Аналіз і синтез магнітних систем давачів лінійних переміщень

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Романенко Андрій Володимирович

УДК 621.318

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

АНАЛІЗ І СИНТЕЗ МАГНІТНИХ СИСТЕМ ДАВАЧІВ ЛІНІЙНИХ ПЕРЕМІЩЕНЬ

Спеціальність 05.09.01 - електричні машини і апарати

Донецьк - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки України, м. Луганськ.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Яковенко Валерій Володимирович, завідуючий кафедрою електротехніки Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Лущик В'ячеслав Данилович, Українська інженерно-педагогічна академія (м. Стаханов) професор кафедри гірничої електромеханіки;

кандидат технічних наук, доцент Есауленко Володимир Олександрович, Донецький Національний технічний університет професор кафедри електромеханіки і теоретичних основ електротехніки.

Провідна установа: Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України (м. Харків), кафедра електричних апаратів.

Захист відбудеться 25.12. 2003 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К11.052.02 у Донецькому національному технічному університеті за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, навчальний корпус 1, ВАЗ.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці ДонНТУ за адресою: Україна,83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, навчальний корпус 2.

Автореферат розісланий 24.11. 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради К11.052.02 канд. техн. наук, доцент А.М. Ларін.

загальна характеристика роботи

Актуальність задачі. Давачі лінійних переміщень (ДЛП) і давачі механічних величин на їхній основі є одним з найбільш розповсюджених елементів систем управління і контролю, що широко застосовуються в різних галузях техніки - у верстатному і металургійному обладнанні, транспортному і хімічному машинобудуванні, контрольно-вимірювальній апаратурі.

Застосування в цих пристроях постійних магнітів робить їх високо надійними як у механічному, так і інформаційному сенсі. У той же час ДЛП із магнітами не поступаються за метрологічними показниками ДЛП, заснованим на інших фізичних принципах, таких, наприклад, як оптичному, індукційному, резистивному, ємнісному й інших, залишаючи за собою такі важливі переваги, як механічна міцність, здатність працювати в забрудненому і хімічно агресивному середовищі, при широкому діапазоні температур, висока температурна і часова стабільність параметрів. Тому ДЛП з постійними магнітами (ПМ) використовуються як у точних лабораторних приладах, так і в системах управління металургійного і машинобудівного виробництв.

Обсяг знань у літературі, що стосується основ роботи, методики розрахунку і проектування, а також напрямків удосконалювання ДЛП такого типу, дуже малий. А з появою нових матеріалів, удосконаленням магнітометричної техніки та з освоєнням нових чисельних методів електромагнітних розрахунків з'являється можливість удосконалити цей клас ДЛП шляхом поліпшення метрологічних характеристик, зменшення габаритів і підвищення надійності.

Основною складовою частиною ДЛП є магнітна система, яка і визначає метрологічні характеристики усього вимірювального пристрою. Тому удосконалювання ДЛП з магнітами повинне ґрунтуватися на використанні нових прогресивних видів їх магнітних систем і розробці методів їх аналізу і синтезу. А оскільки галузь застосування ДЛП у техніці дуже широка, то удосконалювання магнітних систем на основі аналізу і синтезу магнітних систем ДЛП є актуальною темою наукових досліджень.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є удосконалювання магнітних систем ДЛП на основі аналізу і синтезу магнітного поля в робочій області, що дозволяє поліпшити метрологічні характеристики давачів.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі досліджень:

1. Провести аналіз сучасних методів і моделей розрахунку та оптимізації магнітних систем ДЛП різних конструкцій, а також методів розрахунку вихідних характеристик магніточутливих елементів, що входять у магнітне коло давача, на основі якого обґрунтувати напрямки, задачі і методи теоретичних та експериментальних досліджень дисертаційної роботи.

2. Розробити математичну модель магнітного статичного поля в кусочно-неоднорідному середовищі для можливості розрахунку магнітного поля у магнітних системах ДЛП із постійними магнітами, а також створити ефективні алгоритми чисельного розрахунку поля на основі моделі, що володіє стійкістю і достатньою для синтезу систем швидкодією.

3. На основі результатів чисельних експериментів визначити основні закономірності розподілу магнітного поля в магнітних системах ДЛП різних конструкцій і призначень, на основі чого розробити рекомендації з питань оптимізації магнітних систем і реалізувати останню за допомогою синтезу систем по заданих статичних характеристиках.

4. Визначити аналітичні залежності функцій перетворення для феромодуляційних магніточутливих елементів, що мають автономний принцип побудови і для убудованих у магнітне коло ДЛП.

5. Результати теоретичних досліджень перевірити натурним експериментом і зробити висновок про їхню коректність.

Об'єкт дослідження - аналогові і дискретні магнітні давачі лінійних переміщень.

Предмет дослідження - формування інформаційних параметрів полів у магнітних системах давачів.

