Поліпшення технічних характеристик ферозондових давачів для систем керування орієнтацією об’єктів

Размещено на http://allbest.ru

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

05.13.05 - Елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Поліпшення технічних характеристик ферозондових давачів

для систем керування орієнтацією об'єктів

Рижков Ігор Вікторович

Одеса-2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі прикладної механіки Придніпровської державної академії будівництва та архітектури (м. Дніпропетровськ).

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор

Ковшов Геннадій Миколайович

Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, професор кафедри прикладної механіки

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор

Куценко Альфред Миколайович. Одеський

національний політехнічний університет, професор кафедри фізики;

кандидат технічних наук, доцент Нікольський Віталій Валентинович, Одеська національна морська академія, доцент кафедри теорії автоматичного керування й обчислювальної техніки.

Провідна організація Національний технічний університет України “Харківський політехнічний інститут”

Захист відбудеться „23” червня 2005 р. о 13-30 год. в ауд.400-А на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.01 в Одеському національному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Одеського національного політехнічного університету за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.

Автореферат розісланий „20 ”травня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Ямпольський Ю.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Ефективність функціонування автоматизованих систем управління (АСУ) орієнтацією об'єктів багато в чому залежить від технічних характеристик давачів, що входять до її складу. Особливі вимоги до точності давачів орієнтації приділяються при бурінні вертикальних, похило-спрямованих, горизонтальних свердловин. Використання кущового буріння при здобичі нафти на морських шельфах та у заболочених районах багаторазово підвищує ефективність проведення робіт. Горизонтальні свердловини мають поверхню здобичі таку, що у 10...100 разів перевищує цей показник для вертикальних аналогів. Але можлива кількість буріння таких свердловин стримується недостатньою точністю вимірювання траєкторії бурового інструмента. Так лише двократне підвищення точності виміру азимута інклінометра дозволяє підвищити кількість похило-спрямованих свердловин з однієї точки приблизно у 3 рази та поліпшити нафтовіддачу у 1,2...1,5 рази.

При цьому неможливо використовувати у складі АСУ оптичні, механічні, п'єзометричні та деякі інші види давачів, в наслідок складних умов експлуатації: висока температура (до +120оС), тиск, вибро- та ударонебезпечність, необхідність безперервного контролю.

Давачі на основі ферозондових перетворювачів мають ряд переваг: мініатюрність, вибро- й удароміцність, працездатність в широкому діапазоні температур (-40єС...+120єС), нешкідливість для обслуговуючого персоналу і навколишнього середовища. Методи вимірювання з використанням ферозондових давачів орієнтації (ФДО) дозволяють створювати АСУ бурінням, складанням великогабаритних конструкцій (ВГК), монтажем будівельних конструкцій і такі інші.

Тому задача поліпшення технічних характеристик саме ферозондових давачів орієнтації (ФДО) для автоматизованих систем керування орієнтацією об'єктів є актуальним науково-технічним завданням.

Крім того, розробка нових методів поліпшення технічних характеристик існуючих і нових ФДО дозволить значно знизити технологічні вимоги для виготовлення високоточних ФДО і поширити область їх використання в АСУ орієнтацією об'єктів, наприклад, для задач будівництва: контроль стану споруд в процесі експлуатації, складання великогабаритних конструкцій та таке інше.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана робота є частиною науково-дослідних тем: держбюджетна тема №11 (№ ДР UA01003699P) “Створення електронних пристроїв і методів контролю просторової орієнтації будівельних конструкцій, що дозволяють освоювати нові прогресивні й економічні технології” госпдоговір №884 (№ ДР 0194У021317) “Додаткові інженерно-геологічні дослідження фундаментів реакторних відділень Запорізької АЕС з оцінкою і прогнозуванням розвитку кренів споруд”; кафедральна бюджетна тема (№ ДР 0105U002262) “Підвищення ефективності, надійності і довговічності будівельних машин, механізмів, устаткування, елементів і пристроїв обчислювальної техніки”.

Мета і задачі дослідження. Метою даного дослідження є розробка нових методів поліпшення технічних характеристик ферозондових давачів для автоматизованих систем керування орієнтацією об'єктів.

Для досягнення поставленої мети були вирішені наступні задачі:

проаналізувати конструкції ФДО для автоматизованих систем керування орієнтацією об'єктів та існуючі методи поліпшення їх технічних характеристик;

вивчити вплив на точність вимірювання ФДО інструментальних похибок, що враховують: неточну установку карданних підвісів з давачем орієнтації в площину нахилу і по вертикалі місця; відхилення вісей чутливості ферозондів від взаємної ортогональності; перекосів вісей чутливості ферозондів; розходження електричних параметрів кожного ферозонда; вплив температури навколишнього середовища;

розробити математичні моделі ФДО, що враховують інструментальні похибки первинних перетворювачів від неточної установки карданних підвісів з ФДО в площину нахилу і по вертикалі місця; відхилення вісей чутливості ферозондів від взаємної ортогональності; розходження електричних параметрів кожного ферозонда; вплив температури навколишнього середовища;

розробити метод визначення азимуту і зенітного кута за допомогою ФДО; ферозондовий давач керування орієнтація

розробити метод визначення величин перекосів вісей чутливості ФДО, індивідуальних електричних параметрів кожного з ферозондів;

розробити принцип створення АСУ повіркої ФДО для автоматизованого визначення індивідуальних електричних параметрів кожного з ферозондів та величин перекосів їх вісей чутливості;

проаналізувати можливість використання ФДО у складі АСУ технологічними процесами в будівництві: виконання складання, виставки в заданому напрямку ВГК, статичному зондуванні несучої здатності ґрунтів; контролю стану елементів фундаменту і будівельних конструкцій об'єктів у процесі експлуатації.

