автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Информационно-измерительная система биений вращающихся валов

На правах рукописи

005555372

Ыт^сц^

I I

ГАВРИНА Олеся Владимировна

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА БИЕНИЙ ВРАЩАЮЩИХСЯ ВАЛОВ

Специальность 05.11.16 — Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение) Специальность 05.11.01 - Приборы и методы измерения (электрические и магнитные величины)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2п "ОЯ 2014

ПЕНЗА 2014

005555372

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированные электроэнергетические системы» ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет».

Научные руководители: доктор технических наук, доцент

Горячев Владимир Яковлевич, доктор технических наук, доцент Нефедьев Дмитрий Иванович Официальные оппоненты: Мелентьев Владимир Сергеевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Информационно-измерительная техника»;

Кострикина Инна Анатольевна,

кандидат технических наук, ОАО «Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов», начальник лаборатории метрологического обеспечения (г. Пенза)

Ведущая организация - ОАО «Научио-исследовательский

институт физических измерений (НИИФИ)» (г. Пенза)

Щ

Защита диссертации состоится 25 декабря 2014 г., в У> часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.02 в ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет». Автореферат размещен на сайте www.pnzgu.ru/page/13778

Автореферат разослан « /7» 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета -- Светлов Анатолий Вильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В промышленности широко используются различные сочленения валов или валы, работающие с переменной нагрузкой.

Соединения валов с помощью муфт наиболее распространены в отраслях промышленности. Оба вала муфты должны быть прямолинейными и расположены на одной геометрической оси. Если муфта выполнена качественно и оба условия выполнены, то при вращении вала скорость любой точки вала, находящейся на его оси, будет равна нулю. Если хотя бы одно из этих требований не выполнено, то осевые точки некоторых сечений уже не будут расположены на геометрической оси муфты и при вращении вала будут описывать окружности относительно оси. Это явление называют биением вала. При работе муфты биение валов может повысить вибрацию и нагрузку на подшипники муфты и подшипники соединяемого с муфтой устройства. Эта нагрузка может быть причиной преждевременного выхода из строя подшипников, а, следовательно, и всего агрегата.

В более тяжелых условиях работают валы со знакопеременной поперечной нагрузкой. Речь идет, прежде всего, о валах двигателей внутреннего сгорания. Ударные поперечные нагрузки валов приводят к быстрому износу подшипников и нарушению нормального режима работы двигателей.

Таким образом, для устойчивой и эффективной работы связанных между собой валов агрегатов чрезвычайно важной задачей является обеспечение соосности вращающихся валов, так как нарушение соосности приводит к преждевременному износу элементов сочленения валов, сопровождающихся биениями. Контроль биения валов позволяет анализировать условия работы агрегатов и прогнозировать степень износа подшипников, в результате чего можно избежать аварийных ситуаций. Поэтому проблема измерения биений валов остается до настоящего времени актуальной.

Для измерения смещения вала обычно используют информационно-измерительные системы (ИИС) с применением двух датчиков измерения расстояния до поверхности вала. Перемещение вала определяется по двум перпендикулярным направлениям. Однако использование двух датчиков, во-первых, усложняет средства измерений, во-вторых, снижает точность измерений при наличии «эллипсности» валов. В зависимости от величин биения и «эллипсности» валов погрешность измерения биений может быть весьма значительной (до 10 %).

Использование датчиков на основе электромагнитных систем (ЭМС) с бегущим магнитным полем, рассмотренных в данной работе,

позволяет разрабатывать ИИС, которые лишены указанных недостатков. Датчик представляет собой статор ЭМС с бегущим магнитным полем, роль ротора датчика выполняет вал, положение которого контролируется в любой момент времени. Выходной сигнал датчика несет информацию одновременно о двух измеряемых величинах: величине смещения оси вала и направлении смещения вала в плоскости перпендикулярной геометрической оси. При этом амплитуда выходного напряжения пропорциональна смещению вала, а его начальная фаза определяет направление смещения относительно корпуса. Таким образом, датчик биений с бегущим магнитным полем является двухкоординатным. Это позволяет использовать его вместо нескольких однокоординатных датчиков, что существенно упрощает структуру ИИС.

