Исследование и разработка индуктивных датчиков перемещения для информационно-измерительных и управляющих систем

Индуктивные датчики перемещения (ИДП) широко применяются при создании различных информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС) и выполняют в них наиболее важные функции. Главное отличие этих датчиков от других средств линейно-угловых измерений заключается в наличии основного индуктивного измерительного преобразователя (ИПр), с помощью которого измеряемое перемещение преобразуется в изменение полного электрического сопротивления катушки индуктивности.

На рис. 1 показана обобщенная схема измерительного прибора.

ИК.

Рис. 1. Обобщенная схема измерительного прибора.

С помощью предварительного преобразователя ПП измеряемая физическая величина х, характеризующая состояние объекта измерений ОИ, подводится к датчику первичной информации Д, в частности — к индуктивному датчику перемещения. Выходной сигнал датчика подается на устройство первичной обработки сигнала УПОС, в котором осуществляются необходимые преобразования измерительного сигнала: селекция, масштабирование, модуляция, фильтрация, коррекция, нормализация и пр. Выходной сигнал УПОС у поступает на вычислительное устройство ВУ. В нем формируется (вычисляется) оценка измеряемой величины Зс, которая выводится на отсчетное устройство ОУ и используется потребителем информации ПИ. Совокупность элементов, обеспечивающих получение сигнала у, образует измерительный канал ИК, имеющий нормированные метрологические характеристики. Таких каналов может быть несколько. Обобщенная структурная схема информационно-измерительной системы (ИИС) аналогична схеме рис. 1, однако может содержать множество измерительных каналов.

На рис. 2 показана обобщенная схема замкнутой системы автоматического управления (САУ). е и х.

Рис. 2. Обобщенная схема САУ.

Процесс установления желаемого состояния объекта управления ОУ происходит в САУ автоматически за счет создания такого устройства управления УУ и выбора закона управления и, при которых значение ошибки регулирования e = g-x стремится к нулю.

Качество работы устройств, показанных на рис. 1,2, практически целиком зависит от характеристик датчиков Д, с помощью которых получают первичную информацию о значениях контролируемых параметров. Поэтому ключевой проблемой повышения эффективности и качества всех информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС) является совершенствование существующих и создание новых датчиков первичной информации.

Широкое применение в измерительной технике получили электронные измерительные устройства с индуктивными измерительными преобразователями. На основе использования таких преобразователей строятся датчики самых различных неэлектрических величин: линейных размеров и их производных (линейных и угловых размеров, уровня жидкости, про дольных деформаций, линейной и угловой скорости, механических колебаний) — сил и их производных (силы, крутящие моменты, механическая работа, механическая мощность) — масс и производных величин (масса, расход, плотность) — гидростатических и гидродинамических вели чин (давление, скорость потоков).

Для измерения перечисленных величин индуктивный измерительный преобразователь снабжается элементом, преобразующим измеряемую величину в перемещение якоря индуктивного преобразователя. Достоинством индуктивных датчиков является простота конструкции, хорошая помехоустойчивость, возможность получения высоких метрологических характеристик и простота построения последующих преобразовательных элементов. Индуктивные измерительные устройства серийно выпускаются инструментальными заводами и фирмами во всех промышленно развитых странах.

Опыт эксплуатации ИДП свидетельствует о том, что они надежны, легки в монтаже, не требуют при изготовлении дорогостоящих материалов, имеют простую конструкцию, малые габариты и массу. Благодаря этим достоинствам индуктивные измерительные устройства успешно применяются в различных областях техники.

Современные ИДП выпускают ведущие зарубежные фирмы США, Европы и Японии: Tesa (Швейцария), Mahr (Германия), MITUTOYO (Япония), Marposs (Италия) и др. В России ИДП различного назначения разрабатывают и выпускают множество приборостроительных организаций и фирм. Наиболее крупными являются: «НИИизмерения» (г. Москва), «РОБОКОН» (г. Москва), завод «Измерон» (г. Санкт-Петербург) и ООО «Микромех» (г. Санкт-Петербург). ИДП востребованы при создании различных ИИУС.

Вместе с тем до сих пор не достигнуты потенциальные возможности ИДП. Причиной этому является отсутствие полноценной теории ИДП, адекватно описывающей свойства и характеристики индуктивных датчиков, а также недостатки проектирования ИДП, связанные с применением традиционных методов их расчета. Для повышения метрологических характеристик и конкурентоспособности ИДП требуется применение современных компьютерных технологий их расчета, моделирования и оптимизации. Исследованиям в этой области уделяется основное внимание.

