Методическое обеспечение и средства электромагнитного контроля составляющих скорости жидких полупроводящих сред

Размещено на http://www.allbest.ru/

МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И СРЕДСТВА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КОНТРОЛЯ СОСТАВЛЯЮЩИХ СКОРОСТИ ЖИДКИХ ПОЛУПРОВОДЯЩИХ СРЕД

Специальность: 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Ганьшин Юрий Анатольевич

Санкт-Петербург - 2011

Работа выполнена на кафедре электротехники и технической диагностики Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения».

Научный руководитель

кандидат технических наук, профессор Лавров Валентин Яковлевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Бубнов Юрий Захарович

доктор технических наук: Кирпанев Алексей Владимирович

Ведущая организация: ЗАО «Научно-производственный концерн «Промэлектроника».

Защита диссертации состоится « » 2011 г. в на заседании диссертационного совета Д 212.233.01 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения», по адресу 190000, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, д. 67.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУАП.

Автореферат разослан « » 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор Д. К. Шелест

Актуальность темы. Одним из важных условий успешной эксплуатации морских и речных судов является обеспечение безопасности судовождения. Для этой цели разрабатываются новые технические средства, которые вырабатывают информацию, необходимую судоводителю в различных условиях плавания.

Для контроля физических параметров управления судном, применяются различные методы измерения. В настоящее время твердую позицию среди методов измерения скорости судов занимают электромагнитный метод измерения. Электромагнитный метод измерения скорости обладает достаточно высокой точностью измерения во всем диапазоне измеряемых скоростей, позволяет измерять скорость жидкостей с различными плотностями и вязкостью. Электромагнитные датчики скорости имеют малые размеры, небольшую массу, не требует регулярного ухода.

Погрешность измерений при использовании электромагнитного метода измерения скорости судна определяется в основном погрешностью градуировки датчика и погрешностью измерения разности потенциалов измерительных электродов. Однако электрохимические процессы в потоке жидкости, резкие изменения направления потоков воды в зоне измерения, различные помехи и наводки не позволяют пока получить той потенциально высокой точности измерений, которая вытекает из теоретических принципов данного метода. Погрешности измерения электромагнитных датчиков скорости в основном находятся в пределах ± 0,5 % от измеряемой величины.

Теоретические основы проектирования современных электромагнитных преобразователей скорости базируются на работах Кораблева А. В., Массарова В.Ф., Воронова В. В., Саранчина А. И., Яловенко А. В, ПолковниковА В. В., Филипченко В. Г.

Для одновременного измерения нескольких составляющих скорости судна применяются многокомпонентные датчики. Большинство многокомпонентных электромагнитных приборов для измерения скорости были запатентованы в семидесятых-восьмидесятых годах прошлого века. Среди советских разработчиков, занимавшихся проблемой электромагнитного контроля нескольких составляющих скорости, необходимо отметить работы Болонова Н. И., Повх И. Л., Калинина Н. Д., Мирончука А. Ф., Крыловой Г. И., Вельта И. Д. К сожалению, их изобретения, как и подавляющее большинство других многокомпонентных датчиков, не поступили в производство из-за низких показателей точности, сложности конструкции и проблем с электромагнитной совместимостью устройств. Поэтому до настоящего времени для одновременного измерения нескольких составляющих скорости судов используется комплекс из нескольких однокомпонентных датчиков скорости. Для исключения их взаимного влияния друг на друга датчики необходимо размещать на расстоянии друг от друга, что значительно снижает их чувствительность к изменению течений, например, при поворотах судна.

Внесение поправок в методику преобразования исходного сигнала электромагнитного датчика, учитывающих перечисленные выше факторы, влияющие на величину погрешности, и усовершенствование конструкции многокомпонентных датчиков позволит повысить точность их измерений. Увеличение точности позволит использовать устройства, основанные на электромагнитном методе измерений, в ситуациях, где необходимо точное и одновременное измерение двух или трех компонент скорости, например, при швартовке судна или проведении различных исследовательских работ на подводных аппаратах. Таким образом, проблема повышения точности одновременного измерения нескольких составляющих скорости судов в морской воде является актуальной.

Цель работы. Целью работы является повышение точности измерения электромагнитным методом нескольких составляющих скорости полупроводящей жидкости путем построения единой конструкции многокомпонентного датчика скорости и повышения адекватности моделирования электромагнитного поля датчика за счет учета динамики поля скоростей жидкости у поверхности датчика и изменений ее электрохимического состава.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи.

· Разработать математическую модель магнитного поля в пространстве между электродами датчика скорости судов.

· Разработать математическую модель электрического поля в пространстве между электродами датчика скорости судов.

· Разработать инженерную методику расчета скорости, измеряемой датчиком.