Состояние проблемы характеризуется следующим:

- необходимостью разработки ИИС биений валов (угловых и линейных перемещений) с расширенными функциональными возможностями;

- необходимостью анализа воздействия факторов на погрешность измерения биений валов;

- в настоящее время метрологические характеристики существующих ИИС зависят от «эллипсности вала», следовательно, существует необходимость минимизации влияния этого параметра на погрешность ИИС.

Это придает особую актуальность разработке ИИС биений вала с использованием датчика с бегущим магнитным полем.

Объект исследования — муфтовые сочленения валов агрегатов, подверженных воздействию износа подшипников из-за биений валов.

Цель исследования - разработка ИИС биений валов с использованием датчика с бегущим магнитным полем.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:

1. Разработка структуры датчиков для измерения биений вала на основе ЭМС с бегущим магнитным полем.

2. Определение функции преобразования ИИС биений валов с учетом параметров ИИС.

3. Разработка компьютерной модели ИИС биений вращающихся валов для анализа работы и определения степени влияния параметров ИИС на ее работу.

4. Разработка структуры ИИС биений вращающихся валов.

5. Экспериментальное исследование ИИС биений вращающихся валов.

Основные методы научных исследований. В работе применена классическая теория электромагнитных устройств с использованием

введенных удельных первичных параметров, идеализации процессов в электромагнитной системе и дискретизации характеристик магнито-провода. При анализе погрешности использованы элементы классической теории измерений.

Для решения задач исследования использованы методы математического анализа, компьютерного моделирования, а также натурные испытания макета ИИС биений вращающихся валов.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:

1. Разработана новая структура датчика для измерения биений вала на основе ЭМС с бегущим магнитным полем.

2. Получена функция преобразования ИИС биений вращающихся валов.

3. Создана компьютерная модель и программное обеспечение для ее реализации с целью анализа работы ИИС биений валов и определения степени влияния конструктивных параметров ИИС на ее работу.

4. Результаты экспериментального исследования новой структуры ИИС биения валов.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Разработана новая структура датчика для измерения биений вала на основе ЭМС с бегущим магнитным полем, позволяющая расширить область применения фазового признака выходного сигнала, а также унифицировать устройства измерения параметров угловых и линейных перемещений вала.

2. Создана компьютерная модель ИИС для измерения биений валов, позволяющая проводить предварительную оценку электрических и метрологических параметров при разработке ИИС данного типа.

3. Разработано программное обеспечение управления ИИС биений вращающихся валов.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы успешно внедрены в производственную деятельность ООО «Ис-синский консервный завод», ООО «Иссинский комбинат строительных материалов», ОАО «Пензмаш». Материалы диссертации используются в учебном процессе на кафедре «Информационно-измерительная техника» в учебной дисциплине «Датчиковая аппаратура».

На защиту выносятся:

1. Структура датчика для измерения биений валов на основе ЭМС с бегущим магнитным полем.

2. Функция преобразования ИИС биений валов.

3. Программное обеспечение компьютерной модели ИИС биений валов с использованием датчика с бегущим магнитным полем.

4. Результаты экспериментального исследования метрологических характеристик датчика с бегущим магнитным полем в составе ИИС биения валов.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2013); Международной научно-технической конференции «Датчики и системы: методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации» (Пенза, 2012); Международной научно-практической конференции «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» (Пенза, 2013); XVII Международной научно-технической конференции «Математическое и компьютерное моделирование в решении задач строительства, техники, управления и образования» (Пенза, 2012); Международной научно-практической конференции «Техника и технологии: роль в развитии современного общества» (Краснодар, 2013) и др.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе четыре в изданиях, рекомендованных ВАК. Основные положения диссертации полностью представлены в опубликованных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 73 наименований и семи приложений. Общий объем работы - 155 страниц, включая 54 рисунка.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована научная и практическая актуальность, определены цели и задачи проводимого исследования и намечены предполагаемые методы их решения. Показаны научная новизна и практическая значимость работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен сравнительный анализ существующих ИИС для измерения биений валов. Рассмотрены методы и средства измерения, отмечена их эффективность.

