Исследование линейного измерительного преобразователя индукционного типа с плоскими многополюсными обмотками

Повышение технического уровня производственных процессов, качества и надежности промышленной продукции, широкое использование комплексного управления автоматизированными производствами, появление и применение эффективных робототехнических систем, высокоточных автоматических систем обнаружения и наведения в аэрокосмической области, проведение достаточно сложных научных экспериментов в различных областях науки и техники, включая биологию и медицину — всё это стало возможным благодаря получению и использованию высококачественной первичной измерительной информации.

В настоящее время и в обозримой перспективе одной из актуальных технически сложных задач является прецизионное измерение линейных перемещений подвижных органов систем автоматического управления объектами различной физической природы и различного технического применения. Полученная в процессе измерения первичная аналоговая информация, как правило, преобразуется в цифровую форму, получаемую при помощи высокоточных аналого-цифровых преобразователей (АЦП).

Аналоговая измерительная информация, характеризующая позиционирование и перемещение подвижных объектов автоматических систем, получается с помощью первичных преобразователей. Указанные преобразователи классифицируются по различным признакам, основными из которых являются: характер измеряемых перемещений, физический принцип действия преобразователя, структура его построения и вид выходного сигнала. По характеру измеряемых процессов различают преобразователи угловых и линейных перемещений.

Физические принципы, по которым реализуются измерительные преобразователи перемещений, достаточно разнообразны, обладают специфическими качественными показателями и метрологическими возможностями. Среди них особенно широко применяются многополюсные индукционные преобразователи, использующие эффект периодического изменения взаимоиндуктивной связи между двумя системами обмоток. Они относятся к группе электромагнитных устройств трансформаторного типа.

В результате многолетних теоретико-конструкторских разработок, выразившихся в целом потоке изобретательских решений во многих странах, на практике широкое распространение получили многополюсные индукционные преобразователи с плоскими печатными обмотками, получившие в зарубежной научно-технической литературе название индуктоси-нов. В отечественной литературе наряду с заимствованным термином «индуктосин» применяются также термины: «датчик», «преобразователь», «трансформатор». В данном исследовании будет использоваться понятие «индукционный преобразователь», как наиболее полно отражающий специфику указанного устройства. В зависимости от вида измеряемых перемещений различают поворотные и линейные преобразователи. С помощью поворотных преобразователей измеряется и позиционируется угловое перемещение, а в случае линейных — линейное перемещение. Объектом исследования данной диссертационной работы является многополюсный индукционный преобразователь линейных перемещений.

Значительное увеличение точности, достигаемое в многополюсных индукционных преобразователях по сравнению с обычными (двухполюсными) преобразователями трансформаторного типа, стало возможным благодаря применению принципа электрической редукции, что произвело подлинный переворот в измерительной технике. Так в указанных преобразователях погрешность преобразования теоретически уменьшается в число раз, равное передаточному отношению электрической редукции.

Линейный индукционный преобразователь (ЛИП) конструктивно состоит из неподвижной части — линейки (шкалы) и подвижной части — движка, на плоских шлифованных сторонах которых, обращенных одна к другой, нанесены печатным или иным другим способом проводники плоских обмоток, активные части которых располагаются перпендикулярно направлению измеряемого перемещения. Для обеспечения работоспособности устройства между подвижной и неподвижной частями линейного преобразователя имеется воздушный зазор.

Линейный многополюсный индукционный преобразователь является важнейшим элементом устройства для автоматического измерения линейных перемещений повышенной точности. Указанное устройство входит в качестве субсистемы в различные системы управления, в которых рабочий процесс основан на преобразовании в цифровую форму измерительной информации, получаемой в первичной (аналоговой) форме от преобразователя. Чем качественнее спроектирован первичный преобразователь, тем выше точностные показатели автоматической системы, в которой аналоговая измерительная информация преобразуется в цифровую. И несмотря на то, что в данной системе первичный преобразователь работает совместно с комплексом аналого-цифровых преобразователей, которые также оказывают влияние на итоговые качественные показатели, все же основная часть погрешностей измерительной информации определяется самим первичным преобразователем.

Независимо от конструктивного оформления индукционного преобразователя последний имеет первичную и вторичную многополюсные обмотки. В зависимости от режима работы преобразователя первичная или вторичная обмотка имеет двухфазное исполнение, достигаемое пространственным смещением проводников одной части обмотки относительно её другой части на половину полюсного деления, образуя таким образом двухфазную пространственную обмоточную систему.

В зависимости от способа питания первичных обмоток высокочастотным (обычно не менее 10 кГц) переменным напряжением как правило гармонической формы различают два основных режима работы преобразователя в автоматической измерительной системе: амплитудный и фазовый.

