автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Методическое обеспечение и средства электромагнитного контроля составляющих скорости жидких полупроводящих сред

На правах рукописи

УТ7

7о1Ш2>

1 аньшин Юрий Анатольевич

МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И СРЕДСТВА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КОНТРОЛЯ СОСТАВЛЯЮЩИХ СКОРОСТИ ЖИДКИХ ПОЛУПРОВОДЯЩИХ СРЕД

Специальность: 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

)

г июн 2011

Санкт-Петербург - 2011

4848367

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

Научный руководитель-

кандидат технических наук, профессор Лавров Валентин Яковлевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор доктор технических наук

Бубнов Юрий Захарович Кирпанев Алексей Владимирович

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

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

д Ъ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУАП.

Автореферат разослан 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета, //> л

доктор технических наук, профессор .^у^С^^бг^Г Д. К. Шелест

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

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

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

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

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

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

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

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи.

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

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

• Разработать инженерную методику расчета скорости, измеряемой датчиком.

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

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

• Произвести оценку погрешностей разработанных электромагнитных датчиков скорости судна.

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

• теории физических полей,

• теории идентификации,

• механики сплошных сред,

• электрохимии растворов,

• морской навигации,

• математического аппарата решения уравнения Лапласа методом разделения переменных,

• дифференциального и интегрального исчисления,

• программирования и компьютерного моделирования.

Научная новизна работы

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

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

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

Практическая значимость работы

В ходе работы получены следующие практические результаты.

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

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

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

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

Основные положения, выносимые на защиту

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

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

3. Инженерная методика обработки сигнала электромагнитного датчика скорости.

4. Инженерная методика расчета проводимости между электродами датчика скорости.

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

Внедрение результатов

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

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

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

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

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

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

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

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

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

ВгНфЛт-'В,

гЛУ,! V)

(1)

где i% - количество дискретных значений координаты -р; Ne - количество дискретных значений координаты в.

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

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

в=а а«лт, (2)

/7=0

Дш = КЛ + + ^„Л , (3)

где В„ - векторная сферическая гармоника вектора магнитной индукции уединенного источника; - проекции векторной сферической

гармоники на оси сферической системы координат; - единичные

векторы сферической системы координат; а>ш - весовой коэффициент векторной сферической гармоники, значение которого необходимо определить по результатам исследования радиальной составляющей вектора магнитной индукции объекта исследования на базовой сферической поверхности; п,т- индексы-идентификаторы сферической гармоники.

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

В, =£ ¿а„„(п + 1)г-2я;ЧС05Л)е^

п-Ол—it Ott

где «„„,=(2;v)(",;;)vr и^д^лс^ (5)

4ф + \){п+т)\ Ц

P"(Cos$) - присоединенная функция Лежандра степени т, полинома PH\Cos3).

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

8

датчика, на которой основана разраоотка математической модели электрического поля между электродами.

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

Рисунок 1 - Картина обтекания сферы Рисунок 2 - Картина обтекания сферы

идеальной жидкостью реальной жидкостью

Завихрения линий тока жидкости происходят из-за появления у поверхности датчика тонкого слоя, который прилипает к этой поверхности. Этот слой называется пограничным. Вне пограничного слоя реальная жидкость течет так же, как и идеальная. На поверхности датчика есть зоны, на которые пограничный слой практически не оказывает влияния. Для описания процесса обтекания в этих зонах достаточно рассмотреть задачу обтекания датчика идеальной жидкостью и учесть погрешность влияния вязкости. Величину пограничного слоя и характер его влияния на работу датчика можно определить с помощью безразмерного параметра называемого числом Рейнольдса Не. Приведены экспериментально выведенные выражения для расчета числа Рейнольдса Яе и толщины пограничного слоя 5:

Яе-^, (6)

и

где £> - диаметр сферы; ц- - коэффициент динамической вязкости жидкости; V - скорость движения судна.

'~к- <7)

где г„ - радиус сферы.

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

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

В работе приведены выражения для электрохимических параметров жидкости, обтекающей датчик, то есть морской или речной воды. Из электрохимических соотношений выведена формула расчета удельной

проводимости воды через соленость и электрохимические постоянные. Удельная проводимость среды необходима для разработки методики расчета проводимости морской воды между электродами датчика. В подразделе представлены статистические данные по солености различных водоемов. Удельная проводимость всего раствора равна сумме удельных проводимостей растворов к солей входящих в его состав/о :

У = Ус1+- + У«' (8)

где

7о=ау( Г+£> (9)

где а- степень диссоциации электролита; V- молярная концентрация раствора, моль/см3; ^ - подвижности катионов и анионов, см2/(В-с)(при падении напряжения в 1 В/см).

