автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Электромагнитные преобразователи устройств изменения многокомпонентных перемещений изделий

п

На правах рукописи

Для служебного пользования

Экз. Л'2 36

I

МЕРКУЛОВ Алексей Иванович

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ УСТРОЙСТВ ИЗМЕРЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ИЗДЕЛИЙ

Специальность 05.13.05 — элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени докюра технических наук

Самара 2000

Работа выполнена в Самарском государственном аэрокосмическом университете имени академика С.П. Королева

Научный консультант:

Засл. деят. науки и техники РСФСР, д.т.н., профессор КОНЮХОВ Н.Е.

Официальные оппоненты:

д.т.н., профессор УРАКСЕЕВ М.А. д.т.н., профессор ЛОГВИНОВ Л.М. д.т.н., доцент ВАСИН H.H.

Ведущая организация - ОАО СНТК им. Н.Д.Кузнецова, г. Самара.

часов

Защита состоится « ¿4 » НОЛЪЯ 2000 г. в_ па заседании диссертационного совета Д.063.87.02.

в Самарском государственном аэрокосмическом университете по адресу: г. Самара, 443086, Московское шоссе 34 А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного аэрокосмического университета им. С.П. Королева.

Автореферат разослан « 2000 г

Ученый секретарь совета Д. т. н.

г /

(а:.сСс <-/ Калентьев A.A.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие современных газотурбинных двигателей ( ГТД ) и газотурбинных установок идет по пути повышения мощности. Увеличиваются давление за компрессором и температура в камере сгорания. Улучшаются габаритно-массовые показатели - снижается материалоемкость узлов и корпусных элементов. Решающее влияние на экономичность и надежность ГТД оказывают зазоры между торцами лопаток рабочего колеса ротора и статором. Так,уменьшение зазора в высоконагруженных ступенях компрессора на 1 % приводит к увеличению коэффициента полезного действия ГТД на 2% и запаса газодшгамической устойчивости на 5%. Однако при малых зазорах высока вероятность "врезания" гребешков лопаток во внутреннее уплотнительное покрытие статора на переходных режимах работы ГТД.

Проблема минимизации радиальных зазоров связана с согласованием тепловых расширений ротора и статора, с оптимизацией способов передачи переменных силовых нагрузок на подвеску двигателя для сохранения концентричности статора и ротора, с ужесточением допусков на сборку и балансировку ГТД. При этом сами зазоры являются лишь одной из составляющих векторов многомерных перемещений различных зон оболочки статора. Проблема усложняется еще и тем, что на статоре ГТД имеются массивные агрегаты управления, регулирования и привода различных систем двигателя. Расчетные модели собственных форм и частот колебаний оболочки статора ГТД не могут дать полных и достоверных динамических и прочностных характеристик. Поэтому задача контроля пространственных деформаций корпуса работающего ГГД путем измерения ортогональных составляющих многокомпонентных перемещений ( МП ) контрольных точек ( КТ ) в труднодоступных зонах оболочки корпуса является важной с процессе разработки и испытаний двигателей, обладающих повышенными экономичностью н надежностью. Контроль МП в труднодоступных зонах контролируемых изделий ( КИ ) необходим при определении взаимных многокомпонентных перемещений стыка полок бандажированного лопаточного веща 1ТД, а также для других областей техники и прикладных научных исследований , например, для робототехнических комплексов.

Из множества средсгв контроля МП КИ молено выделить два основных вида: - контактные, - бесконтактные. Контактные - имеют экранированную и устойчивую к внешним воздействиям конструкцию, но результирующая погрешность зависит от точности базирования, от деформаций элементов механических связей, от стабильности контакта в спектре частот КИ, что снижает качество контроля. Бесконтактные - основаны на взаимодействии с КИ электромагнитных полей, т.е. на применении оптоэлектронных, емкостных, вихретоковых чувствительных элементов ( ЧЭ ), среди которых последние получили наибольшее распространение при измерении статических и динамических перемещений КИ, работающих в загрязне1шых скоростных газовых потоках с повышенной влажностью и перепадами температуры.

Существующие бесконтактные средства электромагнитного контроля многокомпонентных перемещений КИ основаны, как правило, на применении нескольких однокомпонентных преобразователей. Размещение большого количества однокомпонентных преобразователей для контроля взаимных перемещений деталей и узлов машин становится трудноосуществимой задачей особенно в

зонах КИ с ограниченным доступом, что не позволяет реализовать одновременный контроль МП в одной контрольной точке изделия.

Необходим поиск новых подходов к построению электромагнитных средств измерения МП КИ, а это, в первую очередь, связано с разработкой обобщенных и частных математических моделей электромагнитных преобразователей перемещений, работающих в условиях воздействия большого количества влияющих факторов. Таким образом, комплекс задач, связанных с исследованием и разработкой электромагнитных преобразователей для измерения МП КИ, представляет собой актуальную научно-техническую проблему, имею. щую важное народно-хозяйственное значение.

Работа выполнена в рамках комплексной научно-технической программы « Полет» Минавиапрома и Минвуза РСФСР, инновационной межвузовской программы "Надежность конструкций", межвузовской НТП Госкомвуза "Не-разрушающий контроль и диагностикег", комплексной программы «Перспективные информационные технологии в высшей школе» ( подпро1рамма АСНИ ), комплексной программы « Конверсия », а также региональной программы « Развитие научного и технологического потенциала Самарской оппасти ».

Цель диссертационной работы. Обобщение, развитие теории и разработка пхирокодиапазошшх электромагнитных преобразователей многокомпонентных перемещений в каждой из контрольных точек, расположенных в труднодоступных зонах изделий.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались . следующие задачи:

-сформировать концептуальную модель многоэлементных преобразователей для бесконтактного измерения МП в каждой из контрольных точек, расположенных в труднодоступных зонах КИ;

-обосновать выбор систем координат и разработать методы и алгоритмы определения компонент перемещений и их составляющих от различных влияющих факторов;

-провести анализ топологии возбуждающего поля и идентификацию электромагнитных преобразователей по типам для работы в труднодоступных зонах изделий с большим диапазоном контролируемых перемещений;

-разработать математические модели параметрических и трансформаторных бесконтактных электромагнитных преобразователей для измерения ортогональных составляющих вектора многокомпонентных перемещений изделий;

-выполнить теоретическое и экспериментальное исследование влияния - конструктивных и режимных параметров преобразователей на их чувствительность к компонентам перемещений и электрофизическим характеристикам контролируемых изделий;

-обосновать способы построения блоков экранированных чувствительных элементов с заданной направленностью возбуждающего поля для повышения помехозащищенности электромагнитных преобразователей;

-разработать многоканальную аппаратуру с улучшенными технико-экономическими характеристиками для систем электромагнитного измерения многокомпонентных перемещений узлов изделий машиностроения.

-Методы исследования. В работе использованы: теория электромагнит^ ного поля применительно к задачам контроля перемещений электропроводящих изделий, гармонический анализ функций распределения плотности тока по за-

дат и,™ поверхностям, аналитическая геометрия, векторная алгебра, теория • матриц, дифференциальное исчисление функций многих переменных, теории погрешностей п инвариантности, теории электрических и магнитных цепей, имитационное моделирование с использованием ЭВМ. Достоверность многих положений работы проверена экспериментально, а также сравнением получен- : пых результатов с данными, опубликованными другими авторами.

- Научная новизна работы заключается в следующем.

- Предложена концепция измерения многокомпонентных перемещений (МП) в каждой из контрольных точек (КТ), расположенных в труднодоступных зонах двигателей, основанная на выделении ортогональных составляющих вектора пространственных перемещений зон контролируемых изделий ( КИ ). Разработаны алгоритмы и методики определения ортогональных компонент перемещений в каждой зоне контроля изделия.

- На основе анализа возбуждающего поля преобразователей с использова- • нием теории магнитных цепей и экспоненциальных моделей характеристик накладных электромагнитных преобразователей перемещений проведена идеши- ■ фикация и впервые выделены два типа преобразователей : компланарные и ортогональные. Выявлены преимущества ортогональных преобразователей при измерении МП в труднодоступных зонах КИ с большим диапазоном перемещений.

- Разработаны математические модели многоэлементных ортогональных преобразователей, позволившие проанализировать основные характеристики первичных преобразователей с учетом взаимного влияния компонент перемещений и полей чувствительных элементов друг на друга.

- Установлены ранее неизвестные закономерности, связывающие конструктивные и режимные параметры ортогональных преобразователей с их чувствительностью к контролируемы?,« и мешающим компонентам перемещений , а также к электрофизическим характеристикам КИ.

- Разработаны рекомендации по построению блоков экранированных чувствительных элементов с заданной направленностью возбуждающего поля для повышения помехозащищенности электромагнитных преобразователей. Исследовано влияние конфигурации экрана для установки чувствительных элементов в едином проводящем корпусе ма характеристики элеклромагнитных преобразователей МП КИ.

- Разработаны структурные схемы и алгоритмы функционирования многоканальной аппаратуры, позволившие расширить функциональные возможности и повысить помехозащищенность устройств электромагнитного измерения МП и деформаций КИ .

На защиту выносятся:

- Концепция одновременного бесконтактного измерения ортогональных составляющих МП в каждой из КТ, расположенных в труднодоступных зонах КИ. Методики измерения компонент перемещений и деформаций КИ.

- Результаты теоретического анализа возбуждающего поля, позволившие провести идентификацию и выделить типы компланарных и ортогональных накладных электромагнитных преобразователей и обосновать области их применения.

- Математические модели параметрических и трансформаторных ортого-на№ных электромагнитных преобразователей перемещений, позволившие проанализировать их основные характеристики с учетом влияния компонент перемещений на вносимые параметры чувствительных элементов.

- Результаты исследований конструктивных и режимных параметров многоэлементных преобразователей, позволившие получить высокую чувствительность в широком диапазоне контролируемых перемещений.

- Способы построения блоков экранированных чувствительных элементов с заданной направленностью возбуждающего поля для повышения помехозащищенности измерений МП в труднодоступных зонах КИ.

-Алгоритмы функционирования и структурные схемы многоканальной аппаратуры для систем измерения многокомпонентных перемещений с широкой областью практических применений.

Практическая значимость. Созданы алгоритмы и программное обеспечение для расчета на ЭВМ параметров ортогональных преобразователей, позволяющие сократить сроки проектирования, уменьшить затраты на экспериментальные исследования и доводку опытных образцов преобразователей. Разработан класс оригинальных миниатюрных экранированных преобразователей, отличающихся простотой, технологичностью и широкой областью применений в измерительных системах, позволяющих повысить достоверность и сократить время испытаний машин. Даны практические рекомендации по использованию принципа многоканальное™ для повышения помехозащищенности аппаратуры.

Устройства измерения МП КИ являются технической базой для решения разнообразных задач в системах контроля и управления сложными объектами, причем объекты измерений не ограничиваются рамками настоящей работы.

Разработаны модификации преобразователей (накладных и ортогональных - ПНо), отличающиеся количеством одновременно контролируемых компонент перемещений. Типовыми из них являются преобразователи : с одноком-понентными параметрическими или трансформаторными ПНо для контроля линейных перемещений, с двухкомпонентными трансформаторными ПНо контроля линейных и угловых перемещений, с пятикомпонеитными трансформаторными ПНо контроля линейных и угловых перемещений по ортогональным направлениям, с пятикомпонентньш ПНо контроля кривизны поверхности по ортогональным направлениям, с ПНо для контроля перемещений КИ с шестью степенями свободы.

Использование единого корпуса блока первичных преобразователей позволяет проводить совместные градуировки чувствительных элементов. Уменьшается количество разъемов и соединительных линий, что упрощает переустановку датчиков в процессе испытаний КИ. Многоканальная аппаратура измерения МП КИ увеличивает пропускную способность испытательной станции и повышает эффективность использования дорогостоящею оборудования.