· Разработать инженерную методику расчета проводимости морской воды между электродами сферического датчика скорости.

· Разработать методики построения двухкомпонентных и трехкомпонентных электромагнитных датчиков скорости судна.

· Произвести оценку погрешностей разработанных электромагнитных датчиков скорости судна.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались общие положения:

· теории физических полей,

· теории идентификации,

· механики сплошных сред,

· электрохимии растворов,

· морской навигации,

· математического аппарата решения уравнения Лапласа методом разделения переменных,

· дифференциального и интегрального исчисления,

· программирования и компьютерного моделирования.

Научная новизна работы

· Разработана численно-аналитическая математическая модель электромагнитного поля в пространстве между электродами датчика скорости, основанная на теории идентификации электромагнитных полей, учитывающая изменения скорости измеряемого потока воды из-за эффектов обтекания и имеющая более высокую оперативность расчета электромагнитных характеристик датчика по сравнению с классическим подходом к решению полевой задачи.

· Разработана методика расчета проводимости среды между электродами датчика скорости судов, отличающаяся тем, что она учитывает эффекты обтекания морской водой сферического датчика и изменения солевого состава воды.

· Разработана методика преобразования исходного сигнала датчика скорости, отличающаяся тем, что она учитывает влияние эффектов обтекания морской водой поверхности датчика и изменения солевого состава воды, и за счет этого повышающая точность при одновременном измерении двух или трех составляющих скорости судов.

Практическая значимость работы

В ходе работы получены следующие практические результаты.

· Разработаны два новых двухкомпонентных электромагнитных датчика скорости судов, имеющих повышенную относительно предшественников точность измерения, защищенных патентами на изобретение и полезную модель.

· Разработан новый трехкомпонентный электромагнитный датчик скорости судов, имеющий повышенную относительно предшественников точность измерения, защищенный патентом на полезную модель.

· Произведена оценка погрешностей запатентованных датчиков скорости, согласно результатам которой разработанные датчики имеют погрешность измерения в четыре раза меньше, чем применяемые в настоящее время электромагнитные датчики скорости судов.

· Разработана компьютерная программа на языке Turbo Pascal для преобразования сигнала электромагнитного датчика скорости судна.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Математическая модель магнитного поля между измерительными электродами электромагнитного датчика скорости.

2. Математическая модель электрического поля между измерительными электродами электромагнитного датчика скорости.

3. Инженерная методика обработки сигнала электромагнитного датчика скорости.

4. Инженерная методика расчета проводимости между электродами датчика скорости.

5. Методики построения двухкомпонентных и трехкомпонентных электромагнитных датчиков скорости судов.

Внедрение результатов

Алгоритм и компьютерная программа обработки сигнала датчика используется в разработках ЗАО «Научно-производственный концерн «Промэлектроника».

Двухкомпонентный и трехкомпонентный датчики скорости внедрены в разработку средств измерения скорости ЗАО «Научно-производственный концерн «Промэлектроника».

Разработанные математические модели были внедрены в учебный процесс ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» в качестве лабораторных работ по дисциплине теория физических полей.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались в научных сессиях ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» за годы 2008-2010 и и журналах «Завалишинские чтения» за 2008-2010 годы.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 Печатных работ, включающих 5 статей в сборниках научных трудов и журналах, 1 патент на изобретение, 2 патента на полезные модели.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 133 страницах и состоит из введения, трех глав, заключения, приложений и списка использованных источников, включающего 44 наименования. Основное содержание диссертации включает 28 рисунков и 3 таблицы.

датчик электромагнитный судно скорость

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы: цель и основные задачи работы, научная новизна и практическая ценность результатов.

В первом разделе подробно рассмотрены основные теоретические зависимости, описывающие процесс измерения скорости. Они служат теоретической базой для разработки математических моделей магнитного и электрического поля между измерительными электродами датчика, разработки методик обработки сигнала датчика и расчета проводимости среды между электродами.

Под термином идентификация понимается построение по экспериментальным данным математической модели рассматриваемой системы или процесса, выраженного посредством того или иного математического аппарата. Объектом идентификации является переменное низкочастотное магнитное поле датчика. В работе экспериментальными данными для идентификации являются исследования распределения радиальной составляющей вектора магнитной индукции электромагнитного преобразователя на окружностях для разных широт базовой поверхности в сферической системе координат, причем центр координат совпадает с центром базовой поверхности:

где - количество дискретных значений координаты ; - количество дискретных значений координаты .

Базовой поверхностью является сфера, радиус которой совпадает с радиусом шарообразного датчика скорости. Шарообразная форма датчика выбрана, так как эта форма менее всего замедляет измеряемый поток воды у поверхности датчика.

