Размещено на http://www.allbest.ru/

Черкаський державний технологічний університет

УДК 621.317.71:681.586.37

05.13.05 - елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Удосконалення безконтактних вимірювачів постійного струму для систем контролю та керування

Куст Сергій Михайлович

Черкаси - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є.Жуковського "Харківський авіаційний інститут" Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор Кошовий Микола Дмитрович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут", завідувач кафедри авіаційних приладів та вимірювань.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Лукашенко Валентина Максимівна, Черкаський державний технологічний університет, професор кафедри комп'ютеризованих та інформаційних технологій в приладобудуванні;

- доктор фізико-математичних наук, професор Курмашев Шаміль Джамашевич, Одеський національний університет ім. І.І. Мечнікова, директор експертного центру "Сенсорна електроніка".

Провідна установа - Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України, кафедра теоретичної електротехніки, м. Київ.

Захист відбудеться " 11 " листопада 2004 р. о 13-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 73.052.01 в Черкаському державному технологічному університеті за адресою: 18006, м. Черкаси, бул. Шевченко, 460.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Черкаського державного технологічного університету за адресою: 18006, м. Черкаси, бул. Шевченко, 460.

Автореферат розісланий " 8 " жовтня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Палагін В.В.

Анотації

Куст С.М. Удосконалення безконтактних вимірювачів постійного струму для систем контролю та керування. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 - елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування. - Черкаський державний технологічний університет. - Черкаси, 2004.

Удосконалено безконтактні вимірювачі постійних струмів за рахунок створення нових методів, моделей та засобів вимірювання. При цьому розроблено нові методи для безконтактного вимірювання постійних струмів: магнітомодуляційний метод з широтно-імпульсною модуляцією та компенсаційний метод. Для магнітомодуляційного методу з широтно-імпульсною модуляцією виведені математичні залежності, які характеризують зв'язок вихідних сигналів генератора із струмом, що вимірюється.

Проведено удосконалення образно-знакових моделей БВПС. Розроблені дослідні зразки пристроїв для безконтактного вимірювання постійних струмів. Досліджено вплив на точність вимірювання постійних струмів температури та механічних факторів, запропоновані шляхи зменшення похибок, обумовлених дією цих факторів.

З використанням методів планування експерименту отримані поліноміальні математичні моделі пристроїв та їх оптимальні конструктивні параметри. Проведені дослідження БВПС, які дали змогу розробити рекомендації, що направлені на збільшення його діапазону вимірювань.

Розширена сфера застосування пристроїв для вимірювання постійних струмів в системах контролю та керування. Результати впроваджені в практику організацій та підприємств України.

Ключові слова: безконтактний вимірювач, постійний струм, планування експерименту, модель, удосконалення, точність, діапазон.

Куст С.М. Усовершенствование бесконтактных измерителей постоянного тока для систем контроля и управления. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05 - элементы и устройства вычислительной техники и систем управления. - Черкасский государственный технологический университет. - Черкассы, 2004.

Проведенный анализ известных методов бесконтактного измерения постоянных токов и существующих измерителей таких токов позволил установить присущие им недостатки и сформулировать научную задачу их усовершенствования за счет разработки новых методов, моделей и средств измерения.

Предложен магнитомодуляционный метод с широтно-импульсной модуляцией, который основывается на охвате магнитопроводом проводника с током и отличается от известных тем, что магнитопровод сделан из двух тороидальных трансформаторов, которые располагают взаимно параллельно и подключают в электронное устройство, представляющее собой релаксационный генератор.

Для предложенного метода выведены математические зависимости, которые характеризуют связь выходных сигналов генератора с измеряемым током. Усовершенствованы образно-знаковые модели бесконтактных измерителей постоянных токов, реализующих этот метод, путем: подключения тороидальных трансформаторов по дифференциальной схеме; использования магнитопровода с одним тороидальным трансформатором; включения элементов встроенного контроля; использования магнитопровода с регулируемым воздушным зазором; выполнения устройства многоканальным.

Предложен компенсационный метод, который используется для измерения больших токов и отличается от предыдущего тем, что на магнитопроводе дополнительно размещают обмотку компенсации, по которой пропускают ток от регулируемого источника питания, а измерения выполняют по компенсационному принципу. Для подтверждения научной новизны предложенных методов и образно-знаковых моделей разработаны, исследованы и внедрены на ряде промышленных предприятий Украины опытные образцы бесконтактных измерителей постоянных токов.

Проведен анализ методической погрешности устройств и предложены пути уменьшения ее составных частей. Исследовано влияние на точность измерения постоянных токов температуры и механических факторов. Установлено, что если тарировать датчик тока в пределах линейного участка статической характеристики, то температурная составляющая погрешности не будет превышать ± 0,5%. Определено критическое значение деформации чувствительного элемента (0,7 мм) и количество ударных нагружений (250…300 ударов), которые еще не оказывают значительного влияния на работоспособность чувствительного элемента, изготовленного из пермаллоя.