Проанализирована литература следующих авторов: H. Е. Конюхова, Е. П. Осадчего, Е. А. Мокрова, В. М. Шляндина, Е. А. Ломтева, М. Ф. Зарипова, Л. Ф. Куликовского, В. Г. Домрачева, M. Dietzsch, M. Busch, A. Weckermann и др.

Анализ существующих технических реализаций ИИС биений валов показывает актуальность разработки ИИС данного вида с повышенными эксплуатационными и метрологическими характеристиками.

Метод прямых измерений биений вращающихся валов является самым ненадежным, а погрешность измерения весьма значительна (до 4—5 %). В ряде случаев применение такого метода измерения просто нецелесообразно.

Вибродиагностический метод контроля позволяет лишь косвенно оценить биения вала, что не всегда является достаточным.

Теоретический анализ показывает, что самыми высокоточными являются ИИС на основе оптических датчиков, позволяющих производить измерения с высокой точностью. Однако они неработоспособны в непрозрачных средах, а также не лишены других недостатков.

В соотношении ряда функциональных характеристик измерительных систем предпочтение отдается ИИС с применением электромагнитных датчиков.

ИИС малых перемещений на плоскости, спроектированные на базе ЭМС с распределенными параметрами, конструктивно достаточно просты, обладают высокой разрешающей способностью, в то время как ИИС, спроектированные на базе ЭМС с растровыми и нониусны-ми сопряжениями, достаточно сложны конструктивно и не обладают высокой надежностью.

Таким образом, разработка ИИС биений вала с использованием датчиков с продольным бегущим магнитным полем является актуальной, так как позволяет упростить и унифицировать конструкцию, сократить число датчиков, необходимых для измерения, расширить использование фазового признака выходного сигнала, в результате чего одновременно получать информацию о двух измеряемых величинах с заданной точностью.

Разрабатываемый двухкоординатный датчик биений валов и новая структура ИИС позволяют повысить метрологические и эксплуатационные характеристики системы.

Во второй главе приведены структура и основные конструктивные особенности датчика с бегущим магнитным полем для измерения биений валов. Определены аналитические выражения для нахождения собственных и взаимных индуктивностей обмоток датчика. Предложена электрическая схема замещения ИИС, на основании анализа которой получена функция преобразования ИИС. Кроме этого, рассмотрены различные режимы работы ИИС с датчиком в двухфазном и однофазном режимах.

При некоторых допущениях обобщенная электрическая схема замещения ИИС будет выглядеть так, как показано на рисунке 1, где с ~~ внутренние сопротивления источников синусоидального тока равномерной, синусной и косинусной обмоток; Е_к Е_с —

электродвижущие силы контуров равномерной, синусной и косинусной обмоток; - сопротивления, отражающие потери в маг-нитопроводе соответствующих обмоток; ЬаКЬо5ЬоС - индуктивности рассеяния соответствующих обмоток; КкЯ5Яс — сопротивления проводников соответствующих обмоток; ЬК Ь5ЬС - рабочие индуктивности обмоток; М_К5 М_КС М_8С - взаимные индуктивности обмоток.

¿ОУ йя„$

Рисунок 1 - Обобщенная электрическая схема замещения ИИС

Входной величиной ИИС является биение вала, состоящее из смещения А5 и направления смещения р вала. Выходной величиной датчика является напряжение С/вых, амплитуда которого пропорциональна смещению вала, и фазовый сдвиг выходного напряжения а относительно опорного напряжения будет отображать направление смещения вала.

Поперечное сечение магнитной системы датчика с бегущим магнитным полем для измерения биений вала изображено на рисунке 2.

Рисунок 2 - Поперечное сечение магнитной системы датчика с бегущим магнитным полем

Если вал расположен так, что величина зазора 8 не будет зависеть от пространственного угла а, то однородность магнитопровода не нарушится, и выходное напряжение останется равным нулю.