Известные методики расчета ИДИ основаны на эмпирических соотношениях и графических построениях, что сужает область изменения варьируемых параметров, затрудняет автоматизацию расчетов, снижает их эффективность и затягивает сроки проектирования. Поэтому весьма актуальной задачей является разработка универсальных, эффективных и достоверных математических моделей ИДП, пригодных для автоматизированного расчета и проектирования датчиков.

Индуктивный метод получения и преобразования информации привлекает к себе внимание исследователей и получает все более широкое распространение благодаря своим достоинствам. В области теории и практики индуктивных измерительных преобразователей перемещений известен значительный вклад исследователей В. Н. Милыптейн, Е. И. Дмитриев, Б. С. Сотсков, Л. Ф. Куликовский, Ф. А. Ступель, Б. К. Буль, Л. Я. Цикерман, М. Ф. Зарипов, М. И. Белый, Ю. С. Русин, Н. Е. Конюхов, Л. А. Срибнер, С. А. Розентул, положивших начало разработке индуктивных измерительных средств в нашей стране, создавших научные школы и обеспечивших разработку серийных приборов.

Период становления теории индуктивных измерительных преобразователей приходится на пятидесятые — семидесятые годы. Именно в этот период индуктивные измерительные преобразователи выделены в особую группу электромагнитных устройств специфического метрологического назначения и заложены основы их теории. Новые конструкции преобразователей с улучшенными метрологическими характеристиками непрерывно создавались основными производителями контрольно-измерительных приборов во всех промышленно развитых странах. В нашей стране и в зарубежных странах в этот период было опубликовано большое число научных работ по теории, расчету и проектированию индуктивных измерительных преобразователей [25].

Для дальнейшего повышения метрологических характеристик ИДП и роста их конкурентоспособности требуется повышение точности и стабильности используемых ИПр. Для этого, в свою очередь, требуется совершенствование методов расчета и проектирования ИДП.

Используемые методики расчета ИПр основаны на эмпирических соотношениях и графических построениях, что сужает область изменения варьируемых параметров, затрудняет автоматизацию расчетов, снижает их эффективность и затягивает сроки проектирования. Поэтому весьма актуальной является задача разработки универсальных, эффективных и достоверных математических моделей ИПр, пригодных для автоматизированного проектирования ИДП.

Анализ метрологических характеристик современных индуктивных приборов убедительно показывает, что еще не достигнуты потенциальные возможности ИДП и это, особенно, касается самих первичных индуктивных преобразователей. В частности, расчетный порог чувствительности для индуктивных приборов составляет 0,01−0,001 мкм, а относительная погрешность может быть уменьшена до 10″ 5. Эти величины не достигнуты в современных приборах и их реализация требует проведения серьезных исследований [25].

Проблему совершенствования первичных индуктивных измерительных преобразователей, исходя из их метрологических и эксплуатационных характеристик, нельзя отнести к числу закрытых проблем и более того, при наблюдающемся расширении использования индуктивных измерительных преобразователей в составе автоматизированных информационно-измерительных систем и автоматизированных систем управления технологическими процессами, эта проблема приобретает все более важное значение. Разработка теории индуктивных измерительных преобразователей, достаточно полно учитывающей их метрологическую сущность, становится еще актуальнее в свете наблюдающегося повсеместного перехода на прогрессивные и более эффективные методы автоматизированного проектирования (САПР). Для индуктивных измерительных преобразователей основой для использования САПР является математическая модель преобразователя, построенная с учетом его основного метрологического назначения. Эффективность этой модели во многом определит и эффективность автоматизированного проектирования преобразователей, и особенно эффективность оптимизации их конструкций. Естественно, что такая модель должна иметь, по возможности, общий характер, единый для разных типов индуктивных измерительных преобразователей. Это существенно с точки зрения упрощения программного обеспечения САПР индуктивных измерительных преобразователей и сокращения объема требуемых программ.

Существующие классификации индуктивных измерительных преобразователей, в первую очередь, ориентированы на особенности конструкции преобразователя, его метрологические и эксплуатационные возможности, на область применения и в слабой мере учитывают особенности математической модели преобразователя или элементы электромагнитной теории, на основе которых могут быть построены такие модели.

Одним из условий качественной подготовки выпускников ВУЗов по направлению 200 100 «Приборостроение» является наличии у них прочных навыков использования компьютерных технологий при разработке средств измерений. Актуальность этой задачи связана с выдвижением новых требований к выпускникам ВУЗов и формам их профессиональной деятельности, главными из которых являются требования компетентности и компьютеризации инженерного труда.

Целью диссертационной работы является повышение точности ИИУС и снижение сроков проектирования индуктивных датчиков перемещения, используемых в информационно-измерительных и управляющих системах.