Реализация результатов работы

Многоканальный прибор ВВМ -6 внедрен на моторостроительном объединении им Фрунзе, г. Куйбышев для контроля взаимных многокомпонентных перемещений стыка полок при стендовых испытаниях бандажированных полками лопаточных венцов ГТД. Комплект прибора включает три двухкомпонент-

пых и один пятикомпонентнъгй преобразователи линейных и угловых перемещений.

Модели миниатюрных экранированных электромапштных преобразователей МП КИ используются в учебном процессе при подготовке специалистов по дисциплинам " Автомобильные датчики " и " Электрические измерения неэлектрических величин" , а также в студенческих научных работах на кафедрах электротехники и радиотехнических устройств СГАУ.

На Чапаевском опытном заводе измерительных приборов внедрены: система ПМП - 6 контроля наводки машин в полевых условиях. Комплект прибора включает один шестикомпонентный блок первичных преобразователей (БПП) и два трехкомпонентных БПП для контроля МП КИ по трем ортогональным осям координат; система ПМП - 4 электромагнитного контроля пространственною положения узлов машин с целью идентификации и унификации проводимых исследований и измерений.

На Самарском НПО «Труд« внедрены : система ПМП - 24 для исследования относительных перемещений опор роторов при работе изделия на стенде для обоснования допусков на центровку опор в процессе сборки изделия; аппаратура ПМП - 60 с миниатюрными преобразователями МП но ортогональным осям координат в каждой контрольной точке КИ.

В ЦИАМ ( Московская область), внедрена аппаратура БИКВ - б бесконтактного измерения пространственных колебаний валов .

Для Челябинского тракторного завода разработано, изготовлено и внедрено устройство ИКП-4 для бескнгтактного распознавания наличия покрытия в виде медной фольги под краской.

Устройство УКРП компенсации разброса периметров резаков пресса внедрено на обувной фабрике ТОО " Волжане "( г. Самара).

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на межотраслевой научно-техн. конф. ЦИАМ, ( г. Москва, 1988 г.), на Всероссийском постоянно действующем семинаре ЦРДЗ ( МДНТП ) «Вибрационная техника«, ( г. Москва, 1992, 1991, 1990, 1989, 1988, 1987, 1986, 1984, 1983 г.), на Всесоюзн. научно-техн. конф. «Микроэлектронные датчики в машиностроении« , ( г. Ульяновск, 1990 г. ), на Всесоюзной наушо -¡ехн. конф.« Современное состояние и перспективы развития методов и средств виброметр™ и вибродиагностики« , (г. Минск-Москва, 1989 г.), на Всесоюзной научно-техн. конф. «Неразрушающие физические методы и средства контроля«,(г.Москва, 1987 г.), на Всесоюзном совещагпш «Проблемы теории чувствительности электронных и электромеханических систем «, (г.Москва 1987 г.), на Всесоюзной научно-техн. конф.« ИИС - 83«, ( Куйбышев, 1983 г.), на Всесоюзной научно-техн. конф. «Электромагнитные методы контроля качества материалов и изделий«, (г.Омск, 1983 г.), на Всесоюзной научно-техн. конф.« Конст-рукцисишая прочность двигателей«,(г.Куйбышев, 1979, 1983 г. ), на республиканской научно-метод. конф. «Опыт целевой подготовки специалистов в ушт-верситете «,(г.Самара, 1993 г. ), на обл. научно-техн. конф « Методики и аппаратура неразрушающего контроля«,(г.Куйбышев, 1990, 1985 г.), на Всесоюзн. научно-техн. конф. «Неразрушающие физические методы и средства контроля«, (г.Кишинев, 1977 г.), на научно-техн. семинарах кафедры« Общая электротех-ника«(МЭИ, 1980, 1991 г.), на научно-техн. совете НИИИН, (г.Москва, 1980, 1982 г. ) , на научно-техн. семинаре по итогам работы отраслевых лабораторий

ОНИЛ-5, ОНИЛ-16 СГАУ ( Самара, 1999г.), на научно-техническом совете радиотехнического факультета СГАУ,( г. Самара, 1999 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 64 работы, в том числе одна монография, 15 статей, 14 тезисов докладов на всесоюзных и региональных конференциях, получено 23 авторских свидетельства, 5 патентов РФ на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 232 наименований. Общий объем работы 387 страниц, в том числе 226 страниц машинописного текста, 112 рисунков, 12 таблиц на 12 страницах и 46 страниц приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, изложены цель и задачи исследований, краткое содержание, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту, а также практическая ценность диссертационной работы.

В первой главе рассматриваются методы определения компонент перемещений и деформаций изделий машиностроения. В настоящее время комплекс средств бесконтактного электромагнитного контроля перемещений базируется на использовании компланарных первичных преобразователей, имеющих плоскость витков катушек параллельных поверхности КИ и измеряющих линейную компоненту перемещений, по направлению совпадающую с геометрической осью ЧЭ.

Большой вклад в разработку принципов построения электромагнитных преобразователей внесли фундаментальные исследования российских и зарубежных ученых - Герасимова В.Г., Зацепина H.H., Клюева В.В., Михеева М.Н., Стеблева Ю.И., Сухорукова В.В., Шатерникова В.Е., Шкарлета Ю.М., Щербинина В.Е., Шура Я.С., Жукова В.К., Никитина А.И., Ферстера Ф., Bahniuk D.E. и др.

Среди работ, посвященных проектированию инвариантных многомерных измерительных преобразователей в составе информационно - измерительных систем и различной многоканальной аппаратуры, известны работы Агейкина Д.И., Гитиса Э.И., Домрачева В.Г., Зарипова М.Ф., Карандеева К.Б., Куликовского Л.Ф., Карпова Е.М., Конюхова Н.Е., Новицкого П.В., Осадчего Е.П., Петрова Б.Н., Пустынникова В.Г., Смолова В.Б., Шляндина В.М. и др. Использование принципа многоканальности позволяет учитывать влияние возмущающих воздействий на точностные показатели узлов преобразователей , вырабатывающих сигналы о составляющих векторных многокомпонентных перемещений.

Использование информационной избыточности отражено в известных работах Алиева Т.М., Бромберга Э.М., Волгина Л.И., Земельмана М.А., Куликовского К.Л., Лихтциндера Б.Я., Мартяшина А.И., Орнатского П.П., Скобелева О.П., Туза Ю.М., Цапенко М.П и др. Системный подход к проектированию измерительных систем отражен в ряде структурных и алгоритмических методов обработки сигналов, повышающих качество измерительной информации или позволяющих контролировать физические величины, не измеряемые другими методами. Как следствие этого большое развитие получили принципы унификации и магистрально - модульного метода построения средств измерения с широким использованием микроконтроллеров, микро и мини ЭВМ.

В работах Нестерова В.Н. и Секисова Ю.Н. векторные многокомпонентные физические величины рассматриваются как функции от множества составляющих их информативных компонентов, допускающих многовариантность их представления в зависимости от особенностей объекта исследования и постав-лепной задачи.' Однако построение систем измерения МП КИ базируется на использовании большого количества однокомпонентных преобразователей перемещений , имеющих"~ значительные размеры автономных корпусов и элементов их крепления.

Механическое перемещение или коммутация таких преобразователей дает возможность измерения функций пространственного распределения МП или профиля поверхности КИ по выбранным направлениям. Большой объем механических систем жесткой пространственной ориентации ПН при реализации одновременного контроля МП КИ из одной контрольной точки ( КТ ) по ортогональным направлениям затрудняет их применения в труднодоступных зонах КИ.

В отличии от упомянутых и других известных исследований, развиваемый в работе подход базируется па концепции, основанной на следующих положениях :

- зона контроля, принадлежащая КТ КИ, в общем случае может рассматриваться как объект контроля с шестью степенями свободы;

- объект контроля находится в труднодоступной зоне;

- в КТ КИ устанавливается жесткий трехгранный опорный уголок (ОУ), определяющий зону контроля МП КИ;

- внутри опорного уголка размещается блок первичных преобразователей ( БПП ) МП КИ.

Компоновка ЧЭ в зоне контроля МП КИ базируется на положениях:

- линии измерения компонент перемещений и измерительные оси ПН должны быть продолжением друг друга;

- длина измерительной размерной цепи должна быть минимальной;

- силовые механические цепи не должны влиять на измерительную размерную цепь.

Первое положение направлено на исключение погрешностей от перекоса и переноса линии измерения относительно заданною направления. Второе - позволяет «шзить погрешности от влияния изменений температуры на узлы крепления первичных преобразователей. Третье - направлено на уменьшение погрешности от упругих и пластических деформаций силовой рамы испытательного стенда. Указанные положения определяют методические погрешности контроля взаимного расположения деталей машины и требуют учета взаимного пространственного положения установочной, опорной и измерительной баз.

Корпуса многих энергетических машин : газотурбинных двигателей, турбоагрегатов, газогенераторов, а также трубопроводы теплообменников и стволы пушек в упрощенном виде можно представить имитационной моделью - оболочка цилиндрической формы. На рис. 1 показан один из вариантов расположения КТ 1-12. Координаты КТ задаются в установочной системе координат ХУХ, связанной с неподвижной силовой рамой испытательного стенда. Ось X проходит через исходные положения цапф крепления оболочки (точки 5 и 7). Ось Ъ совпадает с осью оболочки. Ось У лежит на нормали к плоскости УХ. Сложность и многомерность перемещений и деформаций обо-

лочки затрудняют оценку компонент перемещений КТ КИ, характеризующих различные стороны и источники исследуемых процессов.

Рис. 1

На рис. 2 показаны особенности предложенной концепции для случая объекта контроля с шестью степенями свободы, расположенного в труднодоступной зоне КИ, т.е. размещение однокомпонентных ПН с внешней стороны объекта контроля невозможно. В КТ КИ устанавливается жесткий электропроводящий трехгранный ОУ, определяющий зону контроля МП КИ. Внутри ОУ размещается шесть ЧЭ в едином корпусе Б1III для одновременного измерения МП КИ .

Опорная система координат определяется ребрами XI, У1, 21, образованными пересечением граней ОУ, вершина которых жестко соединена с заданной КТ КИ . ОУ имеет шесть степеней свободы и его положение в пространстве может быть задано радиус — вектором, связывающим КТ КИ с полюсом - центром О - пересечения измерительных осей БПП и указанием углов Эйлера <рх, фу, <Рг? определяющих ориеита-

цию ОУ относительно X, У,г .

Измерительный массив данных определяется взаимодействием электромагнитных полей ЧЭ БПП с проводящими гранями ОУ. ЧЭ расположены по два на каждой из смежных граней БПП. Линия размещения ЧЭ параллельна следующей оси, относительно направления измерительных осей ЧЭ, в порядке круговой перестановки X, У, 2,X. Например, ЧЭ, установлешше в зонах 1 и 2 на расстоянии До друг от друта вдоль оси X, контролируют перемещения А КИ по оси Ъ. Величину компонент линейных и угловых перемещений КИ с шестью степенями свободы можно определить как

И2 = 0,5 (Иг, I И12) ; щ- - агс £ ((Ип - Иг1) //)„) ; Иу 0,5 (Иг, Ч1Г2); <рх агс 1%((ИГ2-Ип )/В0); (I)

Нх - 0,5 (Их, + Их2) Ч>/.агс ((ИХ2 - А.п) >'Оп) . В правых системах координат положительные углы отвечают поворотам против часовой стрелки. Зная компоненты перемещения, можно определить радиус-вектор КТ по формуле Ьх,у,7, х = Ь„„-*'А 1 +Ог/2 , или в проекциях Ихя ' -!'хтч + П0/2 + ап ИХ1 + а,2 Иу, + а,3 И21, ¡Пи - ИГшч + Б0 /2 + а2, ИХ1 + а22 Иц + а23 Иг,, ( 2 )

И/я = И7мт + 1)0 /2 + ап ИхI : а32 Ьп 1 а33 Иг,, где Д)-расстояние между ЧЭ одной грани БПП, ап - сояфу соБф/ ; д^-эпиру sinфx - соБфу совфх к1пф/ ; £?1з—БШфу соБфх + со.чфу 51пфх вшфг ;

а 21 — втф; ; а22 = совфх со5(р7 ; = - вшфх сояф/ ; - - втфу совф/.;

Я 32 = С05фу БШфх +■ 5Шфу СОЭфх БШфг ; Дзз ~ СОЭфу СОЭфх - вШфу БШфх БШф/

При контроле только линейных компонент перемещений измеряемые компоненты одного ПН являются мешающими для других ПН данного БПП, что 1гриводит к появлению погрешности от взаимного влияния компонент перемещений. Массив измеряемых сигналов, например, 1!ц - напряжений на выходе БПП, соответствует зазорам А,, , где первый индекс ]-1,2,3 - номер ПН, определяющий направление его измерительной оси, а /' - - номер БПП, соответствует номеру КТ оболочки статора ГТД. Первые ПН у каждого БПП ориентируют для контроля радиальной Ак компоненты перемещений КТ ( базовая информативная компонента ), вторые ПН - тангенциальной Ит. третьи ПН - осевой компоненты Иг, перемещений КТ.

