автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Исследование и разработка системы программного обеспечения процесса проектирования индуктивных измерительных приборов

ВВЕДЕНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

ГЛАВА 1. Принципы построения индуктивных измерительных 7 преобразователей (ИИП) перемещений.

1.1. Обобщенная структурная схема и состав базовых 7 элементов ИИП.

1.2. Варианты схемной реализации.

1.3. Особенности расчета и проектирования.

1.4. Выводы по первой главе.

ГЛАВА 2. Структурно-математические модели ИИП.

2.1. Структурно-математические модели для статического 25 режима измерений.

2.2. Структурно-математические модели для динамического 46 режима измерений.

2.2.1. Передаточная функция ИИП.

2.2.2. Длительность переходного процесса.

2.2.3. Амплитудно-частотная характеристика третьего 51 порядка.

2.3. Структурно-математические модели для возмущенного 54 режима измерений.

2.3.1. Факторы, вызывающие погрешность ИИП.

2.3.2. Основные расчетные формулы.

2.3.3. Учет погрешности от нелинейности статической 66 характеристики ИИП.

2.4. Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. Расчет параметров и характеристик базовых элементов 74 ИИП.

3.1. Расчет параметров и характеристик индуктивных 74 преобразователей с переменной величиной и площадью воздушного зазора.

3.1.1. Расчет параметров и характеристик преобразователя 74 с переменной величиной воздушного зазора.

3.1.2. Расчет параметров и характеристик преобразователя 86 с переменной площадью воздушного зазора.

3.2. Расчет параметров и характеристик индуктивных 92 преобразователей соленоидного типа.

3.3. Расчет параметров и характеристик схем включения 102 ИИП.

3.4. Расчет параметров и характеристик корректирующих 107 звеньев.

3.4.1. Расчет параметров и характеристик корректора статической точности ИИП.

3.4.1.1. Расчет статической характеристики 107 функционального преобразователя напряжения.

3.4.1.2. Кусочно-линейная аппроксимация статической 113 характеристики функционального преобразователя напряжения.

3.4.1.3. Выбор элементной базы и схемы функционального 115 преобразователя напряжения.

3.4.1.4. Расчет параметров функционального 120 преобразователя напряжения.

3.4.2 Расчет параметров и характеристик корректора динамической точности ИИП. 3.4.2.1. Определение передаточной функции динамического корректирующего звена.

3.4.2.2. Выбор элементной базы динамического 130 корректирующего звена.

3.4.2.3. Расчет параметров динамического 131 корректирующего звена.

3.5. Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4. Система программного обеспечения процесса 133 проектирования ИИП.

4.1. Структура и содержание.

4.2. Интерфейс.

4.2.1. Окно заставки

4.2.2. Основное окно программы.

4.2.3. Главное меню.

4.3. Выводы по четвертой главе.

В современной науке и технике весьма распространенными являются линейно-угловые измерения. В настоящее время доля таких измерений в отечественном машиностроении достигает 90%, а область их применения простирается от измерений в микронном диапазоне до относительно грубого отслеживания перемещений при изготовлении или сборке различных конструкций. Среди технических средств линейно-угловых измерений наиболее распространенными являются индуктивные измерительные устройства. Особенностью таких устройств является наличие в них индуктивного преобразователя, с помощью которого измеряемое перемещение, воздействуя на подвижный элемент устройства, преобразуется в изменение полного электрического сопротивления катушки индуктивности.

Индуктивные преобразователи перемещений имеют простую и надежную конструкцию, обладают высокой механической прочностью и надежностью. При малых габаритах и массе современные индуктивные преобразователи имеют большую выходную мощность, малое измерительное усилие, высокую точность и стабильность работы, а также малую чувствительность к изменениям условий эксплуатации. Они не требуют специального ухода и доступны для обслуживания даже малоквалифицированному персоналу, относительно дешевы, технологичны в изготовлении и не требуют для своего производства дефицитных материалов и специального оборудования.

