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

На правах рукописи

Для служебного пользования Экз. №

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 доктора технических наук

1

/ ' н

К ;

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.Кузнсцова, г. Самара.

на заседании диссертационного совета Д.063.87.02.

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

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

Защита состоится

часов

Автореферат разослан

Ученый секретарь совета

д. т. н.

Калентьев А.А.

/

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 газодинамической 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 в процессе разработки и испытаний двигателей, обладающих повышенными экономичностью и надежностью. Контроль МП в труднодоступных зонах контролируемых изделий ( КИ ) необходим при определении взаимных многокомпонентных перемещений стыка полок бандажированного лопаточного венца ГТД, а также для других областей техники и прикладных научных исследований , например, для робототехнических комплексов.

Из множества средств контроля МП КИ можно выделим- 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 опгоэлектронных, емкостных, вихретоковых чувствительных элементов ( ЧЭ ), среди которых последние получили наибольшее распространение при измерении статических и динамических перемещений КИ, работающих в загрязнетгых скоростных газовых потоках с повышенной влажностью и перепадами температуры.

Существующие бесконтактные средства электромагнитного контроля многокомпонентных перемещений КИ основаны, как правило, на применении нескольких однокомпонептных преобразователей. Размещение большого коли-чргтия ппнптипр^с^ицу преобразователей для контроля взаимных перемеще-

Г'0СУДАРСТВЕЙНАЯМ: шин становится трудноосуществимой задачей особенно в БИБЛИОТЕКА

зонах КИ с ограниченным доступом, что не позволяет реалшовать 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, имеющую 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 диагностике1", комплексной программы «Перспективные информационные технологии в высшей школе» ( подпрограмма ЛСНИ ), комплексной программы « Конверсия », а также региональной программы « Развитие научного и технологического потенциала Самарской области ».

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

Для достижения поставлешюй 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 электромагнитного поля применительно к задачам контроля перемещений электропроводящих изделий, гармонический анализ функций распределения плотности тока по за-

данным 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 полученных 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 ( КЙ ). Разработаны алгоритмы и методики определения ортогональных компонент перемещений в каждой зоне контроля изделия.

- На основе анализа возбуждающего поля преобразователей с использованием теории магнитных цепей и экспоненциальных моделей характеристик накладных электромагнитных преобразователей перемещений проведена идентификация и впервые выделены два типа преобразователей : компланарные и ортогональные. Выявлены преимущества ортогональных преобразователен 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 взаимнот 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 контролируемым 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 на характеристики электромагнитных преобразователей МП КИ.

- Разработаны структурные схемы и алгоритмы функционирования мнот гоканальной 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 ортогональных электромагнитных преобразователен перемещений, позволившие проанализировать их основные характеристики с учетом влияния компонент перемещений на вносимые параметры чувс твительных элеменгов.

- 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 аппара1уры.

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 пятикомпонентными трансформаторными ПНо контроля линейных и угловых перемещений по ортогональным направлениям, с пятикомпонентаьгм 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 двухкомионент-

ных и один пятикомпонентный преобразователи линейных и угловых перемещений.

Модели митшатгорных экранированных электромагнитных преобразователей МП КИ используются в учебном процессе при подготовке специалиста!! 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 пространственного 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 по ортогональным осям коордипат в каждой контрольной точке КИ .

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

Для Челябинского факторного завода разработано, изготовлено и внедрено устройство ИКП-4 для бесконтактного 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.), наВсесоюзн. научно-техн. конф. «Микроэлектронные датчики в машиностроении« , ( г. Ульяновск, 1990 г. ), на Всесоюзной научно -техн. конф.« Современное состояние и перспективы развития методов и средств виброметрии и вибродиагностики« , (г. Минск-Москва , 1989 г.), на Всесоюзной научно-техн. конф. «Неразрушающие физические методы и средства контро-ля«,(г.Москва, 1987 г.), на Всесоюзном совещании «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.« Конструкционная прочность двигателей«,(г.Куйбышев, 1979, 1983 г. ), на республиканской научно-метод. конф. «Опыт целевой подготовки специалистов в университете «,(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 ценнос ть 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., Пустьпшикова В.Г., Смолова В.Б., Шляндина В.М. и др. Использование принципа многоканальное™ 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 Секнсова Ю.Н. векторные многокомпонентные физические величины рассматриваются как функции от множества составляющих их информативных компонентов, допускающих многовариантность их представления в зависимости от особенностей объекта исследовашм и поставленной 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 пространстве!той 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, развивае- ••■ , мый в работе подход базируется на 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 конгроля МП КИ;

- внутри опорного уголка размещается блок перви'шых преобразователей ( БПП ) МП КИ.