В таблице 1 показана взаимосвязь измеряемых и мешающих компонент перемещений ПН для измерительных каналов одного корпуса БПП.

Компоненты перемещений ПН н БПП_Таблица 1

Канал БПП Измеряемые Мешающие

Продольные Поперечные

ПН1 А К/=> Ад И 21 => А т

ПН2 И у2 => И т Пх2=>ИК Ан=> И/,

ПНЗ ИГЗ=>ИХ Ихз^/'т А гз=> Ал

Размеры у каждого ЧЭ ПН: длина / больше ширины Ъ, намного большей толщины (1 (рис. Зи 4 ). Изменяя соотношение площадей Iх Ь, Iх с!, Ьх (1, определяющих электромагнитное поле ЧЭ по заданному направлению, можно

осуществить многовариантность соотношений чувствительностей к компонентам перемещений по ортогональным направлениям. Направление У максимальной чувствительности ПН к перемещениям определяется нормалью, проведенной из центра грани ЧЭ с наибольшей площадью / х Ь. Мешающие компоненты перемещений изменяют расстояние от ЧЭ до соседних граней ОУ.

Рис. 4

В работе рассмотрены особенности влияния и других факторов: установочного утла - фу - ОУ и (р/ - координатного угла КТ; ср¡с -угла кручения оболочки, кв -изменения радиуса оболочки под действием температуры 0.

Проведено моделирование функций влияния факторов с использованием метода последовательного расчленения общей задачи на ряд частных задач, аналитической аппроксимации базисных ( частных) функций отклика от отдельных групп факторов, полученных экспериментально при контроле МП КИ, с последующей композицией полученных частных функций в общую математическую модель. Главное требование к математической модели - достоверность и удобство ее последующего использования, которое обеспечивается компактностью и интерпретируемостью аналитического описания. Компактность модели достигается выбором малого количества элементарных функций, обеспечивающих хорошее приближение к реальной функции. Интерпретируемость модели получается путем связи коэффициентов, входящих в модель, с действующими факторами. Разрешение противоречия между компактностью модели и точностью описания экспериментальных данных состоит в ограничении сложности

модели по заданной погрешности адекватности, возникающей вследствии недостаточного соответствия аппроксимирующей функции всем особенностям экспериментальных данных.

В общем случае, используя гипотезу о независимом и линейном влиянии параметров , можно представить результирующее перемещение ОУ в виде X liji = h°ji + hhjj + h'ji + h ^ , где векторы h9j,, hhji, h1^ , h3jj - температурное расширение, перемещение, кручение , эллипеная деформация KTj оболочки, что определяет актуальность разработки широкодиапазонных ЧЭ с малыми габаритами для работы в труднодоступных зонах КИ. Изменяя установочный угол фу ориентации БПП и ОУ в различных КТ оболочки, можно управлять коэффициентами £.,, = cos фу влияния компонент перемещений

MO - V + Z", .zy^Vt), (3)

где hjio - начальный зазор от ЧЭ до соответствующей грани ОУ, hj,( t) -рабочие перемещения ЧЭ в направлениях соответствующих координатных осей.

Разработаны методы и алгоритмы определения компонент перемещений и их составляющих от отдельных влияющих факторов. Зависимости выходных напряжений ЧЭ от влияния каждой из ортогональных компонент перемещений близки к экспоненциальным. Более точной аппроксимацией является полиномиальная. Поэтому результирующая математическая многофакторная модель сигналов трехкомпонентного БПП представлена произведением частных функциональных зависимостей

л =(£>.( глумЕ (4>

,--а ¡--о „о

При градуировке БПП, устанавливая необходимые комбинации зазоров и опрашивая АЦП в каждой точке для всех ЧЭ, получаем матрицу зазоров liTjr и соответствующие ей матрицы кодов напряжения UJlr

hlyl = Kjir Ujir. ( 5 )

Коэффициенты KJlr=f{i3„ bj,cr) вычисления h4y, по обобщенным напряжениям Uiir =f i(U,)' (U2 У (U3 У Определяются решением системы линеиных уравнений ( 5 ) методом вращения (разновидностью метода Гаусса ), обладающим повышенной устойчивостью к 'провалам' промежуточных вьптслений, возникающих из - за плохой обусловленности систем большою порядка. Так как при интерполяции максимальная степень полинома определяет количество пьП2,Пз точек градуировки каналов контроля перемещений по направлениям X, Y, Z соответственно, то для каждого БПП общее число N градуировочных точек для каждого измерительного канала равно

N = (n, + 1 )(n2+l)(n,+l). (6)

При измерении происходит опрос всех ЧЭ и вычисление компонент перемещений по формуле ( 5 ). Увеличение количества одновременно учитываемых влияющих факторов измерительных каналов резко усложняет решение систем уравнений ( 5 ), что требует использования функций , обобщающих влияние различных факторов.

Во второй главе проведена идентификация электромагнитных преобразователей перемещений с использованием моделей в виде последовательности с периодом Тпр шин с противоположным направлением соседних токов.

Система уравнений Максвелла в совокупности с условиями однозначности позволяет определить состояние электромагнитного поля в каждой точке про-

странства и в каждый момент времени. Условия однозначности включают в себя геометрические параметры исследуемой системы ЧЭ - КИ, физические параметры среды: диэлектрической проницаемости е, магнитной проницаемости ¡i , удельной электрической проводимости а, начальные напряженности электрического Е0 и магнитного Н0 полей при f = 0 во всех точках системы, а также краевые условия на ее границах.

Для снижения методических погрешностей электромагнитного контроля перемещений КИ рассмотрены обобщенные я-критерии подобия. Допустимое соотношение токов проводимости и смещения в зоне контроля перемещений

CÜC

л, =— <0,01, где со - угловая частота изменения поля, легко выполняется.

При этом излучением поля в окружающее пространство и токами смещения можно пренебречь. Допустимое соотношение токов проводимости и токов, на-ведетмх за счет движения поверхности металлического изделия в возбуждаю щем поле накладного преобразователя (ПН) со скоростью V

uHV QR ЛЛ, ,, ti г - _ =-< 0,01., где ¿ий - напряженности электрического и магнитного полей, R - внешний радиус лопаточного венца ГТД, вращающегося с частотой/2.

Относительные размеры ПН, определяются соотношением ZX, к d:¡. Для немагнитных КИ лъ = f = ßl = Оголит. Для магнитных КИ ß2 = ß02/pr-

Масштаб геометрических параметров КИ удобно вычислять как отношение сходственных размеров (рис. 3, 4), за базовые значения которых принимают:

- глубину d3, проникновения плоской электромагнитной волны в проводящее полупространство (1э - ^2/ара , - d - толщину стенок КИ.

- размеры, отражающие пространственную конфигурацию силовых линий электромагнитного поля: -диаметр катушек компланарных ПН (ПНк), с плоскостью витков, параллельной поверхности КИ; 1и- длина пластинчатого магнитопровода ортогональных ПН (ПНо), с плоскостью витков катушек, намотанных на среднюю часть магнитопровода, перпендикулярной поверхности КИ; D.j - диаметр эквивалентного контура вихревых токов , наведенных на поверхности КИ , значение которого легко определяется по приближенной зависимости вносимой индуктивности ЬШ1 от зазора h между ПН и поверхностью КИ

6А

'<« = 4™ ■ ^ , А, = 6 ДА In L.m /A4. , ( 7 )

где L^ = Lo»,- ¿<*e - максимальная вносимая индуктивность,- L^- индуктивность ЧЭ, удаленного как от КИ, так и от других металлических поверхностей, Lora - индуктивность ЧЭ, установленного на КИ с h=0, ДА-дополнительное изменение зазора h, приводящее к уменьшению индуктивности до Д£„.

В труднодоступных зонах КИ для формирования направленности поля ПН только в зону контроля целесообразна начальная установка ЧЭ на опорной металлической поверхности с установочным зазором dy~0 ( рис. 3 и 4 ), что приводит к необходимости определения Lm= L0o~ Lo*,, где L0a¡,- индуктивность

ПН , закрепленного на металлической опоре с нулевым зазором и удаленного от КИ , ¿оо - индуктивность ПН , зажатого с двух сторон КИ и опорой. При контроле Л необходимо работать с малыми с!3, использованием Ро -> °о при работе с немапштными КИ, и Р —> 0 при работе с магнитными КИ. Из ( 7 ) следует, что базовыми параметрами ПН являются^ начальная индуктивность I;со ; размер Дэ, характеризующий крутизну уменьшения вносимых параметров с ростом Ь; максимальный коэффициент Кт связи системы ЧЭ - КИ при Ь=0 - для немагнитных КИ Кт = Ьтт / Ьх, - для магнитных КИ Кт = Ьтт / /.„ . (8)

В методе вихревых токов за основной тип принят компланарный параметрический ПНк ( рис.3 ). ПНк моделируется односторонним соединением двух соседних шин. Для прямоугольного ПНк , имеющего /к > Ьк, имеем Дэ = Ьк, что ограничивает диапазон контролируемых перемещений. Лучшие опытные круглые образцы ПНк имеют Кта = - 0,5 и Дэ /Дк = 1. В труднодоступных зонах контроля КИ установка ПНк в экран на опорной немагнитной металлической поверхности приводит к компенсации возбуждающего поля ПНк полем наведенных вихревых токов опоры, что резко уменьшает чувствительность ПНк к перемещениям . Установка ПНк на поверхность магнитной опоры удваивает начальную индуктивность катушки, но неоднородность поля в магнитопроводе увеличивает нестабильность ее параметров.

Анализ конструктивной топологии ПН, определяемой количеством , пространственной ориентацией и взаимными связями полей катушек, а также практических задач контроля МП КИ позволил разработать класс ЧЭ типа ПНо , у которых ось токовых катушек, намотанных на среднюю часть плоского магни-топровода, параллельна поверхности КИ. ( рис. 4 ) Под ПНо русло вихревых токов на поверхности КИ определяется направлением витков проводников катушки. У концов оно раздваивается и замыкается на участках, близких к краям маг-иитопровода, т.е. русло вихревых токов имеет восьмеркообразную форму и Дэ зависит от /л,. Максимальная плотность вихревых токов наблюдается под центром ПНо. У краев магнитопровода плотность вихревых токов меньше, чем в центральной части, что ослабляет влияние внешних краев КИ и ОУ.

Для сравнения основных типов преобразователей - ПНк и ПНо - в таблице 2. приведен,,г их базовые параметры для различных случаев работы с КИ и использования различных материалов каркаса для крепления ЧЭ.