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

Задачей, решению которой посвящен второй раздел, является разработка методики преобразования исходного сигнала электромагнитного датчика скорости. Решение этой задачи заключается в определение коэффициента

пропорциональности между напряжением пары электродов С/ сферического датчика и измеряемой им скоростью судна V. В разделе предложен алгоритм его определения.

Методика применима для любой соостной пары электродов многокомпонентного датчика скорости.

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

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

У(У) = У)-йд1(1'), (10)

где Е.; V - ЭДС зависимого источника;

Иг - сопротивление в пространстве между электродами датчика;

1(У)- ток на входе измерительного устройства.

Сопротивление, эквивалентное полному сопротивлению датчика я, равно

(11)

где - /^сопротивление измерительного устройства.

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

Ё = УхВ. (12)

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

Для разработки методики преобразования сигнала датчика необходимо решить следующие задачи.

1. Построить математическую модель магнитного поля датчика.

2. Построить математическую модель электрического поля датчика.

3. Разработать методику расчета проводимости среды между электродами датчика.

При решении поставленных задач, в работе принимаются следующие допущения:

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

2) поле скоростей обтекания датчика измерителя потенциально;

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

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

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

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

(2п + 1 )(я-„)!г0~3

"т. + + Ч-1Ч

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

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

2) Определение составляющих вектора магнитной индукции В по дискретным выражениям (14), при заданных значениях координат г, в, ф, доя г> г,.

= Х 1>„„,(« + О r-"-2P;,(Cos9l)e"'

п=0 п

В, = I î V'2~P:(Cos3,)e^ , (14)

«•Он-« ^

я»0 т=-п 01П if !

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

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

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

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

аД дг ) sin9 59 V ôSj где ç>, - потенциал возмущения жидкости датчиком.

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

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

ф1 г, S -> 0 при а»г0. (16)

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

¿>01 (r, ú) дг ,

дг .

= ~ К cosí?

(17)

где - скорость потока жидкости, обтекающей датчик жидкости.

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

Ф1(г,$) = ~1{гл/г): cosí?

(18)

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

ив(гЛ<Р) = Уф1{гЛ<Р) = ~У{г0/гУ{costf, sini?/2, 0} (19)

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

u(r, &, <р) = V{r, 0,ф}-У (r0 /г)3 {cos ö, sin tí/2, 0} (20)

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

Процесс обтекания при рассматриваемых параметрах потока можно проиллюстрировать фотографией,

изображенной на рисунке 4.

Поле скоростей жидкости ¡7 при обтекании датчика реальной жидкостью в пространстве над электродами можно рассчитывать по формуле (20), с учетом погрешности влияния пограничного слоя.

В соответствии с уравнением Лоренца (12) структура электрического поля, определяется магнитным полем и полем скоростей жидкости. Математическая модель электрического поля датчика

основана на описанных математических моделях магнитного поля и поля скоростей в пространстве между электродами датчика скорости.

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

B = erBr+eaBa+évB,r (2!)

V = erVr+e3Vs+lfVv . (22)

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

Рисунок 4 - Мгновенная картина обтекания шарообразного объекта.

■Е3 = У„ВГ-КВ,„ (23)

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

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

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

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

Результаты расчетов по предлагаемой математической проиллюстрированы на графиках зависимости радиальной составляющей напряженности электрического поля от координат в н<р (рисунок 5 и рисунок 6) над поверхностью датчика в области минимального воздействия пограничного слоя. Исходные данные В°(г,<р,8) для моделирования ноля были измерены на поверхности пробной модели магнитной системы двухкомпонентного датчика скорости. Из графиков можно определить, что измерительные электроды на линии большого круга шарообразного датчика следует размещать между координатами 65° и 70° для 0. Именно в этих областях значение радиальной составляющей вектора напряженности электрического поля принимает пиковые значения, как у поверхности датчика (рисунок 5), так и при удалении от него (рисунок 6). В пиковой области между координатами 80° и 90° не рекомендуется располагать электроды из-за конструктивных особенностей двухкомпонентного датчика.

