перемещений;

— разработка математической модели бесконтактного датчика перемещений с учетом нестационарных тепловых процессов при различных условиях и режимах его работы путём проведения компьютерных экспериментов и получения качественных и количественных оценок параметров этих процессов;

— разработка обобщённой схемы замещения и на её основе методики расчёта проводимостей рабочих зазоров в растровых ВИПП с комбинационным сопряжением зубцовых растров;

— исследование статических и динамических погрешностей преобразователей перемещений, определение зависимости между точностными и конструктивными параметрами датчиков;

— разработаны базовые конструкции бесконтактных ВИПП с диапазонами 0+4- 0-^-8- 0+11- 0+16- 0+22- 0+30 и СН-45 мм, работоспособные в диапазонах температур ±-50°С- -50 — +100°С- -50t +600°С;

— разработаны базовые конструкции ВИПП с механической связью с объектом контроля с диапазонами измерения от 0+30 до 0+700 мм (9 диапазонов), а также многофункциональных датчиков и ВИП угловых перемещений.

Научная новизна работы.

— разработана математическая модель нестационарных тепловых процессов, протекающих в бесконтактном датчике линейных перемещений при его эксплуатации в условиях сложных тепловых воздействий;

— разработана обобщённая схема замещения и математическая модель для чувствительных элементов (ЧЭ) растровых датчиков линейных и угловых перемещений с наружным ротором, разработан метод расчёта магнитной проводимости в зубцовых зазорах с учётом сопротивлений утечки;

— разработаны новые типы высокотемпературных бесконтактных преобразователей линейных перемещений с использованием металлоплё-ночных и металлокерамических обмоток, работоспособных при температуре до 200 °C и 600 °C соответственно;

— разработаны новые типы ВИПП с использованием растровых сопряжений и амплитудно-логических методов обработки выходных сигна лов [45] с величиной температурной погрешности не более 0,005% на 10 °C;

— исследованы статические и динамические погрешности различных типов датчиков ВИП угловых и линейных перемещений, определены пути их уменьшения.

Практическая ценность работы заключается в том, что:

— на основе разработанной математической модели создано программное обеспечение в комплексе DLP, позволяющее рассчитывать, вил зуализировать и анализировать неоднородные, нестационарные температурные поля бесконтактного датчика линейных церемещений.

— проведено математическое моделирование тепловых процессов в бесконтактном ДЛП при различных условиях и режимах его работы путем проведения компьютерных экспериментов позволившие получить качественные и количественные оценки параметров этих процессов.

— на основе математической модели сформирована инженерная методика расчетов конструктивных параметров взаимоиндуктивных растровых преобразователей угловых и линейных перемещений с комбинационным сопряжением.

— разработаны и проведены испытания у заказчика ряда конструкций ВИПП (С 085, ПУИ 062, ПЛИ 063, ПУИ 061).

Положения, выносимые на защиту:

— обобщенная схема замещения и математическая модель ЧЭ ВИПП с растровым сопряжением;

— математическая модель нестационарных тепловых процессов в бесконтактном ДЛП при его эксплуатации в условиях сложных тепловых воздействий.

— методы и результаты анализа электромагнитных преобразователей перемещений по конструктивному исполнению и характеру выходных сигналов для выбора конструктивного исполнения на ранней стадии проектирования ВИПП;

— аналитические выражения, определяющие зависимость между конструктивными параметрами и инструментальными погрешностями растровых ВИПП и зависимости между точностными и динамическими показателями позволяющие проводить расчет конструкций датчиков исходя из заданных метрологических характеристик;

— варианты разработанных автором конструкций различных типов ВИПП, использованные в НИИФИ, ГРЦ «КБ им. Академика В. П. Макеева», ОАО ЦТД «Диаскан» .

Реализация работы.

Разработанные в диссертационной работе инженерные методы расчёта внедрены в НИИ физических измерений (г. Пенза) при создании целого ряда датчиков линейных и угловых перемещений ПУИ 062, С 085, ПУИ 061, ПЛИ 063, которые прошли заводские испытания и поставляются потребителям. Методики оценки погрешностей и предложенные автором конструктивные решения использованы в НИИФИ при проведении ОКР по теме «Миндаль», включённой в Федеральную космическую программу развития датчиковой аппаратуры на период 2000;2005 г. (датчики МФПП, МКДЛП). Полученный автором патент РФ № 2 208 762 внедрён в датчике линейных перемещений системы С 085, который серийно поставляется в течение 2002;2003 г. в КБ им. Макеева, г. Миасс (см. приложение В).