Об'єкт дослідження. Автоматизовані системи керування орієнтацією об'єктів.

Предмет дослідження. Ферозондові давачі орієнтації для АСУ та методи поліпшення їх технічних характеристик.

Методи дослідження. Математичне моделювання і математичний аналіз з використанням апарату матричної алгебри (матриць обертання 3х3, матриць переходу 4х4, алгебри матриць малих обертань) та елементів векторної алгебри. Проведення експериментів і математична обробка отриманих результатів, їхній аналіз з використанням методів інтерполяції й апроксимації.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукову новизну проведених у роботі досліджень складають:

уперше отримані математичні моделі ФДО, що враховують: величини неточної установки карданних підвісів з ФДО в площину нахилу і по вертикалі місця; величини відхилення вісей чутливості ферозондів від взаємної ортогональності; величини розходження електричних параметрів кожного ферозонда; вплив температури навколишнього середовища;

дістали подальший розвиток елементи теорії визначення азимуту і зенітного кута за допомогою ФДО, за рахунок використання штучного магнітного поля кілець Гельмгольца та карданних підвісів, що дозволило розробити новий метод одночасного визначення азимута і зенітного кута за допомогою ФДО;

уперше розроблено новий метод визначення величин перекосів вісей чутливості ФДО, індивідуальних електричних параметрів кожного з ферозондів по натурних експериментальних дослідженнях за допомогою просторового обертання давача по азимуту в діапазоні 0...2 та по зенітному куті -- в інтервалі 0…;

уперше розроблено принцип створення АСУ повіркої магніточутливих давачів орієнтації, який відрізняється від відомих тим, що дозволяє проводити повірку без механічного повороту ФДО, за рахунок використання шести пар кілець Гельмгольца, три з яких компенсують навколишнє магнітне поле, а три інші взаємно ортогональні пари кілець Гельмгольца створюють штучне магнітне поле, яке імітує МПЗ та обертається, задаючи зразкові кути орієнтації.

Практичне значення одержаних результатів. Практичне значення досліджень полягає в використанні одержаних результатів для поліпшення технічних характеристик існуючих ФДО та для створення нових дешевих ФДО для АСУ орієнтацією об'єктів при бурінні, при виконанні складання та виставки в заданому напрямку ВГК, статичному зондуванні несучої здатності ґрунтів; контролю стану елементів будівельних конструкцій у процесі експлуатації та т. ін. При цьому необхідний рівень технічних характеристик ФДО досягається завдяки розробленому методу визначення величин індивідуальних інструментальних похибок ферозондів та отриманим формулам визначення кутів орієнтації, що враховують ці похибки.

Результати знайшли застосування при розробці:

автоматизованої системи контролю просторового положення ґрунтової основи, елементів фундаменту і будівельних конструкцій об'єктів “Укриття” Чорнобильської АЕС;

автоматизованої системи контролю орієнтації елементів несучих конструкцій Запорізької АЕС (м.Енергодар);

системи контролю деформації анкерної опори №10 моста-аміакопроводу через р.Дніпро у с.Вовниги;

автоматизованої системи контролю відхилення хірургічного корпусу обласної лікарні ім. Мечникова у процесі експлуатації споруди (м. Дніпропетровськ);

АСУ складанням великогабаритних деталей (Південний машинобудівний завод, м.Дніпропетровськ);

АСУ положенням феромагнітних тіл (НТЗ, м.Новомосковськ);

у навчальному процесі в Придніпровській державній академії будівництва та архітектури.