г =0.05 м

Е-мВ ................................................-......................_......................г=0.07 м

180 3 О

Рисунок 5 - График £ = 1"(<р, 0), при г = 0.05 м, 9 = [0°, 90°], <р = [-30 30"]

Рисунок 6 - График Ё = Цф, 9), при г = 0.07 м, е = [о 90°], ср = [-зо зо

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

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

Для расчета проводимости жидкости между электродами датчика 0 целесообразно представить пространство между электродами, разбитым на тонкие трубки с площадью сечения St и длиной 1к, каждая из которых имеет проводимость а,. Площадь сечения трубки стремится к бесконечно малой величине. При этом размер трубок выбирается с учетом того, чтобы

5

отношение — оставалось постоянным для каждой трубки. Тогда

проводимость жидкости в пространстве между электродами а и проводимость трубки at можно рассчитать по следующим формулам:

, А ^ г" У5к

а = У" ак =У(—+... + —) = V"

1 * ¿—Iх J j ' I

(24)

(25)

<7 A ' '

где у - удельная проводимость полупроводящей жидкости.

Если считать площадь сечения каждой из трубок постоянной, то для расчета проводимости необходимо найти только удельную проводимость у

и матрицу величин длин трубок '». Удельная проводимость жидкости определяется по формулам (8), (9).

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

fir _ Sr г d'J __rSinSdif) _ Еф ..

|F| • 1Г ' di =]II " ^

Это уравнение позволяет определить матрицу величин длин трубок 1к Таким образом, предлагается следующий алгоритм расчета проводимости между электродами датчика.

1. Задаются координаты центра сектора ri,St,ipk .

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

2.1. Задаются координаты начальной точки, при первом прохождении цикла равной {'ь-^с'Л;} ■

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

2.3.После подстановки Е,,Е.а,Е. и dl в (26), определяются координаты следующей точки силовой линии (n.^.^i)-

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

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

2.6. Счетчик количества повторений цикла temp увеличивается на 1.

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

3. Рассчитывается проводимость трубки ст, согласно (24).

4. Шаги 1-3 повторяются для каждого сектора.

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

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

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

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

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

'Рс-л.т = <?V=.-0 - </V=» = | E.dr

. (27)

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

«-о«— " + 1 1 »«о«.-,, " +1 оУ ^^

н „ зт—(и + 1) + и+4 о

= УТ Т —1-аг.-'-'—Р^Соз&Ле1""'

(л+ !)(« +4) """' <55 "

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

\ ^сгет

. (29)

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

N 2 N и 5т^Чл + 1)+л+4 „

сскг ^^ (и + 1)(я+4) 89к

где <?к, вк - пара координат к-того сектора электрода; - весовой коэффициент, рассчитанный для г0,<рк, вк;

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

* =-----• (31)

, н „ (5ш^ (и + 1) + я + 4) _

т —II ^г'-гясо^

Коэффициент к представляет собой серию преобразований над матрицей В"(г,р,9), которая является константой, зависящей от конструкции датчика. Следовательно, зависимость между ЭДС между измерительными электродами и скоростью судна линейна.

При подключении датчика к измерителю с потенциальным входом, то есть с высоким входным сопротивлением, согласно расчетной модели датчика сопротивлением й^между электродами датчика можно пренебречь. Согласно (11), если выбирать сопротивление измерительного устройства Я„7 » то сопротивление жидкости между электродами й^ 0.

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

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

Итогом второго раздела является разработанная методика обработки сигнала электромагнитного сферического датчика скорости судов, который

подключается к измерительному устройству с потенциальным входом. Методика включает в себя:

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

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

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

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

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

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

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

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

1. Шарообразная форма датчика.

2. Переменный характер магнитного поля датчика.

3. Интенсивное магнитное поле в области зондирования скорости.

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

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

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

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

построения

1

В работе предлагается методика двухкомпонентных электромагнитных датчиков скорости.

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

Наличие почти замкнутого

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

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

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

жидкости, защищенного патентом на Рисунок 7 - Магнитная полезную модель.

Варианты исполнения новых система двухкомпонентных

двухкомпонентных датчиков выбраны после датчиков

предварительного расчета переменного

электромагнитного поля датчика с помощью среды ОшскйеИ 5.0 (рисунок 8 и рисунок 9) и с помощью разработанных математических моделей электрического и магнитного поля датчика. Выбор осуществлен из различных вариантов, отличающихся по соотношению высоты центрального и боковых стержней и положению электродов. Основным критерием выбора была максимальная интенсивность магнитного поля в области размещения электродов.

• - 1жШМ

_;

Рисунок 8 - Интенсивность магнитного Рисунок 9 - Интенсивность магнитного поля поля двухкомпонентного датчика двухкомпонентного датчика (полезная

(изобретение) модель)

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

аГ

Ла

А-А

аГ

Та

Рисунок 10 - Двухкомпонентный датчик скорости (изобретение)

Рисунок 11 - Двухкомпонентный датчик скорости (полезная модель)

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

В работе предлагается методика построения трехкомпонентного датчика скорости. Исходя из факторов, определяющих оптимальное для повышения метрологических характеристик исполнение датчика, выбрано защищенное патентом на полезную модель расположение магнитной

системы и электродов для одновременного и независимого измерения трех составляющих скорости потока с учетом эффектов обтекания.