С использованием методов планирования эксперимента получены полиномиальные математические модели БИПТ, которые применялись для поиска их оптимальных конструктивных параметров. Выданы рекомендации по использованию БИПТ с различными значениями питающего напряжения: разработанный прибор при питании напряжением 5В целесообразно применять для измерения постоянных токов в диапазоне до 1А, а при питании напряжением 9В - до 2А.

Проведены исследования БИПТ, которые дали возможность разработать рекомендации, направленные на расширение его диапазона измерений: выбор материала магнитопровода с более высокой и широкой петлей гистерезиса; увеличение длины магнитопровода; увеличение зазора при применении магнитопровода с воздушным зазором. Реализация этих рекомендаций дала возможность получить максимальное значение постоянного тока на линейном участке статической характеристики устройства, которое равно 170А. При значении зазора большем чем 0,4 мм появляется существенная нелинейность статической характеристики. Предложена конструкция БИПТ, которая имеет магнитопровод с регулируемым воздушным зазором.

Бесконтактные измерители постоянных токов могут найти широкое применение в системах контроля и управления. Автором предложены способы измерения параметров объектов, которые основаны на сканировании исследуемой области БИПТ: способ измерения параметров дуговых газовых разрядов; способ размерной электрохимической обработки деталей; способ испытания изделий на герметичность; способ определения места повреждения изоляции проводов, несущих высокое напряжение. Предложенные способы внедрены в практику промышленных предприятий и организаций Украины.

Ключевые слова: бесконтактный измеритель, постоянный ток, планирование эксперимента, модель, усовершенствование, точность, диапазон.

KUST S.M. Improvement of the devices for noncontacting measurement of direct currents for control systems. - Manuscript.

Thesis on competition of candidate of engineering science scientific degree on specialty 05.13.05 - elements both devices of computer facilities and control systems.- The Cherkassy State Technological University, Cherkassy, 2004.

The devices for noncontacting measurement of direct current (NMDC) have been improved by new methods, models and instruments. The new methods for measuring the direct current have been put forward: a method of magnetic modulation with wide-impulsive modulation and a compensative method. As for the method of magnetic modulation, mathematical conformities, that have shown a connection between signals of a generator and measurable current, have been obtained. Figurative-sign models of NMDC have been improved. Experimental models of the devices for noncontacting measurement of direct current have been worked out. The influence of temperature and mechanical factors have been studied. The ways of decreasing these mistakes have been put forward.

The mathematical models of the devices and their optimum constructive characteristics have been got with help of methods of planning an experiment. The investigations of NMDC let us work out recommendations to increase its range of measuring.

The sphere of using the instrument for measuring the direct current has been expanded. The results have been implemented at some Ukraine's enterprises.

Key words: device for noncontacting measurements, direct current, planning the experiment, model, improvement, precision, range.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В практиці проектування систем контролю та керування існує багато випадків, коли розрив або демонтаж ланцюга для включення амперметра являється небажаним або неможливим. Вимірювання струмів в цьому випадку виконується спеціальними перетворювачами - безконтактними вимірювачами постійних струмів (БВПС). Необхідність застосування таких перетворювачів виникає в різних системах електроприводу, електропостачання, автоматичного управління технологічними процесами, в радіотехнічних та електронних пристроях, при біологічних дослідженнях, в атомних реакторах, при контролі та діагностиці електронно-обчислювальної апаратури та ін.

Економічні міркування, а також вимоги оптимального управління процесами та нормальної роботи пристроїв постійного струму ставлять задачі підвищення точності БВПС, зменшення струмоспоживання такими пристроями, розширення діапазону вимірювань та сфер їх використання. Застосування БВПС для контролю та діагностики радіоелектронної, електронно-обчислювальної апаратури забезпечує збільшення глибини та точності локалізації дефектів, зменшує час та трудомісткість операцій по їх пошуку та ліквідації.

Таким чином, доцільність використання безконтактних вимірювачів постійних струмів диктується як технічними, так і економічними міркуваннями.

Значний вклад в розвиток цієї проблеми внесли такі вчені, як Н.І. Яковлєв, Ю.О. Андрєєв, Г.В. Абрамзон, С.А. Спектор, Г.І. Разін, А.П. Щелкін, А.М. Плахтієв, Г.Я. Портной, О.А. Болотін, Б.М. Маміконян, А.В. Єсаулов та інші. Але більшість існуючих безконтактних вимірювачів постійного струму не мають можливості змінювати діапазон вимірюємих струмів, характеризуються залежністю точності вимірювання від конструктивних параметрів пристрою, мають складну конструкцію, низьку завадостійкість, надійність, технологічність, обмежений строк служби, високу ціну, деякі з них призначені тільки для специфічних вимірювань.

В зв'язку з цим важливою науковою задачею є удосконалення безконтактних вимірювачів постійного струму, направлене на ліквідацію відмічених недоліків.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрямок досліджень, представлений в дисертації, тісно пов'язаний з роботами, які проводились в рамках держбюджетних тематик "Розробка приладів і засобів автоматизації гальванічних процесів для приладо- і машинобудівельних підприємств", Г 308-107/95, №ГР 0195U002914; "Розробка методів, алгоритмів, програм з автоматизації теоретичних і експериментальних досліджень механічних об'єктів авіакосмічної техніки", Г 308-107/97, №ГР 0197U015828, виконаних на кафедрі авіаційних приладів та вимірювань Національного аерокосмічного університету "Харківський авіаційний інститут". Пошукач являвся виконавцем вказаних тем.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є удосконалення безконтактних вимірювачів постійних струмів і створення на цій основі конкурентноспроможних зразків такої продукції.