Методи дослідження. Використано наступні методи: для аналізу магнітного поля в робочій області ДЛП - метод чисельного рішення лінійних векторних інтегральних рівнянь; для синтезу магнітної системи - статистичні методи планування експерименту і регресійний аналіз; для експериментальних досліджень - метод виміру напруженості магнітного поля ферозондом з обмоткою компенсації зовнішнього магнітного поля й обмоткою зворотного зв'язку; при оцінюванні похибок вимірювання натурних випробувань макету та обробці результатів вимірювань - основи теорії похибок та вимірювальної техніки; при одержанні всіх наукових результатів роботи - теорію диференціального та інтегрального числення.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Одержав подальший розвиток метод математичного моделювання тривимірного магнітного поля, на основі метода векторних інтегральних рівнянь, в магнітних системах ДЛП який, на відміну від відомих, дає можливість розрахувати статичні характеристики систем з урахуванням нелінійних параметрів джерела магнітного потоку і магнітопровода з потрібною для вимірювання точністю.

2. Уперше запропонована методика синтезу магнітних систем ДЛП по заданих статичних характеристиках, що дозволяє оптимізувати параметри магнітних систем за критерієм заданої мінімальної розбіжності параметрів заданої статичної характеристики і розрахункової, що зменшує габарити ДЛП і підвищує точність вимірювальних перетворювачівзаданої мінімальної розбіжності параметрів заданої статичної характеристики і розрахункової, що зменшує габарити ДЛП і підвищує точність вимірювальних перетворювачів.

3. Уперше визначена функція перетворення магнітомодуляційного чутливого елемента (МЧЕ), убудованого в магнітний ланцюг системи, що враховує як параметри магнітопровода інформаційного потоку, так і характеристики модулятора, при різних способах порушення, що дозволяє для цього виду електричних апаратів розраховувати параметри, що забезпечують необхідну чутливість і перешкодостійкість.

4. Розроблена і створена експериментальна установка, що на відміну від відомих, дозволяє знайти дослідним шляхом функції перетворення магнітних систем ДЛП із різними формами магнітопровода з можливістю зміни конструктивних параметрів досліджуваних об'єктів й оцінювати метрологічні характеристики ДЛП в умовах близьких до експлуатаційних.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблено методики, реалізовані у вигляді пакетів програм для синтезу магнітних систем ДЛП, що дозволяють за замовленням споживача оптимальним чином вибрати геометричні і магнітні параметри магнітних систем давачів механічних величин із заданими метрологічними характеристиками. Розроблені методики дозволяють робити аналіз та удосконалювання конструкції магнітних систем ДЛП.

Методика проектування магнітних систем перетворювачів механічних величин, запропонована в дисертаційній роботі, була використана для проектування засобів одержання первинної інформації в системі управління рухом перших українських трамваїв, які виготовляються Холдинговою компанією "Луганськтепловоз", зразки яких експлуатуються в Луганську. Алгоритми і методики розрахунку тривимірних полів у нелінійних і неоднорідних середовищах, застосовані в дисертаційній роботі, використовуються в навчальному процесі на кафедрах "Електричні машини та апарати" і "Прилади" Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля.

Особистий внесок здобувача. Нові наукові результати дисертації одержані здобувачем особисто. Автором поставлена задача наукових досліджень і сформульована задача створення розрахункових моделей для визначення величини напруженості магнітного поля в складних магнітних системах ДЛП. Запропоновано методику чисельної реалізації розрахунку магнітного поля у відкритих магнітних системах, запропонована методика синтезу магнітних систем ДЛП по заданій статичній характеристиці. Визначено функцію перетворення магнітомодуляційного чутливого елемента, убудованого в магнітний ланцюг системи, що враховує як параметри магнітопровода, так і характеристики модулятора, при різних способах збуджування. Розроблено методику експерименту і підібрана необхідна апаратура експериментальної установки.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень і результатів забезпечується застосуванням теоретично обґрунтованих і перевірених практикою алгоритмів розрахунку магнітного поля в неоднорідних по магнітних характеристиках середовищах, результатами експериментальних досліджень, виконаних за допомогою сучасної магнітометричної апаратури, порівнянням результатів розрахунків і експериментальних даних, а також даними отриманими в період експлуатації ДЛП.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень доповідалися на міжнародній науково-технічній конференції "Неразрушающий контроль в промышленности", Республіка Білорусь 1999 р.; на 4-й спеціалізованій конференції "Сучасні прилади, матеріали і технології для неруйнівного контролю і технічної діагностики промислового обладнання", м. Івано-Франківськ 1999 р.; на науковій конференції професорсько-викладацького складу і науковців "Університет-2000", м. Луганськ 2000 р.; на міжнародній науково-технічній конференції "Інформаційна техніка і електромеханіка на порозі XXI сторіччя" (ІТЕМ-2001), м. Луганськ 2001 р.; на міжнародній науково-технічній конференції "Современные проблемы использования низкочастотных колебаний в технологических цепях", м. Луганськ 2001 р; на XVI російській науково-технічній конференції "Неразрушающий контроль и диагностика", м. Санкт-Петербург 2002 р.