Особистий внесок здобувача. У ході досліджень автором самостійно проведений патентний пошук і сформульована мета дослідження, у результаті якого ним розроблені математичні моделі давачів орієнтації різноманітних конструкцій [2-4, 8,10,13,14,18,20,22], запропонований спосіб виміру азимута і зенітного кута за допомогою магнітометричних давачів [14,18,20,22], отримані математичні вирази для оцінки інструментальних похибок давачів орієнтації [9,19], запропоновано проводити облік, а не компенсацію інструментальних похибок давачів орієнтації [9,16,17,19], запропоновано для повірки магнітометричних давачів орієнтації використовувати штучно створене магнітне поле, що обертається [11,12], запропоновано у складі АСУ складанням великогабаритних деталей, виставкою в задане положення елементів будівельних конструкцій, контролю стану споруд у процесі їх експлуатації використовувати ферозондові давачі орієнтації [1,2,5-9,15,20,21]. При цьому роботи [1,2,5,6,9,16,21,22] написані автором самостійно, без співавторів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи доповідалися й обговорювалися на наукових семінарах кафедри прикладної механіки ПДАБА і на дев'ятнадцятьох науково-технічних конференціях різного рівня: “Розробка ресурсозберігаючих технологій і ведення будівельно-монтажних робіт” (Дніпропетровськ, 1988); “Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления” (Датчик - 91, 92, 93, 94), (Москва 1991, 1992), (Гурзуф 1993, 1994); “Электроника: преобразователи информации” (Москва - Новгород 1991); II, III міжнародній конференції ICMB - 93, 94 (Дніпропетровськ 1993, 1994); “І Українська конференція з автоматичного керування, Автоматика - 94”, (Київ - 94); “Стародубовські читання - 1998, 2002, 2003, 2004”; міжнародна конференція “Геотехника. Оценка состояний оснований и сооружений”, (Санкт-Петербург, 2001); Polish-Ukrainian Seminar (Warsaw, July 6-11, 1998); ІІІ міжнародна конференція “Перспективні задачі інженерної науки” (Алушта - 2002); I Молодіжний науково-практичний форум (Дніпропетровськ,23-24 квітня 2003 р.); IV міжнародна конференція “Aims For Future оf Engineering Science” (Igalo, Montenegro, 2003); міжнародна конференція “Proceeding of Fifth International Scientific Forum on Aims for Future of Engineering Science” (AFES2004), (Paris, France, May 2-8, 2004).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 34 наукові праці, з яких 15 наукових статей (8 відповідно до переліку ВАК), 4 авторські свідоцтва на винаходи і 15 тез доповідей конференцій. Основні з них наведені в списку опублікованих праць.

Обсяг і структура дисертації. Дисертація складається з основного тексту на 136 сторінках, що включає вступ, чотири глави і висновки; списку літератури з 166 найменувань і додатків. У роботі міститься 40 малюнків і 3 таблиці.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета, об'єкт, предмет і основні задачі дослідження, а також - наукова новизна і практична цінність проведених робіт.

У першому розділі проведений аналіз стану наукових розробок і визначені теоретичні передумови досліджень.

Розглянуто структури АСУ бурінням та виставкою будівельних конструкцій. АСУ орієнтацією об'єктів в найбільш загальному виді мають структуру (Рис.1). У якості об'єкту управління можуть виступати підземні та підводні об'єкти. Наприклад, при бурінні свердловин -- це буровий інструмент. При статичному зондуванні несучої здатності ґрунтів -- це зонд. Вхідною інформацією АСУ є електричний сигнал блока давачів (аналоговий або цифровий), в залежності від нього та технологічного завдання, оператор формує вихідний сигнал, задаючи команди управління на виконуючий пристрій лінійного та кутового переміщення об'єкту управління.



Рис.1. Структурна схема АСУ орієнтацією об'єктів.

В якості давача часто використовують інклінометри -- пристрої для визначення кутів Ейлера відносно вектора напруженості МПЗ та вектора прискорення вільного падіння. До складу інклінометра, як правило, входять ферозондові давачі азимуту. Ферозонд -- це первинний перетворювач, вихідний аналоговий електричний сигнал якого залежить від проекції вектора напруженості магнітного поля на його вісь чутливості. Ферозонди мають мініатюрний розмір, високу вібро- й удароміцність, широкий температурний діапазон використання, деякі з них серійно випускаються промисловістю.

ФДО мають різні конструкції та кінематичні схеми. За цими ознаками їх поділяють на: одно-, двох- та трьохкомпонентні (залежно від кількості взаємно ортогональних ферозондів у їх складі); ті, що жорстко закріплені в корпусі об'єкту, або ті, що розміщені в карданних підвісах різноманітних кінематичних схем.

Аналіз робіт з використання ФДО показав, що в них особлива увага приділяється технологічним методам підвищення точності ФДО, а потенціал алгоритмічних методів поліпшення цих характеристик ФДО залишається не використаним.

На підставі аналізу літератури сформульовані основні задачі дослідження.

В другому розділі розглянуті математичні моделі ФДО різних конструкцій як жорстко закріплених у корпусі об'єкта, так і розташованих у карданних рамках.

Математичні моделі складені з використанням апарата векторної алгебри і матриць 3х3 направляючих косинусів.

Азимут б і зенітний кут и обчислюються при відомому візирному куті , отриманому за допомогою додаткового перетворювача візирного кута:

, 0??2,

, 0??/2 ,

де Tx, Ty, Tz - сигнали ферозондів, а Z - вертикальна складова вектора напруженості МПЗ.

З наведених вище формул можна побачити, що існує можливість визначення зенітного, або візирного кутів у разі, коли інші два кута Ейлера відомі, або визначені іншими перетворювачами.

При будівництві похило спрямованих свердловин виникає необхідність витримувати задане положення відхилювача, що здійснюється по виміру візирного кута . Азимут і зенітний кут свердловини змінюється повільно, тому, вважаючи їх постійними =0 і =0, обчислюють візирний кут.

,

де Н - горизонтальна складова напруженості МПЗ.

Для одночасного визначення азимута та зенітного кута в більш загальному випадку розроблено спосіб, який передбачає використання маятникових підвісів та кілець Гельмгольца. Цей метод за кінематичною схемою дозволяє вимірювати азимут , візирний кут у діапазоні 0...2, зенітний кут в інтервалі 0....