Для досягнення мети необхідно вирішити наступні задачі:

проаналізувати технічний рівень сучасних методів та пристроїв для безконтактного вимірювання постійних струмів;

розробити нові методи та пристрої для безконтактного вимірювання постійних струмів;

отримати математичні моделі розроблених БВПС та їх оптимальні конструктивні параметри;

дослідити похибки запропонованих безконтактних вимірювачів постійних струмів та намітити шляхи їх зменшення;

дослідити можливості розширення діапазону вимірювання постійних струмів розробленим БВПС;

розробити способи використання запропонованих БВПС в системах контролю та керування.

Об'єкт дослідження - безконтактні вимірювачі постійних струмів для систем контролю та керування.

Предмет дослідження - методи, моделі та засоби, що направлені на удосконалення БВПС.

Методи дослідження. Досягнення мети дисертаційної роботи базується на комплексному використанні методів планування експерименту, моделювання, оптимізації, дослідження електричних ланцюгів, теорії керування. При цьому дослідження, моделювання та оптимізація БВПС виконувались із використанням методів дослідження електричних ланцюгів, методів планування і обробки результатів експерименту, методів програмування та градієнтного методу оптимізації. Методи теорії керування використовувались при розробці структури засобів вимірювання та варіантів застосування БВПС в системах контролю та керування.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше запропоновані нові методи для безконтактного вимірювання постійних струмів: магнітомодуляційний метод з широтно-імпульсною модуляцією, що базується на обхопленні магнітопроводом провідника із струмом і відрізняється від існуючих тим, що магнітопровід виконують із двох тороїдальних трансформаторів, які розміщують взаємно паралельно і підключають в електронний пристрій, що являється релаксаційним генератором; компенсаційний метод, який застосовується для вимірювання великих струмів і відрізняється від попереднього тим, що на магнітопроводі додатково розміщують обмотку компенсації, по якій пропускають струм від джерела живлення, а саме вимірювання виконується за компенсаційним принципом. Побудовані образно-знакові моделі для реалізації цих методів. Запропоновані методи дозволяють підвищити точність вимірювання.

2. Вперше для удосконалених безконтактних вимірювачів постійних струмів виведені математичні залежності, які характеризують зв'язок їх вихідних сигналів із струмом, який вимірюється, та описують фізичні процеси, що відбуваються в таких перетворювачах. Відмінною особливістю є простота та універсальність для розрахунку конструктивних параметрів безконтактних магніточутливих первинних вимірювальних перетворювачів.

3. Вперше побудовані математичні моделі, які характеризують зв'язок критеріїв якості удосконалених безконтактних вимірювачів постійних струмів із конструктивними параметрами їх електронного блоку та застосовуються для вирішення задач оптимізації таких перетворювачів. Поліноміальні моделі отримані з використанням методів планування експериментів, відрізняються простотою і можливістю досліджувати вплив на критерії якості БВПС таких параметрів як опір, що задає струмовий режим операційного підсилювача, та опір, який дозволяє задавати струм в обмотці живлення безконтактного магніточутливого перетворювача.

4. Удосконалені образно-знакові моделі безконтактних вимірювачів постійних струмів шляхом: включення елементів вбудованого контролю; застосування магнітопровода з одним тороїдальним трансформатором; виконання магнітопровода з повітряним зазором, який може регулюватися; розробки пристрою багатоканальним або за рахунок використання n магніточутливих первинних перетворювачів із послідовною комутацією їх на пристрій реєстрації інформації, або за рахунок опитування БВПС, що має роз'ємний магнітопровід, відповідних провідників із подальшим занесенням в пам'ять пристрою номера провідника та значення постійного струму, що протікає по ньому.

Наукова новизна підтверджена новими технічними принципами побудови образно-знакових моделей безконтактних вимірювачів постійних струмів. На багатоканальні безконтактні вимірювачі постійних струмів отримані патенти України. Оригінальність удосконалених БВПС та їх техніко-економічні показники забезпечують конкурентноспрможність на ринку збуту.

Практичне значення одержаних результатів. Практична цінність роботи полягає в наступному.

1. Поліноміальні математичні моделі дали можливість знайти оптимальні значення таких конструктивних параметрів безконтактних вимірювачів постійних струмів як опір, що задає струмовий режим операційного підсилювача, та опір, який дозволяє задавати струм в обмотці живлення безконтактного магніточутливого перетворювача, а також розробити практичні рекомендації по використанню таких пристроїв з напругами живлення 5В та 9В. Це, в свою чергу, дозволило зменшити струмоспоживання БВПС і створити дослідні зразки точних, надійних, конкурентноспроможних БВПС з пониженим енергоспоживанням.

2. Методика дослідження та рекомендації, що направлені на розширення діапазону вимірювання БВПС, дали можливість отримати максимальне значення струму на лінійній ділянці статичної характеристики приладу, яке дорівнює 170А.