Трехкомпонентный электромагнитный датчик скорости полупроводяшей жидкости изображен на рисунке 12.

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

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

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

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

В таблице 1 приводится сравнение технических

характеристик чувствительного элемента наиболее распространенного электромагнитного преобразователя скорости ИЭЛ-2М и разработанных датчиков.

Название Диапазон измеряемых скоростей, м/с Предельная погрешность измерений, м/с Относительная погрешность измерений, % Параметры питающей сети переменного тока, В, Гц

Чувствительный элемент ИЭЛ-2М 0-30 0,2 0,67 220, 50

Разработанные электромагнитные датчики скорости 0-40 0,05 0,125 220, 50

Таблица 1 - Технические характеристики электромагнитных датчиков скорости

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

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

Он позволяет выявить наиболее распространенные дефекты электромагнитных датчиков:

- окисление поверхности электродов;

- короткозамкнутые витки в катушке;

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

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

В заключении сформулированы основные выводы по диссертации.

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

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

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

3. Разработана методика преобразования исходного сигнала датчика скорости, отличающаяся тем, что она учитывает влияние эффектов обтекания

морской водой поверхности датчика и изменения солевого состава воды, и за счет этого повышающая точность в четыре раза при одновременном измерении двух или трех составляющих скорости судов.

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

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

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

Основное содержание диссертационной работы отражено в следующих публикациях:

1. Пат. 2399059 РФ, ЗУШК G01 Р5/08. Двухкомпонентный датчик измерителя скорости электропроводящей жидкости / Ю. А. Ганьшин, В. Я. Лавров (РФ). 2009113093/28 // 2010.6 е..

2. Патент на полезную модель №86753 РФ, МПК G01 Р5/08. Двухкомпонентный датчик измерителя скорости электропроводящей жидкости / Ю. А. Ганьшин, В. Я. Лавров (РФ). 2009112988/22 // 2009. 7 с.

3. Патент на полезную модель №100281 РФ, МПК G01 Р5/08. Трсхкомпонентный датчик измерителя скорости электропроводящей жидкости / Ю. А. Ганьшин, В. Я. Лавров (РФ). 2010127362/28 // 2010.7 с.

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

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

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

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

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

Формат 60x84 1\16 .Бумага офсетная.

Тираж 100 экз. Заказ № 208._

Редакционно-издательский центр ГУАП 190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67

Введение.

1. Основные теоретические зависимости, описывающие процесс измерения скорости.

1.1. Принципы теории идентификации электромагнитных полей.

1.1.1. Основы теории идентификации электромагнитного поля.

1.1.2. Обобщенная математическая модель низкочастотного магнитного поля.

1.1.3. Расчет весовых коэффициентов сферических гармоник.

1.1.3.1. Формирование массива исходных данных.

1.1.3.2. Определение весовых коэффициентов а„т.

1.2. Принципы гидродинамики потоков, обтекающих датчик скорости.

1.2.1. Физика процесса обтекания датчика идеальной жидкостью.

1.2.2. Физика процесса обтекания датчика реальной жидкостью.

1.3. Определение электрохимических параметров среды.

1.3.1. Статистические данные по солености различных водоемов.

1.3.2. Расчет удельной электропроводности солевого раствора морской воды.

1.4. Погрешности измерения электромагнитных датчиков скорости.

1.4.1. Погрешности измерения датчиков скорости жидкости.

1.4.2. Погрешности, обусловленные влиянием внешней среды.

1.4.3. Погрешности взаимодействия с измерительным прибором.

2. Инженерная методика преобразования сигнала электромагнитного датчика скорости.

2.1. Постановка задачи раздела.

2.2. Разработка математической модели магнитного поля в зоне измерения.

2.2.1. Массив исходных данных.

2.2.2. Алгоритм расчета магнитного поля датчика.

2.3. Разработка математической модели поля скоростей датчика.

2.3.1. Решение уравнения Лапласа для потенциальной функции, характеризующей поток.

2.3.2. Анализ толщины пограничного слоя.

2.4. Разработка математической модели электрического поля между электродами датчика.

2.5. Методика расчета проводимости среды между электродами датчика.

2.5.1. Определение направления потоков жидкости между электродами датчика.

2.5.2. Алгоритм расчета проводимости пространства между электродами датчика.

2.6. Методика расчета коэффициента пропорциональности между скоростью судна и ЭДС между электродами датчика скорости.