Компоновка ЧЭ в зоне контроля МП КИ базируется па положениях:

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

- дгпша измерительной размерной цепи должна быть минимальной; .

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

Первое положение направлено па исключение погрешностей от перекоса и переноса лилии измерения относительно ладанною направления. Второепозволяет снизить погрешности от влияния изменений температуры на узлы крепления первичных преобразователей. Третье - направлено на уменьшение погрешности от упругих и пластических деформаций силовой рамы испытатель- , ного стенда. Указанные положения определяют методические погрешности кон- . --троля 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 го вариантов расположения КТ 1-12. Координаты КТ. задаются в установочной системе координат связанной с неподвижной : силовой рамой испытательного

стенда. Ось X проходит через исходпьте положения цапф крепления оболочки (точки 5 и 7). Ось Z совпадает с осью оболочки. Ось У лежит на нормали к плоскости Хг. 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 особешюсти 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 БПП для одновременного измерения МП КИ .

Опорная система координат определяется ребрами XI, YI, ZI, 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 cpx, <py, <Pz, определяющих ориента-

цию ОУ относительно X, У,Ъ .

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,Х. Например, ЧЭ, установленные в зонах 1 и 2 на расстоянии До друг от друга вдоль оси X, контролируют перемещения И КИ по оси Ъ. Величину компонент линейных и угловых перемещений КИ с шестью степенями свободы можно определить как

И2 - 0,5 (Ьг1 >. И22) : Щ - агс # ((Иг2 - И21) / Оа) ; Иг -- 0,5 (Иг, + Аг г) ; <Рх -- агс # ((ИГ2 - Ип)/Оа) ; ( 1 )

Их 0,5 ( Их, + Их 2) ! 9/- - агс íg ((ИХ2 - Пх,) /1)„) . В правых системах координат положительные углы отвечают поворотам против часовой стрелки. Зная компоненты перемещения, можно определить радиус-аектер КТ по формуле Ь.\,у,7. х = Ь\ Ьх-1,-,т,л1+Оо/2 , или в проекциях Ит ПХшч 4 По /2 + а„ Их, >■ а,2 Ии + а„ И2,, Ищ ПГтч + По /2 + а2, Их, + а22 И„ + а23 Пп , ( 2 )

Пул - И2шч + По /2 + а3, Их, + а!2 Ип 1 а3} И7., , где Оа -расстояние между ЧЭ одной грани БПП, а\\ - соБфу соэф/ ;

¿1]2~31Пфу БШфх - СОБфу СО.Чфх БШф/, ; 01з=51Пфу СОБфх + СОЯфу БЩфх 5Шф/ ;

а 21 - йгпфг ; а12 - сояфх сохф/ ; я2з - - 5Шфх соверх ; = - БЙкру совф/,;

а 32 = «Вфу 5Шфх + ЯШфу СОБфх вШфг ; йГ33 ~ СОЭфу СОЭфх - БШфу ЯШфх БИКР/,.

При контроле только линейных компонент перемещений измеряемые компоненты одного ПН являются мешающими для других ПН данного БПП, что приводит к появлению погрешности от взаимного влияния компонент перемещений. Массив измеряемых сигналов, например, Ц/ — напряжений на выходе БПП, соответствует зазорам И¡, , 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 Ад компоненты перемещений КТ ( базовая информативная компонента ), вторые ПН - гангенииальной Аг, третьи ПН - осевой компоненты Их, перемещепий КТ.

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

Компоненты перемещений ПН и БПП_Таблица 1

Канал БПП Измеряемые Мешающие

Продолыше Поперечные

ПН1 ИХ1=> И / Их,=> Ит

ПН2 А Г2 => А 7- ИХ2 —^ Ад Иг2=> И/.