3. Розроблені методики оцінки похибок БВПС від дії температури та механічних факторів і рекомендації, що направлені на зменшення їх величин.

4. Розроблені БВПС можуть знайти широке застосування в системах контролю та керування. Автором запропоновані способи вимірювання параметрів об'єктів, що засновані на скануванні безконтактним вимірювачем постійних струмів області, яка досліджується: спосіб вимірювання параметрів дугових газових розрядів; спосіб розмірної електрохімічної обробки деталей; спосіб випробування виробів на герметичність; спосіб визначення місця пошкодження ізоляції проводів, що несуть високу напругу. Їх застосування дозволяє підвищити точність та достовірність вимірювання та контролю.

5. Розроблені методи, схемні та конструктивні рішення розширили науково-технічну базу для проектування безконтактних вимірювачів постійних струмів, а також підвищили їх техніко-економічні показники.

6. Запропоновані методи та пристрої для безконтактного вимірювання постійних струмів використовуються в дослідно-конструкторських розробках та в виробництві дослідних зразків авіаційної техніки, які створюються у ВАТ "Авіаконтроль" (м. Харків). Способи вимірювання параметрів, що засновані на скануванні БВПС області, яка досліджується, та багатоканальний пристрій, на який видано патент України №39767, впроваджені на Харківському державному авіаційному виробничому підприємстві (ХДАВП). Результати дисертаційної роботи також використовуються в навчальному процесі Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського "ХАІ" в лекційних курсах "Вимірювальні перетворювачі", "Контроль та діагностика вимірювально-обчислювальних комплексів". Акти впровадження вказаних результатів наведені в додатку А дисертації.

Особистий внесок здобувача. В сумісних роботах, перерахованих в авторефераті та дисертації, автору безпосередньо належать наступні положення: магнітомодуляційний метод безконтактного вимірювання постійних струмів, образно-знакові моделі та математичні залежності для знаходження вихідних характеристик БВПС [1]; образно-знакова модель та конструкція БВПС [2] ; методики дослідження похибок БВПС від дії температури та механічних факторів [3]; математичні моделі БВПС з напругами живлення 5В та 9В, оптимальні конструктивні параметри електронного блоку [4]; компенсаційний метод вимірювання постійних струмів [5]; образно-знакова модель та конструкція БВПС з переналагоджуємим діапазоном вимірювань [6]; способи використання БВПС в системах контролю та керування [7]; образно-знакові моделі багатоканальних БВПС [8,9,10]; технічні принципи побудови багатоканальних безконтактних вимірювачів постійних струмів [11]; математичні залежності для знаходження вихідних характеристик БВПС з повітряним зазором в магнітопроводі [12].

Апробація результатів дисертації. Приведені в дисертаційній роботі наукові результати доповідалися й обговорювалися на Міжнароднім симпозіумі "Наука и предпринимательство" (м. Мукачево, 2001 р.); Міжнародній науково-технічній конференції "Информационная техника и электромеханика на пороге XXI-го века" (ИТЭМ-2001) (м. Луганськ, 2001 р.); Міжнародній науково-технічній конференції "Приборостроение - 2001" (с. Сімеїз, 2001 р.); 7-ій Міжнародній конференції "Теория и техника передачи, приема и обработки информации" (м. Туапсе, 2001 р.); наукових семінарах кафедри авіаційних приладів та вимірювань Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського "ХАІ".

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 12 наукових роботах, у тому числі 7 статей у виданнях, що входять в переліки ВАК України: 6 статей в наукових журналах, 2 статті в збірниках наукових праць, 1 тези доклада та 3 патента України.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел, двох додатків. Дисертація викладена на 163 сторінках, ілюстрована 42 рисунками та має 5 таблиць, список використаних літературних джерел містить 149 найменувань і займає 16 сторінок, додатки - 22 сторінки (акти впровадження, програма).

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність напрямку дослідження, сформульовані мета та задачі дослідження, викладені наукова новизна і практична цінність роботи, приведені відомості про апробацію, публікації, використання результатів дослідження.

У першому розділі проведено аналіз відомих методів безконтактного вимірювання постійних струмів та існуючих безконтактних вимірювачів таких струмів. В результаті аналізу вітчизняної та зарубіжної науково-технічної та патентної літератури, де лідерами є США, Франція, Гонконг, Росія, Польща, встановлено, що більшість існуючих БВПС не мають можливості змінювати діапазон вимірюємих струмів, характеризуються залежністю точності вимірювання від конструктивних параметрів пристрою, мають складну конструкцію, низьку завадостійкість, надійність, технологічність, обмежений строк служби, високу ціну, деякі з них призначені тільки для специфічних вимірювань.

Проведений аналіз дозволив сформулювати конкретні задачі, які необхідно вирішити для досягнення поставленої мети досліджень.