В настоящее время индуктивные преобразователи являются элементами многих информацинно-измерительных и управляющих систем. Помимо задач линейно-угловых измерений они широко используются для измерения тех физических величин, которые могут быть предварительно преобразованы в механическое перемещение, что значительно расширяет область применения таких преобразователей при создании разнообразных систем автоматического контроля и управления.

Несмотря на широкое распространение измерительных устройств, в их разработке до настоящего времени господствует эмпирический подход, при котором выбор конструктивных и схемных решений в основном базируется на личном опыте разработчика и данных экспериментальных исследований. В результате наблюдается значительный разброс проектных решений при близких и эксплуатационных характеристиках устройств.

Известные структурно-математические модели индуктивных преобразователей не устанавливают в явном виде связь между конструктивными параметрами и метрологическими характеристиками преобразователей, а применяемые методы расчета часто сводятся к поверочному расчету преобразователя с известной конструкцией магнитопровода. В результате усложняется решение задачи синтеза преобразователя по критериям статической и динамической точности и увеличиваются сроки проектирования.

В связи с этим важное практическое значение и актуальность приобретают разработка новых методик расчета индуктивных измерительных устройств и привлечение современных компьютерных технологий их проектирования.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка структурно - математических моделей, методов и алгоритмов расчета индуктивных измерительных приборов прямого преобразования (ИИП) и создание системы программного обеспечения процесса проектирования таких приборов.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие основные задачи:

1. Исследованы особенности построения, расчета и проектирования современных ИИП;

2. Разработаны структурно - математические модели для статического, динамического и возмущенного режимов измерений;

3. Разработаны алгоритмы расчета параметров и характеристик базовых элементов ИИП;

4. Разработаны методики многовариантного компьютерного проектирования ИИП;

5. Разработана система программного обеспечения процесса проектирования ИИП.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны структурно - математические модели индуктивных измерительных приборов прямого преобразования, позволяющие на стадии проектирования определить выходные характеристики приборов в статическом, динамическом и возмущенном режимах измерений;

2.Разработаны алгоритмы расчета параметров и характеристик базовых элементов индуктивных измерительных приборов, непосредственно связывающие их физические параметры с характеристиками приборов;

3.Разработаны методика и среда компьютерного проектирования индуктивных измерительных приборов, содержащих дифференциальные индуктивные преобразователи с переменной величиной и площадью воздушных зазоров, или преобразователи соленоидного типа, включенные в мостовые измерительные схемы;

4.Предложены формулы, позволяющие в аналитическом виде выполнить расчет длительности переходного процесса динамической системы второго порядка с погрешностью, не превышающей 3%;

5.Разработана диаграмма, позволяющая в плоскости параметров Вышнеградского, выделить области, соответствующие различным формам амплитудно-частотной характеристики прибора: одногорбой, двугорбой, стулообразной, пологой.

6.Разработана автоматизированная система программного обеспечения процесса проектирования индуктивных измерительных приборов.

1. Агейкин Д.И., Костина Е.Н., Кузнецова Н.Н. Датчики контроля и регулирования. М., Машиностроение, 1965. 928 с.

2. Буль Б.К. Основы теории и расчета магнитных цепей. М. П., Энергия, 1964. 464 с.

3. Волосов С.С., Педь Е.И. Приборы для автоматического контроля в машиностроении. М., Изд-во стандартов, 1975. 336 с.

4. Иоффе А.И. Расчет температурной погрешности дифференциально-трансформаторных преобразователей давления. Измерительная техника. 1971, № 3, с. 31-33.

5. Иоффе А.И., Черейский П.М. Повышение линейности трансформаторного преобразователя перемещений. Приборы и системы управления, 1975, № 5, с. 25-26.

6. Кузьмичев Г.М., Москвичев Е.И., Моргунов Ю.А. Линеаризация характеристик измерительных преобразователей. Известия вузов. Приборостроение, 1975, № 11, с. 26-31.

7. Материалы в приборостроении и автоматике/Под ред. Ю.М. Пятина. М., Машиностроение, 1969. 631 с.