Публікації результатів дисертації. Основні положення дисертації опубліковані у 8 статтях у виданнях, що рекомендовані ВАК України, з них одна без співавторів. Крім того, по матеріалах дисертації опубліковано 2 тези доповідей на конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури із 103 найменувань, двох додатків. Повний обсяг дисертації складає 230 сторінок, з них 142 сторінки основного тексту, 9 сторінок списку літератури, 76 повних сторінок з рисунками і таблицями (95 рисунків і 19 таблиць), 3 сторінки додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми досліджень, сформульовані об'єкт і предмет досліджень, мета і наукова задача дисертації, показані зв'язок роботи з науковими темами і програмами, наукова новизна і практичне значення одержаних результатів, визначено особистий внесок автора в друкованих працях із співавторами, наведено дані про апробацію, публікації і впровадження основних результатів роботи, її структуру та обсяг.

У першому розділі проведений аналіз стану питання і постановка задачі дослідження.

У ДЛП сигнал про положення об'єкта здійснюється без механічного і електричного контакту з ним. У деяких випадках застосування ДЛП є єдиним раціональним технічним рішенням виміру якої-небудь фізичної величини.

Звичайно ДЛП містить магніточутливий елемент і керуючий елемент, що жорстко зчленований з об'єктом, який переміщується. Зазвичай, керуючим елементом є постійний магніт. Аналіз показує, що феромодуляційні елементи (ферозонди) мають переваги в порівнянні з іншими популярними МЧЕ: давачами Холу і магніторезисторами.

Феромодуляційні елементи можуть входити у магнітну систему ДЛП двома способами: будучи елементом магнітопровода інформаційного потоку (МІП) ДЛП, що визначає режим роботи всієї магнітної системи ДЛП, і шляхом розташування ферозондів у робочому зазорі магнітопроводу, що не впливає на режим роботи МІП, тому що осереддя ферозонду мають мініатюрні розміри і не мають контакту зі стінками магнітопроводу.

Розглянуті принципи побудови магнітних систем ДЛП дозволяють зробити висновок про те, що, незважаючи на розмаїття конструкцій, є можливість створити єдину методику розрахунку цих систем і методику їхньої оптимізації на основі синтезу геометричних параметрів магнітопроводу.

Задача проектування магнітних систем ДЛП полягає в тім, щоб при заданих обмеженнях на геометричні і магнітні параметри елементів системи виконувалася умова

(1)

де - функція перетворення магнітної системи; k - задана чутливість характеристики магнітної системи.

Умова (1) означає те, що необхідно розрахувати параметри магнітної системи так, щоб її функція перетворювання мінімальним образом у заданому діапазоні відрізнялась від ідеальної функції перетворення, що являє собою пряму лінію .

Складність аналітичного представлення вихідного сигналу при переміщенні магніту, змушує у ряді випадків обмежитися експериментальними методами досліджень. Тому розробка математичних моделей процесу утворення вихідного сигналу і їх чисельна реалізація ДЛП є важливою науковою задачею, вирішення якої дозволить оптимізувати магнітну систему ДЛП.

Традиційний розрахунок магнітних систем ДЛП тільки методом провідностей не дуже підходить, тому що потрібно розраховувати статичну характеристику при безлічі положень МІП и ПМ. Тому перспективні тут польові методи аналізу магнітних систем, які дають великі можливості, як при аналізі, так і при синтезі магнітних систем ДЛП. Для рішення цих задач необхідним є розрахунок магнітного поля як у робочій області ДЛП, так і в області магнітопровода, виконаного з магнітом'якого матеріалу.

В даний час немає даних про те, що існує методика розрахунку магнітних систем ДЛП у результаті реалізації якої можна було б визначити напруженість магнітного поля в області розташування магніточутливого елемента при переміщенні ДЛП у зоні виміру. А без такого розрахунку не тільки виключена можливість оптимізації магнітної системи, але й при неправильному виборі параметрів магнітної системи ДЛП стає непрацездатним для нормального функціонування.

Не вирішена проблема визначення коефіцієнта розмагнічування стрижневих осердь намагнічених у неоднорідних полях, а також їхнього впливу один на одного при близькому розташуванні.

Ґрунтуючись на даних огляду і критичного аналізу чисельних методів розрахунку магнітних полів в Україні і за кордоном, за методичну основу дисертаційної роботи прийняті методи інтегральних рівнянь теорії поля, як найбільш перспективні і повно відповідаючи вимогам точності і високої продуктивності обчислювальних програмних засобів.

Аналіз літературних джерел показав, що існуючі ДЛП з постійними магнітами можна удосконалити. Удосконалити в тому сенсі, що шляхом уніфікації елементів і введенні в магнітну систему магніточутливих елементів можна оптимізувати системи за критерієм одержання максимальної чутливості при заданому діапазоні лінійної ділянки статичної характеристики.

Рішення поставлених задач будуть здійснюватися у такій послідовності:

розробка універсальної математичної моделі і алгоритмів її чисельної реалізації для розрахунку магнітного поля в елементах магнітної системи ДЛП;

аналіз магнітного поля в стрижнях ферозонда з урахуванням нелінійних властивостей матеріалу осередь;

аналіз магнітного поля в магнітопроводах ДЛП різних конструкцій і призначень;

розробка методики синтезу параметрів магнітних систем по заданій статичній характеристиці ДЛП.