Предположим, что ось вала сместилась относительно оси датчика на величину А8 в направлении, составляющем с вертикальной осью угол р. Смещение оси вала приведет к перераспределению удельного магнитного потока в зазоре магнитной системы датчика. Удельный магнитный поток будет иметь максимальное значение при минимальном зазоре. С противоположной стороны магнитопровода магнитный поток уменьшится, что приведет к появлению выходного напряжения датчика. При малых смещениях подвижной части датчика амплитуда выходного напряжения будет пропорциональна смещению А5, а начальная фаза, или фазовый сдвиг выходного напряжения относительно опорного, покажет направление смещения вала Р. Фазовый сдвиг может иметь значение от О до 2тс рад. Величина смещений, при которых сохраняется пропорциональная зависимость между смещением и напряжением, зависит от среднего значения зазора.

Полученные выражения для определения электрических параметров обмоток указывают на то, все они зависят от величины и направления смещения вала относительно статора датчика.

В общем виде индуктивность равномерной обмотки определяется из выражения

где /м - длина средней магнитной линии по магнитному материалу;

п

п — ширина магнитопровода; к = —~—-— радиус средней линии магнитопровода; IVк - количество витков равномерной обмотки; ц0 -магнитная проницаемость вакуума; ц - относительная магнитная проницаемость магнитного материала.

В последующих формулах 1Ут - максимальное количество витков синусной и косинусной обмоток.

Индуктивность синусной обмотки:

0 -/М+[50-А5со5(а-Р)]

Индуктивность косинусной обмотки:

кс=к1я Ь-^^--¿/а. (3)

о -/М+[50-Д5со8(а-Э)] ц

Взаимная индуктивность синусной и равномерной обмоток:

»,, тг/ гг/ г,2? ил/гвта

Мж = | --И-¿а. (4)

0 -/м+[б0-Л6со8(<х-р)] ц

Взаимная индуктивность косинусной и равномерной обмоток:

(5)

Мсж^тШкк]--^соза-^

о -/м+[50-Л5со8(а-р)] М-

Взаимная индуктивность косинусной и синусной обмоток: Мс5 = -М^аипа-^

0 -/м+[50-А5со8(а-р)] ц

(6)

Все перечисленные выражения могут быть записаны в другой форме после интегрирования по одинаковому алгоритму.

Зависимость электрических параметров датчика от величины и направления смещения вала имеет нелинейный характер. Это обусловлено нелинейностью характеристик магнитопровода.

В качестве примера на рисунке 3 представлен график зависимости индуктивности синусной обмотки Ь3 от смещения и его направления, а на рисунке 4 - график зависимости взаимной индуктивности синусной и косинусной обмоток МС5 от тех же величин.

Омиидгиио, х! 0*2, а

Рисунок 3 - График зависимости индуктивности синусной обмотки от смещения и направления смещения вала

Смешение, к!0 -2, мм Направление смещения, х10, Град

Рисунок 4 - График зависимости взаимной индуктивности синусной и косинусной обмоток от смещения и направления смещения вала

Система уравнений для вычисления токов источников и приемников при наличии источников во всех ветвях схемы:

• ЖяДл +рК5с1с=Е.5, (7)

рм.яс1я+ рЫ^сь +2Сс1с =М.с>

где — полные сопротивления контуров равномерной,

синусной и косинусной обмоток.

В результате решения данной системы уравнений и некоторых алгебраических действий получили функцию преобразования ИИС, определяющую зависимость между биением вала относительно датчика и выходным напряжением ИИС:

(¿ссРМ-кц -р2МксМзсуЕс (р2МкМ5с -ЖЖЖлс) ,„,

С'кь|х — ---2-2-2-3-2-т-" ^

¿йя^ж^сс-^йлр М-бс-р Мд5Жсс+2/' KrsM.scM.kc-p МКс¿да Таким образом, зависимость изменения фазы от биения вала и параметров элементов ИИС выражается достаточно сложным аналитическим выражением, затрудняющим анализ зависимости погрешности ИИС от влияющих факторов.

Третья глава посвящена разработке программного обеспечения для реализации компьютерной модели ИИС биений вала для анализа зависимости погрешности измерительной системы от параметров элементов ИИС.