8. Сотсков Б.С. Основы расчета и проектирования элементов автоматических и телемеханических устройств. M.-J1, Госэнергоиздат, 1953. 544 с.

9. Срибнер Л.А. Точность индуктивных преобразователей перемещений. М., Машиностроение, 1975. 104 с.

10. Столбун М.И., Сизых П.П. Снижение температурных погрешностей магнитоупругих преобразователей трансформаторного типа. Известия высших учебных заведений. Электромеханика, 1974. №2, с. 193-197.

11. Федотов А.В., Моисеев B.C. Метрологический расчет соленоидного преобразователя перемещений. Измерительная техника, 1976, № 12, с. 21-22.

12. Федотов А.В. Оценка погрешности от нелинейности характеристики индуктивных измерительных преобразователей. Измерительная техника, 1974, № 4, с. 38-40

13. Федотов А.В. Расчет температурной погрешности индуктивного преобразователя на стадии конструирования. В кн.: Автоматическое производство и контроль в машиностроении/Под ред. А.В. Федотова. Омск, Омский политехнический институт, 1974, с. 44-58.

14. Фильчаков П.Ф., Панчишин В. И. Интеграторы ЭГДА. Моделирование потенциальных полей на электропроводной бумаге. Киев, АН УССР, 1961.

15. Цикерман Л.Я., Котляр Р.Ю. Индуктивные преобразователи для автоматизации контроля перемещений. М., Машиностроение, 1966. 112 с.

16. Сорочкин Б.М. Автоматизация измерений и контроля размеров деталей. Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1990.- 365 с.

17. Нуберт Г.П. Измерительные преобразователи неэлектрических величин./Пер. с англ. Л.: Энергия, 1970. - 360 с.

18. Федотов А.В. Расчет и проектирование индуктивных устройств.- М.: Машиностроение, 1979. 176 с.

19. Тетельбаум И.М., Шнейдер Ю.Р. Практика аналогового моделирования динамических систем: Справочное пособие М.: Энергоатомиздат, 1987. - 384 с.

20. Смолов В.Б. Функциональные преобразователи информации. -Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1981. 248 с.

21. Азизов A.M., Гордов А.Н. Точность измерительных преобразователей. Л.: Энергия, 1975. -256 с.

22. Грейм И.А. Элементы проектирования и расчет механизмов приборов. Учебное пособие для студентов вузов по специальности «Приборы точной механики». Л.: Машиностроение, 1972. - 216 с.

23. Маслов А.А., Сахаров А.Н. Синтез диодных функциональных преобразователей. М.: Энергия, 1976. - 168 с.

24. Гинзбург С.А. Нелинейные цепи и их функциональные характеристики. М.: Госэнергоиздат, 1958 г.

25. Евтихеев Н.Н. и др. Измерение электрических и неэлектрических величин: Учебное пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 352 с.

26. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин. Методы измерений. Учебное пособие для вузов. Л.: Энергоатомиздат, 1987 г.

27. Фарзане Н.Г. Илясов Л.В., Азим заде А.Ю. Технологические измерения и приборы: Учебник для студентов вузов по спец. «Автоматизация технологических процессов и производств». -М.: Высшая школа, 1989. -456 с.

28. Харт X. Введение в измерительную технику: Пер. с нем. М.: Мир, 1999. - 391 с. (Рекомендовано кафедрой метрологии МИЭМ в качестве учебно-справочного пособия для студентов вузов приборостроительных специальностей).

29. Туричин A.M. и др. Электрические измерения неэлектрических величин. Изд. 5-е, перер. И доп. Л.: Энергия, 1975. - 576 с.

30. Щепетов А.Г. Автоматизация инженерных расчетов в среде MATHCAD. Учебное пособие, М.: МГАПИ, 2001 г. 215 с.

31. Щепетов А.Г. Задачи и упражнения по курсу «Теория и проектирование измерительных приборов», Учебное пособие. -М.: МИП, 1990 г., 92 с.

32. Щепетов А.Г. Анализ и синтез структуры измерительных приборов с применением ЭВМ. Методические указания по лабораторному практикуму, М.: МИП, 1988, 31 с.