Низкочастотное переменное магнитное поле между электродами датчика в сферических координатах выражается через математический аппарат суммирования элементарных сферических гармоник, что в векторном виде можно записать следующим образом:

, (2)

, (3)

где - векторная сферическая гармоника вектора магнитной индукции уединенного источника; - проекции векторной сферической гармоники на оси сферической системы координат; - единичные векторы сферической системы координат; - весовой коэффициент векторной сферической гармоники, значение которого необходимо определить по результатам исследования радиальной составляющей вектора магнитной индукции объекта исследования на базовой сферической поверхности; n, m - индексы-идентификаторы сферической гармоники.

В результате проведенных в подразделе преобразований выбранной математической модели получена итоговая система выражений, определяющая три составляющие вектора магнитной индукции для любой точки в сферических координатах вокруг объекта исследования на основании данных измерений на поверхности объекта, необходимая для разработки математической модели магнитного поля электромагнитного датчика:

, (4)

где ; (5)

- присоединенная функция Лежандра степени m, полинома .

Информация об изменениях скорости, происходящих у поверхности датчика из-за эффектов обтекания, необходима для построения математической модели поля скоростей жидкости между электродами датчика, на которой основана разработка математической модели электрического поля между электродами.

В подразделе указаны основные различия между процессами обтекания идеальной и реальной жидкостями (Рисунок 1 и Рисунок 2). Реальная жидкость обладает вязкостью, и при обтекании сферы датчика в ее потоках возникают завихрения.

Рисунок 1 - Картина обтекания сферы идеальной жидкостью	Рисунок 2 - Картина обтекания сферы реальной жидкостью

Завихрения линий тока жидкости происходят из-за появления у поверхности датчика тонкого слоя, который прилипает к этой поверхности. Этот слой называется пограничным. Вне пограничного слоя реальная жидкость течет так же, как и идеальная. На поверхности датчика есть зоны, на которые пограничный слой практически не оказывает влияния. Для описания процесса обтекания в этих зонах достаточно рассмотреть задачу обтекания датчика идеальной жидкостью и учесть погрешность влияния вязкости. Величину пограничного слоя и характер его влияния на работу датчика можно определить с помощью безразмерного параметра называемого числом Рейнольдса Re. Приведены экспериментально выведенные выражения для расчета числа Рейнольдса Re и толщины пограничного слоя д:

, (6)

где D - диаметр сферы; - коэффициент динамической вязкости жидкости; V - скорость движения судна.

, (7)

где - радиус сферы.

Данные характеристики позволяют после построения математической модели поля скоростей датчика определить влияние вязкости на обтекание в рассматриваемых зонах у поверхности датчика и найти диапазон скоростей обтекания, в котором это влияние минимально.

Сопротивление воды между электродами датчика зависит от ее электрохимического состава и структуры электрического поля между электродами, которое определяется согласно эффекту Лоренца магнитным полем датчика и полем скоростей жидкости, обтекающей датчик.

В работе приведены выражения для электрохимических параметров жидкости, обтекающей датчик, то есть морской или речной воды. Из электрохимических соотношений выведена формула расчета удельной проводимости воды через соленость и электрохимические постоянные. Удельная проводимость среды необходима для разработки методики расчета проводимости морской воды между электродами датчика. В подразделе представлены статистические данные по солености различных водоемов. Удельная проводимость всего раствора равна сумме удельных проводимостей растворов k солей входящих в его состав, :

, (8)

где

, (9)

где - степень диссоциации электролита; - молярная концентрация раствора, моль/смі; - подвижности катионов и анионов, смІ/(В·с)(при падении напряжения в 1 В/см).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3 - Векторы электромагнитного поля и скорости жидкости при обтекании датчика

В работе рассмотрены погрешности измерения современных электромагнитных датчиков скорости. Они получены на основе экспериментальных исследований, анализа литературы и патентной документации по теме исследования. Погрешности измерения можно разделить на три основных группы по причинам их возникновения. Первая группа погрешностей обусловлена конструкцией датчика скорости. Это погрешности, вызванные собственной ЭДС электродов и токами утечки. Вторая группа погрешностей, обусловленная влиянием внешней среды, связана с влиянием пограничных слоев днища судна и самого датчика. Третья группа погрешностей, обусловленная влиянием измерительного устройства, подключенного к датчику, вызвана: ЭДС контура, образованного электродами, выводными проводами и измерительным прибором; емкостной связью электромагнита с выводными проводами до измерительного прибора; блуждающими токами и внешними электромагнитными полями; изменением напряжения, частоты питания обмотки и температуры электромагнита.

Задачей, решению которой посвящен второй раздел, является разработка методики преобразования исходного сигнала электромагнитного датчика скорости. Решение этой задачи заключается в определение коэффициента пропорциональности между напряжением пары электродов U сферического датчика и измеряемой им скоростью судна . В разделе предложен алгоритм его определения. Методика применима для любой соостной пары электродов многокомпонентного датчика скорости.