ПНо с пластинчатым магнитопроводом длиной 1М, шириной Ьм = /д/ / 2 , толщиной с1м « 0,1 Ъм , выполненный по интегральной технологии, может непосредственно устанавливаться на проводящие немагнитные поверхности для получения повышенных Кт—>1 и Дд = А/ . У ПНо магнитный сердечник увеличивает начальную индуктивность в сотни раз. Соленоидальное поле магнитопровода ПНо определяет его однородность и повышенную временную стабильность параметров ЧЭ. Эквивалентный диаметр Дэ контура вихревых токов определяется /д/, что определяет повышенный диапазон контролируемых перемещений. Направленность возбуждающего поля ПНо только в зону контроля позволяет уменьшить влияние проводящих поверхностей, окружающих зону контроля.

Использование ферромагнитных концентраторов возбуждающего поля ПН, как известно, требует учета магнитных шумов, которые превышают тепловые шумы.

Идентификация ПНк и Пно._Таблица 2.

Формулы расчета максимального коэффициента связи Кш = / Ктм = / Ь0

Область применения ПН При свободной доступе к КИ (1у—> СО В труднодоступных зонах КИ (1,-ЮО

Материал опоры для крепления ЧЭ Диэлектрик Металл

Н - немагнитный, М - магнитный

Случай работы ПН с КИ Н | М | НН | НМ | КШ | ММ

Тип ГШ Базовые параметры Численные значения

ПНк а->о Кт -0,7 0,4 -0,2 0,13 -0,7 0,8

Дэ / Дк 1,0 1,0 0,2 0,2 1,0 0,5

Пно <1->0 Кт -0,4 0,8 0,8 0,8 4),03 0,15

Д>' 0.9 0.4 1 2 0.4 - 0.4

На границе диапазона й,„ контролируемых зазоров изменение ЛЬ ПН , полученное от Л!г , равное допустимой погрешности контроля, должно быть не менее результирующей нестабильности индуктивности 1,ш ПН. С учетом (7) и приравнивая Л1, и 1ли , получим Ьт, равное

'' Ит=(Д>/6)1п(6АкЦнм/ДэШ). (9)

На рис. 5 представлены графики Лш =/(Дэ ) при ЛИ = 0,05 мм. Линии

Рис. 5

I - 5 соответствуют значениям ЬЫт! Ьш равным 5 10\ 2,5 103 , 103, 500, 200. Экстремальность указанных зависимостей определяет предельные Ьт, ограничивающие диапазон контролируемых перемещений увеличением диаметра Дк ПНк или длины ПНо.

Указанные в табл. 2 значения параметров преобразователей определяют области их применения. Приведено описание класса модулей миниатюрных БПП одно, двух, трех, пяти и шести компонентных электромагнитных преобразователей перемещений.

Таким образом выявлены преимущества использования в труднодоступных зонах КИ миниатюрных ортогональных преобразователей (ПНо), позволяющих : , .

-создать переменную или периодическую структуру электромагнитного поля, исходя из задач контроля и особенностей форм изделий;

-повысить производительность контроля путем выбора рационального количества чувствительных элементов (ЧЭ) н зон контроля;

-получить повышенные Кт и Дэ каждого ПНо к контролируемой компоненте перемещений;

-использовать интегральную технологию изготовления катушек ПНо с магнитопроводом;

-реализовать одновременный контроль трех ортогональных компонент линейных перемещений из единого центра.

-размещать ПНо в пазах единого проводящего корпуса блока первичных преобразователей (БПП) для локализации электромагнитного поля в зоне контроля и снижения погрешностей от взаимного влияния пространственных компонент перемещений и от других факторов , например, температуры;

-получить новые характеристики многоэлементных ПНо ( ПНМо), позволяющие расширить функциональные возможности средств электромагнитного контроля изделий.

В третьей главе на основе теоретических исследований функций пространственного распределения ( ФПР ) первичных полей ЧЭ и вторичных полей токов, наведенных на поверхности раздела сред, установлены закономерности, определяющие влияние конструктивных и геометрических параметров преобразователей на их выходные характеристики. Электромагнитные поля реальных конструкций БПП - трехмерные. Рациональный выбор расчетных моделей преобразователей выполнен с учетом известных публикаций, краткий обзор которых также приводится в третьем разделе.

Исследованы принципы построения параметрических преобразователей с унифицированными ЧЭ. С помощью модели в виде периодической последовательности токовых шин ( ЧЭ ) шириной /к , размещенных с полупериодом Тпр (с противоположным направлением соседних токов ) в пазах по рабочей поверхности плоского магнитопровода, расположенного на расстоянии h над проводящей полуплоскостью КИ, проведен расчет ФПР составляющих первичного поля и определены зависимости начальных параметров Lo ПНМо от /к и ТПр ■

На основе метода разложения в ряды Фурье ФПР поля но рабочей поверхности ПНо, получены выражения для расчета составляющих вносимого сопротивления на i - элемент токового слоя, количество которых Пт = lv/g, а длина вдоль оси Y равна Ьщ . Для обобщения количественного анализа введены безразмерные параметры ( см. рис. 3 и 4) : Sp - Тир/1К ; у„ ~ - пя/ТПр к; к2 ео//ст;

Т

an 2hn/Tnp ; = Hnxi / Hxmax ; /?,, =-^-JcoJTa >

n

R«nij = lY z ^ МП Pn (cos {pit/lSp )Xcxp (- a„ pn y„ ))x

V2,r n = l (10)

X + l/yj* 1 - i„,

1 °° п я

~7=-<Ч" 1у £ кш Рп «» т^г—"пРпУп ))* л/2лг л = , гл^ и I)

Составляющие вносимого в ПНМо сопротивления:

л1 т

йвв = ХХ; хвн = ; /=1 >=1

(12)

где и1 - количество проводников на рабочей поверхности ПНМо длиной /к ; ш - число Тпр Чр по ширине ПНМо ( количество модулей ПНМо), КМц - коэффициент влияния магаитопровода на поле преобразователя.

Показано, что ограничение числа п учитываемых гармоник до 20 приводит к погрешностям расчета вносимых параметров не более 2 %. При изменении ¿V от 2 до 20 годограф относительных вносимых сопротивлений 2В„ / а>Ьп = =/ ( Яр ) является экстремальным как по реактивным - ЬВц, так и по активным . ¡(¡¡и сопротивлениям. Точки годоцшфа с максимальными значениями Ьцц определяют оптимальные при проектировании ПНМо для контроля МП КИ. С ростом обобщенного параметра Р максимум вносимых сопротивлений получается при больших Бр . Функции аЬц =/(И) имеют экспоненциальный характер и при шч » 1 не зависят от Шч. ПНМо с максимальными вносимыми параметрами имеет Бр в диапазоне от 4 до 6 . Максимальный диапазон контролируемых перемещений получается при Бр = 2 ... 3.

Решена задача одновременного электромагнитного контроля линейных и угловых перемещений с помощью трансформаторных ПНМо, выполнешшх с использованием Н-образных магнитопроводов и соответствующих случаю тч ~ =1. Расчетная модель ПНМо представлена в виде токовых слоев, расположенных в пазах с двух сторон перемычки Н-образного магнитопровода, на боковых . стержнях которого размещены три измерительных катушки. Одна из катушек размещена на нижнем стержне, обращенном к КИ, и включена встречно как с катушкой, расположенной на соосном верхнем стержне, для получения сигнала (/И линейных перемещений, так и с катушкой на другом нижнем стержне - сигнала угловых перемещений. ,

Для расчета параметров ПНМо использованы методы интегральных уравнений, позволяющие рассматривать границы раздела сред в виде эквивалентного токового слоя ( вторичного источника электромагнитного поля ) . Разработан блочно - итерационный алгоритм и на языке Си составлена прохрамма расчета начальных и вносимых сопротивлений экранированных ПНМо, состоящий из трех этапов. На 1 этапе рассматриваются первичные поля и начальные параметры ПНМо при А =со. Выбирается шаг % дискретизации токовых слоев й / /к = - 0.05, исходя из заданной менее 2% погрешности расчета тангенциальной Нх и нормальной Ну составляющих напряженности магнитного поля Нх ( при X = 0 ) и Ну ( при X = 0,5 1м ) поля ПНМо . Численные расчеты функций распределения плотности ус связанных токов по поверхности магнитопровода выполнены решением системы уравнений

ГГсО) ][Л(] х)]-2 [НО)] , ( 13 )

где А(]1) = (соя(Щ, п0)) g/ Л/, - коэффициенты взаимного влияния нитей свя-зашшх токов 1с = ус «о - направление нормали к поверхности рассматриваемого участка магнитопровода, Н, - тангенциальная составляющая поля 2 токовых слоев, Щ - расстояние между точкам^ , в которой определяется ус и 1 - текущей координаты § на поверхности магнитопровода. Расчеты показали , что начальное напряжение !/0 измерительных катушек

и„ = щ та со КЯЕ( НуУО) + НуУсО)) ( 14 )

не зависит от (1М и растет с увеличением 5[р=/д/ / Ь при постояшюм токе катушки.

На втором этапе с помощью решения системы уравнений (13 вычисляются функции распределения плотности ув вихревых токов по проводящей поверхности КИ. Определены вносимые параметры ПНо с учетом краевых эффектов. Для получения погрешности определения вносимых параметров менее 4 % достаточно иметь размеры ¡юг зоны взаимодействия с проводящим изделием — 1,6 1м 0,8^" (1 + 2с) + 0.6 /г. где с - высота боковых стержней магнитопровода.

На третьем этапе уточняется ус с помощью итерационных циклов расчета плотности уев связанных токов на поверхности мапппопровода от действия полей вихревых токов. На первом цикле уи-ус - Уев К0 , где Ко = 0,6 ...0,8. На следующих циклах повторяются расчеты уп и уСв , а также проводится проверка выполнения условия Лус < е усмлх по допустимой погрешности е равной 2 %. Несоответствие указанному условию вызывает повторение расчетов уСц по выражению уев + 2 = Уев +1-0,5 Дус . Заданная погрешность получалась после 3 ... 5 циклов расчетов, что свидетельствует о хорошей сходимости итерационных циклов. По величинам тангенциальных составляющих напряженностей Нхв и Нхсв поля от вихревых и вторичных связанных токов рассчитаны вносимые индуктивности на единицу длины токовой катушки , а по величинам нормальных составляюнцос Нув и Мусе - вносимые э.д.с. на единицу длины соответствующей измерительной катушки.

ит ив- исв - МотпаКмп^,[НуВ(']) ■+ Н>сй(})]& ( 15 ) где Кш - / + (цг - /л,) / (+Ц1)(е*Р (-2 пжс/Тщ.) ) При высоте стержней с — 0 влиянием связанных токов на боковых гранях магнитопровода можно пренебречь, что упрощает программу и сокращает время расчета ФПР составляющих Яг, Ну напряженности поля ПНМо. Результаты расчетов показали, что с ростом 4/ / ¡к напряженность Их при X = 0 непрерывно возрастает. Наибольшее значение Нут /Н0 = 1,1 получается при 1м/ 1/с -=2 , что соответствует результатам расчетов и рекомендациям, полученным при использовании гармонических расчетных моделей. Увеличение Sp более 5 приводит к уменьшению Нут и появлению бокового максимума Ну у края магнитопровода. Наибольшее значение тангенциальной составляющей Нх поля у края магнитопровода получается при = 3,4. Укладка проводников токовой катушки в пазы магнитопровода увеличивает начальную индуктивность катушки, но снижает коэффициент КТ связи системы ЧЭ КИ.

Рассмотрены особенности согласования выходного сопротивления 7вых генератора и начального сопротивления 1к токовой катушки ПНМо. С уменьшением зазора А сопротивление 7ж уменьшается, что приводит к росту тока питания от источника э.д.с. и увеличению чувствительности к перемещениям, так

как при встречном включении измерительных катушек относительно первичного поля получается их согласное включение к полю вихревых токов.