Компьютерная модель позволяет анализировать метрологические характеристики ИИС биений валов, учитывать особенности структурных элементов датчика, влияющих на погрешность ИИС, и решать задачи на-

хождения допустимых отклонений параметров элементов системы, при которых обеспечивается необходимая погрешность измерений без проведения трудоемких расчетов на этапе проектирования ИИС.

Для реализации компьютерной модели ИИС биений валов была использована среда программирования Ма1:ЬаЬ. Схематическое представление процесса определения параметров ИИС биений валов представлено на рисунке 5. Компьютерная модель ИИС биений вала на основе датчика с бегущим магнитным полем использована для анализа зависимости электрических параметров (сопротивлений, индуктивностей, взаимных индуктивностей) от смещения и направления смещения вала относительно статора датчика. С помощью компьютерной модели получены данные, отражающие зависимость выходного напряжения (рисунок 6) и его фазы (рисунок 7) от смещения и направления смещения вала.

Рисунок 5 - Схематическое представление процесса определения параметров ИИС биений валов

Рисунок 6 - Зависимость выходного напряжения от смещения и направления смещения вала

Рисунок 7 - Зависимость фазы выходного напряжения от смещения и направления смещения вала

Очевидно то, что даже при идеальном исполнении элементов датчика и настройке других элементов ИИ С характеристики имеют нелинейный характер. Причиной этого служит нелинейность магнитной системы.

Блок определения погрешности имитационной модели ИИС позволяет определять составляющие погрешности ИИС, обусловленные погрешностью изготовления элементов датчика и погрешностью, обусловленной другими факторами, воздействующими на ИИС. В качестве основы вычисления погрешности использовались абсолютные погрешности выходных величин от плоскости, коэффициенты уравнения которой были вычислены по экспериментальным данным с использованием метода наименьших квадратов.

Таким образом, результаты анализа разработанной компьютерной модели ИИС биений валов удовлетворяют всем требованиям анализа и синтеза ИИС, учитывают физические процессы, происходящие в ИИС, влияние конструктивных параметров элементов датчика на погрешность и решают задачу определения метрологических характеристик ИИС.

В четвертой главе рассматриваются зависимости погрешности ИИС от влияния наиболее значимых факторов.

Такими факторами являются:

— нелинейность зависимости магнитного сопротивления датчика от смещения вала;

— неточность установки магнитопровода датчика относительно вала;

— неравенство амплитуд двухфазного генератора;

— неточность начальной установки фазового сдвига напряжений генератора;

— погрешность изготовления пазов магнитопровода датчика;

— дискретность числа витков синусной и косинусной обмоток датчика.

Анализ зависимости погрешности ИИС от перечисленных выше факторов указывает на то, что по причине возникновения данные погрешности должны быть отнесены к инструментальным. По характеру возникновения первый и шестой влияющие факторы приводят к появлению погрешности, носящей систематический характер. Остальные погрешности носят случайный характер. Таким образом, частично результаты измерений могут быть скорректированы путем введения соответствующих поправок.

Как было сказано выше, даже при идеальном изготовлении элементов датчика выходные сигналы зависят нелинейно от входных величин.

Графики зависимостей погрешности измерения смещения вала (рисунок 8) и направления смещения вала (рисунок 9) от входных величин указывают на то, что при смещении вала в 30 % от максимально возможного смещения (1 мм) датчик может обеспечить погрешность измерения смещения вала в 1 %. Погрешность измерения направления смещения вала гораздо ниже и составляет при таком значении смещения вала десятую долю процента.

Смещение, мм

Рисунок 8 — Зависимость погрешности измерения смещения вала от входных величин, о.е

Смещение, мм

Рисунок 9 - Зависимость погрешности измерения направления смещения вала от входных величин, o.e.

С помощью компьютерной модели ИИС биений вала с использованием датчика с бегущим магнитным полем было установлено, что в случае двухфазного режима работы ИИС коэффициент чувствительности к неравенству питающих напряжений равен ОД. Коэффициент чувствительности ИИС к погрешности установки фазового сдвига напряжений генератора составляет 0,2. Погрешность округления расчетного количества витков синусной и косинусной обмоток датчика выражается в появлении дополнительной погрешности ИИС, величина которой зависит в основном от выбора максимального расчетного количества витков обмоток.