Если представить датчик как зависимый источник ЭДС, то напряжение на его электродах будет равно:

, (10)

где - ЭДС зависимого источника;

- сопротивление в пространстве между электродами датчика;

I(V)- ток на входе измерительного устройства.

Сопротивление, эквивалентное полному сопротивлению датчика равно

, (11)

где - сопротивление измерительного устройства.

Значение напряжения на электродах определяется структурой электрического поля между электродами, которое формируется при движении полупроводящей жидкости в магнитном поле за счет эффекта Лоренца (Рисунок 3).

. (12)

Для определения коэффициента пропорциональности между напряжением пары электродов U и измеряемой скоростью судна необходимо вывести формулу расчета напряжения U через вектор напряженности электрического поля в пространстве между электродами датчика с учетом сопротивления жидкости между электродами.

Для разработки методики преобразования сигнала датчика необходимо решить следующие задачи.

1. Построить математическую модель магнитного поля датчика.

2. Построить математическую модель электрического поля датчика.

3. Разработать методику расчета проводимости среды между электродами датчика.

При решении поставленных задач, в работе принимаются следующие допущения:

1) электромагнитное поле, создаваемое магнитной системой датчика, является потенциальным;

2) поле скоростей обтекания датчика измерителя потенциально;

3) величина удельной проводимости не зависит от вектора напряженности электрического поля между электродами датчика;

4) при расчете напряжения между электродами датчика они принимаются непроводящими.

Алгоритм расчета составляющих магнитного поля датчика по разработанной математической модели состоит из двух частей.

1) Расчет матриц весовых коэффициентов векторных сферических гармоник согласно выражению (5), приведенному к дискретному виду для машинного расчета

, (13)

где , - количество точек зондирования по углу места зондирования и азимуту.

Весовые коэффициенты определяются на основе матрицы экспериментальных измерений (1), проведенных на поверхности датчика.

2) Определение составляющих вектора магнитной индукции по дискретным выражениям (14), при заданных значениях координат r, , , для r > .

где константа N выбирается на основе соображений точности аппроксимации распределения составляющих вектора на сферической поверхности измерения. Как показывает практика моделирования квазистационарных полей, N обычно выбирается равным 40.

Компьютерная программа для расчета магнитного поля датчика скорости на основе этой математической модели, написанная на языке Turbo Pascal, прилагается к работе.

Разработанная численно-аналитическая математическая модель магнитного поля в пространстве между электродами электромагнитных датчиков скорости отличается более высокой оперативностью расчета электромагнитных характеристик датчика по сравнению с классическим подходом к решению полевой задачи.

Для параметров потока, обтекающего датчик, получена зависимость непосредственно измеряемой датчиком скорости потока от скорости судна путем решения уравнения Лапласа для скалярной вспомогательной функции:

, (15)

где - потенциал возмущения жидкости датчиком.

Постоянные интегрирования при решении уравнения Лапласа определены из следующих граничных условий:

- возмущение потенциала скорости датчиком пренебрежимо мало на большем расстоянии a от датчика, то есть

при . (16)

- радиальная компонента скорости на поверхности датчика обращается в ноль из-за непроницаемости для жидкости поверхности датчика

, (17)

где - скорость потока жидкости, обтекающей датчик жидкости.

Решение уравнения Лапласа (15) методом разделения переменных приводит к следующему выражению для потенциала возмущения жидкости

(18)

и полю возмущения вектора скорости , которое показывает торможение жидкости за счет воздействия датчика

. (19)

Из (19) получено выражение определяющее зависимость непосредственно измеряемой датчиком скорости потока от скорости судна V:

, (20)

Результатом анализа рассчитанной толщины пограничного слоя является то, что в областях минимального воздействия пограничного слоя поле скоростей обтекания датчика морской водой практически совпадает с полем скоростей обтекания датчика идеальной жидкостью при толщине пограничного слоя не более 100 мкм. Области минимального воздействия пограничного слоя расположены на сфере датчика, на линии большего круга, плоскость которого перпендикулярна направлению измеряемого потока. В этих областях необходимо располагать измерительные электроды датчика.

Рисунок 4 - Мгновенная картина обтекания шарообразного объекта.

Процесс обтекания при рассматриваемых параметрах потока можно проиллюстрировать фотографией, изображенной на рисунке 4.

Поле скоростей жидкости при обтекании датчика реальной жидкостью в пространстве над электродами можно рассчитывать по формуле (20), с учетом погрешности влияния пограничного слоя.