Разработанный автором датчик ПУИ 062 внедрён в систему измерений внутритрубного профилемера и серийно поставляется предприятию ОАО ЦТД «Диаскан» в течение 2003 г (см. приложение В).

Результаты исследований в области разработки ВИПП, работоспособных в широком диапазоне температур, докладывались и обсуждались на международных, всероссийских, региональных конференциях, симпозиумах и семинарах, на НТС НИИФИ и кафедры ИИТ ПГУ, основные материалы диссертации опубликованы в 14 печатных работах, в том числе в четырех статьях и патенте РФ.

Основные результаты и выводы работы сводятся к следующему:

1. Проведён анализ преобразователей перемещений, построенных на различных принципах преобразования, выявлены преимущества электромагнитных преобразователей и разработана их классификация по конструктивному исполнению, что существенно облегчает выбор конструкции в зависимости от требований по метрологическим, габаритно-массовым показателям и условиям эксплуатации.

2. Проанализированы существующие методы обработки периодических выходных сигналов аналого-цифровых преобразователей перемещений и выявлена возможность использования традиционных схемных решений для обработки выходных несинусоидальных периодических сигналов с растровых датчиков.

3. Разработана математическая модель нестационарных тепловых процессов, протекающих в датчике линейных перемещений, при различных условиях и режимах его работы и путём проведения компьютерных экспериментов получены количественные и качественные оценки параметров этих процессов.

4. Проведено математическое моделирование базовых тепловых режимов работы взаимоиндуктивного датчика линейных перемещений при воздействии температуры рабочей среды по заданному закону и построены графики зависимости максимальных температур теплозащиты от её толщины в конечный момент времени воздействие термоудара и графики зависимостей максимальных температур ЧЭ (обмотки) от толщины теплозащиты, что позволяет при разработке датчиков определить их работоспособность и рассчитывать элементы конструкции в зависимости от мощности и времени воздействия теплового потока.

5. Разработана обобщённая схема замещения растровых ВИПП с наружным ротором и на её основе сформированы основные расчётные выражения для выходных сигналов с учётом сопротивлений утечки, сопротивлений магнитопровода и сопротивлений воздушного зазора.

6. Предложена методика расчёта конструктивных параметров растровых ВИПП с комбинационным сопряжением и приведён пример расчёта. Отклонения между расчётным и экспериментальным значением выходного сигнала не превышают 20%.

7. Исследованы статические и динамические погрешности растровых ВИПП, определена зависимость между точностными и конструктивными параметрами датчиков, позволяющая на ранних стадиях разработки проводить выбор конструктивного исполнения исходя из заданных метрологических характеристик.

8. Разработаны бесконтактные датчики перемещений с проволочным ЧЭ (обмотка), отличающиеся высоким соотношением между максимальным * измеряемым перемещением и диаметром датчикавысокотехнологичные датчики с металлоплёночными обмотками и высокотемпературные датчики с металлокерамическим ЧЭ.

9. Разработаны растровые штоковые универсальные датчики перемещений с температурной погрешностью не более 0,005% на 10 °C в диапазоне температур от минус 60-К200 °С и диапазонами измеряемых перемещений от СН-30 до СИ-700 мм (9 диапазонов).

10. Разработан ряд аналоговых растровых датчиков угловых перемещений с диапазонами ±90° и О-КЗбО0 работоспособных в жёстких условиях эксплуатации.

11. Предложена конструкция многофункционального растрового датчика угловых и линейных перемещений позволяющего одновременно измерять линейные перемещения объекта и его угол поворота.

12. Внедрены конструкции датчика угловых перемещений ПУИ 062, датчика линейных перемещений ДЛП С-085- универсального датчика ПЛИ 063 и датчика ПУИ 061- а конструкции многофункционального датчика МФПП и металлокерамического датчика МКДЛП рекомендованы для проведения ОКР.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

Диссертационная работа посвящена вопросам разработки инженерных методов расчёта различных конструктивных исполнений взаимоиндуктивных преобразователей перемещений, работоспособных в широком диапазоне нестационарных температурных воздействий.

Результаты, полученные путём теоретического анализа и подтверждённые экспериментальными данными в процессе отработки реальных конструкций преобразователей угловых и линейных перемещений, дают основание утверждать, что предложенные конструкции ВИПП найдут широкое применение в системах контроля и управления, используемых как в ракетной и авиационно-космической технике, так и в отраслях народного хозяйства.