При анализе погрешности ИИС биений вала, обусловленной неточностью изготовления пазов магнитопровода, в компьютерной модели ИИС задавалось полем допуска. Конкретные координаты пазов определялись с помощью генератора случайных чисел. Коэффициент чувствительности в этом случае равен 0,025.

В результате анализа влияния наиболее значимых факторов ИИС сделан вывод о том, что их большая часть выражается линейной зависимостью от их значений. Это справедливо как для погрешности измерения значения смещения вала, так и для погрешности измерения направления смещения вала.

На основе анализа влияния отдельных факторов были определены допуски на изменение параметров ИИС из условия равенства весов для получения результирующей погрешности ИИС, равной 1 %. Пределы таких допусков были заложены при анализе метрологических характеристик ИИС. При этом конкретные значения в пределах допуска определялись с помощью генератора случайных чисел с равномерным законом распределения. Такое распределение использовалось в связи с тем, что реальный закон распределения случайных величин в

данном случае неизвестен. В результате проведения 100 экспериментов на имитационной модели ИИС было получено значение результирующей погрешности ИИС, равное 0,9 %.

Пятая глава посвящена экспериментальному исследованию ИИС с использованием датчика биений и персонального компьютера. Выбранное решение об использовании персонального компьютера является доступным, портативным, не требует больших материальных затрат. Для создания программного обеспечения автором была использована среда программирования MatLab - Simulink - Data Acquisition Toolbox. Структурная схема ИИС биений валов и персонального компьютера показана на рисунке 10.

Рисунок 10 — Структурная схема ИИС биений валов и персонального компьютера

Для реализации ИИС использовался макетный образец датчика, на который с компьютера подается двухфазная система напряжения питания 1 В частотой 1кГц и фазовым сдвигом между напряжениями 90°. Управление осуществляет ш-файл среды программирования MatLab -Simulink - Data Acquisition Toolbox.

При двухфазном режиме работы синусная и косинусная обмотки датчика получают питание от персонального компьютера, причем ко-

синусная обмотка по первому каналу получает питание синусным напряжением, а синусная обмотка по второму каналу - питание косинусным напряжением.

Так как обработке подлежат оцифрованные напряжения, момент перехода напряжения через нуль зафиксировать без дополнительной обработки информации невозможно. На рисунке 11 представлена временная диаграмма выходного оцифрованного сигнала датчика. Программа предусматривает подсчет целого числа периодов между первым положительным значением опорного напряжения и первым положительным значением выходного напряжения.

ив,а

к ¿т

Рисунок 11 - Временная диаграмма оцифрованного сигнала

Вычисляются доли периода частоты следующим образом. Фиксируется последнее отрицательное значение за период £Увц1, затем - первое положительное значение £/вц2.

Отрезок времени от момента времени значения £/вц1 до момента пересечения прямой и оси времени пропорционален 1/вц,, тогда как

отрезок времени от момента пересечения прямой оси времени до первого цифрового положительного значения напряжения Г/вц2 пропорционален этому напряжению. Отрезок времени, пропорциональный фазовому сдвигу, можно вычислить следующим образом:

гф =тТс1 +1оп (9)

где т - количество полных периодов частоты дискретизации между первым положительным значением опорного напряжения и первым положительным значением выходного напряжения датчика; 7— период частоты дискретизации; /оп - часть периода опорного напряжения; /вц - часть периода выходного напряжения.

Фазовый сдвиг, равный пространственному углу направления смещения вала, вычисляется по формуле

Подобная коррекция значения направления смещения вала обусловлена тем, что частота питания датчика биений меньше частоты дискретизации в число раз, равное отношению этих частот fl¡|f ■

Использование разработанной программы, записанной в /м-файле, осуществляющей обработку выходного сигнала датчика, позволяет производить измерения с высокой точностью.