ПНЗ Ап=> Их А хз=> ИТ И2з=> Ик

Размеры у каждого ЧЭ ПН: длина I больше ширины Ь, намного большей толщины (I (рис. Зи 4 ). Изменяя соотношение площадей I х Ь, I х с!, Ь х <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 ю 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 угла - фу - ОУ и - координатного угла КТ; (рк -угла кручения оболочки, Ид -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 сараничении 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 £ hjj = h°ji + h'j + h^ + h3jj, где векторы h®,, hhj;, hfcjj, h3,, - температурное расширение, перемещение, кручение , элшшеная деформация KTj оболочки, что определяет актуальность разработки широко диапазонных 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 Q, = cos фу влияния компонент перемещений

Jij,(t)-ivo + Z"i 41), (3)

где hjj„ - начальный зазор от ЧЭ до соответствующей грани ОУ, ЬД 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

h = (fla,(Ul)')^t1bJ(y,)4-<£lcr(U,y). (4)

j-О г-О

При градуировке БПП, устанавливая необходимые комбинации зазоров и опрашивая АЦП в каждой точке доя всех ЧЭ, получаем матрицу зазоров hxy/ и соответствующие ей матрицы кодов напряжения U,ir

hjjx = Kj;r Uji,, ( 5 )

Коэффициенты KJlr=f(a„ bpcr) вычисления 1ц, по обобщенным напряжениям Uji, =f [{U])' (U2 У (U3 )г ]определяются решением системы линейных уравнений ( 5 ) методом вращения (разновидностью метода Гаусса ), обладающим повышенной устойчивостью к 'провалам' промежуточных вычислений, 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! + l)(n2+l)(n3+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.

По второй главе проведена идентификация электромагнитных преобразователей перемещений с использованием моделей в виде последовательности с периодом Тир 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 ¡л , удельной электрической проводимости а, начальные напряженности электрического Е0 и магнитного Н0 полей при 1 = 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 юков нроводимоеш и смещения в зоне контроля перемещений

CÚG

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

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

ti2 - --< 0,01., где Е и Н - напряженности электрического и магнитноЕ <aD3

го полей, R - внешний радиус лопаточного венца ГТД, вращающегося с частотой/2.

Относительные размеры ПН, определяются соотношением D:J к dD. Для

немагнитных КИ я-3=( —| = Д,2 = D\a>fia. Для магнитных КИ р2-р02/цг-\аэ)

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 d:i - fe/w/ja , - d - толщину стенок КИ.

- размеры, отражающие пространственную конфигурацию силовых линий электромагнитного поля: DK -диаметр катушек компланарных ПН (ПНк), с плоскостью витков, параллельной поверхности КИ; /А(- длина пластинчатого магнитопровода ортогональных ПН (ПНо), с плоскостью витков катушек, намотанных на среднюю часть магнитопровода, перпендикулярной поверхности КИ; D0 - диаметр эквивалентного контура вихревых токов , наведенных на поверхности КИ , значение которого легко определяется по приближенной зависимости вносимой индуктивности Ln/r от зазора h между ПН и поверхностью КИ

К. = • , Оэ = 6 ДА /я /Л/,.,, , ( 7 )

гДе ¿«e- максимальная вносимая индуктивность, Lиндук-

тивность ЧЭ, удалетшого как от КИ, так и от других металлических поверхностей, L<d) - индуктивность ЧЭ, установленного на КИ с h=0, Дй-дополнительное изменение зазора h, приводящее к уменьшению индуктивности до ALm.

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 LíHra = l.m- !,úa0, где L0„- индуктивность

ПН , закрепленного на металлической опоре с нулевым зазором и удаленного от КИ , Loo - индуктивность ПН , зажатого с двух сторон КИ и опорой. При контроле h необходимо работать с малыми d3, использованием Ро -> 00 нри работ« с немагнитными КИ , и Р —> 0 при работе с магнитными КИ. Из ( 7 ) следует, что базовыми параметрами ПН являются: начальная индуктивность Lm ; размер Дэ, характеризующий крутизну уменьшения вносимых параметров с ростом h; максимальный коэффициент Кт связи системы ЧЭ - КИ при h=0 - для немагнитных КИ Кт = / Lx,, - для магнитных КИ Кт = LtHm / L„ . (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 Кш = - 0,5 и Д-) /Дк =1. В труднодоступных зонах контроля КИ установка ПНк в экран на опорной немагнитной металлической поверхности приводит к компенсации возбуждающею поля ПНк нолем наведенных вихревых токов огторы, 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-нитопровода, т.е. русло вихревых токов имеет восьмеркообразную форму и Дэ зависит от /|/. 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. приведены их базовые параметры для различных случаев работы с КИ и использования различных материалов каркаса для крепления ЧЭ.