С увеличением 1м улучшается чувствительность к угловым перемещениям. получается при <р = ± 10° и установочном зазоре Ио / 1ц = 0,23. Дальнейшее увеличение начального зазора приводит к расширению диапазона контролируемых угловых перемещений, но одновременно снижается чувствительность ПНМо. Поскольку

иг = и0 Кт(ехр (- 6 Ь/йэ))( 1 - ехр (- б Д, & ср/Оэ)), (16 ) то для получения сигналов 1/д,. инвариантных к линейным перемещениям КИ, необходимо корректировать по сигналам и /,. Проведены исследования по определению положения Хо измерительных осей ПНМо

Х0 = 0,11 /,„-0,26/г+ 0,42 а, (17)

когда погрешность контроля линейных перемещений от влияния угловых перемещений не превышает 2 %.

Таким образом с помощью предложенных математических моделей преобразователей решена задача построения ПНо с повышенными Кт, Д-> для измерения линейных и угловых компонент перемещений.

В четвертой главе рассмотрены методы повышения помехозащищенности аппаратуры контроля МП в труднодоступных зонах КИ. Проведен анализ пространственной селекции ПН с помощью экранирования ЧЭ и локализации поля в зоне контроля.

Выбор конфшурации и размеров ЧЭ и установочных пазов в проводящем корпусе БПП является многопараметровой задачей. На рис. 3 и 4 были показаны основные геометрические размеры экранированных ПНк и ПНо. Оценка влияния геометрии паза на параметры экранированных компланарных ПНк была выполнена с катушками диаметром Дк с вариацией диаметра До и высоты с1Р боковых стенок установочного паза проводящего корпуса. Уменьшение До и глубины паза приводит к уменьшению КТ и Д>, что снижает чувствительность и диапазон контролируемых перемещений. У дифференциального ПНк До > 1,4 Дк, расстояние между катушками с > 0,5 Дк, расстояние ¿у от компенсационной катушки до дна паза с!у >0,5 Дк, что приводит к результирующей глубине паза с/;> - с ) с1у В результате построение БПП с такими ПНк приводит к размеру 1Г его ребра 1Г > 3 Дк, что определяет недопустимо большие габариты и массу БПП.

Характеристики дифференциальных экранированных ПНо с магнито-проводом зависят от большого количества влияющих факторов. Показано, что на температурную стабильность ПНо существенное влияние оказывает масштабно-технологический фактор, проявляющийся в том, что влияние некоторых внешних воздействий на магнитопровод сказывается различно в зависимости от геометрической формы и способов механической сборки экранированного обмоточного узла.

С использованием расчетной модели ( 13 ) доказано, что относительная чувствительность Кт экранированного ПНо в два раза выше чувствительности свободного ПНо, т.к. начальная индуктивность ЧЭ может уменьшиться в два ' раза при постоянстве величины максимальной вносимой индуктивности.

Рассмотрены составляющие результирующего активного сопротивления катушки экранированного ЧЭ: сопротивление медного провода Ни,

сопротивление, обусловленное потерями на гистерезис и на вихревые токи в мапштопроводе и Ям, - сопротивление, обусловленное потерями на вихревые токи в экране /?э и КИ ЯР.ц. Показано, что на высоких частотах вихревые токи в магнитопроводе улучшают стабильностьпараметров ЧЭ.

В широком диапазоне частот проведены теоретические и экспериментальные исследования изменений параметров II и I, катушек ПНо с учетом распределенных емкостей С катушки и соединительной линии. Показано, что рабочий диапазон частот огратмен собственной резонансной частотой контура, вблизи которой велики погрешности от нестабильности значений С и 11. Анализ полученных характеристик зазора при различных рабочих температурах показал, что угол между линиями изменения вносимых параметров от влияния зазора и температуры превышает 50°, что позволяет использовать амшппудно -фазовый метод для отстройки от влияния температуры на сигнал о зазоре.

Разработан, параметрический БПП для контроля трех линейных ортогональных компонент перемещений КТ КИ. Его вид представлен на рис.б, а его разрез на рис. 7. Корпус 1 БПП состоит из трех, наложенных друг на друга каркасных пластин 2, 3, 4, в наружных пазах 5, б, 7 которых установлены рабочие ЧЭ. Компенсационггый ЧЭ 8 размещен в полости 9 внутри корпуса 1, что исключает влияние ОУ 10 на его параметры. Показано, что равенство начальных параметров рабочих и компенсационного ЧЭ получается при общей глубине полости (¡г <0,2 1м . При этом образуется дополнительная полость 11, которая может использоваться для установки блока электроники.

Рис.6 .Рис. 7.

Электромагнитное поле каждого ЧЭ взаимодействует не только с рабочей гранью ОУ по направлению У, но и с боковыми гранями ОУ по направлениям X и Ъ, что приводит к появлению погрешности ЛдЛ от взаимного влияния компонент перемещений. Для снижения Авл конструктивными методами предложено на гранях ОУ дополнительно устанавливать корректирующие, пластаны 12, размеры которых определены по условию малости влияния, краевых эффектов в наружной зоне ОУ. Определены установочные расстояния /;, Ь/ , фиксирующие удаление внутренних краев пластин 12 от граней ОУ,; при которых обеспечивается квазикомпенсация влияния граневых и краевых эффектов (рис. 8, линии 3, 2, 1 соответственно ). Однако наиболее эффективно уменьшение погрешности ДВд обработкой сигналов ЧЭ на ЭВМ по выражению (5).

/г

/

Для контроля трех линейных и трех угловых ортогональных компонент перемещений из единого центра предложено три трансформаторных ПНо 1 на Н - образных магнитопроводах разместить в пазах 2 проводящего корпуса 3 БПП. На рис. 9 представлена пространственная компоновка ПНо внутри корпуса 3 , а на рис. 10 - сечение по А - А корпуса , расположенного внутри ОУ 4 .

Рис. 8

Для уменьшения вероятности возможных соударений корпуса и уголка внутренняя вершина 5 рабочих граней корпуса 3 срезана. Компенсационные катушки 6 размещены на внутренних стержнях Н-образного магнитопровода и включены встречно с измерительной катушкой 7 для получения сигнала Ц, линейных перемещений. Катушка 7 также соединена с измерительной катушкой 8 для по

Рис. 9 Рис. 10

лучения сигнала и <р угловых перемещений. Токовая катушка 9 создает возбуждающее переменное электромагнитное поле. Отверстие 10 в корпусе связывает все пазы с соединительным разъемом.

С помощью расчетной модели (13) проведены исследования по выбору конфшурации и размеров пазов для установки ЧЭ в проводящий корпус БПП : (}в - углубление торцев магнитопровода относительно рабочих граней БПП, -расстояние от торцев магнитопровода до дна паза, с! ¡> и ЬР- глубины и ширины паза, - на его базовые параметры : ит„ - напряжение разбаланса катушек при Ь ->со , [])„„ - максимальное вносимое напряжение в измерительные катушки при Ь —)■ 0, Дэ - эквивалентный диаметр контура Еихревых токов.

Разработан алгоритм построения БПП. Показано, что для получения максимальных (¡/т магнитопровод ПНо должен иметь 1и > 2 Ьи » 20 с1м, т.е. иметь вид пластинки, на которой размещаются катушки. Однако при этом нарушается симметрия полей в рабочей и компенсационной зонах, что ухудшает помехоустойчивость преобразователя. Увеличение высоты боковых стержней до 0,15 /и позволяет использовать цилиндрическую форму паза диаметром 0,8 1м, удаленную на расстояние 0,5 1М для сохранения симметрии поля в рабочей и компенсационной зонах и получения IIтт - 0. На рис. 11 показаны зависимости базовых параметров , 11т„ , Дэ от ширины ЬР паза. Максимум 1]нт к До по-

и

Ц50 400 ЗБО 300 О

-50 -100 -КО -200

мВ

14т

Из

г ц 8 я ю

ч,ч Ср мм

^тм V

V

\

п3

105 10 Э5 э

лучается при совмещегаш торца магнитопровода с рабочей гранью БПП и Ьр = Ьм .=0,3 1м . Измерительные оси ПНо удалены от рабочих граней БПП на расстояние 1,1а размер рабочих граней корпуса БПП не превышает 1,41и, что свидетельствует о миниатюрности конструкции БПП МП КИ.

Для повышения надежности измерений в условиях возможных кратковременных воздействий высоких температур, повышенных давлений , сильных магнитных полей необходима диагностика ПНо в процессе его эксплуатации. Один из возможных путей решения указанной задачи -введение в ПНо специальных тестирующих обмоток, например, восьмер-кообразной формы, размещенных на рабочей и компенсационной сторонах катушек ПНо. Концы тестирующей обмотки подключаются к электрошю-Рис. 11 му ключу , при замыкании которого на-

веденные токи тестирующей обмотки дополнительно экранируют ПНо в заданном направлении. В режиме тестирования ключ, связанный с обмоткой на рабочей стороне ПНо замкнут, а другой ключ, связанный с обмоткой на компенсационной стороне ПНо, разомкнут. Электромагшгшое поле ПНо замкнуто во внутренней области паза корпуса. Проверяются начальные параметры катушек ПНо. В режиме измерения состояние ключей противоположное и электромагнитное поле ПНо направляется в зону контроля КИ для получения его выходных сигналов, обрабатываемых на ЭВМ.

Таким образом, впервые, удалось установить повышение II¡,т и Дэ при экранировании ПНо. Установка катушек ЧЭ в пазы каркасов корпусов БПП из высокопроводящих материалов обеспечивает их жесткую пространственную ориентацию, а интегральная технология изготовления позволяет исключить использование дополнительных крепежных устройств. Ввиду высокой теплопроводности металлов снижается градиент температуры между ЧЭ, что повышает стабильность работы дифференциальной измерительной схемы включения ЧЭ при действии перепадов температуры газовых потоков. Локализация электромагнитного поля в зоне контроля КИ уменьшает погрешность от дополнительного взаимодействия поля ПНо с проводящими телами, расположегашми рядом с зоной контроля, что повышает помехозащищенность преобразователей перемещений. БПП с ПНо имеют в десятки раз меньшие габариты , чем БПП с ПНк при тех же диапазонах Ит измеряемых перемещений.

В пятой главе проведены экспериментальные исследования для проверки адекватности ПНМо принятым расчетным моделям и оценки влияния факторов: трехмерности возбуждающего поля, выходпого сопротивления высокочастотного генератора, размеров поверхности КИ, ОУ, пазов в корпусе БПП. Разработаны методы построения измерительных устройств для контроля МП КИ.

Установлено, что для всех параметрических ПНМо зависимости К-1=/ ( И ) близки к экпоненцнальному закону изменения. С ростом ширины Ьк токового слоя при постоянном Тщ> увеличивается » причем наибольшее Дэ У единично-

го ЧЭ. Наибольшие Кт реализуются при S/>=4...6, максимальные Дэ соответствуют SF 2 ... 3, что подтверждает выводы теоретических исследований.

Исследовано влияние трехмерности возбуждающего поля ПНМо с помощью набора идентичных Н-образных магнитопроводов. Показано, что при вариации ЬМ/1М = 1,2... 0,2 уменьшение Кт и Дэ не превышает 20%. Это позволяет произвести миниатюризацию БПП с ПНМо. Определены зависимости вносимых параметров от краевых эффектов. Даны практические рекомендации но установке ПНМо, обеспечивающие погрешность от влияния края КИ не превышающую 3 %. Критерием качества изготовления трансформаторного ПНо являлась симметрия размещения измерительных катушек на Н-образном магнито-проводе, т. е. равенство начальных напряжений U0 при И = оо, а также равенстве максимальных вносимых напряжений Ицн в измерительные катушки при h 0.

Проведены испытания устройства контроля линейных - радиальных и угловых — изгибных перемещений горца вращающихся лопаток турбомашины с подавлением влияния мешающего фактора - крутильных колебаний лопатки. Максимум вносимого напряжения Uhm получается в момент совпадения измерительной оси ПНо на Н-образном магнитопроводе с серединой торца лопатки и зависит только от величины радиального зазора. В этот момент времени измеряется сигнал U<p контроля перекоса лопатки, который не зависит от ее крутильных колебаний. Коррекция сигнала U<p по сигналу Uhm позволяет реализовать инвариантность II<р относительно И.