, , ,

де , , - сигнали ферозондів при включенні котушок, , , - сигнали ферозондів при включенні кілець Гельмгольца.

.

Математична модель давача орієнтації з кільцями Гельмгольца з двоступеневим маятниковим підвісом (Рис. 6) дозволяє визначити шукані кути відхилення від вертикалі 1, 2:

Рис. 6. Давач орієнтації в карданному підвісі.

1 - основа давача орієнтації, 2 - маятник давача орієнтації,

3 - зовнішня карданна рамка, 4, 5 - кільця Гельмгольца.

, ,

де , , - сигнали ферозондів при включенні кілець Гельмгольца, F - напруженість магнітного поля кілець Гельмгольца.

Дана кінематична схема дозволяє обчислити азимут у діапазоні 0...2, нахили щодо вертикалі 1, 2 у діапазоні 0.../2 , а також параметри МПЗ в точці виміру.

Давач орієнтації з двома одностепеневими маятниками

відкіля

у діапазоні 0...2 при врахуванні знаків sin, cos визначається функцією arctg.

Для давачів просторової орієнтації ФДО та акселерометрами маємо:

, або , і ,

,

де gx,g,gz - сигнали акселерометра, g -прискорення вільного падіння.

В третьому розділі розглянуті похибки ФДО, методи їх визначення і математичні моделі давачів, які враховують ці похибки.

До похибок давачів орієнтації внаслідок відхилення умов виміру від нормальних віднесемо зміну температури навколишнього середовища, вплив вібраційних і ударних перевантажень. До адитивної похибки відносять похибку нуля і шум каналу. Мультиплікативні похибки, крім зміни передаточного коефіцієнта пристрою, включають кутові похибки, викликані відхиленням магнітних вісей ферозондів від напрямку вісей ортогонального тривекторника. Крім того, індивідуальні електричні параметри кожного перетворювача, навіть у межах однієї серії, значно відрізняються один від одного. Якщо ФДО розміщений у карданному підвісі, то похибки визначення кутів Ейлера залежать від сил сухого тертя і збурюючих моментів в опорах підвісу карданних рамок. Ці додаткові кути є інструментальними похибками виміру від неточних установок карданних рамок у площині нахилу й горизонту.

Похибка визначення магнітного азимута від помилок первинних перетворювачів параметрів МПЗ. Обмежимо вимір азимута деякою кутовою зоною , . Позначимо

.

Тоді помилка обчислення при вимірах у діапазоні кутів не перевершує значення .

Якщо відомі , , то помилки обчислення азимута і візирного кута такі:

Нехай відомий кут , , тоді помилки в обчисленнях , визначаються:

Поблизу значень а1=а2=0 помилка збільшується, збільшується поблизу b=0, cos=0, a3=0.

Помилки визначення азимута від неточної установки карданних рамок

З цього виразу випливає, що похибка від помилок установки карданних рамок у площину нахилу і по вертикалі змінна в азимуті і по зенітному куту і залежить від тангенса магнітного нахилення. Визначимо граничну помилку виміру.

Якщо врахувати, що на широті Дніпропетровська b?3, тоді Дб=3Дд+4Дв, то помилка визначення азимута від помилок орієнтування рамок виявляється значною. Нехай помилки Дд=Дв=1?, абсолютна похибка у визначенні азимута близька до 7є.

Корекція похибок в азимуті від впливу помилки виставки в площину нахилу. Азимут з корекцією помилки обчислюється за формулою:

,

або для двох магнітометричних перетворювачів:

.

Згідно цих виразів можливо підвищити точність вимірювань якщо величини помилок виставки карданних рамок відомі чи визначені іншими давачами.

Інструментальні похибки давача орієнтації від не ортогональності вісей чутливості первинних перетворювачів. Нехай вісі чутливості 2, 3 другого і третього первинного перетворювача давача орієнтації повернені відносно вісі чутливості першого 1 на кути 9023, 9021, 9032, 9031.

Тоді маємо для :

.

,

звідси випливає абсолютна гранична погрішність виміру азимута:

.

Таким чином, відхилення від ортогональності між осями чутливості ферозондів приводить до змінної помилки в азимуті. При цьому якщо вертикальне відхилення вісі чутливості другого ферозонда прямо входить у граничну результуючу похибку, то відхилення від горизонтальної площини 21, що задається карданними рамками, залежить від величини магнітного нахилення b. Для магнітної широти Дніпропетровська b3 гранична абсолютна похибка складається з =23+321. Нехай відхилення від ортогональності вісей чутливості другого перетворювача 23=211, тоді гранична похибка в азимуті досягає 4.

Визначення зенітного і візирного кутів з урахуванням перекосів вісей чутливості первинних перетворювачів можна виконати згідно виразів:

,

Рівняння, що дозволяють при обчисленнях азимута, зеніту і візирного кутів врахувати індивідуальні електричні параметри нульового сигналу давача Uoi, передатні коефіцієнти ki і кутові перекоси вісей чутливості первинних перетворювачів

де позначено

Діапазон зміни робочих температур ФДО залежить від призначення АСУ. При будівництві свердловин температура свердловинного снаряда зростає в середньому до 25С на кілометр глибини. Сучасні серійні електронні компоненти мають термостійкість до +125С. Одним з підходів компенсації температурних похибок є попереднє експериментальне визначення величини температурного дрейфу давача орієнтації, з наступним врахуванням їх при визначенні шуканих кутів Ейлера.