ПНо с пластинчатым магнитопроводом длиной 1М, шириной Ъи = 1и / 2 , толщиной <Тд/ « 0,1 Ьм , выполненный по интегральной технологии, может непосредственно устанавливаться на проводящие немагнитные поверхности для получения повышенных Кт—>1 и Дэ = /</. У ПНо магнитный сердечник увеличивает начальную индуктивность в сотни раз. Соленовдальное поле магнитопровода ПНо определяет его однородность и повышенную временную стабильность параметров ЧЭ. Эквивалентный диаметр Дэ контура вихревых токов определяется 1и , что определяет повышенный диапазон контролируемых перемещений. Направленность возбуждающего поля ПНо только в зону контроля позволяет уменьшить влиятше 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 Кта - Ьеиа / ЬКм = / £0

Область применения ПН При свободном доступе к КИ <1у->°о В труднодоступных зонах КИ

Материал опоры для крепления ЧЭ Диэлектрик Металл

Н - немагнитный, М - магнитный

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

Тип ПН Базовые параметры Численные значения

ПНк а->о Кт -0,7 0,4 -0,2 0,15 -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 -0,03 0,15

Л»'/., 0.9 0.4 1.2 0.4 - 0.4

На границе диапазона кт контролируемых зазоров изменение ЛЬ ПН , полученное от ЛИ , равное допустимой погрешности контроля, должно быть не менее результирующей нестабильности индуктивности 1м ПН. С учетом (7) и приравнивая А1, и Ьш , получим Ьт, равное

!,т={Дэ/6)1п(6&Ы,В!Ш/ДэЬш). (9)

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

Рис.5

1-5 соответствуют значениям Ьыш! Ьш равным 5 10\ 2,5 103 , 103 , 500, 200. Экстремальность указанных зависимостей определяет предельные кт, ограничивающие диапазон контролируемых перемещений увеличением диаметра Дк ПНк или длины 4/ ПНо.

Указанные в табл. 2 значения параметров преобразователей определяют области их применения. Приведено описаше 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 пли периодическую структуру электромагнитного поля, исходя из задач контроля и особенностей форм изделий;

-повысить производительность контроля путем выбора рационального количества чувствительных элементов (ЧЭ) и 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 глайе на основе теоретических исследований функций пространственного распределения ( ФПР ) первичных полей ЧЭ и вторичных полей токов, наведенных па 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 трет ьем 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 Л 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 - элемент токового слоя, количество которых пт = ly/g, а длина вдоль оси Y равна Ьм . Для обобщения количестветгого анализа введены безразмерные параметры ( см. рис. 3 и 4): Sp = Тпр / ; у„ = пл/ТПр к; к2 =а>ра ;

■г

, а„ 21гп / Тпр; с„ - Hnxi / Hxmax; ßn = Ja/icr j

n

Rp.Hij = "7'У £ Кш ßn (cos (я W2.9„ )Xcxp (- anßn yn ))x

V2* я =1 (10)

x Уп |'^l + l/y» V2"j4„ ,

1 ' п к

ПГ т ¡у Z к ЧЛ ß n «» ——(иф (- а „ ßn уп ))х я = 1 _

(И)

Составляющие вносимого в ПНМо сопротивления:

n1 ГЯ

= ХХ; А"„„ = ¿¿Л-„„, ; (12)

1=1 j=l uij.i

где nl - количество проводников на рабочей поверхности ПНМо длиной /к ; т - число Тпр /Р по ширине ПНМо (количество модулей ПНМо), КМц - коэффициент влияния магнитопровода на поле преобразователя.

Показано, что ограничение числа п учитываемых гармоник до 20 приводит к погрешностям расчета вносимых параметров не более 2 %. При изменении Sp от 2 до 20 годограф относительных вносимых сопротивлений 7цИ / coLn = —f(Sp) является экстремальным как по реактивным - ¿да, так и по активным Rpjr сопротивлениям. Точки годографа с максимальными значениями /-/;// определяют оптимальные $р при проектировании ПНМо для контроля МП КИ. С ростом обобщенного параметра ß максимум вносимых сопротивлений получается при больших Sp . Функции Zun / (ol,л =f(h) имеют экспоненциальный характер и при шч » 1 не зависят от Шч ПНМо с максимальными вносимыми параметрами имеет Sp в диапазоне от 4 до 6 . Максимальный диапазон контролируемых перемещений получается при SP — 2 ... 3.