Другий розділ присвячено розробці математичних моделей і алгоритмів для дослідження і синтезу магнітних систем ДЛП. Математична модель повинна бути придатна для розрахунку тривимірного магнітного поля в будь-якій магнітній системі ДЛП розглянутого класу. Вимога можливості розрахунку поля, як у лінійному, так і нелінійному середовищах обумовлена тим, що, по-перше, магнітне поле необхідно розраховувати в постійних магнітах докритичної групи і, по-друге, у магнітних системах є ділянки магнітопроводу, виконані з магнітом'якого матеріалу, що розташовані в безпосередній близькості від постійного магніту і їх режим намагнічування обумовлює необхідність враховувати нелінійність магнітної характеристики.

Напруженість поля в точці спостереження i, створена сумою з N елементарних об'ємів (ЕО), на які розбито об'єм області, зайнятої феромагнітним матеріалом, що уявляють собою паралелепіпеди, в прямокутній системі координат має вигляд:

, (2)

де ; - номера ЕО точок спостереження і джерел; - зовнішнє поле, що намагнічує - вектор намагніченості в j-ом ЕО,

.

До рівняння (2) додається співвідношення, що зв'язує намагніченість і напруженість поля для кожного ЕО в залежності від його магнітних властивостей: для постійних магнітів - у другому квадранті петлі гистерезиса, а для магнітом'яких матеріалів - у першому і другому квадрантах основна, гранична і сімейство часткових петель гистерезиса.

Намагніченості , що входять в (1), знаходяться ітераційним методом за наступним алгоритмом.

1. Визначаються раціональні розміри ЕО, а потім їхні координати і магнітні властивості. Вибір раціональних розмірів ЕО дозволяє одержати більш точні результати напруженості магнітного поля в робочому зазорі ДЛП і впливає на збіжність ітераційного процесу.

2. Задається початкове значення намагніченості і розраховується напруженість поля від зовнішнього джерела для кожного ЕО.

3. Запам'ятовується модуль напруженості поля (1) і модуль намагніченості для поточного стану кожного ЕО для k-го кроку ітераційного циклу.

4. По величині модуля намагніченості визначається модуль напруженості поля H_B.i, що відповідає поточному стану кожного ЕО, по кривих, які описують їхні властивості.

5. З умови коленіарності векторів і визначається значення складових вектора .

6. Величина вектора намагніченості обчислюється по формулі

(3)

і бере участь у наступній ітерації як початкове значення. У формулі (3) значення коефіцієнта збіжності підбирається дослідним шляхом (=0,8 - 2,5).

7. Ітераційний цикл продовжується до виконання умови , де - припустима похибка розрахунку (=10^-3 - 10^-6).

При розрахунку напруженості магнітного поля в області розміщення магніточутливих елементів запропонована методика урахування ніш у магнітопроводах ДЛП із метою підвищення точності розрахунку без збільшення похибки дискретизації і часу розрахунку.

При розрахунку магнітної системи ДЛП, призначеної для виміру відстані до феромагнітної поверхні, задача з розрахунку поля вирішується методом дзеркальних зображень.

У розділі розглянутий аналіз магнітних систем ДЛП трьох типів: "П"- типу (рис.1а); "Н"- типу" (рис.1б) і "С"- типу (рис.1.в) для контролю відстані до феромагнітної поверхні, положення постійного магніту відносно ДЛП, контролю переміщення зубів зубчастої поверхні.

Рис.1. Основні типи магнітних систем ДЛП

Магнітні системи складаються з постійного магніту 1, магнітопроводу із магнітом'якого матеріалу у формі стрижнів 2, 3 і одного-двох магніточутливих елементів, розташованих у нішах 4; 5- феромагнітна поверхня; 6- компенсатор магнітного поля в ДЛП "Н"- типу. У якості МЧЕ використовуються ферозонди, які мають найнижчий поріг чутливості.

Результатом аналізу магнітного поля є розробка методики синтезу магнітних систем ДЛП, розглянута на прикладі "С"- подібної магнітної системи.

Задачею синтезу є вибір геометричних параметрів магнітної системи ДЛП, а також постійного магніту, що є джерелом робочого магнітного потоку, так, щоб при заданих обмеженнях на геометричні і магнітні параметри елементів системи виконувались наступні умови:

; ,(4)

де Н(х) - функція перетворювання магнітної системи ДЛП; k- тангенс кута нахилу лінійної області статичної характеристики в заданому інтервалі переміщення []=; ; - величини напруженості магнітного поля в області розташування МЧЕ, що відповідають точкам перетину реальної статичної характеристики ДЛП Н(х) і заданої ;- припустима похибка нелінійності; - задана чутливість; х - вимірюване переміщення.

Функція перетворювання ДЛП "С"- типу залежить від 10 параметрів (рис.1в)

(5)

Одночасна участь в чисельному експерименті всіх параметрів приведе до значного збільшення часу обчислення, і отримані в результаті залежності будуть мало придатні для практичного використання. Тому є сенс виділити базову функцію, що залежить від малої кількості параметрів, які в основному визначають характер статичної характеристики. Базова функція визначається шляхом планування експерименту, метою якого було визначення параметрів, які у значній мірі впливають на функцію перетворювання, і параметрів, вплив яких доцільно враховувати за допомогою коригувальних функцій.