Другий розділ присвячено розробці нових методів для безконтактного вимірювання постійних струмів: магнітомодуляційного методу з широтно-імпульсною модуляцією та компенсаційного методу, а також удосконаленню образно-знакових моделей безконтактних вимірювачів постійних струмів та їх реалізації. Магнітомодуляційний метод з широтно-імпульсною модуляцією базується на обхопленні магнітопроводом провідника із вимірюваним струмом і відрізняється від існуючих тим, що магнітопровід виконують із двох тороїдальних трансформаторів, які розміщують взаємно паралельно і підключають в електронний пристрій, що являється релаксаційним генератором (рис.1). На виході генератора формується частотний або широтно-імпульсний вихідний сигнал в залежності від схеми підключення обмоток тороїдальних трансформаторів. Для запропонованого методу виведені математичні залежності, які характеризують зв'язок вихідних сигналів генератора із струмом, що вимірюється:

а) схема підключення обмоток тороїдальних трансформаторів

де Т - період слідування прямокутних імпульсів на виході генератора; W - кількість витків первинної обмотки; U - максимальна вихідна напруга; Ф_S - поток насичення магнітопровода; I - величина постійного струму; R_м - магнітний опір магнітопровода;

б) підключення обмоток тороїдальних трансформаторів по диференційній схемі

де U_ср - середнє значення напруги на виході операційного підсилювача; І - величина постійного струму; r₁ - активний опір в ланцюзі первинної обмотки; W₁ - кількість витків первинної обмотки.

Даний метод має високу завадостійкість і може знайти широке застосування в обчислювальних системах та системах контролю і керування. Проведено удосконалення образно-знакової моделі безконтактного вимірювача постійних струмів шляхом: включення тороїдальних трансформаторів по диференційній схемі для зменшення температурної похибки; застосування магнітопровода з одним тороїдальним трансформатором для спрощення його конструкції та зменшення масогабаритних характеристик; включення елементів вбудованого контролю для підвищення надійності та достовірності результатів, що отримуються пристроєм; виконання магнітопровода з повітряним зазором, який регулюється, для розширення діапазону вимірювання постійних струмів; розробки пристрою багатоканальним за рахунок опитування БВПС, що має роз'ємний магнітопровід, відповідних провідників із подальшим занесенням в пам'ять пристрою номера провідника та значення постійного струму, що протікає по ньому.

Запропоновано компенсаційний метод, який дозволяє розширити діапазон вимірювання постійних струмів І та відрізняється від попереднього тим, що на магнітопроводі 1 додатково розміщують обмотку компенсації 3, по якій пропускають струм І_к від джерела живлення 4, а саме вимірювання виконується за компенсаційним принципом.

Магнітні потоки, що створюються вимірюємим (І) та компенсаційним (І_к) струмами, направлені зустрічно, що досягається вибором напрямку струму І_к. При їх рівності нуль-індикатор 7 фіксує відсутність сигналу на виході електронної схеми 2. В цьому випадку ампер-витки І_n зрівноважуються ампер-витками Ікnк, а оскільки кількість витків провідника 6 n=1, тоді

І = n_кІ_к,

де n_к - число витків компенсаційної обмотки, а І_к - компенсаційний струм, що реєструється амперметром 5. Запропонована також образно-знакова модель вимірювача з автоматизацією процеса компенсації.

Для підтвердження наукової новизни запропонованих методів та образно-знакових моделей розроблені дослідні зразки пристроїв з частотним та широтно-імпульсним вихідними сигналами, що живляться від напруги 220В, 50Гц і похибка яких не перевищує 4% та 2% відповідно.

Створено також портативний варіант вимірювача з напругою живлення 9В від автономного джерела. Релаксаційний генератор цього пристрою реалізовано на базі мікропотужного операційного підсилювача типу К 140УД 12, що дало можливість знизити струмоспоживання генераторної частини пристрою до 3мА.

Використання одного трансформатора в первинному вимірювальному перетворювачі та включення елементів вбудованого контролю дали можливість, по-перше, спростити конструкцію цього пристрою, по-друге, підвищити надійність та достовірність результатів.

З метою розширення функціональних властивостей, які дають можливість безпосередньо підключати пристрій до мікропроцесорних приладів, розроблено цифровий пристрій для безконтактного послідовного вимірювання струму в провідниках, жилах жгутів та кабелів. Такий вимірювач містить в собі датчик 1 з роз'ємним магнітопроводом, здатним охоплювати відповідний провідник зі струмом. Датчик під'єднаний до операційного підсилювача 2, який через аналого-цифровий перетворювач 3 підключений до пристрою відображення інформації 4 та запам'ятовуючого пристрою 5, що з'єднаний з блоком управління 6. Запропонований пристрій, на який видано патент України №45150А, дає можливість вести оцінку працездатності окремих провідників, жил кабелів та блоків контролюємої системи в процесі її функціонування. Похибка вимірювання постійних струмів цим приладом не перевищує 0,5 %.

Пристрій, що реалізує компенсаційний метод у порівнянні з існуючими, має такі переваги: абсолютна лінійність статичних характеристик пристрою; відсутність обмеження верхньої межі вимірювання; зменшення похибки, що пов'язана з виконанням магнітопроводу роз'ємним.

Розроблені безконтактні вимірювачі постійних струмів можна використовувати як в портативному варіанті, так і при безпосередньому їх підключенні в вимірювально-обчислювальних комплексах і системах контролю та керування.