Решена задача одновременного электромагнитного контроля линейных и угловых перемещений с помощью трансформаторных ПНМо, выполненных с использованием Н-образных магаитопроводов и соответствующих случаю mq ~ =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 Uh линейных перемещений, так и с катушкой на другом нижнем стержне - сигнала Up 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 программа расчета начальных и вносимых сопротивлений экранированных ПНМо, состоящий из трех этапов. На 1 этапе рассматриваются первичные поля и начальные параметры ПНМо при А =оо . Выбирается шаг g дискретизации токовых слоев g / /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 lhi ) поля ПНМо . Численные расчеты функций распределения плотности ус связанных токов по поверхности магнитопровода выполнены решением системы уравнений

Mi) ][A(j i)]-2 [H,(j)] , ( 13 )

где Л(j i) ( cos( Rij, na)) g/Rj¡ - коэффициенты взаимного влияния нитей связанных токов /с = ус g, rio - на правление нормали к поверхности рассматриваемого участка магнитопровода, Н, - тангенциальная составляющая поля 2 токовых слоев, Rij - расстояние между точками j , в которой определяется ус и i - текущей координаты g на поверхности магнитопровода. Расчеты показали , что начальное напряжение U0 измерительных катушек

Uo = fl/) ти со КНЕ( НууО) + Нугс0)) ( 14 )

не зависит от dи растет с увеличением S^l^/b при постоянном токе катушки.

На втором этапе с помощью решения системы уравнений (13 вычисляются функции распределения плотности уп 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 ¡k¡i зоны взаимодействия с проводящим изделием hn — 1,6 ht+ 0,8f d + 2 с ) + 0,6 It где с - высота боковых стержней магнитопровода.

На третьем этапе уточняется ус с помощью итерационных циклов расчета плотности уев связанных токов на поверхности магнитопровода от действия полей вихревых токов. На первом цикле yCi - ус - Усн К0 , где Ко = 0,6 ...0,8. На следующих циклах повторяются расчеты ун и уев , а также проводится проверка выполнения условия Дус < е усмлх по допустимой погрешности г равной 2 %. Несоответствие указанному условию вызывает повторение расчетов уСц по выражению уев + 2 = Уев + i-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 составляющих Нув и Нусв - вносимые э.д.с. на единицу длины соответствующей измерительной катушки.

U,я, ' UB + UCB - Vomlía>KMn£,M[HyB(j) - H>CB(j)]& ( 15 )

где Кш, - 1 • (цг - /л,) / (fj2 > pi)( exp (-2 гтсП'„Р))

При высоте стержней с - 0 влиянием связанных токов на боковых гранях магнитопровода можно пренебречь, что упрощает программу и сокращает время расчета ФПР составляющих Нх, Ну напряженности поля ПНМо. Результаты расчетов показали, что с ростом 1М / 1К напряженность Нх при X = 0 непрерывно возрастает. Наибольшее значение Нут /Н0 = 1,1 получается при 1м/ ¡к = =2 , что соответствует результатам расчетов и рекомендациям, полученным при использования гармонических расчетных моделей. Увеличение Sj> более 5 приводит к уменьшению Нут и появлению бокового максимума Ну у края магнито-провода. Наибольшее значение тангенциальной составляющей Нх поля у края магнитопровода получается при S¡> = 3,4. Укладка проводников токовой катушки в пазы магнитопровода увеличивает начальную индуктивность катушки, по снижает коэффициент КТ связи системы ЧЭ КИ.

Рассмотрены особенности согласования выходного сопротивления 2вых генератора и начального сопротивления Zk токовой катушки ПНМо. С уменьшением зазора h сопротивление Zk 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 ¡м улучшается чувствительность к угловым перемещениям. и^т получается при <р = ± 10° и установочном зазоре ко / 1м = 0,23. Дальнейшее увеличение начального зазора приводит к расширению диапазона контролируемых угловых перемещений, но одновременно снижается чувствительность ПНМо. Поскольку

и9 - и0 Кг (ехр (- 6к/1Ъ))( 1-ехр(-6 О0<р/Оэ)), ( 16) то для получения сигналов 1]р инвариантных к линейным перемещениям КИ, необходимо корректировать по сигналам V ¡,. Проведены исследования по определению положения Хо измерительных осей ПНМо