Для обраної базової функції складається матриця планування повнофакторного експерименту з числом факторів m, рівним числу геометричних і магнітних параметрів, що увійшли до базової функції. Діапазон розбивається на L відрізків, на кінцях яких визначається функція перетворення шляхом проведення чисельних експериментів. У такій спосіб для заповнення матриці планування необхідно провести експериментів.

Показано, що функцію перетворювання ДЛП (5), зображеного на рис.1 в, у залежності від m факторів в інтервалах їхнього варіювання, можна представити в аналітичному вигляді в діапазоні зміни лінійного переміщення от 0 до :

(6)

При підстановці (6) у (4), і вирішивши отриману систему рівнянь відносно m заданих факторів, виходить рішення задачі параметричного синтезу магнітної системи по заданій функції перетворювання.

У третьому розділі розглянуті два види МЧЕ і наведені результати чисельних експериментів при однополярному імпульсному та синусоїдальному способах збудження МЧЕ. Один з видів має автономний принцип побудови, тобто є стрижневим ферозондом, що розміщується в повітряних зазорах магнітопровода та у спеціальних нішах. Така побудова МЧЕ дає можливість спростити конструкцію ДЛП, додати йому більше функціональних можливостей.

Принцип побудови другого виду МЧЕ полягає в тім, що МЧЕ являє собою модулятор, вмонтований у магнітопровод ДЛП. Такий принцип підвищує потужність вихідного сигналу, підвищує механічну міцність усієї конструкції ДЛП, має найбільш високу чутливість.

Незважаючи на те, що ферозонд є досить добре вивченим елементом при застосуванні його в якості МЧЕ ДЛП вимагає усунути вплив один на одного близько розташованих стрижнів і оцінити зміну функції перетворювання в залежності від характеру внутрішнього опору генератора збудження і від форми його вихідної напруги.

Тому що в більшості робіт для визначення магнітних властивостей осердь ферозондів застосовується коефіцієнт розмагнічування, у главі наведений аналіз залежності коефіцієнта розмагнічування стрижнів прямокутного перетину від магнітної проникності металу стрижнів і топографії обмоток збудження та вимірювання. Установлено, що при 400..1000 m_ц практично не залежить від . При великому коефіцієнт форми прямує до величини, що розраховується по уточнених формулах Розенблата. При малих значеннях коефіцієнту проникності матеріалу m збільшується зі зменшенням .

Для двох осердь, розташованих на відстані, порівняній з їхніми геометричними розмірами, запропонована наступна формула для розрахунку проникності форми осердь:

де m₀ і m обчислюються по уточнених формулах Розенблата, при обчисленні m₀ підставляють розміри с, b, 2а, що відповідають об'єднаному осердю, а для обчислення m підставляють розміри с, b і а, як в окремому випадку для одного осердя;; х- відстань між найближчими бічними гранями осердя; k- коефіцієнт, обираємий по графіках, приведеним у дисертації.

Отримано функції перетворювання ферозонда при однополярному імпульсному збудженні і синусоїдальному збудженні менш ідеалізовані і зручні для практичних розрахунків. На відміну від методик, потребуючих експериментального визначення магнітних характеристик осереддя, запропонована модель будується на аналітичному визначенні середнього значення відносної магнітної проникності.

Вихідна напруга ферозонда при однополярному імпульсному збудженні при холостому ході вихідної обмотки дорівнює:

,

де ; ; W₁ - кількість витків обмотки збудження; S, l - площа перетину і довжина осередь ферозонда; R - активний опір кола збудження; ; індуктивність ланцюга збудження .

Для зниження рівня чутливості і зменшення адитивної похибки в якості МЧЕ необхідно використовувати ферозонд, який збуджується синусоїдальною напругою, тобто ферозонд другої гармоніки. У цьому випадку вихідна напруга ферозонда з урахуванням кінцевого значення опору R, що стоїть в колі збудження визначається за формулою:

.

Розрахунки показують, що ферозонд другої гармоніки має менший поріг чутливості, чим ферозонд з однополярним імпульсним збудженням.

У розділі наведений аналіз функції перетворення МІП з убудованим у магнітне коло МЧЕ. У цьому випадку як осереддя МЧЕ використовується існуюче магнітне коло давача.

Величина магнітного потоку є функцією координати . Еквівалентна схема магнітного кола містить магнітний опір повітряного зазору , осереддя МІП і опір магнітного модулятора, що є функцією часу . Величини цих опорів визначаються формулами

; ; ,

де , , , , , - довжини і площі перетину повітряного зазору, осереддя МІП, модулятора; Гн/м; - відносна магнітна проникність матеріалу осердя; - відносна магнітна проникність модулятора.

Вихідна напруга феромодуляційного елементу визначається співвідношенням

,

де ; ; ; - кількість витків вихідної обмотки.

У розділі також наведена математична модель визначення інформаційного потоку Ф₀ і наведені результати чисельних експериментів функції перетворення МІП з вмонтованим у магнітне коло МЧЕ.