Для достижения этой цели определены следующие основные задачи:

— анализ текущего состояния, тенденций развития и технических требований к индуктивным датчикам перемещения для информационно-измерительных и управляющих систем;

— разработка структурно-математических моделей индуктивных измерительных устройств для ИИУС, позволяющих на стадии проектирования определить полный комплекс их метрологических характеристик;

— разработка алгоритмов для автоматизированного расчета параметров индуктивных датчиков перемещения, используемых в информационно-измерительных и управляющих системах;

— разработка методики расчета индуктивных датчиков для информационно-измерительных и управляющих систем с применением программы МаЛсаё.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате анализа современного состояния в области теории и практики применения индуктивных датчиков перемещения (ИДП) установлено:

1. ИДП широко применяются при создании различных информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС) и выполняют в них наиболее ответственные функции;

2. отсутствует единый подход к описанию, расчету и проектированию ИДП разных типов;

3. известные методы и методики расчета ИДП разработаны применительно к частным случаям конструкции датчиков, основываются на графических построениях и не позволяют определить полный комплекс их метрологических характеристик, а, тем более, синтезировать схему и конструкцию ИДП, имеющего заданные характеристики.

Поэтому актуальной задачей, решенной в результате проведенных исследований, является разработка универсальных, эффективных и достоверных математических моделей ИДП, пригодных для автоматизированного расчета и проектирования индуктивных датчиков, а также связывающих выходные характеристики измерительного канала ИИУС с физическими параметрами ИДП.

Целью диссертационной работы является повышение точности ИИУС и снижение сроков проектирования индуктивных датчиков перемещения, используемых в информационно-измерительных и управляющих системах.

Для достижения этой цели в диссертации решены следующие основные задачи:

— анализ текущего состояния, тенденций развития и технических требований к индуктивным датчикам перемещения для информационно-измерительных и управляющих систем;

— разработка структурно-математических моделей индуктивных измерительных устройств для ИИУС, позволяющих на стадии проектирования определить полный комплекс их метрологических характеристик;

— разработка алгоритмов для автоматизированного расчета параметров индуктивных датчиков перемещения, используемых в информационно-измерительных и управляющих системах;

— разработка методики расчета индуктивных датчиков для информационно-измерительных и управляющих систем с применением программы МаЛсаё.

В результате проведенных исследований получены следующие основные результаты:

— определены шесть основных типов конструкции индуктивных датчиков, отличающихся формой статической характеристики, используемых в измерительных каналах ИИУС;

— разработаны структурно-математические модели индуктивных датчиков перемещения, используемые в информационно-измерительных и управляющих системах, для статического режима измерений, позволяющие установить непосредственную связь между выходными статическими характеристиками измерительного канала ИИУС и физическими параметрами датчиков;

— получены формулы для расчета параметров статической характеристики индуктивных измерительных устройств для ИИУС, обеспечивающие минимальное значение максимальной приведенной погрешности от нелинейности этой характеристики и заданную чувствительность датчика;

— разработаны алгоритмы расчета параметров передаточной функции измерительного канала ИИУС с индуктивным датчиком перемещения по критериям минимума длительности переходного процесса, максимума ширины полосы пропускания частот, минимума интегральных оценок переходного процесса и заданных показателей динамической точности;

— разработаны алгоритмы и методика автоматизированного расчета индуктивных датчиков перемещения с использованием системы компьютерной математики МаШсаё, позволяющая сократить сроки проектирования индуктивных датчиков для измерительного канала ИИУС;

— доказана возможность уменьшения в два раза погрешности от нелинейности статической характеристики индуктивного датчика перемещения М-022 за счет увеличения его внешнего диаметра до 10 мм и увеличения длины и диаметра катушки на 20%;

— создано современное компьютеризированное приложение к курсу «Основы проектирования приборов и систем» для студентов, обучающихся по направлению подготовки 200 100 «Приборостроение», в виде комплекса учебных заданий для курсового и дипломного проектирования.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на заседаниях научно-методического семинара кафедры «Приборы и информационно-измерительные системы» Московского государственного университета приборостроения и информатики (2008, 2011) и научной конференции «Актуальные проблемы приборостроения, информатики и социально-экономических наук» (2008).

По теме диссертации опубликовано семь научных статей, в том числе две в издании, рекомендованном ВАК РФ (индекс в общероссийском каталоге 79 727 перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий от 04.2008), а также три учебно-методические работы по дисциплинам «Автоматизация инженерных расчетов» и «Основы проектирования приборов и систем».

Результаты исследований используются специалистами используются в ОАО «ЦНИТИ» при разработке ИИУС станков, что позволило повысить точность, разрешающую способность и функциональность ИИУС, а также реализованы в учебном процессе на кафедре «Приборы и информационно-измерительные системы» Московского государственного университета приборостроения и информатики при подготовке инженерных кадров по специальности 200 101 «Приборостроение».