Разработано устройство электромагнитного контроля кривизны поверхности по двум взаимно ортогональным направлениям , а также для контроля боч-кообразности шш седдообразности КИ в ходе их обработки. На двух средних перемычках Ж-образного магнитопровода размещают встречно включенные токовые катушки. На нижнем участке центрального стержня устанавливают опорную измерительную катушку nl , включенную встречно как с катушкой п2, находящейся на верхнем участке центрального стержня, для получения сигнала Uh зазора Uh - - Ui , так и с двумя катушками щ , расположенными на наружных боковых стержнях и соединенными согласно , для получения сигнала кривизны Uкр ' Uз + U4-U1.

Появление небольших углов (до 10° ) перекоса плоской поверхности КИ относительно торца ПНМо вызывает пропорциональное увеличение ЭДС в одной из катушек U3 или U4 и уменьшение в другой. В результате как U3 + U4, так и Ui и U2 не изменяются, а потому Ua> = 0, Uh - постоянное. Действие вогнутых поверхностей КИ вызывает уменьшение U3 + 114 относительно Uj, появляется Uкр с фазой, отличной на 180° от фазы питающего напряжения. Действие выпуклых поверхностей КИ приводит к II3 -1 U4> Uj и появлению Ua- синфазного с питающим напряжением. При Дкр /Дэ = 8... 30 влиянием кривизны поверхности на сигнал Uh можно пренебречь, а сигнал Ukp необходимо корректировать по Uh.

5 - координатный ПНМо контроля линейных перемещений по трем ортогональным осям координат с дополнительным контролем угловых перемещений по двум осям координат разработан для контроля МП стыка полок лопаточного венца ГТД. Выполнен на двух сердечниках крестообразной формы с магнитной перемычкой, соединяющей центры сердечников, на стержнях которых размеще-

ны две гругшы из трех встречно - вклоченных измерительных катушек, а на дополнительных стержнях, соосных с перемычкой, расположены еще две измерительные катушки, включенные встречно. Корпус БПП крепится к одной полке, а ПНМо устанавливают внутри ОУ, закрепленного на другой полке. Погрешности от взаимного влияния компонент перемещений не превышают 3 % ввиду симметрии дифференциально включенных измерительных катушек относительно мешающей компоненты перемещений.

Разработаны структурные схемы измерительных преобразователей постоянного тока источника питания в высокочастотный ток ЬС контура ПН . Предложены ключевые формирователи со ступенчатой квазисинусоидалыюй формой изменения питающих ПН напряжений, позволяющие минимизировать массу и габариты блока электроники аппаратуры контроля МП КИ. Дискретизация питающих напряжений позволяет получить стабильные и вместе с тем регулируемые в широких пределах фазовые сдвиги опорных напряжений, что позволяет снизить погрешности измерительных модулей при амплитудно - фазовой обработке сигналов ПНо.

Последовательно подключаясь к БПП, измерительный канал производит съем, начальную коррекцию и передачу информации в выходное устройство для машинной обработки и хранения результатов. Рассмотрены функциональные схемы измерительных каналов с параметрическими и с трансформаторными БПП контроля МП КИ. Блок управления коммутациями содержит задающий генератор и делители выходных частот : ^ - частота квантования сигналов каждого измерительного канала, определяется по высшей частоте 01 спектра колебаний КИ; Гв - частота возбуждения поля ПНМ.; ^ - частота дискретизации квазисинусоидального ступенчато изменяющегося напряжения 1]в частотой Гв, определяется по требованиям к спектральному составу Иц и шагу регулировки фазы опорного напряжения синхронных детекторов. В случае автономной работы аппаратуры контроля МП КИ используется схема хранения сигналов измерительного модуля, представляющая собой матрицу из пи емкостей. При возбуждении ¡-го измерительного канала его выходное напряжение подключается к ¡-ой емкости схемы хранения. При отключении данного канала емкость сохраняет его выходное напряжение до следующего такта опроса в течение времени , равного времени опроса других каналов.

Коррекция выходных сигналов измерительного модуля включает в себя реализацию вычислительного алгоритма с использованием как элементов цифровых интегральных схем, так и встроенных микроконтроллеров, а также может быть укомплектована персональным компьютером. Наиболее часто коррекция связана с установкой нуля, с установкой чувствительности, с подстройкой фазы опорного напряжения синхронных детекторов, с линеаризацией экспоненциальной зависимости выходных сигналов ПН.

Таким образом, на физических моделях преобразователей подтверждена достоверность их теоретических исследований. Результаты анализа характеристик ПН и задач контроля МП КИ позволили разработать ряд устройств, защищенных авторскими свидетельствами и патентами РФ.

В шестой главе рассмотрены технические характеристики (табл. 3) и описания разработанных и внедренных в народное хозяйство устройств различного назначения.

Основные технические характеристики аппаратуры контроля МП КИ. Таблица 3

Наименование ВВМ - 6 ПМП-6 ПМП-4 ПМП-24 амп-бо БИКВ-2/6 ИКП-4 УКРП

Количество измерительных каналов 6 6 4 24 : 60 2 4 2

Количество БПП /х ЧЭ 3x2, 1x5 2x3 3x2, 1x6 2x2 8x3 20x3 6 х 1 4x1, 2x1 2x1

Схемно-конструктивная компоновка ЧЭ Трансформаторная Трансформаторная Трансформаторная Трансформаторная Параметрическая Парамет- • рическая Параметрическая Параметрическая

Размеры блоков первичных преобразователей (мм) 20x20x50 70x70x75 21x21x30 250х120х х75 70х70х х75 45х45х х45 016x75 - 120x25x7 017x45

Размеры рабочей поверхности магнитопровода ЧЭ (мм ) 12x3, 18x3, 21x2 12x2, 36x4 60x2x6 36x4x6 32x8x1,0 14x4x0,5 - 18x8x0,5 14x4x0,5

Диапазон контролируемых линейных перемещений (мм ), угловых перемещений (град) 0 ... 3 0 ... 4 0..3, 5..15 +-0,5 7 ...17 +-0,5 2...12 0,5...8,5 0...5 . 1...6 0...5

Основная погрешность контроля линейных перемещений (%) угловых перемещений ( %) 6 10 5 7 1 2 4 3 5 Обнаружение метки 5

Верхняя частота изменения контролируемых перемещений ( кГц) 10 2 0,2 0,02 0,02 2 0,01 0,1

Частота возбуждающего электромагнитного поля (кГц ) 100 100 100 110 50 1000 5 100

Длина соединительной линии БПП - блок электроники ( м ) 2 2 2 6 6 2,5 0,02 1

Диапазон температур в зоне установки БПП ( "С) -10 ...+ 50 -50...+50 -50...+50 -20...+40 -60...+200 -10...+50 -30...+50 -10...+50

Габариты блока электроники (мм ) 300х200х х150 260 х160 х х 110 330х255х х 120 375 х130 х х 310 360х400х х120 360х400х х120 176х100х х37 280х80х х140

Масса (кг) 5 6 4,5 6 6 4 1 0,3

Шести канальный прибор ВВМ-6 разработан для исследований бандажи-рованных полками лопаточных венцов ГТД с целю оптимизации положения, формы, угла контакта, натяга и других параметров полочного стыка, направленной на минимизацию неременных напряжешш в лопаточном пение за счет демпфирования колебшшй трением прн движении полок. Основным рабочим вариантом комплектации прибора ВВМ-6 является использование трех двух-комионетных ПНМо с Н-образным магнитопроводом. Возможно подключение одного пятикомпонептного ПНМо для одновременного контроля трех ортогональных линейных и двух угловых компонент перемещений, а также ПНМо для контроля кривизны профиля поверхности как по одному, так и по двум ортогональным направлениям.

Шестиканальная система ПМП-6 предназначена для контроля МП КИ с шестью степенями свободы в полевых условиях при сильной влажности, включая дождь. Имеет малое время подготовки к работе и свертывания по окончании работы. Снабжена двумя корпусами трехкомпонентных БПП линейных перемещений по ортогональным направлениям, устанавливаемых в двух КТ КИ на заданном базовом расстоянии друг от друга. Для оценки стабильности взаимного пространственного положения узлов машины в процессе работы система снабжена одним миниатюрным шестикомпонентным БПП. Внедрение прибора позволило проводить наводку машин по реперным КТ в условиях плохой видимости, сократить количество повторных отработок машины.

Четырехканальная аппаратура ПМП-4 - рабочее средство измерения углового смещения цилиндрических электропроводящих объектов различного диаметра относительно первоначального положения по результатам измерения радиальных смещений объекта но двум ортогональным направлениям в двух плоскостях, перпендикулярных оси КИ и удаленных друг от друга на расстояние До • Четыре обмоточных узла с Н-образными магнитопроводами длиной 1м установлены в цилиндрических пазах диаметром 0,8 1м , оси которых удалены на 0,51м от рабочих граней БПП и вырабатывают выходные напряжения, которые усиливаются, выпрямляются в синхронных детекторах и поступают в ПЭВМ, где обеспечивается аналого-цифровое преобразование и математическая обработка сигналов для получения информации об углах наводки машин.

Система ПМП-24 предназначена для контроля трех пространственных линейных компонент перемещений в каждой КТ статора ГТД. Аппаратура отличается малой потребляемой мощностью ввиду использования электронных ключевых ступенчатых формирователей питающего ЧЭ напряжения для создания высокочастотного поля ПНМо. ПМП-24 состоит из восьми корпусов БПП МП КИ, устанавливаемых по 4 в 2-х плоскостях КИ. Базой измерения является средняя опора КИ. Блок электроники содержит высокочастотный генератор, делители частоты, коммутатор, усилители и выпрямители. При настройке ПМП-24 использована автономная градуировка всех измерительных каналов. Основная погрешность определена через погрешность измерительных микроскопов, задающих эталонные перемещения, погрешность вольтметров, допустимой нелинейности рабочей характеристики измерительного канала и погрешности, связанной с нестабильностью выходных сигналов во времени.

60 - канальная аппаратура ПМП - 60 предназначена в качестве рабочего средства измерения по 3-м взаимно-ортогональным направлениям перемещений в 20 КТ корпуса ГТД . Аппаратура работает совместно с автоматизированной

системой испытаний ГТД. Используется метод мультиплексирования - демультиплексирования применительно к многоканальным измерениям, заключающийся в том, что один измерительный канал, последовательно подключаясь к ПНо, производит съем, обработку сигналов и их передачу в выходное устройство, обеспечивающее хранение входной информации по 60 направлениям, ее регенерацию с частотой опроса каналов и параллельную передачу на вход автоматизированной системы испытаний.ГТД. Блок измерительного канала аппаратуры ПМП-60. содержи: последовательно соединенные синхронный детектор, производящий амплитудно - фазовую обработку сигналов ПН с отстройкой от влияния температуры и логарифмический усилитель, осуществляющий линеаризацию и масштабирование выходного сигнала

Двухканальная аппаратура БИКВ - 2/6 предназначена для контроля колебаний элементов вращающихся роторных систем в шести контрольных зонах. Размещение рабочего и компенсационного ЧЭ с двух сторон единого алюминиевого каркаса малой толщины приводит к одинаковым изменениям их параметров при вариации температуры скоростных газовых потоков. Принцип работы БИКВ - 2/6 основан на одновременном сравнении напряжений на рабочем и компенсационном ГС- конгурах, которые с помощью ключей подсоединены к источнику постоянного напряжения. Когда ключи замкнуты, катушки ПНо запасают энергию магнитного поля. Когда ключи разомкнуты - формируется разностное выходное напряжете, зависящее от Ь. На корпусе блока электроники размещены два ряда переключателей для коммутации шести БПП к одному из двух измерительных каналов. Для повышения стабильности работы каждого измерительного канала введена отрицательная обратная связь с помощью схемы подстройки частоты возбуждающего генератора под частоту компенсационного ЬС контура. Имеются выходы постоянного напряжения, соответствующие Ь, а также выходы перемешшх напряжений, зависящие от виброперемещешш КИ.