,

де .

Наведені вище математичні вирази припускають наявність інформації про величину основних інструментальних похибок конкретного давача. В основу методів визначення індивідуальних характеристик і кутових перекосів ферозондів ФДО покладені натурні експериментальні випробування. Вони полягають у тому, що давач орієнтації обертається на спеціальній триступеневій платформі на кути Ейлера б, и, ц. На основі сигналів давача складається коригувальна матриця, що і використовується при подальшому обчисленні кутів просторової орієнтації пристрою.

б = 0є: б = 90є:

б = 180є: б = 270є:

Підсумуємо сигнали з первинних перетворювачів для б = 0є і б = 180є:

Визначимо передаточні коефіцієнти і перекоси вісей чутливості:



і перекоси їхніх вісей чутливості м13, м23:

У разі, коли триступенева платформа зорієнтована в азимуті вільно і має відомий додатковий кут спрямованості б=б0 використовують наступні вирази:

.

Таким чином, шукані шість невідомих величин U01, U02, k1, k2, м13, м23 цілком визначаються із систем рівнянь, отриманих шляхом послідовного орієнтування давача по основних румбах (0є, 90є, 180є, 270є) з наступним підсумовуванням і вирахуванням сигналів з первинних перетворювачів при б = 0є, 180є і б = 90є, 270є.

Размещено на http://allbest.ru

Рис. 8. Структурна схема АСУ повіркою ФДО з двовісними котушками:

1 - компенсаційні котушки (кільця Гельмгольца);

2 - котушки (кільця Гельмгольца), що імітують МПЗ.

Автором запропоновано новий принцип створення АСУ повіркої ФДО, згідно якому виключаються механічні просторові повороти давача, а обертання імітується за допомогою дво- або тривісних кілець Гельмгольца, що створюють постійні магнітні поля, рівні проекціям МПЗ і відповідні кутам оберту давача в азимуті і зенітному куті. Використання такої АСУ значно спрощує механічну частину випробної установки і дозволяє автоматизувати процес повірки.

В четвертому розділі розглянуті реальні конструкції ФДО, що розроблені автором, режими їх застосування у складі АСУ, аналіз впливу обраного режиму на якість виміру, а також пристрої для проведення експериментальних досліджень та їх результати.

Докладно розглянута технологія складання великогабаритних конструкцій, що мають по 6 ступенів свободи кожна. Показано, що у разі, коли є технологічна можливість закріплення одного об'єкту, можливо послідовне використання одного комплекту давачів на обох БК, що зрівнює інструментальні похибки давачів і значно підвищує точність системи. Розглянуто варіанти використання автоматизованої системи контролю положення БК і фундаменту споруди в процесі експлуатації.

Наведено конкретні конструкції ФДО, контролю положення феромагнітних деталей, пристроїв повірки і еталонування давачів

Наведено результати експериментальних досліджень температурних похибок ФДО, похибок від не ідентичності ферозондів і похибок від перекосів їх вісей чутливості, а також результати оцінки ефективності запропонованих методів їх зниження.

ВИСНОВКИ

Проведені дослідження дозволили розробити нові методи поліпшення технічних характеристик ФДО для АСУ орієнтацією об'єктів за рахунок автоматизованого визначення індивідуальних похибок ферозондів та їх подальшого врахування при визначенні кутів Ейлера. Отримані наступні результати:

Проведений аналіз виявив, що в області поліпшення технічних характеристик ФДО для АСУ орієнтацією об'єктів найбільша увага приділяється конструктивним та технологічним методам підвищення точності давачів, але недостатньо дослідженими лишаються методи поліпшення технічних характеристик ФДО за рахунок визначення величин інструментальних похибок конкретних ФДО та подальшого використанням цієї інформації при визначенні шуканих кутів Ейлера.

Встановлено: що похибка вимірювання азимуту від неточної установки карданних рамок змінна в азимуті та залежить від магнітного нахилення в точці заміру і для України ця похибка в 6...8 разів перевищує величину похибок установки рамок; що похибка вимірювання азимуту від не ортогональності вісей чутливості ферозондів також залежить від магнітного нахилення і для України в 3...5 разів перевищує ці відхилення від ортогональності; що похибка вимірювання азимуту внаслідок перекосів вісей чутливості ферозондів залежить від магнітного нахилення і для України більш ніж в 10 разів перевищує розмір цих перекосів; що для забезпечення точності вимірювання азимуту < 2o необхідно забезпечити збіг нульових сигналів усіх трьох ферозондів, а також їж коефіцієнтів перетворювання так, щоб вони відрізнялись не більше ніж на 0,6% відповідно; що зміна температури навколишнього середовища на 40оС може викликати похибку вимірювання азимуту більш ніж 4 кутових градуси.