Четвертий розділ присвячений експериментальним дослідженням магнітних систем ДЛП. В експериментальну установку входили наступні пристрої: пристрій для визначення статичних характеристик магнітних систем ДЛП аналогового типу; пристрій для визначення параметрів інформаційного поля ДЛП дискретного типу; блок магнітометричного каналу; соленоїд для визначення статичних характеристик стрижневих ферозондів; блок обробки інформації.

Устаткування для визначення статичних характеристик магнітних систем складається з основи, на якій розміщений корпус пристрою для кріплення і переміщення ДЛП. Переміщення у горизонтальній площині забезпечувалося мікрогвинтом з точністю 5*10^-6 м. У вертикальній площині переміщення забезпечується двома мікрогвинтами, що дає можливість імітувати перекіс давача. Давач кріпиться в обойму, що переміщується над постійним магнітом. Постійний магніт розташовується на площині підставки, висоту якої можна дискретно змінювати.

Напруженість магнітного поля вимірялася ферозондовим магнітометром, що мав два канали виміру: один для режиму другої гармоніки, другий для режиму однополярного імпульсного збудження. Загальний коефіцієнт передачі магнітометричного каналу знаходився в межах . Таким чином при вимірі напруженості інформаційних полів у діапазоні Н=1..200А/м, вихідна напруга магнітометричного каналу змінювалася у межах (при максимальному коефіцієнті підсилення) 5,02510^-2…10,5 В. Максимальна похибка виміру напруги вольтметром В7-35 у даних межах складає _v=1,1%. Установлено, що основна похибка магнітометричного каналу не перевищувала 2,7%.

Розбіжність експериментальних даних з розрахунковими не перевищувала 6%.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

У дисертації вирішена наукова задача по удосконалюванню методики розрахунку магнітних систем одного із самого розповсюдженого виду інформаційних вимірювальних елементів ДЛП аналогового і дискретного типів з постійними магнітами.

У результаті виконання роботи отримані наступні основні результати:

1. Розроблено математичну модель тривимірного магнітного поля у магнітних системах ДЛП та алгоритми його чисельного аналізу, яка надає можливість розрахувати статичні характеристики систем із джерелами постійного магнітного поля, створюваного постійними магнітами, які розміщуються в магнітопроводе або поза ним. Модель реалізована у вигляді алгоритмів і програм, розроблених на основі нових і адаптованих відомих математичних моделей, що дозволяє проектувати магнітні системи перетворювачів з поліпшеними метрологічними характеристиками.

2. Запропоновано метод оптимізації магнітних систем ДЛП на основі їхнього синтезу, що дає можливість по заданих метрологічних характеристиках визначити геометричні параметри систем, що підвищує точність і зменшує габарити вимірювальних перетворювачів і в рази скорочує час їхнього проектування.

3. Розроблено метод розрахунку статичних характеристик магнітних систем з повітряними зазорами, у яких розташовані магніточутливі елементи феромодуляційного типу, що на відміну від відомих методів має на порядок меншу похибку і дозволяє в широких межах змінювати геометричні і магнітні параметри магнітних систем.

4. Розроблено метод розрахунку магнітних систем ДЛП з убудованим у коло системи модулятором, що дозволяє знайти функцію перетворення ДЛП переміщення - вихідний сигнал.

5. Визначено функцію перетворення МЧЕ із синусоїдальним і імпульсним збудженням, що на відміну від існуючих враховує внутрішній опір генератора збудження.

6. Запропонована і доведена до програми методика урахування ніш у магнітопроводах ДЛП, призначених для розміщення МЧЕ, що підвищує точність розрахунку магнітних систем ДЛП.

Методом чисельних експериментів отримані спрощені залежності функцій перетворень різних типів магнітних систем, що є необхідним при інженерних розрахунках магнітних систем ДЛП.

Розроблено і виготовлено експериментальне устаткування для визначення метрологічних характеристик магнітних систем ДЛП аналогового і дискретного типу, що дозволило встановити, що розбіжність результатів теоретичних розрахунків і даних експериментальних досліджень розходяться не більш ніж на 6 %.

Значення вирішеної в дисертаційній роботі наукової задачі для науки і практики полягає в новому підході до розробки магнітних систем аналогових і дискретних ДЛП, заснованому на чисельному розрахунку магнітного поля в робочій області систем і синтезі в ній магнітного поля такої топографії, що забезпечує основні необхідні метрологічні характеристики ДЛП, що в сполученні з розробленою теорією магнітомодуляційних вимірювальних перетворювачів дає повний комплекс методик проектування магнітних систем давачів цього класу.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Букреев В.В., Романенко А.В., Криеренко А.Г. Оптимальный выбор размеров постоянных магнитов в магнитных системах железоотделителей // Вісник Східноукраїнського державного університету. -1999. -№6. -С.153-156.

Романенко А.В., Мирошников В.В., Криеренко А.Г. Моделирование магнитного поля в ферромагнитных стержнях // Науковий вісник Національної гірничої академії України. -2000. -№6. -С.54-57.

Мирошников В.В., Романенко А.В. Математическая модель поля датчика над ферромагнитной поверхностью // Вісник державного університету "Львівська політехніка" "Радіоелектроніка та телекомунікації". -2000. -№387. -С.480-483.