Хо = 0,11 /л/- 0,26 А + 0,42а, (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 Кг, До, 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 конфигурации 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 ё\> боковых стенок установочного паза проводящего корпуса. Уменьшение До и глубины паза приводит к уменьшению КТиД), что снижает чувствительность и диапазон контролируемых перемещений. У дифференциального ПНк До > 1,4 Дк, расстояние между катушками с >0,5 Дк, расстояние ёу от компенсационной катушки до дна паза <1у > 0,5 Дк, что приводит к результирующей глубине паза '¡у - с » (¡у В результате построение БПП с такими ПНк приводит к размеру /, его ребра 1Т > 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 экранированною 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 Иц,

сопротивление, обусловленное потерями на гистерезис и на вихревые токи в магинтопроводе Яг и Дм, - сопротивление, обусловлешюе потерями на вихревые токи в экране /?э и КИ Квп. Показано, что на высоких частотах вихревые токи в машитопроводе улучшают стабильность параметров ЧЭ .

В широком диапазоне частот проведены теоретические и экспериментальные исследования изменений параметров Л и Ь катушек ПНо с учетом распределенных емкостей С катушки и соединительной линии. Показано, что рабочий диапазон частот ограпичен собственной резонансной частотой контура, вблизи которой велики погрешности от нестабильности значений С и Я . 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 амплитудно -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.6, 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, 6, 7 которых установлены рабочие ЧЭ. Компенсационный ЧЭ 8 размешен в полости 9 внутри корпуса 1, что исключает влияние ОУ 10 на его параметры. Показано, что равенство начальных параметров рабочих и компенсациошгого ЧЭ получается при общей глубине полости с/г <0,2 1у . 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 й с боковыми гранями ОУ по направлениям X и Ъ, что приводит к появлению погрешности Лвл от взаимного влияния компонент перемещетга. Для снижения ДВл 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 4 3/, с//, 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 ЛВл обработкой сигналов ЧЭ на ЭВМ по выражению (5).

N /

/

Для кошроля 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 предСтавлено, пространственная компоиСиХи 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 иь линейных перемещений. Катушка 7 также соединена с измерительной катушкой 8 для по

Рис. 9 Рис. 10

лучения сигнала и ф 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 конфигурации и размеров пазов для установки ЧЭ в проводящий корпус БПП : 4'в - углубление торцев магнитопровода относительно рабочих граней БПП, -расстояние от торцев магнитопровода до дна паза, (1 ,> и ЬР- глубины и ширины паза, - на его базовые параметры : иМп - напряжение разбаланса катушек при Ь -»со , 1]ш - максимальное вносимое напряжение в измерительные катушки

ппн [1 —ь О } — _ аиитгоапртгплш Т1И'1И1>ТТ1 в-ттта ГНУПАВЬТУ ТПРЛП

1* г V, уЦ^ ./1.4.1 "и. 141 д . I.... 1 дшииы^/ 1.1111 . V )'" "' "Ч'Ч-""'1

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

лучается при совыещегаш торца мапштопровода с рабочей гранью БПП и ЬР = Ьи .=0,3 1ц . Измерительные оси ПНо удалены от рабочих граней БПП на расстояние 1,11и, а размер рабочих граней корпуса БПП не превышает 1,41м, что свидетельствует о миниатюрности конструкции БПП МП КИ.

Для повышения надеяшости измерений в условиях возможных кратковременных воздействий высоких температур, повышешшх давлений , сильных магнитных полей необходима диагностика ПНо в процессе его эксплуатации. Один из возможных путей решения указанной задачи -введете в ПНо специальных тестирующих обмоток, например, восьмер-кообразной формы, размещенных на рабочей и компенсационной сторонах катушек ПНо. Концы тестирующей обмотки подключаются к электронному ключу , при замыкании которого на-ведешше 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. Электромагнитное 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 6т/,т и Дэ при экраннровашш 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, расположенными 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 измеряемых перемещений.

В пятой главе проведены экспериментальные исследования для проверки адекватности ПНМо принятым расчетным моделям и оценки влияния факторов: трехмерности возбуждающего поля, выходного 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 Кт=/ ( И ) близки к экпоненцнальному закону изменения. С ростом ширины Ьк токового слоя при постоянном Тир увеличивается Дэ, причем наибольшее Дэ у единично-

Рис. 11

го ЧЭ. Наибольшие Кт реализуются при S/^4.,.6, максимальные Дэ соответствуют Sp - 2:.. 3,'что подтверждает выводы теоретических исследований.