При амплитудном режиме первичные обмотки питаются высокочастотными напряжениями, фазы которых совпадают, а амплитуды изменяются соответственно по синусоидальному и косинусоидальному законам. Индукционный преобразователь при этом работает в режиме пульсирующего магнитного поля. При смещении подвижной части преобразователя (движка) относительно неподвижной части (линейка) в пределах одного шага (полюсного деления) амплитуда ЭДС вторичной обмотки изменяется по синусоидальному (косинусоидальному) закону, то есть является гармонической функцией перемещения соответствующей первичной обмотки относительно вторичной.

При фазовом режиме первичные обмотки питаются двухфазным высокочастотным напряжением. В этом случае магнитное поле перемещается в пространстве, то есть оно является бегущим для линейного индукционного преобразователя. Амплитуда наведенной во вторичной обмотке ЭДС остается неизменной, а фаза этой ЭДС является линейной функцией относительного линейного перемещения первичных и вторичных обмоток преобразователя.

Выбор режима работы определяется режимом и параметрами автоматической измерительной системы, в которой в качестве первичного преобразователя используется многополюсный индукционный преобразователь.

Вопросам проектирования и расчета электромеханических индукционных преобразователей с электрической редукцией, конструктивным, технологическим и схемным методам повышения их точности посвящено достаточное количество специальной литературы, как зарубежной, так и отечественной. Значительный вклад в теорию рабочего процесса многополюсных индукционных преобразователей внесли российские ученые: Александров Н. Н., Андреев Э. В., Ахметжанов А. А., Бычатин Д. А., Гольдман И .Я., Дулькин А. И., Карпенко Б. К., Копылова J1.B., Королева Т. Д., Махотин Н. Д., Павлов О. А., Петрополь-ский Н.В., Попов Д. А., Пульер Ю. М., Самойленко Б. Ф., Сафонов JI.H., Тазов Г. В., Хрущев В. В., Чечет Ю. М. и многие другие.

Однако вопросы теории и расчета указанного типа преобразователей линейных перемещений (или позиционирования) с учетом особенностей конструкции и технологии изготовления плоских обмоток применительно к их использованию в автоматических измерительных устройствах повышенной точности пока еще не получили достаточно эффективной теоретической и практической разработки. В этом плане актуальной остается задача дальнейшего развития теории рабочего процесса многополюсного индукционного преобразователя с целью выработки единого теоретического подхода к исследованию его электромагнитных и точностных характеристик.

Недостаточно исследованы также вопросы построения устройств для автоматического измерения перемещений на основе линейного многополюсного индукционного преобразователя с улучшенными качественными показателями. Эти вопросы составляют другую чрезвычайно важную и актуальную задачу структурного совмещения в едином комплексе (измерительном автоматическом устройстве) индукционного преобразователя и блока цифровых преобразователей в зависимости от требований, предъявляемых к устройству в целом.

К настоящему времени из всего многообразия структурных решений указанных автоматических устройств можно выделить два основных типа. Первый тип представляет собой автоматическое устройство с разомкнутой структурой преобразования. Ко второму типу относятся устройства, представляющие собой замкнутую систему регулирования, в контур обратной связи которой входит многополюсный индукционный преобразователь линейных перемещений.

Рекомендации по выбору того или иного технического решения (типа измерительного автоматического устройства) обычно формулируются, исходя из учета одного из критериев качества измерительного устройства. В числе этих критериев могут выступать либо чувствительность измерительного органа системы, либо быстродействие системы, либо точность измеряемого параметра с учетом его стабильности при воздействии различных дестабилизирующих факторов.

Применение измерительных автоматических устройств, спроектированных при учете только одного из перечисленных выше критериев, в настоящее время встречается достаточно редко. Поэтому выбор структуры устройства, исходя из действия всей совокупности указанных критериев является достаточно сложной и не всегда выполнимой в полной мере задачей. Актуальность этой задачи будет зависеть от возможности учета степени влияния оценочных критериев в процессе проектирования устройства автоматического измерения.

Учет всех оценочных критериев качества безусловно желателен, однако чаще всего приходится исходить из приоритета одного из них, учитывая другие критерии по мере возможности. В этом случае следует принимать во внимание безусловную функциональную значимость выбранного критерия. Для измерительного устройства таким критерием всегда является показатель точности измеряемого параметра при достижении минимума погрешности в сравнении с абсолютным значением этого параметра, принимаемым за эталон.

При этом необходимо отметить, что в последние годы общие требования к измерениям линейных перемещений претерпели существенные изменения, заключающиеся в основном в радикальном повышении точности результатов измерений при одновременном ужесточении условий эксплуатации устройств измерительной техники.