2.7. Алгоритм преобразования сигнала датчика с учетом воздействия сопротивления жидкости между электродами датчика.•.

2.8. Инженерная методика преобразования исходного сигнала электромагнитного датчика скорости.

3. Методики построения и диагностики двухкомпонентных и трехкомпонентных датчиков.

3.1. Факторы, определяющие оптимальное исполнение датчиков.

3.2. Методика построения двухкомпонентных датчиков скорости судов.

3.3. Методика построения трехкомпонентных датчиков скорости судов.

3.4. Расчет технических характеристик разработанных датчиков.

3.5. Метод диагностики двухкомпонентных и трехкомпонентных датчиков скорости.

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

Для контроля физических параметров управления судном, применяются различные методы измерения. В настоящее время твердую позицию среди методов измерения скорости судов занимают электромагнитный метод измерения. Электромагнитный метод измерения скорости обладает достаточно высокой точностью измерения во всем диапазоне измеряемых скоростей, позволяет измерять скорость жидкостей с различными плотностями и вязкостью. Электромагнитные датчики скорости имеют малые размеры, небольшую массу, не требует постоянного ухода[1].

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

Теоретические основы проектирования современных электромагнитных преобразователей скорости базируются на работах Кораблева А. В., Массарова В.Ф. [1], Воронова В. В. [3], Саранчина А. И. [4],

Яловенко А. В [5], Полковникова В. В.[6], Филипченко В. Г [7], Спектора С. А [8]. I

Для одновременного измерения нескольких составляющих скорости судна применяются многокомпонентные датчики. Большинство многокомпонентных электромагнитных приборов для измерения скорости были запатентованы в семидесятых-восьмидесятых годах прошлого века. Среди разработчиков, занимавшихся проблемой электромагнитного контроля нескольких составляющих скорости, необходимо отметить работы Болонова Н. И., Повх И. Л. [9], Калинина Н. Д., Мирончука А. Ф. [10], Крыловой Г. И., Вельта И. Д. [11]. К сожалению, их изобретения, как и подавляющее большинство других многокомпонентных датчиков, не поступили в производство из-за низких показателей точности, сложности конструкции и проблем с электромагнитной совместимостью устройств. Поэтому до настоящего времени для одновременного измерения нескольких составляющих скорости судов используется комплекс из нескольких однокомпонентных датчиков скорости[12]. Для исключения их взаимного влияния друг на друга датчики необходимо размещать на расстоянии друг от друга, что значительно снижает их чувствительность к изменению течений, например, при поворотах судна.

Внесение поправок в методику преобразования исходного сигнала электромагнитного датчика, учитывающих перечисленные выше факторы, влияющие на величину погрешности, и усовершенствование конструкции многокомпонентных датчиков позволит повысить точность их измерений. Увеличение точности позволит использовать устройства, основанные на электромагнитном методе измерений, в ситуациях, где необходимо точное и одновременное измерение двух или трех компонент скорости, например, при швартовке судна или проведении различных исследовательских работ на подводных аппаратах [2]. Таким образом, проблема повышения точности одновременного измерения нескольких составляющих скорости судов в морской воде является актуальной.

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

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи.

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

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

• Разработать инженерную методику расчета скорости, измеряемой датчиком.

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

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

• Произвести оценку погрешностей разработанных электромагнитных датчиков скорости судна.

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

• теории физических полей,

• теории идентификации,

• механики сплошных сред,

• электрохимии растворов, океанологии, морской навигации, математического аппарата решения уравнения Лапласа методом разделения переменных, дифференциального и интегрального исчисления, программирования и компьютерного моделирования.

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

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

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

В ходе работы получены следующие практические результаты. Разработаны два новых двухкомпонентных электромагнитных датчика скорости судов, имеющих повышенную относительно предшественников точность измерения, защищенных патентами на изобретение и полезную модель.

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

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

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

Основные положения, выносимые на защиту

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

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

3. Инженерная методика обработки сигнала электромагнитного датчика скорости.

4. Инженерная методика расчета проводимости между электродами датчика скорости.

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

Внедрение результатов. Алгоритм и компьютерная программа обработки сигнала датчика используется в разработках ЗАО «Научно-производственный концерн «Промэлектроника». Двухкомпонентный и трехкомпонентный датчики скорости внедрены в разработку средств измерения скорости ЗАО «Научно-производственный концерн «Промэлектроника».

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

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

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

Краткая классификация и этапы развития измерителей скорости судов. Все конструкции измерителей скорости судов объединяются и классифицируются по следующим признакам[2].