Яковенко В.В., Шевченко А.И., Романенко А.В. Модель магнитного поля намагниченного нелинейного ферромагнетика // Вісник Східноукраїнського державного університету. -2000. -№3. -С.202-203.

Романенко А.В., Яковенко В.В., Мирошников В.В. Розрахунок магнітної проникності осередь ферозондів при їх взаємному впливі // Науково-технічний журнал Івано-Франківського державного технічного університету нафти і газу "Методи та прилади контролю якості". -2000. -№6. -С.6-8.

Романенко А.В., Поляченко Е.Ю., Богданов А.В. Реакция короткозамкнутой катушки при ее относительном перемещении вблизи постоянного магнита // Вісник Східноукраїнського державного університету. -2000. -№10. -С.148-150.

Аль-Калла Муханнад, Букреев В.В., Романенко А.В. Анализ магнитных систем датчиков мощности // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. -2002. -№1. -С.38-41.

Романенко А.В. Анализ магнитного поля в магнитопроводах датчиков вибраций // Науково-технічний збірник Національної гірничої академії України "Гірнича електромеханіка та автоматика". -2001. -№67. -С.96-101.

Мирошников В.В., Романенко А.В., Яковенко В.В. Многоэлементный магнитный интеллектуальный датчик в системе диагностики и контроля // Труды 4-й специализированной конференции и выставки "Сучасні прилади, матеріали і технології для неруйнівного контролю і технічної діагностики промислового обладнання". -Івано-Франківськ: 1999. -С.12-14.

Мирошников В.В., Романенко А.В., Яковенко В.В. Импульсный режим феррозонда матричного преобразователя устройств неразрушающего контроля // Труды Белорусской научно-технической конференции "Неразрушающий контроль в промышленности" в рамках 2-ой Международной выставки "Белпромэкспо-99". -Минск: 1999. -С.21-22.

Особистий внесок здобувача в опублікованих у співавторстві роботах:

[1] - розроблені алгоритми оптимізації і синтезу магнітних систем на основі регресійного аналізу;

[2]- представлена математична модель тривимірного магнітного поля та алгоритм його чисельного розрахунку;

[3]- представлена математична модель магнітного поля давача понад феромагнітним поверхом;

[4]- отримані формули для напруженості магнітного поля нелінійного феромагнетику, що є джерелом зовнішнього інформаційного поля;

[5]- запропоновано метод урахування взаємного впливу осередь ферозондів на функцію перетворення феромодуляційних магніточутливих елементів;

[6]- розроблено алгоритми визначення інформаційного сигналу МЧЕ;

[7]- зроблений розрахунок магнітного поля постійних магнітів;

[9]- зроблена експериментальна перевірка статичних характеристик феромодуляційного давача з характеристиками, отриманими теоретичним шляхом;

- проведені чисельні експерименти по визначенню функції перетворення ферозондового давача при однополярному імпульсному збудженні [10].

АНОТАЦІЇ

Романенко А.В. Аналіз і синтез магнітних систем давачів лінійних переміщень. -Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 - “Електричні машини і апарати”. - Донецький національний технічний університет. Донецьк, 2003.

Розроблені математичні моделі тривимірного магнітного поля в магнітних системах ДЛП і ітераційні методи їх чисельного розрахунку, що дають можливість розрахувати їхні статичні характеристики з урахуванням магнітних характеристик постійних магнітів з необхідною точністю. Запропонована методика синтезу магнітних систем ДЛП по заданих статичних характеристиках, дозволяє оптимізувати параметри магнітних систем за критерієм мінімальної розбіжності параметрів заданої статичної характеристики і розрахункової. Задача синтезу вирішується методами планування чисельних експериментів і регресійним аналізом, причому синтезу піддається не визначене значення поля в заданій точці, а аналітична залежність напруженості поля в робочій області ДЛП від переміщення джерела інформаційного сигналу.

Розглянуто два види магніточутливих елементів застосовуваних у датчиках: стержневі ферозонди і модулятор, вбудований у магнітопровод ДЛП. Коректність теоретичних досліджень підтверджена експериментальними дослідженнями.

Ключові слова: давач, лінійне переміщення, магнітна система, магнітопровод, постійний магніт, модель поля, алгоритм, синтез, ферозонд, потік.

Романенко А.В. Анализ и синтез магнитных систем датчиков линейных перемещений. -Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01 - “Электрические машины и аппараты”. -Донецкий национальный технический университет. Донецк, 2003.

Диссертация посвящена анализу магнитных систем датчиков линейных перемещений (ДЛП) и синтезу функции преобразования в рабочем зазоре датчика по критерию совпадения с заданными метрологическими характеристиками путем определения соответствующих геометрических и магнитных параметров магнитных систем ДЛП.

Решение этой задачи осуществляется путем разработки математической модели трехмерного магнитного поля в магнитных системах ДЛП и методов их численного расчета, дающих возможность рассчитать их статические характеристики с учетом магнитных характеристик постоянных магнитов (ПМ) докритического типа с необходимой для определения метрологических характеристик ДЛП точностью. Предложенная методика синтеза магнитных систем ДЛП по заданным статическим характеристикам, позволяет оптимизировать параметры магнитных систем по критерию минимального расхождения параметров заданной статической характеристики и расчетной.