Исследовано влияние трехмерности возбуждающего поля ПНМо с помощью набора идентичных Н-образных магнитопроводов. Показано, что при ва-риадии bM/7,t/ = 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 по установке ПНМо, обеспечивающие погрешность от влияния края КИ не превышающую 3 %. Критерием качества изготовлеши трансформаторного ПНо являлась симметрия размещения измерительных катушек на Н-образном магнито-проводе, т. е. равенство начальных напряжений Uo при А = со , а также равенство максимальных вносимых напряжений Um в измерительные катушки при А = 0.

Проведены испытания устройства контроля линейных - радиальных и угловых — изгибных перемещений торца 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 магнитопроводс 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 «пиалу Uhm позволяет реализовать инвариантность U<p относительно А.

Разработано устройство электромагнитного контроля кривизны поверхности по двум взаимно ортогональным направлениям , а также для контроля боч-кообразности шш седлообразности 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 ~ U2- Ui , так и с двумя катушками щ , п4, расположенными на наружных боковых стержнях и соединенными согласно, для получения сигнала кривизпы Uкг U} + UUi.

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 Uj + U4, так и Ui и U2 не изменяются, а потому Ua> = 0, Uh - постоянное. Действие вогнутых поверхностей КИ вызывает уменьшение t/j + U4 относительно U,, появляется и\у с цшой, Ol личной на 180 от фазы пихающего напряжения. Действие выпуклых поверхностей КИ приводит к IJ3 -t U4 > U/ и появлению lJu> 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 группы из трех встречно - включенных измерительных катушек, а на дополнительных стержнях , соосных с перемычкой, расположены еще две измерительные катушки, включенные встречно. Корпус БГШ 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 квазисинусоидальной 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 корреищю 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 н делители выходных частот : Гц - частота квантования сигналов каждого измерительного канала, определяется по высшей частоте Д спектра колебаний КИ; Гц - частота возбуждения поля ПНМ.; Гд - частота дискретизащги квазисннусоидального ступенчато изменяющегося напряжения 1]в частотой определяется по требованиям к спектральному составу ид 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, защи-щешгых авторскими свидетельствами и патентами РФ.

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

Основные технические характеристики аппаратуры контроля МП КИ.

Таблица 3

Наименование ВВМ-6 ПМП-6 ПМП-4 ПМП-24 ПМП-60 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 „. 6x1 4x1, 2x1 2x1

Схемно-конструкгивная компоновка ЧЭ Трансформаторная Трансформаторная Трансформаторная Трансформаторная Параметрическая Параметрическая 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, 21 х 2 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 310 360 х 400 х х120 360х400х х120 17бх100х х37 280х80х х140

Масса (кг) 5 6 4,5 6 6 4 1 0,3

М сл

Шестиканальный 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 переменных напряжений в лопаточном венце за счет демпфирования колебаний трением при движении полок. Основным рабочим вариантом комплектации прибора ВВМ-6 является использование трех двух-комнонентных ПНМо с Н-образным магнитопроводом. Возможно подключение одного пятикомпонентного 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 различною диаметра относительно первоначального положения по результатам измерения радиальных СА1ещений объекта по двум ортогональным направлениям в двух плоскостях, перпендикулярных оси КИ и удаленных друг от друга на расстояние До . Четыре обмоточных узла с Н-образньгми 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 ввйду 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 па вход автоматизированной системы испытаний ГТД. Блок измерительного канала аппаратуры ПМП-60 содержит последовательно соединенные синхронный детектор,' производящий амплитудою - фазовую обработку сигналов ГШ 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 ЬС- контурах, которые с помощью ключей подсоединены к источнику постоянного напряжения. Когда ключи замкнуты, катушки ПНо запасают энергию магнитного поля. Когда ключи разомкнуты - формируется разностное выходное напряжение, 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 переменных напряжений, зависящие от внброперемещешш 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 пространственных позиций ударника, определяющих момент переключения гидропривода с прямого на обратный ход. В известных способах управления прессом клавиатурой установки положений ударника задают его нижнее положение Ьн , с помощью ручных кнопок включают привод пресса, а момент автоматического отключения привода определяется моментом прохождения ударником Ьп и временной задержкой 13. Введено положение Ь1ш = Ьц + ДЬ и за время Д1 движения ударника между положениями Ь;щ и Ь.;; осуществляют накопление рабочего параметра ( заряда -конденсатором, количества импульсов - счетчиком ) интегратором, а затем возвращают интегратор в исходное состояние за время 13 - 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.