Экспериментальное исследование макета ИИС биений валов проводилось следующим образом. Макетный образец датчика фиксировался на высокоточном координатно-расточном станке модели 2440СФ4 с разрешающей способностью по координатам X, У, '/. 0,001 мм. Стальной цилиндр, диаметр которого был равен диаметру вала, фиксировался вместо фрезы в патрон подвижной части станка. Оператор станка обеспечивал нужное смещение стального вращающегося цилиндра относительно электромагнитной системы датчика. Программное обеспечение станка позволило задавать величину и направление смещения вала. Смещение вала А5 изменялось в пределах 0...300 мкм с шагом 20 мкм. Диапазон изменения смещения вала выбирался с учетом погрешности от нелинейности характеристики. Максимально допустимое смещение вала датчика биений было равным 1 мм. Направление смещения вала |3 изменялось в пределах 0.. .360° с шагом 20°.

В третьей главе описана методика для определения погрешности измерения биений. Поверхность, характеризующая зависимость абсолютной погрешности измерения величины смещения вала, показана на рисунке 12. Поверхность, характеризующая зависимость абсолютной погрешности измерения направления смещения вала, показана на рисунке 13.

10"

Рисунок 12 - Поверхность, характеризующая зависимость абсолютной погрешности измерения величины смещения вала

Рисунок 13 - Поверхность, характеризующая зависимость

абсолютной погрешности измерения направления смещения вала

Как показывают зависимости, изображенные на рисунках 12, 13, погрешность измерения биения вала является величиной случайной и вызвана факторами ИИС, рассмотренными в четвертой главе, а также погрешностью обработки сигнала.

Экспериментальное исследование ИИС биений вала и последующий анализ полученных экспериментальных данных показали, что относительная погрешность составила 1,2 %.

Следует отметить довольно низкий уровень относительной погрешности предлагаемой ИИС. Данное значение незначительно отличается от относительной погрешности, полученной с помощью имитационной модели.

В заключении сформулированы результаты решения поставленных задач, которые позволяют сделать вывод о достижении поставленной цели диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана структура датчиков для измерения биений вала на основе ЭМС с бегущим магнитным полем.

2. Определена функция преобразования ИИС биений валов с учетом параметров датчика.

3. Разработана компьютерная модель ИИС биений вращающихся валов для анализа работы и определения степени влияния параметров ИИС на ее работу.

4. Разработана структура ИИС биений вращающихся валов.

5. Экспериментальное исследование ИИС биений вращающихся валов показало, что относительная погрешность ИИС составила 1,2 %.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Гаврина, О. В. Анализ двухфазного режима работы информационно-измерительной системы на основе датчика биений вала с бегущим магнитным полем / О. В. Гаврина, Ю. А. Шагова // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 2 - URL: http://www.science-education.ru/108-8942.

2. Гаврина, О. В. Анализ систематической погрешности информационно-измерительной системы на основе датчика биений вала с бегущим магнитным полем / О. В. Гаврина, В. Я. Горячев, Ю. К. Чапчиков, Ю. А. Шатова // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки.-2013.-№ 1 - С. 46-57.

3. Гаврина, О. В. Информационно-измерительная система для измерения биений вала турбины на основе датчика с бегущим магнитным полем / О. В. Гаврина, Т. Ю. Бростилова, Ю. А. Шатова // Интернет-журнал «Науковедение». - 2013. - № 6 (19). - URL: http:// naukovedenie.ru/PDF/ 145TVN613.pdf.

4. Гаврина, О. В. Спектральный метод анализа погрешности информационно-измерительной системы / О. В. Гаврина, Д. И. Нефедьев, В. Я. Горячев // Интернет-журнал «Науковедение». - 2014. - № 5 (24). - URL: http:// naukovedenie.ru/PDF/43TVN514.pdf.

Публикации в других изданиях

5. Гаврина, О. В. Возможность использования математического моделирования для анализа режимов работы информационно-измерительной системы механических величин на базе асимметричной электромагнитной системы / О. В. Гаврина // Вестник Пензенского государственного университета. - 2013,- № 1. - С. 115-120.