Математическая модель магнитного поля представляет собой аналитические зависимости, полученные на основе расчета вектора напряженности при заданной плотности распределения магнитных зарядов по поверхности намагниченных ферромагнитных тел. Плотность распределения простого слоя магнитного заряда определяется путем решения нелинейных векторных интегральных уравнений для многосвязных областей в трехмерном пространстве. Предложены методика и алгоритмы решения нелинейных интегральных уравнений, которые представляют собой определение вектора намагниченности в каждом элементарном объеме, на которые разбивается область решения, итерационным способом. Подробно проанализированы факторы, влияющие на сходимость итерационного процесса, и произведена оценка критерия выбора оптимальных размеров элементарных объемов. Алгоритмы характеризуются высокой устойчивостью и точностью решения.

В результате численных экспериментов определены функции преобразования магнитных систем ДЛП различных типов, а также выявлены основные геометрические и магнитные параметры магнитных систем влияющих на вид функции преобразования. Установлено, что функцию преобразования, являющуюся основной информационной характеристикой ДЛП возможно синтезировать путем оптимального выбора таких геометрических и магнитных параметров, при которых функция преобразования датчика будет совпадать с заданной. Задача синтеза решается методами планирования численных экспериментов и регрессионным анализом, причем синтезу подвергается не определенное значение поля в заданной точке, а аналитическая зависимость напряженности поля в рабочей области ДЛП от перемещения источника информационного сигнала.

Рассмотрены два вида магниточувствительных элементов (МЧЭ) и приведены результаты численных экспериментов для различных способов возбуждения МЧЭ. Один из видов имеет автономный принцип построения, то есть является стержневым феррозондом, который размещается в воздушных зазорах магнитопровода и в специальных нишах. Такое построение МЧЭ дает возможность упростить конструкцию ДЛП, придать ему больше функциональных возможностей. Второй принцип заключается в том, что МЧЭ представляет собой модулятор, встроенный в магнитопровод ДЛП. Такой принцип построения МЧЭ повышает мощность выходного сигнала, повышает механическую прочность всей конструкции ДЛП, имеет достаточно высокую чувствительность. лінійний магнітний статичний

Для проведения экспериментальных исследований разработана экспериментальная установка, дающая возможность измерить функции преобразования ДЛП аналогового и дискретного типов. Результаты эксперимента подтверждают корректность математических моделей, а разработанная по результатам синтеза модель ДЛП соответствовала заданным метрологическим характеристикам с допустимой точностью.

Практическое значение результатов работы состоит в том, что разработаны методики, реализованные в виде пакетов программ для синтеза магнитных систем ДЛП, позволяющие по заказу потребителя оптимальным образом выбрать геометрические и магнитные параметры магнитных систем датчиков механических величин с заданными метрологическими характеристиками и позволяют производить анализ и синтез магнитных систем новых видов ДЛП и совершенствование конструкции их магнитных систем.

Полученные результаты исследований использованы для проектирования средств получения первичной информации в системе управления движением первых украинских трамваев, разработанных и изготавливаемых Холдинговой компанией "Лугансктепловоз", образцы которых эксплуатируются в Луганске. Алгоритмы и методики расчета трехмерных полей в нелинейных и неоднородных средах, примененные в диссертационной работе, используются в учебном процессе на кафедрах "Электрические машины и аппараты" и "Приборы" ВНУ им. В. Даля.

Ключевые слова: датчик, линейное перемещение, магнитная система, магнитопровод, постоянный магнит, модель поля, алгоритм, синтез, феррозонд, поток.

Romanenko A.V. Analysis and synthesis of linear transfers sensor magnetic systems. - Manuscript.

Thesis for the application of the Candidate of Technical Sciences on a specialty 05.09.01 - electrical machines and apparatus. -The Donetsk National Technical University, Donetsk, 2003.

Are designed of mathematical model of a three-dimensional magnetic field in magnetic systems of linear transfers sensor (LTS) and iteration methods of their numerical calculation enabling to calculate their static performances in view of magnetic performances of permanent magnets with an necessary truth. The factors influencing to convergence of a iterative process explicitly are analyzed and the estimate of a choice criterion of elementary volumes optimum sizes is manufactured. The algorithms are characterized by high stability and exactitude of a solution. The proposed method of application of synthesis of LTS magnetic systems on given static performances, allows to optimize parametric variables of magnetic systems by criterion of a minimum discrepancy of given static performance and calculated. The problem of synthesis is solved by methods of scheduling of numerical experiments and by regression analysis. Analytical dependence of a magnetizing force in working space from moving of an information signal source is subject to synthesis.

Two kinds of magnetic sensitive elements applied in transducers are reviewed: the flux-gate and modulator, built-in in a magnetic circuit of LTS. The correctness of idealized researches is affirmed by experimental researches.

Key words: a transmitter, linear moving, magnetic system, magnetic circuit, permanent magnet, model of a field, algorithm, synthesis, flux-gate.

Размещено на Allbest.ru

...