1. В зависимости от выбранной опорной системы координат, относительно которой происходит измерение скорости:

- абсолютные измерители - измерители, производящие измерение скорости относительно дна;

- относительные измерители - измерители, производящие измерение скорости относительно воды.

2. В зависимости от числа измеряемых составляющих скорости:

- однокомпонентные, служащие для измерения составляющей скорости в диаметральной плоскости судна V (УдпУ,

- двухкомпонентные, служащие для измерения составляющей скорости в диаметральной плоскости судна V и составляющей скорости в плоскости, перпендикулярной диаметральной плоскости судна V (Рисунок В.1); к.

Рисунок В.1 - Составляющие скорости судна при двухкомпонентном измерении скорости судна -трехкомпонентные, предназначенные для измерения скорости судна в трехмерном пространстве (Рисунок В.2.).

При подводном измерении тремя составляющими скорости являются продольная, поперечная и скорость погружения или всплытия.

Рисунок В.2 - Составляющие скорости судна при трехмерном измерении скорости судна

3. В зависимости от точности измерения скорости:

- повышенной точности для обеспечения швартовки судна и выполнения специальных работ на научно-исследовательских судах;

- точные для обеспечения плавания в узкостях, каналах, акватории порта и прибрежных районах;

- средней точности для обеспечения плавания в открытом море и океанском плавании;

- пониженной точности для обеспечения плавания маломерных судов, катеров, яхт и т.д.

Электромагнитные или индукционные средства измерения скорости являются относительными измерителями средней точности[2].

Электромагнитные средства измерения появились в сороковых годах прошлого века. Их принцип действия основан на явлении электромагнитной индукции, открытом в 1831 году великим английским физиком М. Фарадеем. Механизм возникновения указанной ЭДС стал понятен после открытия Э. Резерфордом в начале XX века изменения траектории электрически заряженных частиц при их движении в магнитном поле. X. Лоренц объяснил отклонение таких частиц действием особой силы, названной его именем — силой Лоренца[6].

В конструкции первых датчиков источником магнитного поля является постоянный магнит. Этот магнит, закрепленный в корпусе судна, в каждой точке под днищем создает постоянный вектор магнитной индукции. Можно представить морскую воду в виде параллельных проводников, соединяющих два погруженных в воду электрода, изолированных от корпуса судна и перемещающихся вместе с судном и магнитом. При движении судна со скоростью V с точками, в которых расположены электроды, будут соприкасаться все новые и новые проводники, образованные морской водой. Таким образом, создается эффект движения проводника относительно неподвижных силовых линий магнитного поля. Сигнал, снимаемый с электродов, пропорционален скорости судна[6].

В истории развития современных электромагнитных датчиков скорости было четыре основных этапа развития. Каждый переход от предыдущего этапа к следующему был обусловлен одним из следующих трех переломных моментов истории развития электромагнитных датчиков.

1. Переход от магнитных систем, содержащих постоянные магниты к использованию переменных электромагнитных полей. Первые электромагнитные датчики, в основе которых лежала магнитная система, создающая переменное магнитное поле, появились в 1950-х годах. Переменное магнитное поле электромагнита устраняет явление поляризации. Но конструкции таких электромагнитных датчиков (рисунок В.З) никак не учитывает эффекты обтекания датчика. Также существенным недостатком является, то что электроды не находятся в центре сосредоточенного магнитного потока, а расположены в областях, где данный поток рассеивается. Следовательно, необходимо создавать мощное магнитное поле, которое, в свою очередь, вызывает приближение магнитной системы преобразователя к насыщению, что ведет к значительному усилению помех и еще большему рассеянию магнитного потока.

Рисунок В.З - Индукционный первичный преобразователь сигнала лага

ИЭЛ-2М

2. Переход от однокомпонентных датчиков к датчикам преобразователям, способным измерять одновременно и независимо более одной составляющей скорости. Первые электромагнитные датчики для измерения нескольких составляющих скорости потока, в основе которых лежала магнитная система с переменным магнитным полем, были запатентованы в конце 60х - начале 70х годов. Они измеряли каждую из компонент скорости через напряжение между парой электродов, отвечающей за соответствующее направление. Измерение происходило в зазоре магнитопровода магнитной системы. Электроды точеные и собраны в центре пространства зазора, чтобы форма концов магнитопровода не влияла поток жидкости[9]. Но так как электроды точечные и сосредоточены практически в одном месте, они, во-первых, могли измерить лишь пульсации потока только в данной точке, а, во-вторых, невозможно исключить их взаимного влияния[13].