Шестиканальное устройство ИКГТ-4 предназначено для распознавания наличия под краской покрытия в виде четырех полосок медной фольга 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 полугения 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 ИКИ - 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 II ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ существующих первичных преобразователей перемещений и особенностей их размещения в контрольных точках (КТ) по поверхности контролируемого изделия (КИ). Показало, 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 измерегшя 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 коордийат; 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 -¿я ; коэффициент связи - Кт между преобразователем и 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 соседних 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 1.[, в сотни раз, ТПр определяет Дэ, что позволяет удвоить диапазон контролируемых перемещений, Кт-> 0,5. Экранирование ПНо увеличивает уровень полезного сигнала (Кт -> 1) и соотношение сигнал / 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 дтя расчета его начальных и вносимых параметров . Выявлена экстремальность базовых зависимостей Кг и Дэ ПНо от ширины Ьк токовой шины, позволяющая получить максимальный Кт = =0,8 приТцр/Ь/с =¿/> = 4...6 , а наибольшее Лэ/7га>= 1,3 при5> = 2...4.

7. Разработан оригинальный блочно-итерационный алгоритм расчета параметров трансформаторных ПНо с использованием метода интегральных уравнении 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 контроля 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 лоля'ЧЭ. Исследованы условия электромагнитной и конструктивной совместимости^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 диапазонах измеряемых перемещений.

9. Разработан 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 Российской 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 контролируемых перемещений // Вибрационная техника. Материалы семинара. Сб. № 45.- М: МДНТП.-1989,- С.8 - 11.

7. Меркулов А.И,, Нелюбин В.Ф. Дифференциальный электромагнитный 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 - 6).

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 // Микроэлекгронные 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 направлениям // Методики и аппаратура неразрупшощего 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 неразру-шающего 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., Нелюбин 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-рушающего 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 АЛО., Меркулов А.И., Сердотецкий А.С. Методика и средства определения многокомпонентных перемещений нолок 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 ортогональ-1гых электромагнитных преобразователей // Электромагнитные методы контроля качества материалов и изделий. Ч. 1. / Тез. докл. 4 Всесоюзной межвуз. конф.-Омск : ОмПИ.- 1983.-С. 109 -111.

30. Меркулов А.И. Расчет вносимых параметров в ВТП с Н-образньгм маг-нитопроводом 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.И., 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 пространственных 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 01N 27 / 90. Устройство электромапппно-го 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. А.с. 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. Электромашипгый 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. A.c. 1702166 СССР, МКИ G 01 В 7/00. Экранированныйэлсктромаг-нитный 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. A.c. 1693361 СССР, МКИ G 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. A.c. 1677604 СССР, МКИ G 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. A.c. 1619147 СССР, МКИ G 01N 27 / 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. A.c. 1527482 СССР, МКИ G 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. A.c. 1490441 СССР, МКИ G 01 В 7 / 00. Электромагнитный преобразователь перемещений / Кочкарев B.C., Меркулов А.И., Шарков В.А. и др.- № 3985909 / 25 - 28 ; Заявл. 09.12.85 ; Опубл. 30.06.89. Бюл. 24,- С. 4.

44. A.c. 1474448 СССР, МКИ G 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. A.c. 1437770 СССР, МКИ G 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. A.c. 1430867 СССР, МКИ G 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. A.c. 1420345 СССР, МКИ G 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. A.C. 13Ö6279 СССР, МКИ G 01 В 7 / 00. Устройство для контроля пространственных перемещений объекта / Конюхов Н.Е., Меркулов А.И., Березкин А.Ю. и др.-№3694737 / 24 - 28; Заявл. 19.01.84. Зарегистрировано 22.12.86. ДСП.

49. A.c. 1283516 СССР, МКИ G 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. A.c. 1227943 СССР, МКИ G 01 В 7 / 06. Способ электромагнитного контроля изделий / Буров В.Н., Меркулов А.И., Вопилин В.С.и др.- № 3713823 / 25 - 28 ; 3аявл.26.03.84; Опубл. 30.04.86 .Бюл. №16,- С.З.

51. A.c. 1193442 СССР, МКИ G 01 В 7 / 00. Преобразователь перемещений / Конюхов Н.Е., Меркулов А.И., Полулех A.B., Буров В.Н.- № 36926581 25

- 28; Заявл. 24.11.83; Опубл. 23.11.85. Бюл. № 43,- С.З.

52. A.c. 1116302 СССР, МКИ G 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.