В соответствии с уравнением Лоренца (12) структура электрического поля, определяется магнитным полем и полем скоростей жидкости. Математическая модель электрического поля датчика основана на описанных математических моделях магнитного поля и поля скоростей в пространстве между электродами датчика скорости.

Вектор скорости и вектор магнитной индукции в сферической системе координат в общем случае имеют по три составляющих

, (21)

. (22)

Следовательно, исходя из формулы векторного произведения, проекции напряженности электрического поля равны

(23)

Для расчета напряженности электрического поля между электродами датчика применяется следующая методика.

1. Определение составляющих напряженности магнитного поля по формуле (14) для точки с координатами r, , .

2. Расчет составляющих скорости потока, обтекающего датчик в той же точке пространства (20).

3. Расчет составляющих напряженности электрического поля по выражению (23).

Результаты расчетов по предлагаемой математической проиллюстрированы на графиках зависимости радиальной составляющей напряженности электрического поля от координат и (рисунок 5 и рисунок 6) над поверхностью датчика в области минимального воздействия пограничного слоя. Исходные данные для моделирования поля были измерены на поверхности пробной модели магнитной системы двухкомпонентного датчика скорости. Из графиков можно определить, что измерительные электроды на линии большого круга шарообразного датчика следует размещать между координатами 65є и 70є для и. Именно в этих областях значение радиальной составляющей вектора напряженности электрического поля принимает пиковые значения, как у поверхности датчика (рисунок 5), так и при удалении от него (рисунок 6). В пиковой области между координатами 80є и 90є не рекомендуется располагать электроды из-за конструктивных особенностей двухкомпонентного датчика.

Рисунок 5 - График = f(ц, и), при r = 0.05 м, и = [0є, 90є], ц = [-30 є, 30 є]

Рисунок 6 - График = f(ц, и), при r = 0.07 м, и = [0 є, 90є], ц = [-30 є, 30 є]

Компьютерная программа для расчета электрического поля датчика скорости на основе этой математической модели, написанная на языке Turbo Pascal, прилагается к работе.

Разработанная численно-аналитическая математическая модель электрического поля в пространстве между электродами датчика скорости учитывает изменения скорости измеряемого потока воды из-за эффектов обтекания и имеет более высокую оперативность расчета характеристик датчика по сравнению с классическим подходом к решению полевой задачи.

Для расчета проводимости жидкости между электродами датчика целесообразно представить пространство между электродами, разбитым на тонкие трубки с площадью сечения и длиной , каждая из которых имеет проводимость . Площадь сечения трубки стремится к бесконечно малой величине. При этом размер трубок выбирается с учетом того, чтобы отношение оставалось постоянным для каждой трубки. Тогда проводимость жидкости в пространстве между электродами и проводимость трубки можно рассчитать по следующим формулам:

, (24)

, (25)

где - удельная проводимость полупроводящей жидкости.

Если считать площадь сечения каждой из трубок постоянной, то для расчета проводимости необходимо найти только удельную проводимость и матрицу величин длин трубок . Удельная проводимость жидкости определяется по формулам (8), (9).

Если разбить каждый электрод на сектора, по площади совпадающие с сечением трубок S, то длина каждой трубки будет тождественна длине траектории движения носителя заряда от определенного сектора одного электрода до сектора, расположенного в той же точке на поверхности другого электрода. Носителем заряда в жидкости является ион соли, движущийся по силовой линии электрического поля датчика. Направление элемента этой линии dl задается следующей системой уравнений в сферической системе координат:

. (26)

Это уравнение позволяет определить матрицу величин длин трубок

Таким образом, предлагается следующий алгоритм расчета проводимости между электродами датчика.

1. Задаются координаты центра сектора .

2. Вычисляется длина трубки , выходящей из данного сектора по следующему циклическому алгоритму.

2.1. Задаются координаты начальной точки, при первом прохождении цикла равной .

2.2. С помощью физических законов, описывающих электрическое поле (23), определяются значения в этой точке.

2.3.После подстановки и dl в (26), определяются координаты следующей точки силовой линии .

2.4. Шаги 2.1-2.3 повторяются для точки с координатами , и вычисляются координаты следующей точки.

2.5. Завершается построение силовой линии, когда ион соли оказывается на поверхности противоположенного электрода, то есть его пространственные координаты попадут в область пространства, где находиться электрод.

2.6. Счетчик количества повторений цикла temp увеличивается на 1.

2.7. Длина траектории движения иона от одного электрода до другого, или длина трубки , будет равна произведению количества циклов или повторений шага 2.1-2.6 temp на длину шага .

3. Рассчитывается проводимость трубки согласно (24).

4. Шаги 1-3 повторяются для каждого сектора.

5. Рассчитывается проводимость среды между электродами согласно (25).

Разработанная методика расчета проводимости среды между электродами датчика скорости судов, отличается тем, что она учитывает эффекты обтекания морской водой сферического датчика и изменения солевого состава воды.