3. Переход к шарообразной форме обтекателя датчика. Указанные выше проблемы были решены за счет изменения формы магнитопровода. Идеальной формой датчика для исключения влияния любых эффектов обтекания потоком жидкости разнесенных в пространстве электродов оказалась форма шара[10],[11],[14].

К сожалению, эти и многие другие запатентованные конструкции двухкомпонентных и трехкомпонентных датчиков скорости жидкости не пошли в массовое производство из-за указанных недостатков и излишней сложности большинства их конструкций. Поэтому, в настоящее время в электромагнитных преобразователях скорости измерение каждой из составляющих скорости происходит при помощи отдельного однокомпонентного датчика. Это обстоятельство приводит не только к сложной конструкции измерителей, но и нецелесообразно с точки зрения электромагнитной совместимости [15] датчиков, вследствие влияния их электромагнитных полей друг на друга.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

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

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

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

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

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

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

1. Кораблев, А. В. Электромагнитные навигационные приборы и системы / А. В. Кораблев, В. Ф. Массаров. Л.: ВМОЛУА, 1976. 140 с.

2. Судовые измерители скорости / сост. Б. Г. Абрамович. Владивосток, 2005. 44 с.

3. Воронов, В. В. Технические средства судовождения. Конструкция и эксплуатация / В. В. Воронов, В. К. Перфильев, А. В Яловенко. М.: Транспорт, 1988. 336 с.

4. Навигационные приборы и системы / А. И. Саранчин, Е. В. Петрунин, В. В. Коростелев, В. Н. Пасешниченко. Владивосток: ТОВВМУ, 1987. 220 с.

5. Смирнов, Е. Л. Технические средства судовождения. Теория. / Е. Л. Смирнов, А. В. Яловенко, А. А. Якушенков. М.: Транспорт, 1988. 376 с.

6. Саранчин, А.И. Индукционный электронный лаг ИЭЛ-2М: Учеб. пособие / А.И. Саранчин, В.Ф. Полковников, В.В. Завьялов. Владивосток: 2003. 40 с.

7. Воронов, В. В. Индукционный лаг ИЭЛ-2М / В. В. Воронов, В. Г. Филипченко, А. В. Яловенко. М.: В/О Мортехинформреклама, 1984. 40 с.

8. Спектор, С. А. Электрические измерения физических величин. Методы измерений / С.А. Спектор. Л.: Энергоатомиздат, 1987. 320 с.

9. А. с. 315121 СССР, МПК6С01 Р5/08. Устройство для измерения скорости потока электропроводной среды / И. Л. Повх, Н. И. Болонов, А. А. Зори, В. А. Логвиненко , Н. Г. Виниченко (СССР). № 1415053 // Открытия. Изобретения. 1971. № 28. 2 с.

10. А. с. 1296945 СССР, МПК4001 Р5/08. Устройство для измерения скорости потока электропроводной жидкости / Н. Д. Калинин, А. Ф. Мирончук, В. А. Петров (СССР). № 3948351 // Открытия. Изобретения. 1987. № Ю. 6 с.

11. А. с. 798593 СССР, MnK5G01 Р5/08. Электромагнитный измеритель скорости потока / И. Д. Вельт, Г. И. Крылова, С. М. Лебедев, А. М. Свинцов (СССР). № 2367431 // Открытия. Изобретения. 1981. № 3. 3 с.

12. Пат. 2249825 РФ, M11K7G01 Р5/08. Устройство измерения относительной скорости судна / А. Л. Алимбеков, Р. И. Алимбеков, О. М. Андреевич др. (РФ). № 200327315/28 // 2005. № 10. 11 с.

13. Виноградов, Е. М. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств / Е. М. Виноградов, В. И. Винокуров, И. П. Харченко. Л.: Судостроение, 1986. 235 с.

14. А. с. 898328 СССР, MT1K5G01 Р5/08. Электромагнитный измеритель гидродинамических характеристик потока жидкости / В. Б. Большаков (СССР). № 2866770 // Открытия. Изобретения. 1982. № 2. 6 с.

15. Князев, А. Д. Конструирование радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости / А. Д. Князев, Л. Н. Кечиев, Б. В. Петров. М.: Радио и связь, 1989. 224 с.

16. Кирпанев, А. В. Теория идентификации и ее применение: учебное пособие / А. В. Кирпанев, В. Я. Лавров. М.: Вузовская книга, 2002. 280 с.

17. Идентификация и диагностика в информационных системах авиакосмической энергетики / Б. В. Белов, В. В. Бугорский, М. П. Вершинин и др. М: Наука, 1988. 168 с.

18. Кирпанев, А. В. Теория идентификации и ее применение: Монография / А. В. Кирпанев, В. Я. Лавров. СПб.: ГУАП, 1998. 140 с.