В наиболее передовых отраслях науки, техники и промышленности, олицетворяющих научно-технический прогресс, измерительная техника нередко рассчитывается на эксплуатацию в экстремальных условиях (температура, давление, вибрации, отсутствие обслуживания и т. д.), а требуемая точность получаемых результатов измерений приближается к точности эталонных образцов национальных метрологических систем. Из сказанного следует постановка важнейшей актуальной задачи — достижение максимально возможной точности проектируемого измерительного устройства, лишь в незначительной степени уступающей точности эталонного образца. Для решения этой задачи применялись методы, заключающиеся не только в учете изменений внешних условий эксплуатации, но и в весьма тщательной и кропотливой проработке конструкторско-технологических решений первичного преобразователя (многополюсного индукционного преобразователя), являющегося базовой основой автоматического измерительного устройства и определяющего в максимальной степени его метрологические свойства.

Диссертационная работа посвящена исследованию многополюсного индукционного преобразователя с плоскими обмотками, используемого в качестве первичного измерительного преобразователя линейных перемещений повышенной точности, и содержит новые научные положения:

— методику моделирования электромагнитных процессов многополюсного индукционного преобразователя, позволяющего выбрать его наиболее рациональную конструктивную схему,.

— методику инженерного расчета многополюсного индукционного преобразователя, используемого в автоматических измерительных устройствах с отрицательной обратной связью.

В результате теоретических исследований предложены новые технические решения, позволяющие повысить эффективность многополюсного индукционного преобразователя с плоскими обмотками, рационализировать технологический процесс его изготовления, а также структуру всей активной зоны преобразователя.

В первой главе изложены особенности конструкции линейных индукционных преобразователей с плоскими обмотками, приведен обзор и анализ теоретических методов исследования основных параметров указанных преобразователей. Обоснованы и сформулированы основные задачи диссертационной работы.

Во второй главе обоснованы принципы моделирования магнитного поля возбуждения линейного индукционного преобразователя, проведено моделирование поля уединенного плоского прямолинейного проводника с током.

В третьей главе исследуется процесс формирования возбуждающего магнитного поля линейного многополюсного индукционного преобразователя с плоскими обмотками и проводится его моделирование.

В четвертой главе исследуется процесс формирования выходной ЭДС (полезный сигнал) линейного многополюсного индукционного преобразователя с плоскими обмотками и проводится его моделирование.

В пятой главе проведено экспериментальное обоснование принципов моделирования, приведены результаты ведущих параметров преобразователя, полученных на основе модельного и макетного экспериментов, даны основы проектирования.

В заключении даются наиболее важные выводы по проведенному исследованию.

5.5. Выводы по главе.

1. С целью обоснования принципов моделирования электромагнитных процессов ЛИП были проведены экспериментальные исследования различных по конструктивному исполнению физических устройств (макетов), моделирующих процессы формирования магнитного поля в пространстве, окружающем прямолинейный проводник с током.

2. Экспериментальные исследования, выполненные на макетах, наглядно подтверждают те модельные представления, которые сложились и использовались в процессе изучения особенностей формирования магнитного поля возбуждения ЛИП.

3. Следует признать плодотворной и достаточно физичной идею первоначального исследования магнитного поля, формируемого одиночным прямолинейным проводником с током, имеющим конечную длину, с последующим распространением этих результатов на системы достаточно большого числа колли-неарных и ортогональных проводников.

4. Задача структурного совмещения в едином измерительном комплексе ЛИП и блока цифровых преобразователей с целью получения высококачественной измерительной информации является весьма важной и актуальной.

5. Измерительная информация, снимаемая с сигнальной обмотки ЛИП, поступает для обработки на цифровой блок автоматического измерительного устройства, который реализуется в зависимости от принятого метода преобразования: амплитудного или фазового.

6. Амплитудный метод обладает неоспоримыми преимуществами перед фазовым, поскольку при амплитудном методе гармонический состав тока возбуждения не оказывает никакого влияния на формирование погрешности измерительного сигнала. В фазовых схемах основная проблема заключается в стремлении максимально уменьшить содержание высших гармоник во временном сигнале.

7. При принятом конструктивном исполнении ЛИП и прямом выводе измерительной информации (непосредственно с выходной обмотки) возможен только амплитудный метод и основанный на нем фазовый подход, применяемый к вторичной измерительной информации, благодаря включению ЛИП в автоматическую измерительную систему.

8. Анализ работы ЛИП в автоматической измерительной системе показал, что его главными ведущими параметрами являются коэффициент гармоник выходной ЭДС и величина остаточной ЭДС, имеющей место при теоретически нулевом сигнале.