Проведено аналіз методичної похибки пристроїв та запропоновані шляхи зменшення її складових частин. Досліджено вплив на точність вимірювання постійних струмів температури та механічних факторів. Встановлено, що якщо тарирувати датчик струму в межах лінійної ділянки статичної характеристики, то температурна складова похибки не буде перевищувати . Виявлено критичне значення деформації чутливого елемента (0,7 мм) та кількість ударних навантажень (250 … 300 ударів), які ще не чинять значного впливу на працездатність чутливого елемента, виготовленого із пермалою.

У третьому розділі побудовані математичні моделі, які характеризують зв'язок критеріїв якості удосконалених БВПС із конструктивними параметрами їх електронного блоку та застосовуються для вирішення задач оптимізації таких перетворювачів. Проведені дослідження БВПС, що направлені на зниження струмоспоживання та розширення його діапазону вимірювань.

Поліноміальні моделі отримані з використанням методів планування експерименту, які забезпечують їх побудову у стислі строки, і програмного комплексу з автоматизації планування експерименту, який дозволяє автоматизувати процес синтезу планів експерименту, їх вибір та розрахунок коефіцієнтів моделі.

Експерименти виконувалися на дослідному зразку БВПС з живленням від автономного джерела, похибка пристрою не перевищує 4%. Принципова схема БВПС приведена на рис. 4.

При дослідженні цього безконтактного вимірювача постійних струмів в якості критерія оптимізації було вибрано струмоспоживання , а обмежуючими параметрами - діапазон , похибка та чутливість под) вимірювання (1). Суттєвими факторами є опір R4, що дозволяє встановити струм, який протікає через обмотку живлення безконтактного магніточутливого перетворювача, і опір R3, що задає струмовий режим мікропотужного операційного підсилювача (К 140УД 12А).

Застосування методів планування експерименту (табл.1 і табл.2) та програмного комплексу дозволило одержати математичні моделі безконтактних вимірювачів постійних струмів з напругами живлення та .

Таблиця 1. План і результати експерименту для U_жив=9В

Параметри	R4	R3	y1	y2	y3	y4
Основний рівень	525	125
Інтервал варіювання	25	25
Верхній рівень	550	150
Нижній рівень	500	100
Кодовані значення факторів	x1	x2
Досліди: 1	-1	-1	4,5	0,942	3,0	0,040
2	+1	-1	4,0	0,848	3,3	0,046
3	-1	+1	3,8	1,130	4,2	0,043
4	+1	+1	3,6	1,413	4,0	0,041

Таблиця 2. План і результати експерименту для U_жив=5В

Параметри	R4	R3	y1	y2	y3	y4
Основний рівень	315	85
Інтервал варіювання	15	15
Верхній рівень	330	100
Нижній рівень	300	70
Кодовані значення факторів	x1	x2
Досліди: 1	-1	-1	2,2	0,276	5,3	0,0088
2	+1	-1	2,1	0,283	5,0	0,0141
3	-1	+1	2,0	0,534	4,9	0,0079
4	+1	+1	1,8	0,565	4,8	0,0079

Такі моделі, наприклад для вимірювача з , мають вигляд:

а) в перетворених змінних

(1)

де х₁ - кодоване значення фактора R4; х₂ - кодоване значення фактора R3,

б) в натуральних значеннях факторів

(2)

В результаті використання розробленої автором програми реалізації градієнтного методу оптимізації та математичних моделей (1) отримані значення конструктивних параметрів:

а) при живленні напругою 9В

які забезпечують такі вихідні характеристики пристрою: у1 = 3,4 мА; у2 = 1,6 А; у3 = 4,0%; у4 = 0,076 А/под;

б) при живленні напругою 5В

R4 = 329,5 Ом; R3 = 114 кОм, що забезпечують наступні вихідні характеристики: у1 = 1,6 мА; у2 = 0,7 А; у3 = 4,7%; у4 = 0,001 А/под.

Аналіз отриманих результатів показує, що безконтактний вимірювач постійних струмів з напругою живлення U_жив = 5В доцільно використовувати для вимірювання струму в діапазоні 0…0,7 А. В цьому випадку струмоспоживання не буде перевищувати величину в той час як при живленні напругою 9В струмоспоживання Але при U_жив = 5В погіршується точність безконтактного вимірювача постійних струмів.

Проведені дослідження БВПС, які дали змогу розробити рекомендації, що направлені на розширення його діапазону вимірювань: вибір матеріалу магнітопровода з більш високою та широкою петлею гістерезісу; збільшення довжини магнітопровода; збільшення зазору при використанні магнітопровода з повітряним зазором. Реалізація цих рекомендацій дозволила отримати максимальне значення постійного струму на лінійній ділянці статичної характеристики пристрою, яке дорівнює 170 А.

При значенні зазору в магнітному ланцюзі датчика більшому ніж 0,4 мм з'являється значна нелінійність характеристики. Запропонована конструкція безконтактного вимірювача постійних струмів, що має магнітопровід з повітряним зазором та відрізняється від існуючих застосуванням втулки з різьбою та мікрометричного гвинта, на одному кінці якого закріплено рухому частину магнітопровода, а на іншому - ручку з лімбом, яка необхідна для фіксованого встановлення величини зазору між частинами магнітопровода.