19. Бинс, К. Анализ и расчет электрических и магнитных полей: пер. с англ. / К. Бинс, П. Лауренсон. М.: Энергия, 1970. 367 с.

20. Иродов, И. Е. Основные законы электромагнетизма: учебное пособие / И. Е. Иродов. М.: Высшая школа, 1991. 289 с.

21. Лукманов, В. С. Теоретические основы электротехники. Часть 3. Теория электромагнитного поля: Учебное пособие / В. С, Лукманов. Уфа: УГАТУ, 2005. 91 с.

22. Янке, Е. Специальные функции (формулы, графики, таблицы) / Е. Янке, Ф. Эдме, Ф. Леш. М: Наука, 1964. 344 с.

23. Куликовский, А. Г. Магнитная гидродинамика / А. Г. Куликоский, Г. А. Любимов. М.: Логос, 2005. 328 с.

24. Роуч, П. Вычислительная гидродинамика / П. Роуч. М.: Мир, 1980.618 с.

25. Слезкин, Н. А. Динамика вязкой несжимаемой жидкости / Н. А. Слезкин. М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1955. 521 с.

26. Седов, Л. И. Механика сплошной среды. Том 2 / Л. И. Седов. М.: Наука, 1970. 568 с.

27. Седов, Л. И. Механика сплошной среды. Том 1 / Л. И. Седов. М.: Наука, 1970. 492 с.

28. Дальнее обнаружение слабозаметных неоднородностей морской среды маломощными низкочастотными просветными сигналами / П. А. Стародубцев, В. В. Карасев, В. А. Тахтеев и др. Владивосток: ТОВМИ им. С. О. Макарова, 2007. 102 с.

29. Алешкевич, В. А. Механика сплошных сред. Лекции / В. А. Алешкевич, Л. Г. Деденко, В, А. Караваев. М.: Изд-во физического факультета МГУ, 1998, 92с.

30. Овчинников, А. М. Гидрохимия / А. М. Овчинников. М.:Недра,1970.256 с.

31. Алекин, О. А. Химия океана / О. А. Алекин. Л.: Гидрометеоиздат, 1966. 206 с.

32. Озорнина, С. П. Учение о гидросфере и гидрогеология: учебное пособие / С. П. Озорнина. Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2006. 201 с.

33. Международные океанологические таблицы. Вып. 1 / М.: Гидрометеоиздат, 1969. 107 с.

34. Океанологические таблицы /М.: Гидрометеоиздат, 1964. 140 с.

35. Федоренко, В. И. Физико-химические свойства воды как основа для технологических расчетов мембранных систем водоподготовки / В. И. Федоренко // Критические технологии. Мембраны / ВНИИ пищевой биотехнологии РАСХН. 2002., № 16. С. 28-38.

36. Левин, А. И. Теоретические основы электрохимии / А. И. Левин. М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1968. 434 с.

37. Данько, Е.Т. Электрохимия: учеб. пособие / Е. Т. Данько, Б.Б. Чернов. Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2009. 54 с.

38. Анго, А. Математика для электро- и радиоинженеров / А. Анго, пер. с фр. под общ. ред. К. С. Шифрина. М.: Наука, 1967, 779 с.

39. Биркгоф, Г. Гидродинамика / Г. Биркгоф, пер. с англ. И. Б. Погребысского. М.: Издательство иностранной литературы, 1963. 246 с.

40. Пат. 2399059 РФ, МПК 001 Р5/08. Двухкомпонентный датчик измерителя скорости электропроводящей жидкости / Ю. А. Ганыиин, В. Я. Лавров (РФ). 2009113093/28 //2010. 6 с.

41. Патент на полезную модель №86753 РФ, МПК 001 Р5/08. Двухкомпонентный датчик измерителя скорости электропроводящей жидкости / Ю. А. Ганынин, В. Я. Лавров (РФ). 2009112988/22 // 2009. 7 с.

42. Патент на полезную модель №100281 РФ, МПК в01 Р5/08. Трехкомпонентный датчик измерителя скорости электропроводящей жидкости / Ю. А. Ганынин, В. Я. Лавров (РФ). 2010127362/28 // 2010. 7 с.

43. Пат. 2133038 РФ, МПК G01 Р5/08. Электромагнитный измеритель скорости водного потока / A.B. Дунец, Р.Д. Косьян, И.С. Подымов (РФ). 97118903/28 // 1999. 17 с.

44. Мазин, В.Д. Датчики автоматических систем. Метрологический анализ / В. Д. Мазин. СПб, 2000. 80 с.