Компьютерная программа для расчета проводимости среды между измерительными электродами электромагнитного датчика скорости, написанная на языке Turbo Pascal, прилагается к работе.

Далее в разделе, необходимо найти зависимость между ЭДС между электродами датчика и скоростью движения судна.

Каждый электрод датчика необходимо разбить на секторов, как это было сделано при расчете проводимости между электродами. Необходимо вывести выражение для потенциала одного из секторов электрода в ситуации, если бы весь электрод состоял из одного сектора, стремящегося по размерам к точке

. (27)

При подстановке (14) и (23) в (27), и после решения определенного интеграла получается выражение

.(28)

Так как рассматривается непроводящий электрод, следовательно, значение потенциала электрода равно

. (29)

Рассматриваемое электрическое поле датчика имеет на каждом из электродов потенциал одинаковый по модулю, но разного знака. Таким образом, разность потенциалов электродов равна

,(30)

где , - пара координат k-того сектора электрода; - весовой коэффициент, рассчитанный для , ,;

Следовательно, коэффициент пропорциональности между скоростью судна и ЭДС между электродами датчика равен:

. (31)

Коэффициент k представляет собой серию преобразований над матрицей , которая является константой, зависящей от конструкции датчика. Следовательно, зависимость между ЭДС между измерительными электродами и скоростью судна линейна.

При подключении датчика к измерителю с потенциальным входом, то есть с высоким входным сопротивлением, согласно расчетной модели датчика сопротивлением между электродами датчика можно пренебречь. Согласно (11), если выбирать сопротивление измерительного устройства >> , то сопротивление жидкости между электродами 0.

В этом случае расчет датчика скорости включает в себя лишь расчет коэффициента пропорциональности между скоростью судна и ЭДС между электродами датчика скорости.

Расчет проводимости среды между электродами датчика скорости необходим для выбора величины сопротивления измерительного устройства, к которому подключается датчик.

Итогом второго раздела является разработанная методика обработки сигнала электромагнитного сферического датчика скорости судов, который подключается к измерительному устройству с потенциальным входом. Методика включает в себя:

1) расчет матриц весовых коэффициентов сферических гармоник для магнитного поля датчика по выражению (13);

2) расчет скорости судна как произведения напряжения U на коэффициент преобразования k (31).

Для реализации методики представлена компьютерная программа, выполненная на языке Turbo Pascal, которая прилагается к работе.

В работе также описан альтернативный алгоритм преобразования сигнала датчика с учетом влияния проводимости между измерительными электродами. Но при расчете скорости судна с его помощью возникают более высокие погрешности.

Для реализации алгоритма представлена компьютерная программа на языке Turbo Pascal, которая прилагается к работе.

Разработанная методика преобразования исходного сигнала электромагнитного датчика скорости судов для измерительных устройств с потенциальным входом, отличается тем, что учитывает эффекты обтекания морской водой сферического датчика.

В третьем разделе рассмотрены особенности практической реализации результатов исследования, полученных в работе, представлена методика построения разработанных двухкомпонентных и трехкомпонентных электромагнитных датчиков скорости судов, метрологическая оценка их характеристик и метод их диагностики.

Результатами применения математических моделей разработанных во втором разделе, а также анализа причин возникновения погрешностей, влияющих на коэффициент преобразования датчика k, являются сформулированные в начале третьего раздела шесть факторов. Указанные шесть факторов определяют оптимальное исполнение датчика для повышения его метрологических характеристик. Это следующие факторы.

1. Шарообразная форма датчика.

2. Переменный характер магнитного поля датчика.

3. Интенсивное магнитное поле в области зондирования скорости.

4. Совпадение профиля измерительных электродов с линиями магнитной индукции магнитного поля датчика.

5. Размещение электродов на сфере датчика по линии большого круга, плоскость которого перпендикулярна измеряемой проекции скорости.

6. Измерительные электроды являются частью поверхности обтекателя датчика, для устранения турбулентных завихрений потока при обтекании.

Перед проектированием новых датчиков был произведен патентный поиск среди многокомпонентных устройств измерения скорости жидкости. По результатам патентного поиска можно констатировать, что еще ни к одному из ранее запатентованных датчиков нельзя применить все шесть факторов. При проектировании датчиков измерителей скорости были учтены все указанные факторы.

В работе предлагается методика построения двухкомпонентных электромагнитных датчиков скорости.