В четвертому розділі розглянуто варіанти застосування розроблених безконтактних вимірювачів постійного струму в системах контролю та керування. Це зумовлено такими важливими їх властивостями: надійність, точність, простота конструкції, малі маса і габаритні розміри, універсальність та низька вартість. Безконтактні вимірювачі постійних струмів можна ефективно використовувати в авіаційній техніці для заміни вимірювальних шунтів, для визначення алгебраїчної суми струмів, в системах захисту мережі від перевантажень, а також в системах регулювання генераторів постійного струму на паралельну роботу.

Автором запропоновано використання БВПС в наступних галузях науки і техніки: контроль і діагностика багатожильних кабелів і жгутів, розробка лічильників ампер-годин, вимірювання параметрів магнітного поля, дефектоскопія матеріалів та виробів, вимірювання параметрів плазми. При цьому розроблені способи вимірювання параметрів, що засновані на скануванні БВПС області, яка досліджується: спосіб випробування виробів на герметичність, спосіб визначення місця пошкодження ізоляції проводів, що несуть високу напругу, спосіб вимірювання параметрів дугових газових розрядів, спосіб розмірної електрохімічної обробки деталей.

На основі одноканального БВПС запропоновані: багатоканальний безконтактний вимірювач постійних струмів, на який видано патенти України № 39767А і № 39767, лічильник ампер-годин та пристрій для контролю залишкової магнітної індукції постійних магнітів.

Дослідження, що виконані на кафедрі авіаційних приладів та вимірювань Національного аерокосмічного університету ім. М.Є.Жуковського "ХАІ", підтверджують ефективність застосування БВПС в іоно-плазмових установках, стендах для випробування виробів на герметичність, системах діагностики кабелів та жгутів, лічильниках ампер-годин, а також в вимірювально-обчислювальних комплексах і системах керування, які використовують розроблені вимірювачі як складові частини.

Висновки

струм безконтактний вимірювання алгоритм

У дисертації наведено нове вирішення актуальної наукової задачі по удосконаленню безконтактних вимірювачів постійних струмів, які знаходять широке застосування в системах контролю та керування. Удосконалення БВПС досягається за рахунок розробки нових методів, моделей та засобів вимірювання і створення на цій основі конкурентноспроможних зразків такої продукції. Ця задача має велике значення для розробки теорії та практики вирішення проблеми створення сучасних обчислювальних комплексів та систем керування. Шляхом аналізу об'єкта досліджень встановлено, що підвищення техніко-економічних показників безконтактних вимірювачів постійних струмів приводить до адекватного підвищення ефективності функціонуючих в реальному часі систем керування, що застосовують їх як складові частини. Запропоновані методи, моделі та шляхи вдосконалення теоретичної та технічної бази таких засобів вимірювання, які створюють можливості варіювання їх параметрами та одержання високих інформаційно-енергетичних і масогабаритних показників, високої надійності та низької вартості пристроїв при їх роботі в експериментальних умовах, тобто високі якісні та експлуатаційні показники, забезпечують прогрес у багатьох сферах народного господарства.

У дисертаційній роботі отримані такі основні наукові і практичні результати.

1. Нові наукові результати:

- розроблені нові методи безконтактного вимірювання постійних струмів: магнітомодуляційний метод з широтно-імпульсною модуляцією та компенсаційний метод, що застосовується для вимірювання великих струмів; методи дозволяють підвищити точність вимірювання в 2 раза;

- удосконалені образно-знакові моделі безконтактних вимірювачів постійних струмів, реалізація яких дає можливість підвищити такі параметри засобів вимірювання як точність та завадостійкість (за рахунок використання широтно-імпульсної модуляції та цифрової обробки сигналів похибка знижена до 0,5%), надійність (за рахунок застосування вбудованого контролю), спростити їх конструкцію, зменшити масогабаритні характеристики та ціну (за рахунок застосування магнітопроводу з одним тороїдальним трансформатором), збільшити максимальне значення струму, що вимірюється, до 170А (за рахунок виконання магнітопроводу з повітряним зазором, величину якого можна змінювати), розширити функціональні можливості (за рахунок виконання пристрою багатоканальним);

- для удосконалення безконтактних вимірювачів постійних струмів виведені математичні залежності, які характеризують зв'язок їх вихідних сигналів із струмом, що вимірюється, і можуть застосовуватися для розрахунку конструктивних параметрів безконтактних магніточутливих первинних вимірювальних перетворювачів;

- побудовані поліноміальні математичні моделі, які характеризують зв'язок критеріїв якості удосконалених безконтактних вимірювачів постійного струму із конструктивними параметрами їх електронного блоку. Поліноміальні моделі отримані з використанням методів планування експерименту і застосовувалися для пошуку оптимальних конструктивних параметрів, що забезпечують мінімальне струмоспоживання пристроїв при живленні напругами 5В та 9В.