6. Гаврина, О. В. Расчет электрических параметров датчика биений вала с помощью математической модели / О. В. Гаврина // Вестник Пензенского государственного университета. — 2013. — № 2. - С. 84-89.

7. Гаврина, О. В. Анализ работы датчика биений вала с бегущим магнитным полем / О. В. Гаврина // Вестник Пензенского государственного университета. - 2013. - № 3. - С. 70-74.

8. Гаврина, О. В. Анализ систематической погрешности датчика биений вала с бегущим магнитным полем / О. В. Гаврина, В. Я. Горячев, Ю. К. Чапчиков, Ю. А. Шатова // Датчики и системы: Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации : тр. Меж-дунар. науч.-техн. конф. - 2012. - С. 77-82.

9. Гаврина, О. В. Анализ факторов, влияющих на систематическую погрешность датчика биений вала с бегущим магнитным полем / О. В. Гаврина // Надежность и качество : тр. Мсжлунар. симп. - 2013. - Т. 2. - С. 23-27.

10. Гаврина, О. В. Применение имитационной модели для исследования информационно-измерительной системы измерения биений вала / О. В. Гаврина // Математическое и компьютерное моделирование в реше-

нии задач строительства, техники, управления и образования : тр. Между-нар. коиф. - 2013. - С. 27-29.

П.Гаврина, О. В. Определение погрешностей информационно-измерительной системы для измерения биений вала с помощью имитационной модели / О. В. Гаврина // Математическое и компьютерное моделирование в решении задач строительства, техники, управления и образования : тр. Междунар. конф. - 2013. - С. 29-33.

12. Гаврина, О. В. Влияние дискретности количества витков секций обмоток электромагнитной системы на погрешность информационно-измерительной системы на основе датчика биений вала с бегущим магнитным полем / О. В. Гаврина // Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических сетях : тр. Междунар. науч.-практ. конф.-2013.-С. 12-14.

13. Гаврина, О. В. Погрешность информационно-измерительной системы на основе датчика биений вала, вызванная неортогональностыо напряжений генератора / О. В. Гаврина // Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических сетях : тр. Междунар. науч.-практ. конф. - 2013. - С. 14-17.

14. Гаврина, О. В. Погрешность информационно-измерительной системы на основе датчика биений вала, вызванная неточностью установки датчика / О. В. Гаврина // Техника и технологии: роль в развитии современного общества : тр. Междунар. науч.-практ. конф. - 2013. - С. 32-34.

15. Гаврина, О. В. Определение влияния точности изготовления пазов магнитопровода на погрешность информационно-измерительной системы на основе датчика биений вала с бегущим магнитным полем / О. В. Гаврина // Техника и технологии: роль в развитии современного общества : тр. Междунар. науч.-практ. конф. - 2013. - С. 30-32.

16. Гаврина, О. В. Измерения биений валов. Методы, средства, эффективность / О. В. Гаврина // Электронный научный журнал APRIORI. Серия: Естественные и технические науки. - 2013. - № 1. - URL: http://apriori-journal.ru/seria2/l-2013/Gavrina.pdf.

Свидетельства о государственной регистрации

17. Программа расчета влияния погрешностей изготовления элементов двухкоординатного фазового датчика на систематическую погрешность информационно-измерительной системы биений вала турбин: [свидетельство № 19593. - ИНИПИ РАО; ОФЭРНиО] / В. Я. Горячев, Ю. А. Шатова, О. В. Гаврина. - 28 октября 2013 г.

Научное издание

Гаврина Олеся Владимировна

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА БИЕНИЙ ВРАЩАЮЩИХСЯ ВАЛОВ

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение) Специальность 05.11.01- Приборы и методы измерения (электрические и магнитные величины)

Редактор О. Ю. Ещина Компьютерная верстка С. В. Денисовой Технический редактор С. В. Денисова

Распоряжение № 13/50от 23.10.2014.

Подписано в печать 23.10.2014. Формат 60х84'"6. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100. Заказ № 957.

Издательство ПГУ. 440026, Пенза, Красная, 40. Тел./факс: (8412) 56-47-33; е-тай:пс@рп2аи.щ