На основе факторов, определяющих оптимальное для повышения метрологических характеристик исполнение датчика, разработана и магнитная система для двухкомпонентного датчика скорости. Магнитная система двухкомпонентного датчика изображена на рисунке 7. Она состоит из сердечника и обмотки возбуждения 1. Сердечник (он же магнитопровод) выполнен пятистержневым и включает в себя центральный стержень 2, четыре боковых стержня 3 и основание 4 в форме креста. Обмотка возбуждения 1 размещена на центральном стержне 2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 7 - Магнитная система двухкомпонентных датчиков

Наличие почти замкнутого магнитопровода для рабочего магнитного потока позволяет существенно увеличить интенсивность магнитного поля в рабочей зоне измерения скорости электропроводящей жидкости.

Магнитная система датчика и измерительные электроды должны помещаться в обтекатель сферической формы из немагнитного материала.

Магнитная система легла в основу двух новых устройств: двухкомпонентного датчика измерителя скорости электропроводящей жидкости, защищенного патентом на изобретение, и двухкомпонентного датчика измерителя скорости электропроводящей жидкости, защищенного патентом на полезную модель.

Варианты исполнения новых двухкомпонентных датчиков выбраны после предварительного расчета переменного электромагнитного поля датчика с помощью среды QuickField 5.0 (рисунок 8 и рисунок 9) и с помощью разработанных математических моделей электрического и магнитного поля датчика. Выбор осуществлен из различных вариантов, отличающихся по соотношению высоты центрального и боковых стержней и положению электродов. Основным критерием выбора была максимальная интенсивность магнитного поля в области размещения электродов.

Рисунок 8 - Интенсивность магнитного поля двухкомпонентного датчика (изобретение)	Рисунок 9 - Интенсивность магнитного поля двухкомпонентного датчика (полезная модель)

Разработанные двухкомпонентные датчики изображены на рисунках 10 и 11. Для увеличения интенсивности переменного магнитного поля в рабочей зоне измерения скорости в конструкцию датчика, описанного в патенте на полезную модель, были введены четыре вспомогательных катушки индуктивности, размещенные на боковых стержнях.

Рисунок 10 - Двухкомпонентный датчик скорости (изобретение)	Рисунок 11 - Двухкомпонентный датчик скорости (полезная модель)

К работе прилагаются описания разработанных двухкомпонентных датчиков скорости из патентов на изобретение и полезную модель.

В работе предлагается методика построения трехкомпонентного датчика скорости. Исходя из факторов, определяющих оптимальное для повышения метрологических характеристик исполнение датчика, выбрано защищенное патентом на полезную модель расположение магнитной системы и электродов для одновременного и независимого измерения трех составляющих скорости потока с учетом эффектов обтекания.

Трехкомпонентный электромагнитный датчик скорости полупроводящей жидкости изображен на рисунке 12.



Рисунок 12 - Трехкомпонентный электромагнитный датчик скорости

Датчик содержит первую, вторую и третью пары электродов 1, 2 и 3, магнитопровод 4, а также первую 5 и вторую 6 обмотки возбуждения. Магнитопровод 4 выполнен в виде шара с первой и второй кольцевыми проточками (на рисунке 12 не обозначены), каждая из которых расположена симметрично относительно области большого круга магнитопровода 4 в плоскости перпендикулярной плоскости другой кольцевой проточки. Внутри первой кольцевой проточки размещена первая обмотка возбуждения 5, внутри второй кольцевой проточки - вторая 6. Первая, вторая и третья пары электродов 1, 2 и 3 расположены на поверхности магнитопровода 4 на трех взаимно перпендикулярных осях таким образом, чтобы первая и третья пары электродов 1 и 3 находились над второй обмоткой возбуждения 6, а вторая пара электродов 2 над первой 5. В области первой кольцевой проточки под каждым электродом из первой пары 1 размещены выполненные из ферромагнитного материала скобы 7, охватывающие вторую обмотку возбуждения 6. От первой, второй и третьей пар электродов 1, 2 и 3 предусмотрено подключение к входу измерителя скорости электропроводящей жидкости (на рисунке 12 не обозначены).

На каждой из пар электродов 1, 2 и 3 возникает электрический сигнал, пропорциональный проекции вектора скорости на направление, определяемое расположением соответствующей пары. Для второй и третьей пар электродов 2 и 3 высокая интенсивность магнитного поля в области зондирования скорости полупроводящей жидкости обеспечивается формой магнитопровода 4, а для первой пары электродов 1 она достигается за счет размещения под каждым электродом скобы 7 из ферромагнитного материала.

К работе прилагается описание трехкомпонентного датчика скорости из патента на полезную модель.

На основе анализа факторов, влияющих на коэффициент преобразования датчика k, и анализа случайных погрешностей получены метрологические характеристики разработанных датчиков.

В таблице 1 приводится сравнение технических характеристик чувствительного элемента наиболее распространенного электромагнитного преобразователя скорости ИЭЛ-2М и разработанных датчиков.