33. Селезнев А. В. Задания и методические указания к курсовой работе «Расчет индуктивных преобразователей перемещений», М.: МИП, 1986., 60 с.

34. Теория автоматического управления. 4.1. Теория линейных систем автоматического управления. Под ред. А.А. Воронова. Учебное пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1977. - 303 с.

35. Ротерс Г. Электромагнитные механизмы. М., Госэнергоиздат, 1949.

36. Семин В.А., Щепетов А.Г. Расчет и выбор параметров соленоидных индуктивных преобразователей перемещения. Научно-технический сборник т.II. -М.: Московский институт энергобезопасности и энергосбережения, 2002, С.23-33.

37. Семин В.А. Методика расчета коррекции статической характеристики индуктивного измерительного прибора. Научно-технический сборник т.И. -М.: Московский институт энергобезопасности и энергосбережения, 2002, С.45-55.

38. Семин В.А. Методика расчета параметров индуктивных измерительных приборов: Пособие. -М: Московский институт энергобезопасности и энергосбережения, 2002, 38 с.

39. Семин В.А., Щепетов А.Г. Применение и использование индуктивных датчиков перемещения в отечественной промышленности. -М.: Российский химико-технологический университет им. Менделеева, 2002, 12 с.

40. Семин В.А., Щепетов А.Г. Методика расчета индуктивных измерительных приборов для возмущенного режима измерений. -М.: Российский химико-технологический университет им. Менделеева, 2002, 16 с.

41. Семин В.А., Щепетов А.Г. Расчет параметров и характеристик базовых элементов индуктивных измерительных преобразователей. -М.: Российский химико-технологический университет им. Менделеева Издательский центр, 2002, 22 с.

42. Семин В.А., Щепетов А.Г. Индуктивные измерительные приборы с дифференциальным преобразователем соленоидного типа, анализ нелинейности. -М.: Российский химико-технологический университет им. Менделеева Издательский центр, 2002, -13 с.

43. Соснин Ф.Р., Семин В. А. Современная европейская стандартизация терминов по неразрушающему контролю. Журнал «Контроль. Диагностика» № 11, 2000, С. 44-51.

44. Семин В.А. Индукционные измерительные преобразователи. Сборник трудов молодых ученых и специалистов МГАПИ №4 ч.И. -М.: Московская государственная академия приборостроения и информатики, 2002.

45. Ураксеев М.А., Чикуров Н.Г., Гайсин Ш.М. Датчик перемещения со встроенным устройством преобразования информации. Журнал «Приборы и системы управления» № 2, 1989, С. 17-18.

46. Сергеев С.А. Индуктивные датчики линейных перемещений. Журнал «Теория и проектирования датчиков, приборов и систем» №11,2001.

47. Сулаберидзе В.Ш., Валиуллин Ф.Х., Котов Н.П., Чернобровкин Ю.В. Методы снижения температурной погрешности индуктивных и взаимоиндуктивных датчиков. Журнал «Теория и проектирования датчиков, приборов и систем» № 9, 2001.

48. Ураксеев М.А., Праздников Н.И., Мингалеев З.Ш. Мостовой индуктивный преобразователь. Журнал «Измерительная техника» № 3, 1977, С. 82-84.

49. Ураксеев М.А., Авзалова Г. В. Анализ магнитной цепи трансформаторных преобразователей с подвижными экранами. Журнал «Известия вузов. Приборостроение» № 4, 1976, С. 48-51.

50. Гринштейн Б.Я. Влияние параметров входной цепи на погрешность электронных измерительных средств с индуктивными преобразавателями для линейных измерений. Журнал «Измерительная техника» № 11, 1980,.

51. Кемпинский М.М. Точность и надежность измерительных приборов. -Л.: Машиностроение, 1972, 264 с.

52. Кривенков В. В. Автоматический контроль и проверка преобразователей угловых и линейных величин. -Л.: Машиностроение, 1985, 247 с.