Устройство УКРП управления прессом обеспечивает компенсацию разброса периметров резаков. С ростом периметра резака снижается скорость резания материала, что приводит к большему времени вырубки при повышенной силовой нагрузке, что требует правильного выбора пространствешшх позиций ударника, определяющих момент переключения гидропривода с прямого на обратный ход. В известных способах управления прессом клавиатурой установки положений ударника задают его нижнее положение Ьц , с помощью ручных кнопок включают привод пресса, а момент автоматического отключения привода определяется моментом прохождения ударником Ьп и временной задержкой 1з . Введено положение Ьци = Ьн + ДЬ и за время Д1 движения ударника между положениями и Ь;; осуществляют накопление рабочего параметра ( заряда -конденсатором, количества импульсов - счетчиком ) интегратором, а затем возвращают интегратор в исходное состояние за время 1з = Д1 к задержки, где к -коэффициент, определяемый экспериментально. Момент возврата интегратора в исходное состояние определяет момент автоматического отключения привода пресса. При этом за малое время Д1 измерения скорости резания материала реализован широкий диапазон задержек 1з до момента отключения привода ударника. Разработаны миниатюрные ПНо .устанавливаемые в пазы металлического корпуса пресса , как для контроля перемещений ударника, так и для контроля изгибов ударника при различных моментах нагрузки. Это повышает надежность

работы пресса путем сокращения вероятности ошибочного переключения в конце рабочего хода ударника.

Шестиканалъное устройство ИКП-4 предназначено для распознавания наличия под краской покрытия в виде четырех полосок медной фольги размером 30 х 15 х 0,05 мм на цилиндрическом ферромагнитном основании. Блок синхронизации с двумя ЧЭ обеспечивает опрос ЧЭ при наличии объекта в зоне контроля. Исследования были направлены на увеличение дальности распознавания до 6 мм при изменении температуры в диапазоне +- 50 °С и при жестких ограничениях на габариты БПП, особенно по толщине. Проведенные исследования позволили определить оптимальные Дэ ~ 20 мм, частоту поля - 5 кГц для получения достаточного соотношения между вносимыми параметрами от влияния медной пластины и ферромагнетика ( более чем на порядок ) . Четыре рабочих и один компенсационный ПНо размером 18 х 8 х 0,8 мм установлены в пазы размером 23 х 13 х 3 мм проводящего корпуса. ИКП-4 имеет повышенную надежность контроля, поскольку снижено влияние технологического разброса активных сопротивлений ЧЭ, вносимых в катушки из - за наличия магнитных потерь в сердечнике. Два дополнительных ПНо, расположенных по линии движения ферромагнитного КИ, имеют не совпадающие во времени минимумы выходных напряжений. Однако разность их напряжений равна нулю в момент точного размещения КИ под ЧЭ, что и используется для синхронизации канала формирования выходных импульсов устройства ИКП - 4.

В заключении приводятся основные результаты и выводы по диссертационной работе. Приложения содержат программы расчетов начальных и вносимых параметров преобразователей и акты внедрения разработок.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ существующих первичных преобразователей перемещений и особенностей ах размещения в контрольных точках (КТ) по поверхности контролируемого изделия (КИ). Показано, что расстановка большого количества однокомпонентных накладных преобразователей (ПН) для одновременного контроля взаимных многокомпонентных перемещений (МП) и деформаций деталей машин в труднодоступных зонах КИ становится неосуществимой задачей. Сближение ПН приводит к возрастанию их взаимного влияния и снижению помехозащищенности устройств измерения МП КИ. Поэтому комплекс задач, связанных с исследованием и разработкой широкодиапазонных электромагнитных преобразователей МП в каждой из КТ, расположенных в труднодоступных зонах КИ, представляет собой актуальную научно-техническую проблему, имеющую важное народнохозяйственное значение.

2. Впервые предложена концептуальная модель многоэлементных преобразователей для бесконтактного измерения МП в труднодоступных зонах КИ с различным числом степеней свободы, основанная на компоновке чувствительных элементов ( ЧЭ ) в едином блоке первичных преобразователей ( БПП).

3. Систематизированы существующие и разработаны новые методы измерения МП КИ, предусматривающие: размещение КТ по поверхности КИ в установочной системе координат; ориентацию опорных уголков (ОУ), связанных с КТ, в опорной системе координат; установку БПП внутри ОУ в измерительной системе координат. Для описания конечных поворотов использованы углы Эйлера. Результирующая математическая модель сигналов ЧЭ трехкомпонентного

БПП представлена в виде произведения функций отклика от отдельных влияющих факторов. Разработаны методы и алгоритмы определения компонент перемещений и их составляющих от различных влияющих факторов.

4. Приведены обобщенные критерии подобия, отражающие специфику группового взаимодействия физических факторов. Выделены базовые параметры накладных электромагнитных преобразователей: начальная индуктивность -Ьн ; коэффициент связи - Кт между преобразователем к изделием при минимальном зазоре между ними; эквивалентный диаметр - Дэ, характеризующий крутизну изменения коэффициента связи при вариации зазора. С использованием экспоненциальных моделей характеристик преобразователей и учетом их нестабильности определены границы диапазона контролируемых перемещений , зависящие от значений базовых параметров преобразователей и требуемой точности контроля.. , ,...

5. Проведены анализ топологии возбуждающего поля и идентификация накладных электромагнитных преобразователей ( ПН ) по типам : известные компланарные - ПНк и впервые предложенные ортогональные - ПНо. На модели в виде последовательности с периодом Тпр одинаковых токовых шин с противоположным направлением соседпнх токов выполнен сравнительный анализ базовых параметров ПНк и ПНо. Показано, что у ПНк магнитная подложка удваивает 1.ц, 2 ТПр определяет Дэ , Кт 1. У ПНо магнитный сердечник увеличивает ].ц в сотни раз, Тпр определяет Дэ, что позволяет удвоить диапазон контролируемых перемещений , Кт-> 0,5. Экранирование ПНо увеличивает уровень полезного сигнала ( Кт -> I ) и соотношение сиг нал / шум, поскольку снижаются погрешности от влияния проводящих поверхностей, окружающих зону контроля , а высокий коэффициент теплопроводности металлического немагнитного экрана и малые расстояния между катушками дифференциального преобразователя позволяют по сравнению с ПНк в несколько раз снизить погрешности от влияния перепадов температуры окружающей среды.

6. Разработаны математические модели и исследованы основные характеристики параметрических ПНо. На основе разложения в ряды Фурье функций распределения плотности тока по поверхности многоэлементного параметрического преобразователя получены выражения для расчета его начальных и вносимых параметров . Выявлена экстремальность базовых зависимостей Кт и Д> ПНо от ширины Ьк токовой шнны, позволяющая получить максимальный Кт = =0,8 при Тлр / Ьк = 8р = 4.. .6 , а наибольшее Дэ / Тщ» = 1,3 при Бр = 2...4.

7. Разработай оригинальный блочно-итерационный алгоритм расчета параметров трансформаторных ПНо с использованием метода интегральных уравнений и дискретизацией токов вторичных источников. Рассчитаны функции распределения плотности вихревых токов по поверхности изделия, позволяющие оценить влияние краевых эффектов. Получено выражение для расчета размеров зоны контроля7 и положения измерительной оси ПНо, .когда погрешность контроля линейных перемещений от влияния угловых перемещений КИ не превышает 2%. . . .. .,,!•;. , , ^

8 Впервые обоснованы способы построения .блоков экранированных ПНо с заданной направленностью возбуждающего поля-ЧЭ. Исследованы условия электромагнитной и конструктивной совмести мости ^НЭ в едином проводящем корпусе для измерения МП КИ с повышенной помехозащищенностью. При

этом БПП с ПНо имеют в десятки раз меньшие объемы, чем БПП с ПНк , работающими в тех же диапаз01их измеряемых перемещений.

9. Разработал стенд для экспериментальных исследований и градуировки многоканальной аппаратуры измерения МП КИ. На физических моделях ПНо подтверждена достоверность их теоретических исследований. Результаты анализа характеристик ПНо позволили разработать ряд устройств бесконтактного контроля МП КИ , защищенных авторскими свидетельствами и патентами Рос-снйской Федерации.

10. Для решения конкретных задач исследований и испытаний КИ в промышленности, научных исследованиях, учебном процессе разработана и внедрена многоканальная аппаратура, позволившая расширить возможности средств электромагнитного измерения многокомпонентных перемещений, повысить надежность диагностической оценки КИ, а также уменьшить сроки подготовки и проведения испытаний дорогостоящего оборудования.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Экранированные электромагнитные преобразователи устройств контроля многокомпонентных перемещений изделий / А.И. Меркулов ; Самар. гос. аэ-рокосмич. ун-т,- Самара, 1999,- 50 с. Деп. № 3793 - В - 99 от 21. 12. 1999 г.

2. Меркулов А.И. О подобии конструкций параметрических накладных электромагнитных преобразователей // Приборы и системы управления. - 1992 -№8,-С. 20-23.

3. Меркулов А.И., Нестеров В.Н. Измерительная система для определения компонент перемещений и деформаций изделий // Вибрационная техника. Материалы семинара. Сб. № 48 .- М.: ЦРДЗ.-1992,- С. 136 - 137.

4. Меркулов А.И., Шарков В.А. Плоский дифференциальный электромагнитный преобразователь перемещений // Вибрационная техника. Материалы семинара. Сб. № 47.-М.: МДНТП.- 1991,- С. 33 - 35.

5. Меркулов А.И., Дмитриев Ю.С., Евсигнеев А.Б. Аппаратура электромагнитного контроля многокомпонентных перемещений // Вибрационная техника. Материалы семинара. Сб. № 46,- М.: МДНТП,- 1990.- С. 43 - 46.

6. Меркулов А.И. Разработка электромагнитных преобразователей с повышенным диапазоном контрошгруемых перемещешгй // Вибрационная техника. Материалы семинара. Сб. № 45,- М: МДНТП.-1989,- С.8 - 11.

7. Меркулов А.И,, Нелюбин В.Ф. Дифференциальный электромапштный преобразователь перемещений изделий // Вибрационная техника. Материалы семинара. Сб. № 44,- М.: МДНТП.-1988,- С. 76 - 78.

8. Меркулов А.И. Влияние шага дискретизации токовых слоев на величину погрешности расчета поля вихретокового преобразователя // Оптоэлектронные и электромагнитные датчики механических величин/' Сб. научн. тр. КуАИ .1988,- С. 59 - 63.

9. Меркулов А.И. Электромагнитный преобразователь ортогональных перемещений вала // Вибрационная техника. Материалы семинара. Сб. № 43.- М.: МДНТП,- 1987,- С. 123 - 126.

10. Меркулов А.И. Электромагнитный преобразователь перемещений с шестью степенями свободы // Вибрационная техника. Материалы семинара. Сб. № 42,- М.: МДНТП .- 1986,- С. 19 -23.

11. Меркулов А.И. Бесконтактный электромагнитный контроль перемещений торца лопаток турбомашин // Вибрационная техника. Материалы семинара. , - М.: МДНТП,- 1984,- С.114 - 117.

12. Меркулов А.И. Устройство электромагнитного контроля многокомпонентных перемещений изделий // Вибрационная техника. Материалы семинара.-М.: МДНТП.- 1983.-С. 30 - 34.

13. Меркулов А.И.Ортогональные электромагнитные преобразователи для контроля радиальных перемещений лопаток турбомашин // Вибрационная техника. Материалы семинара.- М.: МДНТП.- 1983.- С. 22 - 25.