Таблица 1 - Технические характеристики электромагнитных датчиков скорости

Название	Диапазон измеряемых скоростей, м/с	Предельная погрешность измерений, м/с	Относительная погрешность измерений, %	Параметры питающей сети переменного тока, В, Гц
Чувствительный элемент ИЭЛ-2М	0 - 30	0,2	0,67	220, 50
Разработанные электромагнитные датчики скорости	0 - 40	0,05	0,125	220, 50

Следовательно, использование разработанной методики преобразования сигнала датчика для разработанных многокомпонентных датчиков скорости позволяет в четыре раза снизить погрешность при одновременном измерении нескольких составляющих скорости.

В работе рассматривается разработанный метод диагностики, проводимой перед эксплуатацией электромагнитного датчика скорости, сущность которого заключается в сравнение электрического сопротивления катушек с эталонным значением, с вставленным или вынутым сердечником.

Он позволяет выявить наиболее распространенные дефекты электромагнитных датчиков:

- окисление поверхности электродов;

- короткозамкнутые витки в катушке;

- низкая магнитная проводимость сердечника, связанная с изменением магнитных свойств в процессе эксплуатации.

Итогом работы, проведенной в третьем разделе, являются патентные документы на проектируемые приборы оценка метрологических характеристик приборов и методика их диагностики.

В заключении сформулированы основные выводы по диссертации.

Все поставленные в ходе работы задачи были решены. Эти решения состоят в следующем.

1. Разработана математическая модель магнитного поля между электродами электромагнитного датчика скорости, основанная на теории идентификации электромагнитных полей, отличающаяся более высокой оперативностью расчета электромагнитных характеристик датчика по сравнению с классическим подходом к решению полевой задачи.

2. Разработана математическая модель электрического поля между электродами электромагнитного датчика скорости, учитывающая изменения скорости измеряемого потока воды из-за эффектов обтекания и имеющая более высокую оперативность расчета электромагнитных характеристик датчика по сравнению с решением краевой задачи.

3. Разработана методика преобразования исходного сигнала датчика скорости, отличающаяся тем, что она учитывает влияние эффектов обтекания морской водой поверхности датчика и изменения солевого состава воды, и за счет этого повышающая точность в четыре раза при одновременном измерении двух или трех составляющих скорости судов.

4. Разработана инженерная методика расчета проводимости между электродами датчика, отличающаяся тем, что она учитывает эффекты обтекания морской водой сферического датчика и изменения солевого состава воды.

5. Разработаны методики построения новых конструкций двухкомпонентных и трехкомпонентных электромагнитных датчиков скорости судов.

6. Произведена оценка метрологических характеристик запатентованных датчиков скорости, согласно которой разработанные датчики имеют меньшую погрешность измерения, чем применяемые в настоящее время многокомпонентные электромагнитные датчики скорости судов.

Основное содержание диссертационной работы отражено в следующих публикациях

1. Пат. 2399059 РФ, МПК G01 P5/08. Двухкомпонентный датчик измерителя скорости электропроводящей жидкости / Ю. А. Ганьшин, В. Я. Лавров (РФ). 2009113093/28 // 2010. 6 с..

2. Патент на полезную модель №86753 РФ, МПК G01 P5/08. Двухкомпонентный датчик измерителя скорости электропроводящей жидкости / Ю. А. Ганьшин, В. Я. Лавров (РФ). 2009112988/22 // 2009. 7 с.

3. Патент на полезную модель №100281 РФ, МПК G01 P5/08. Трехкомпонентный датчик измерителя скорости электропроводящей жидкости / Ю. А. Ганьшин, В. Я. Лавров (РФ). 2010127362/28 // 2010. 7 с.

4. Ганьшин Ю. А., Лавров В. Я. Исследование электромагнитных параметров жидких полупроводящих сред // Завалишинские чтения: Сб. докл./ СПб.: ГУАП, 2008.

5. Ганьшин Ю. А., Гнедов А. А., Лавров В. Я. Теоретические принципы построения датчиков скорости электропроводящей жидкости // Завалишинские чтения: Сб. докл./ СПб.: ГУАП, 2009.

6. Ганьшин Ю. А., Лавров В. Я. Алгоритм идентификации внешнего магнитного поля электротехнических устройств // Завалишинские чтения: Сб. докл./ СПб.: ГУАП, 2009.

7. Ганьшин Ю. А., Лавров В. Я. Расчет внутреннего сопротивления электромагнитного датчика скорости // Завалишинские чтения: Сб. докл./ СПб.: ГУАП, 2010.

8. Ганьшин Ю. А., Лавров В. Я. Определение структуры электромагнитного поля между электродами электромагнитного датчика скорости// Завалишинские чтения: Сб. докл./ СПб.: ГУАП, 2010.

Размещено на Allbest.ru

...