Розроблено нові математичні моделі ФДО, що враховують інструментальні похибки первинних перетворювачів від неточної установки карданних підвісів з ФДО в площину нахилу і по вертикалі місця; відхилення вісей чутливості ферозондів від взаємної ортогональності; розходження електричних параметрів кожного ферозонда; вплив температури навколишнього середовища. Виявлено, що у разі, коли є можливість визначення величин цих похибок для конкретного ФДО, можливо більш ніж в 10 разів підвищити точність вимірювання азимуту за рахунок використання отриманих нових формул, які випливають із математичних моделей ФДО і враховують величини інструментальних похибок ФДО.

Встановлено, що розроблений метод одночасного визначення азимуту і зенітного кута за допомогою ФДО, за рахунок використання штучного магнітного поля кілець Гельмгольца та карданних підвісів, дозволяє поширити використання ФДО в АСУ орієнтацією об'єктів, при цьому з'являється можливість отримання повної інформації відносно направленості об'єкту (азимут і зенітний кут).

Розроблений новий метод визначення величин перекосів вісей чутливості ФДО, індивідуальних електричних параметрів кожного з ферозондів за допомогою просторового обертання давача по азимуту в діапазоні 0...2 та по зенітному куті -- в інтервалі 0… дозволяє у подальшому використовувати ці данні для визначення кутів Ейлера з підвищеною у 5...10 разів точністю.

Виявлено, що завдяки використанню штучного магнітного поля кілець Гельмгольца, можливе створення АСУ повіркою ФДО, яка більш ніж в 50 разів підвищує швидкість виконання повірки, а також дає можливість відокремити механічні похибки ФДО від установки карданних рамок при проведенні повірки ФДО.

Встановлено, що підвищення технічних характеристик ФДО за рахунок розроблених методів дозволяє значно знизити технологічні вимоги щодо виготовлення ФДО. При цьому технічні характеристики ФДО залишаються достатніми для більшості задач будівництва. Це в свою чергу дозволяє створення різноманітних АСУ орієнтацією об'єктів будівництва при статичному зондуванні несучої здатності ґрунтів, складанні ВГК, контролі стану підвалин і споруд в процесі експлуатації та таке інше.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Рыжков И.В. Влияние технологии сборки крупногабаритных конструкций на качество выполнения строительно-монтажных работ // Сб. научн. тр. “Строительство, материаловедение, машиностроение”. Серия ICMB-93.-Днепропетровск, ДИСИ, 1993,- С. 185-186.

Рыжков И.В. Система сбора и обработки измерительной информации на ПЭВМ // Сб. научн. тр. “Строительство, материаловедение, машиностроение”. Серия ICMB-94.-Днепропетровск, ПГАСиА, 1994.- С.115-116.

Кочемасов Ю.Н., Рыжков И.В. Многофункциональная измерительная система // Сб. научн. тр. “Строительство, материаловедение, машиностроение”. Серия ICMB-94.-Днепропетровск, ПГАСиА, 1994.- С.122-123.

Kotchemassov Y.N., Ryjkov I.V. Systemes complexe de controle des parametres des procedes technologiques // Сб. научн. тр. “Строительство, материаловедение, машиностроение”. Серия ICMB-94.- Днепропетровск, ПГАСиА, 1994.- С.145-146.

Рыжков И.В. Контроль деформации строительных сооружений в процессе их эксплуатации // Сб. научн. тр. “Строительство, материаловедение, машиностроение”. Выпуск 7. Серия “Стародубовские чтения-98”.-- Днепропетровск. Центр економічної освіти, 1998.-- С.165-166.

Рыжков И.В. Контроль ориентации элементов строительных конструкций в процессе их возведения и монтажа // “Теоретичні основи будівництва”. July 6-11, 1998.- Warsaw: GOWPW.- 1998.- C. 543-546.

Рыжков И.В., Ковшов Г.Н. Контроль ориентации элементов строительных сооружений в процессе их возведения, монтажа и эксплуатации// Сб. научн. тр. “Строительство, материаловедение, машиностроение”. Вып. 15 ч. 2.-Днепропетровск, ПГАСиА, 2002. - С. 5-10.

Ковшов Г.Н., Рыжков И.В., Садовникова А.В. Устройство ориентации с магниточувствительными преобразователями// Сб. научн. тр. “Строительство, материаловедение, машиностроение”. Вып.22 ч.2.,-Днепропетровск, ПГАСиА, 2003.- С.215-220.

Рыжков И.В. Погрешности магнитометрических датчиков ориентации и методы их снижения // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури.- Дніпропетровськ: ПДАБтаА,-2004.-№6.-С.37-45.

Ковшов Г.Н., Рыжков И.В. Математические модели датчиков ориентации на основе магниточувствительных первичных преобразователей // Сб. научн. тр. “Строительство, материаловедение, машиностроение”. Вып. 27 ч. 2.-Днепропетровск, ПГАСиА, 2004.- С. 195-200.

Устройство для поверки феррозондовых преобразователей азимута инклинометра: А.с. 1593338 СССР, МКИ E21 B47/02. / Г.Н.Ковшов, Ю.Н.Кочемасов, И.В.Рыжков (СССР).- № 4612638/23-03; Заявлено 05.12.88; Опубл. 15.05.90, Бюл. №34, 1990.- 4с.: ил.