14. Меркулов А.И. Исследование ортогональных электромагнитных преобразователей и разработка устройств контроля многокомпонентных перемещений изделий. Автореф. дисс. канд. техн. наук,- Москва: НИИИН.-1982.-23с.

15. Меркулов А.И. Приближенный анализ накладных вихретоковых преобразователей // Дефектоскопия,- 1982.- № 1.- С. 55 - 61.

16. Меркулов А.И., Стеблев Ю.И., Корнеев Б.В. Принципы построения матричных вихретоковых преобразователей с магнитопроводом // Дефектоскопия.- 1979,- № 6.- С. 9 - 19.

17. Меркулов А.И., Вопилин В.С., Католиков В.И., Малышев В.В. Тренажер для исследования на ЭВМ перемещений и деформаций цилиндрических из-. делий // Опыт целевой подготовки специалистов в университете. Сб. докл. рес-публ. научн. метод, конф. / Самара.: СГАУ.-1993.- С. 77 - 78.

18. Меркулов А.И. Тонкопленочные электромагнитные преобразователи многокомпонентных перемещений // Микроэлектронные датчики в машиностроении. Тез. докл. Всесоюзной научн. техн. конф. / Ульяновск. Центр микроэлектроники,- 1990,-С. 121.

19. Меркулов А.И., Малышев В.В., Нелюбин В.Ф. Вносимые параметры параметрических электромагнитных преобразователей по ортогональным на-правлешмм // Методики и аппаратура неразрушающего контроля. Тез. докл. обл. семинара / Куйбышев: ОДНТП.-1990.- С. 9 - 10.

20. Меркулов А.И.,Малышев В.В. Выбор, геометрии паза в проводящем корпусе электромагнитного преобразователя //Методики и аппаратура неразрушающего контроля. Тез. докл. обл. семинара / Куйбышев: ОДНТП.-1990.-С.16-17.

21. Католиков В.И., Меркулов А.И., Дмитриев Ю.С. Устройство электромагнитного контроля // Методики и аппаратура неразрушающего контроля. Тез. докл. обл. семинара / Куйбышев: ОДНТП.-1990,- С. 148.

22. Меркулов А.И., Вопилин В.С., Евсигнеев А.Б., Католиков В.И. Влияние распределенной емкости на частотные характеристики параметрических вихретоковых преобразователей // Методики и аппаратура неразрушающего контроля. Тез. докл. обл. семинара / Куйбышев: ОДНТП.- 1990,- С. 132.

23. Меркулов А.И. Миниатюризация электромагнитных преобразователей с повышенным диапазоном контролируемых перемещений // Современное состояние и перспективы развития методов и средств виброметрии и вибродиагностики. Тез. докл. Всесоюзной научн. техн. конф. / Минск-Московское НПО «Спектр« .- 1989,- С. 194.

24. Меркулов А.И., Нелюбин В.Ф. Анализ параметров электромагнитных преобразователей по ортогональным направлениям // Неразрушающие физиче-

ские методы и средства контроля / Тез. докл. XI Всесоюзной конф. / МНПО «Спектр« .- 1987,- С. 48. ДСП.

25. Меркулов А. И., Нелюбнн В.Ф. Влияние геометрии паза на параметры экранированного электромагнитного преобразователя // Проблемы теории чувствительности электронных и электромеханических систем / Тез. докл. Всесо-юзн. совещания/М: МИЭМ,- 1987.- С. 117.

26. Меркулов А.И. Особенности миниатюризации ортогональных электромагнитных преобразователей перемещений // Новые методы и средства нераз-рушшощего контроля изделий / Тез. докл. 7 обл. научн. техн. конф,- Куйбышев : ОДНТП.- 1985,- С. 23-24.

27. Меркулов А.И. Миниатюризация и унификация электромагнитных преобразователей для ИИС контроля многокомпонентных перемещений изделий // ИИИ - 83. Тез. докл. 6 Всесоюзной научн. техн. конф.-Куйбышев.-1983.-С.91.

28. Березкин А.Ю., Меркулов А.И., Сердотецкий А.С. Методика и средства определения многокомпонентных перемещений полок в С1ыках бандажирован-ных лопаточных колес ГТД //Конструкционная прочность двигателей/ Тез. докл. 9 Всесоюзной научн. техн. конф,- Куйбышев :КуАИ.-1983.-С.27-28.

29. Меркулов А.И. Особенности построения параметрических ортогональных электромагнитных преобразователей // Электромагнитные методы контроля качества материалов и изделий. 4.1. / Тез. докл. 4 Всесоюзной межвуз. конф.-Омск : ОмПИ,- 1983.-С. 109 - 111.

30. Меркулов А.И. Расчет вносимых параметров в ВТП с Н-образным маг-ннтопроводом для контроля линейных и угловых перемещений // Новые методы неразрушающего контроля пром. продукции / Тез. докл. 5 обл. научн. техн. конф. / Куйбышев: ОДНТП.-1979,- С. 5 - 8.

31. Пат. 2063331 РФ, МКИ В 26 F 1 / 40. Способ управления прессом и устройство для его осуществления / Меркулов А. П., Католиков В.И., Петров М.В. и др.-№ 92009221 / 02 ; Заявл. 30.11.92 ; Опубл. 10.07.96. Бюл. № 19,- С. 4.

32. Пат. 2045000 РФ , МКИ G 01 В 7 / 00. Устройство контроля прострап-ствешгых перемещений / Малышев В.В., Меркулов А.И., Дмитриев Ю.С.- № 92008173 / 28; Заявл. 25.11.92; Опубл. 27.09.95. Бюл. № 27.- С. 13.

33. Пат. 2032882 РФ, МКИ G 01 В 7 / 00 . Электромагнитный преобразователь пространетве/гных перемещений / Малышев В.В., Меркулов А.И.- № 5037314 / 28; Заявл. 14.04.92; Опубл. 10.04.95. Бюл. № 10,- С. 12.

34. Пат. 1803851 РФ , МКИ G 01 N 27 / 90. Устройство электромагнитного контроля / Католиков В.И., Меркулов А.И., Князев Я.А. и др.- № 4913764 / 28; Заявл. 25.02.91; Опубл. 23.03.93. Бюл: № 11.- С. 6.

35. Пат. 1772600 РФ, МКИ G 01 В 7 / 00 . Устройство для контроля пространственных перемещений / Меркулов А.И., Католиков В.И., Евсигнеев А.Б., Вопилин В.С..-№ 4836272/24; Заявл. 24.04.90; Опубл. 30.10.92. Бюл. № 40.-С. 8.

36. Ах. 1753247 СССР, МКИ G 01 В 7 / 00. Трехкоординатный преобразователь относительного перемещения двух объектов / Меркулов А.И., Католиков В.И., Евсигнеев А.Б. и др.- № 4723965 / 28; Заявл. 26.07.89; Опубл. 07.08.92. Бюл. №29,- С,-9

37. А.с. 1719977 СССР, МКИ G 01 N 27 / 90. Электромагнитный преобразователь для неразрушающего контроля / Малышев В. В., Дмитриев Ю.С., Меркулов А .И. и др.- № 4706612 / 28; ОпубЛ. 15.03.92. Бюл. № 10,- С. 6.

38. А.с. 1702166 СССР, МКИ С 01 В 7/00. Экранированный электромагнитный преобразователь / Малышев В.В., Меркулов А.И., Дмитриев Ю.С. и др.- № 4692362; Заявл. 22.05.89; Опубл. 30.12.91. Бюл. № 48,- С. 6.

39. А.с. 1693361 СССР, МКИ в 01 В 7/00. Информационно-измерительная система для определения компонент перемещений и деформаций объекта / Нестеров В.Н., Меркулов А.И.- № 4733641 / 28; Заявл. 28.08.89 ; Опубл. 23.11.91. Бюл. №43,- С. 21.

40. А.с. 1677604 СССР, МКИ в 01 N27/90. Электромагнитный преобразователь / Меркулов А.И., Дмитриев Ю.С., Католиков В.И. и др.- № 4656966 / 28 ; Заявл. 01.03.89; Опубл. 15.09.91. Бюл. 34,- С. 4.

41.А.С. 1619147 СССР, МКИ в 01 N27/20. Электромагнитный преобразователь / Меркулов А.И., Католиков В.И., Малышев В.В. и др.- № 4442807 / 28 ; Заявл. 20.06.88; Опубл. 07.01.91: Бюл. № 1.- С. 6.

42. А.с. 1527482 СССР, МКИ й 01 В 7 / 00. Устройство для измерения линейных перемещений / Дмитриев Ю.С., Католиков В.И., Меркулов А.И. и др,-№ 4287296'/ 25 - 28; Заявл. 20~.07.87; Опубл. 07.12.89. Бюл. № 45,- С. 7.

43. А.с. 1490441 СССР, МКИ в 01 В 7 / 00. Электромагнитный преобразователь перемещений / Кочкарев В.С., Меркулов А.И., Шарков В.А. и др.- № 3985909 / 25 - 28 ; Заявл. 09.12.85 ; Опубл. 30.06.89. Бюл. 24,- С. 4.

44. А.с. 1474448 СССР, МКИ 0 01 В 7 / 00. Устройство электромагнитного контроля / Католиков В.И., Дмитриев Ю.С., Меркулов А.И. и др.- № 4284564 / 25 - 28 ; Заявл. 15.07.87 ; Опубл. 15.07/87. Бюл. № 15 С. 4.

45. А.с. 1437770 СССР, МКИ в 01 N 27/ 90. Трансформаторный вихрето-ковый преобразователь / Меркулов А.И., Конюхов Н.Е., Евсигнеев А.Б. и др,-№ 4069312/25-28; Заявл. 04.04.86; Опубл. 15.11.88. Бюл. № 42,- С. 4.

46. А.с. 1430867 СССР, МКИ в 01 N 27 / 90. Электромагнитный преобразователь / Меркулов А.И., Католиков В.И., Нелюбин В.Ф. и др.- № 4210767 / 25 - 28 ; Заявл. 18.03.87; Опубл. 15.10.88. Бюл. № 38,- С. 4.

47. А.с. 1420345 СССР, МКИ в 01 В 7 / 00. Устройство для электромагнитного контроля многокомпонентных перемещений / Меркулов А.И., Дмитриев Ю.С., Евсигнеев А.Б. и др.- № 4188480 / 25 - 28; Заявл. 02.12.86; Опубл. 30.08.88. Бюл. № 32.- С. 4.

48. А.с. 1306279 СССР, МКИ О 01 В 7 / 00. Устройство для контроля пространственных перемещений объекта У Конюхов Н.Е., Меркулов А.И., Березкин А.Ю. и др.-№3694737 / 24 - 28; Заявл. 19.01.84. Зарегистрировано 22.12.86. ДСП.

49. А.с. 1283516 СССР, МКИ в 01 В 7 / 00. Преобразователь перемещений / Меркулов А.И., Конюхов Н.Е., Атрасевич А.И. и др.- № 3878219 / 25 - 28; Заявл.01.04.85; Опубл. 15.01.87. Бюл. № 2,- С. 4.

50. А.с. 1227943 СССР, МКИ О 01 В 7 / 06. Способ электромагнитного контроля изделий / Буров В.Н., Меркулов А.И., Вопилин В.С.и др.- № 3713823 / 25 - 28 ; Заявл.26.03.84; Опубл. 30.04.86 .Бюл. №16,- С.З.

51. А.с. 1193442 СССР, МКИ в 01 В 7 / 00. Преобразователь перемещений / Конюхов Н.Е., Меркулов А.И., Полулех А.В., Буров В.Н.- № 3692658 / 25 -28; Заявл. 24.11.83; Опубл. 23.11.85. Бюл. №43,-С.З.

52. А.с. 1116302 СССР, МКИ в 01 В 7 / 14. Устройство для измерения положения движущихся изделий / Меркулов А.И., Денисов В.А., Стеблев Ю.И. и др.- №3342868 / 18 - 28; Заявл. 25.09.81; Опубл. 30.09.84. Бюл. № 36.- С.5.