2. Основні практичні результати:

- створення дослідних зразків безконтактних вимірювачів постійного струму та їх експериментальні дослідження, які підтвердили ефективність запропонованих методів вимірювання, моделей та технічних принципів побудови БВПС. Детальний опис та аналіз пристроїв сприяє цілеспрямованому їх вибору при проектуванні систем контролю та керування;

- оптимальні значення опорів R3 і R4 електронного блоку, які отримані з використанням поліноміальних математичних моделей, дозволили зменшити струмоспоживання в БВПС та створити дослідні зразки точних, надійних, конкурентноспроможних пристроїв з пониженим енергоспоживанням. При цьому встановлено, що розроблений пристрій при живленні напругою 5В доцільно використовувати для вимірювання постійних струмів в діапазоні до 1А, а при живленні напругою 9В - до 2А;

- методика дослідження, запропонована конструкція БВПС з магнітопроводом, який має повітряний зазор, та рекомендації, що направлені на розширення його діапазону вимірювання, дали можливість отримати максимальне значення струму на лінійній ділянці статичної характеристики приладу, яке дорівнює 170А. Установлено, що для величини зазору в магнітному ланцюзі датчика більшої ніж 0,4мм з'являється значна нелінійність статичних характеристик;

- методики оцінки похибок БВПС від дії температури та механічних факторів і рекомендації, що направлені на зменшення їх величин;

- запропоновані способи використання розроблених БВПС в таких галузях науки і техніки: дефектоскопія матеріалів та виробів; розмірна електрохімічна обробка деталей; застосування плазми в промисловості; вимірювання параметрів магнітного поля; розробка лічильників ампер-годин; контроль та діагностика проводів, жгутів та кабелів;

- впровадження результатів роботи в дослідно - конструкторські розробки та у виробництво дослідних зразків авіаційної техніки в ВАТ "Авіаконтроль" (м. Харків) та Харківського державного авіаційного виробничого підприємства (ХДАВП), а також в навчальний процес Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського "ХАІ" при підготовці бакалаврів, спеціалістів, магістрів.

В цілому, отримані результати розширюють науково-технічну базу для проектування безконтактних вимірювачів постійних струмів з високими техніко-економічними показниками, а їх достовірність підтверджується широкою апробацією та впровадженням в практику підприємств та організацій.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Кошевой Н.Д., Куст С.М. Устройства для измерения постоянных токов // АСУ и приборы автоматики. Всеукр. межвед. науч.техн. сб., вып.113. - Харьков: ХГТУРЭ.- 2000. - С.81-84.

Кошевой Н.Д., Кулик А.С., Куст С.М. Бесконтактный измеритель постоянных токов // Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту.-2000. - №3. - С.76-79.

Кошевой Н.Д., Куст С.М. Исследование погрешностей устройств для бесконтактного измерения постоянных токов // Теорія і практика перебудови економіки: Зб. наукових праць. - Черкаси: ЧІТІ. - 2001. - С.403-404.

Кошевой Н.Д., Куст С.М. Экспериментальное исследование, моделирование и оптимизация бесконтактных измерителей тока // Математичне моделювання.-2001. - №1(6). - С.37-40.

Кошевой Н.Д., Кулик А.С., Куст С.М. Компенсационный метод измерения постоянных токов // Вестник Херсонского государственного технического университета. -2001. -№4(13).- С.436-437.

Кошевой Н.Д., Куст С.М. Бесконтактные измерители постоянных токов // Вісник Східноукраїнського національного університету.-2002.-№4(50).- С.172-174.

Кошевой Н.Д., Куст С.М. Методы измерения параметров, основанные на сканировании исследуемой области бесконтактным измерителем тока // Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту.-2001. -№4.- С.45-46.

Пат. №39767А Україна, МКІ7 G01R 19/00. Багатоканальний безконтактний вимірювач постійних струмів / М.Д. Кошовий, С.М. Куст, О.М. Кошовий (Україна). - № 2001021110; Заявл. 16.02.2001; Опубл. 15.06.2001, Бюл. №5. - 2с.: іл.

9. Пат. №45150А Україна, МКІ7 G01R 19/00. Багатоканальний безконтактний вимірювач постійних струмів / М.Д. Кошовий, С.М. Куст, О.М. Кошовий, Ю.О. Лозович (Україна). - №2001063722; Заявл. 01.06.2001; Опубл. 15.03. 2002, Бюл. № 3.- 2с.: іл.

10. Пат. 39767 Україна, МКІ7 G01R 19/00. Багатоканальний безконтактний вимірювач постійних струмів / М.Д. Кошовий, С.М. Куст, О.М. Кошовий (Україна).-№200/021110; Заявл. 16.02.2001; Опубл. 17.05.2004, Бюл. №5. - 2с.: іл.

11. Кошовий М.Д., Куст С.М. Багатоканальні безконтактні вимірювачі постійних струмів // 7-я Междунар. конф. "Теория и техника передачи, приема и обработки информации": Сб. научных трудов. - Харьков: ХГТУРЭ, 2001. - С.448-449.

12. Koshevoy N.D., Gordienko V.A., Kust S.M. Contactless Meters and Summators of Direct Currents // Telecommunications and Radio Engineering. - 2001.- vol.55. - №3. - P.95-100.

Размещено на Allbest.ru

...