Устройство для эталонирования магниточувствительных измерительных приборов: А.с.1633929 СССР, МКИ G01 C17/20. / Г.Н.Ковшов, Ю.Н.Кочемасов, И.В.Рыжков (СССР).- № 4670377/10; 4670398; Заявлено 30.03.89; Бюл. №9, 1991.- 4 с.:ил.

Феррозондовый датчик азимута: А.с. 1730882 СССР, МКИ E21 B 47/02. / Г.Н.Ковшов, Ю.Н.Кочемасов, И.В.Рыжков (СССР).- № 4414218/03; Заявлено 25.04.88; Бюл. № 16, 1992.- 3 с.: ил.

Способ определения магнитного азимута и зенитного угла геофизической скважины: А.с. 1829506 СССР, МКИ Е 21 В 47/02. / Г.Н.Ковшов, Ю.Н.Кочемасов, И.В.Рыжков (СССР).-- № 4633525/03; Заявлено 09.01.89; Бюл. № 11, 1993.- 4с.:ил.

Ковшов Г.Н., Рыжков И.В. Математическая модель сборки и выставки крупногабаритных конструкций // Сб. науч. трудов “Повышение эффективности и качества строительства в новых условиях хозяйствования”.- К.: УМК ВО, 1992. - С.81-86.

Рыжков И.В. Влияние погрешностей измерения пространственной ориентации строительных конструкций на точность их сборки // Тем. зб. наук. праць “Інтенсифікація робочих процесів будівельного виробництва”.-К.: ІСДО, 1993.-С.309-315.

Рижков І.В., Ковшов Г.М. Аналіз впливу похибки датчиків орієнтації на якість проведення будівельно-монтажних робіт // Зб. наук. праць “Інтенсифікація будівництва”.- К.: ІСДО, 1994.- С.224-227.

Бауск Е.А., Рыжков И.В. Оценка влияния изменения геотехнической среды на уровень надежности фундаментов и зданий с энергетическим оборудованием // тр. междунар. конф. “Геотехника. Оценка состояния оснований и сооружений”.- Санкт-Петербург: “Вердана”, 2001.- С. 266-272.

Ковшов Г.Н., Рыжков И.В. Алгоритмические методы устранения инструментальных погрешностей датчиков ориентации для строительства // Сборник трудов международной конференции “Proceedings of the Fifth International Scientific Forum on Aims for Future of Engineering Science” (AFES2004), May 2-8, 2004.- Paris (France), 2004.- C. 275-278.

Кочемасов Ю.Н., Рыжков И.В. Датчики систем контроля ориентации при сборке крупногабаритных конструкций // Тез. всероссийской науч.-техн. конф. с участ. зарубежных специалистов “Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления”(“Датчик-94”). Часть 1.- Гурзуф, 1994.- С.84-85.

Рыжков И.В. Информационно-измерительная система сбора и обработки данных о пространственном положении объекта при его строительстве и эксплуатации //Сборник докладов и тезисов I-го Молодежного научно-практического форума, Днепропетровск, 23-24 апреля 2003 г. / Под ред. акад. НАНУ В.В.Пилипенко, к.ф.-м.н. Н.Ф.Огданского, к.ф.-м.н. Ю.А.Прокопчука /.- Днепропетровск: ИПК ИнКомЦентра УГХТУ, 2003.- С.171.

Рыжков И.В. Конструкции датчиков пространственной ориентации для систем автоматического контроля // Тезисы доклада IV International Scientific Conference “Aims for future of engineering science”. July 2-8, 2003, Igalo, Montenegro.- Igalo, Montenegro, 2003.- C.49.

АНОТАЦІЇ

Ryzhkov I.V. The improvement of characteristics of flux-gate sensors for automated control systems of objects orientation. The manuscript.

The dissertation research of obtaining scientific degree of candidate of engineering science in speciality 05.13.05 - Elements and devices of computer facilities and control systems. The Odessa National Polytechnic University. Odessa, 2005.

The dissertation is dedicated to development of methods for increasing the accuracy of flux-gate sensors for automated control systems of objects orientation on the basis of preliminary experimental definition the tool errors volumes of sensors and the subsequent account of the received values at processing data of the gauge. Mathematical expressions for definition of an azimuth, zenith and vizir angles, including the tool errors volumes of flux-gate sensors are submitted. The algorithm of definition of the sensitivity axes skews and the electric parameters of the gauge of orientation by its consecutive orientation on the basic directions is offered.

For the first time the new automated control systems for checking the magnetometric sensors is offered. It uses the turning electromagnetic field, which is created by electrical rings Helmgolts for the imitation of spatial rotation of the sensor. It is offered to use the flux-gate sensors for the control of the large-sized details joining, the exhibition of the prefabricated elements in set position, the control of a status of a construction and building while using of them.

Keywords: magnetometric gauges, flux-gate sensors, inclinometer, the sensor of an azimuth, tool errors, the control of objects orientation.

Рижков І.В. Поліпшення технічних характеристик ферозондових давачів для автоматизованих систем керування орієнтацією об'єктів. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 - Елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування. Одеський національний політехнічний університет. Одеса, 2005.