9. На базе IBM-совместимого компьютера разработана и реализована специальная установка для проведения модельных экспериментов, в процессе которых были определены оптимальные значения характеристик и параметров магнитного поля возбуждения ЛИП.

10. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны и обоснованы основные положения методики проектирования ЛИП.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. В процессе построения математической модели ЛИП поставлена и решена задача обеспечения физической наглядности при формировании поля возбуждения. При выводе модели учтены следующие положения, а именно:

— конечная длина измерительной линейки ЛИП,.

— конечная длина проводника обмоток ЛИП,.

— плоский характер сечения проводников,.

— немагнитный характер среды, окружающей проводники обмоток.

2. Обмотка возбуждения ЛИП (обмотка линейки) представлена состоящей из систем ортогональных плоских проводников: поперечных (активных) и продольных (пассивных).

3. Проведено моделирование магнитного поля, формируемого одиночным прямолинейным проводником с током, имеющим конечную длину и плоское поперечное сечение. Выполнено решение поля при различных удалениях от проводника как вдоль плоскости сечения, так и в поперечном к ней направлении, характеризующем воздушный зазор ЛИП.

4. Моделирование магнитного поля, формируемого системой рабочих (поперечных) проводников обмотки возбуждения выполнено в два этапа: без учета (первая, упрощенная модель) и с учетом (вторая, универсальная модель) длины поперечных проводников.

5. С помощью программы Mathcad 2001 Pro на основе первой модели проведено компьютерное моделирование и построены графические зависимости поля как в целом для всей линейки, так и для отдельных её участков. Анализ этих зависимостей обнаруживает в кривой поля наличие переменной составляющей практически синусоидальной формы и так называемой квазинулевой линии, имеющей характерные подъемы у краев линейки.

6. В плане формирования второй (универсальной) модели поля предложен метод коррекции и осуществлен вывод выражения корректирующего коэффициента, с помощью которого учитываются конечные размеры поперечных проводников. С помощью программы Mathcad 2001 Pro произведен расчет и построение уточненной картины результирующего магнитного поля возбуждения.

7. Разработана математическая модель поля, формируемого системой вспомогательных (продольных) проводников. В составе этой модели сформулировано понятие системного корректирующего коэффициента и дан вывод его выражения для случая четного и нечетного продольных проводников. С помощью программы Mathcad 2001 Pro произведены расчет и построение картины магнитного поля, созданного системой продольных проводников линейки. Из анализа картины поля для различных случаев следует, что в целях снижения методической погрешности нужно избегать выполнения обмоток возбуждения с обратными проводниками.

8. Используя результаты гармонического анализа, проведенного по универсальной модели поля, проведены расчеты и построены зависимости коэффициента гармоник в функции от коэффициента полюсного перекрытия для различных значений воздушного зазора. Эти зависимости, отражая погрешность измерительного процесса, имеют большое значение для постановки и проведения оптимального проектирования ЛИП.

9. Плоская обмотка возбуждения всегда имеет полношаговую конструкцию, а для выходной (сигнальной) обмотки возможно как полношаговое, так и неполношаговое исполнение, причем последняя может быть составлена или из нитевидных (теоретически), или из плоских проводников.

10. В случае выполнения сигнальной обмотки, составленной из плоских проводников, анализ процесса наведения выходной ЭДС проводится по внутреннему контуру обмотки. Ширина плоского проводника не влияет на качество измерительного процесса в случае идеального гашения переменного магнитного поля в пределах между внутренним и внешним контурами плоской обмотки, что зависит от толщины плоских проводников, выполняющих роль массива. В противном случае применение предельно узких (нитевидных) проводников обязательно.

11. Носителем измерительной информации является основная гармоника поля возбуждения линейки, а высшие гармоники являются носителем методической погрешности.

12. Получены выражения для вычисления полезного сигнала и помехи, формируемой как высшими гармониками, так и квазинулевой линией поля. Сформулировано условие, при выполнении которого в сигнальной обмотке не наводится пятая гармоника выходной ЭДС.

13. С целью обоснования принципов моделирования ЛИП были проведены экспериментальные исследования различных по конструктивному исполнению макетов, моделирующих процессы формирования магнитного поля в пространстве, окружающем прямолинейный проводник с током.

14. Проведен анализ работы ЛИП в автоматической измерительной системе, на основе которого сформулированы основные требования, предъявляемые к ЛИП. Показано, что главными, ведущими параметрами ЛИП являются коэффициент гармоник и величина остаточной ЭДС.

15. На базе IBM-совместимого компьютера разработана и реализована специальная установка для проведения модельных экспериментов, в процессе которых были определены оптимальные значения характеристик и параметров магнитного поля возбуждения ЛИП.

16. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны и обоснованы основные положения методики проектирования ЛИП.