53. Лившиц А.З., Сорочкин Б.М. Прецизионные индуктивные преобразователи. Журнал «Станки и инструменты» № 9, 1985, С. 34-35.

54. Проектирование датчиков для измерения механических величин / Под ред. Осадчего Е.П. -М.: Машиностроение, 1979, -480 с.

55. Сорочкин Б.М. Основные направления развития цифровых приборов для измерения линейных и угловых величин / Цифровые приборы для измерения линейных и угловых величин. -Л.:ЛДНТП, 1985, С. 5-21.

56. Телешевский В.И. Информационно-измерительные системы и метрологические аспекты в ГАП / Внедрение прогрессивных средств и методов размерного контроля точных измерений длин и углов. -Л.: НПО ВНИИМ, 1984, С. 138-139.142

57. Abdullan F., Finkelstein L., Rahman M.M. The application of matematical models in the evaluation and design of electromechanicaql instrument transducers. Journal of Applied Science and Engineering. 2, № 1, 1977, p. 3-26.

58. Astrop A.W. Metrology and inspection some and future trends. Machinery and production engineering. 122, № 3142, 1973, p. 214220.

59. Digital-elektronische MeBwertanzeiger. Technische Rundschau. 69, №45, 1977.

60. Hollingum B.I, Quality cheaper with computer-aided Control. The Engineering. 27, February, 1975, p. 40-41, 45, 49.

61. I.L.I, de Graaff. Elektronika en Meettechniek. Mikromiek. 14№ 4, 1974, p. 71-75.

62. Федотов А.В. Увеличение диапазона линейного преобразования индуктивных измерительных преобразователей. Журнал «Измерительная техника», 1971, №9, С. 16-18.

63. Чернавкин Л.Д. Линеаризация сигнала одинарного индуктивного датчика. Журнал «Приборы и системы управления», 1974, № 4, С. 30, 35-36.

64. Шульц Е.Ф., Речкалов И.Т., Фрейдлин Ю.М. Индуктивные приборы контроля размеров в машиностроении. -М.: Машиностроение, 1974. с. 144.

65. Федотов А.В. Сравнительный анализ точности одинарных и дифференциальных индуктивных преобразователей. -В кн.: Точность, новые методы и средства измерений в машиностроении./Под ред. Г. Д. Бурдуна. Вып. 12, -М.: Издательство стандартов, 1974, С. 62-71.

66. Тарапон А. Г. Моделирование нестационарных полей на интеграторах ЭИНП. Киев, Институт математики АН УССР, 1970, с. 156.

67. Наименование Тип, модель Предприятие-изготовитель Размах показаний, мкм Допускаемая погрешность, мкм Свободный ход, мм Диапазон измерения, мм Измерительное давление, сН Габаритные размеры, мм — 1 Масса, кг

68. Завод «Калибр» 0,05 1* 2,5 1 60 Диаметр 8X108234 0,2 6 +3 150 Диаметр 28X170

69. БВ-4266.01 Завод «Измерон» 1 0,07; 0,2 14 2,12 Диаметр 40X195 0,55

70. Датчик индуктивный БВ-6067 ВНИИ измерения 2* - 0,4 300 Диаметр 20X69,5 0,37

71. Индуктивный преобразователь АНИТИМ-353 - 1,5 - Диаметр 28X71

72. Преобразователь индуктивный бесконтактный БНД-5 Омский политехнический институт 14* - 1,5 -

73. Модуль рычажный МР-100 Завод «Измепон» 0,7 0,5* 2 +0,4 Диаметр 28X68X162 0,7

74. Осевой измерительный щуп Т 21 «Тезза» Швейцария 0,02 0,5* 4,3 ±1 63 Диаметр 8X92

75. Рычажный измерительный щуп Т31 0,1 1,7* ±0,7 ±0,3 10-20 Диаметр 90X17X17

76. Индуктивный датчик (миллитрон) 1300 «Мар» (ФРГ) 0,02 4 ±2 75 Диаметр 8X80

77. Погрешность дана в процентах1. S P О1. В11. К й Ок1. CD К к1. П>146