Дисертація присвячена розробці методів підвищення точності ферозондових давачів для автоматизованих систем керування орієнтацією об'єктів на основі попереднього експериментального визначення величин інструментальних похибок первинних перетворювачів і наступного врахування отриманих значень при обробці сигналів давача. Наведено математичні вирази для визначення азимута, зенітного і візирного кутів, що включають знайдені апріорно інструментальні похибки ферозондових перетворювачів. Запропоновано алгоритм визначення перекосів вісей чутливості й електричних параметрів давача орієнтації шляхом його послідовного орієнтування по основних румбах.

Уперше запропоновано принцип створення АСУ повіркою магнітометричних давачів, що використовує поворотне магнітне поле, створене за допомогою кілець Гельмгольца, для імітації просторового обертання давача орієнтації. Запропоновано використовувати в будівництві для контролю якості стикування великогабаритних деталей, виставки в задане положення БК, контролю стану споруди в процесі експлуатації АСУ з ферозондовими давачами орієнтації.

Ключові слова: магнітометричні давачі, ферозонд, інклінометр, давач азимута, інструментальні похибки, контроль орієнтації в будівництві.

Рыжков И.В. Улучшение технических характеристик феррозондовых датчиков для автоматизированных систем управления ориентацией объектов. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05 -- Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления. Одесский национальный политехнический университет. Одесса, 2005.

Диссертация посвящена разработке методов повышения точности феррозондовых датчиков ориентации на основе предварительного экспериментального определения величин основных инструментальных погрешностей первичных преобразователей и последующего учета полученных значений при обработке сигналов.

В диссертационной работе представлены математические модели феррозондовых датчиков ориентации различных кинематических схем. Получены математические выражения для оценки степени влияния на точность измерения азимута различных погрешностей: от неточности определения параметров МПЗ дополнительными преобразователями, перекосов осей чувствительности феррозондов и отклонения их от взаимной ортогональности, наличия нулевых сигналов и различия передаточных коэффициентов первичных преобразователей, от степени неточности установок карданных рамок в плоскость наклона и плоскость горизонта.

Предложен способ одновременного определения азимута и зенитного углов ориентации при помощи феррозондовых преобразователей, путем использования карданных рамок и искусственно созданного магнитного поля колец Гельмгольца.

Получены уточненные математические модели феррозондовых датчиков ориентации, включающие в себя в виде постоянных коэффициентов индивидуальные погрешности датчиков от перекосов осей чувствительности феррозондов, наличия нулевых сигналов и различия передаточных коэффициентов первичных преобразователей, неустановок карданных рамок, а также температурную погрешность магнитометрических датчиков. Найденные выражения позволяют учитывать указанные погрешности при условии наличия информации об их величине для конкретного датчика и являются более общими по сравнению с известными. Эти выражения являются более общими, из которых модели идеальных датчиков могут быть получены как частный случай при нулевых значениях инструментальных погрешностей.

Предложен алгоритм определения перекосов осей чувствительности и электрических параметров датчика ориентации путём его последовательного ориентирования по основным румбам (0є, 90є, 180є, 270є) с последующим суммированием и вычитанием сигналов в положениях б = 0є, 180є и б = 90є, 270є.

Предложены схемы АСУ для проведения экспериментальных исследований магнитометрических датчиков. Впервые предложен принцип построения АСУ поверкой феррозондовых датчиков, использующей поворачивающееся искусственно созданное магнитное поле, созданное при помощи колец Гельмгольца, для имитации пространственного вращения датчика ориентации.

Рассмотрены реальные конструкции датчиков на основе феррозондовых первичных преобразователей, построенных на основании разработанных математических моделей и входящих в состав АСУ ориентацией.

Рассмотрены технологические процессы в строительстве, в которых могут быть использованы АСУ ориентацией элементов строительных конструкций и фундаментов. Проанализировано влияние режимов использования датчиков ориентации на качество проведения измерений.

Предложено использовать для контроля качества стыковки при сборке крупногабаритных деталей, выставки в заданное положение СК, контроля состояния несущих конструкций сооружения в процессе эксплуатации АСУ с феррозондовыми датчиками ориентации. Предложены различные режимы проведения измерений, позволяющие устранить влияние ряда инструментальных погрешностей используемых датчиков.

Достоверность полученных результатов и выводов проверена сравнением теоретических положений с экспериментальными данными.

Результаты работы нашли применение в системе контроля пространственного положения грунтового основания, элементов фундамента объектов “Укрытия” Чернобыльской АЭС, в автоматизированной система контроля ориентации элементов несущих конструкций Запорожской АЭС, системе контроля деформации моста-аммиакопровода через р.Днепр в с.Вовниги, датчике перемещения раскрытия трещин фундаментов в системе контроля отклонения хирургического корпуса областной больницы им. Мечникова (г.Днепропетровск), АСУ стыковкой при сборке крупногабаритных конструкций (ЮМЗ, г.Днепропетровск), устройстве контроля положения ферромагнитных тел (НТЗ, г.Новомосковск), в учебном процессе в курсе дисциплины “Основы сбора и переработки информации” в Приднепровской государственной академии строительства и архитектуры.

Ключевые слова: датчики ориентации, феррозонд, инклинометр, датчик азимута, инструментальные погрешности, контроль ориентации в строительстве.

Размещено на Allbest.ru

...