автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Разработка конструкций и методов расчета информационных характеристик силоизмерительных датчиков со сплошным магнитопроводом из нового магнитоупругого материала как элементов систем управления промышленными объектами

Введение

Глава I. ОБЗОР ЦШШНДРШЕСКИК КОНСТРУКЦИЙ ШГНИГО-УПРУПК ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА СПЛОШНОМ МАГ-НИТОПРОВОДЕ И МЕТОДОВ ИХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

1.1. Обзор конструкций.

1.2. Возможность проектирования МШ со сплошным магнигопроводом.

1.3. Необходимость дальнейшего совершенствования проектирования МУЛ.

1.4. Цель работы и задачи исследования.

Выводы по главе I

Глава 2. ОБОБЩЕННЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА ЭЛЕКТЮМАШИГНЫХ

ПАРАМЕТРОВ МУП СО СПЛОШНЫМ МАГНИГОПРОВОДОМ.

2.1. Поде в преобразователе и его определение.

2.2. Нахождение напряженности поля в произвольном сечении преобразователя.

Выводы по главе 2.

Глава 3 . ИНФОРМАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

3.1. Определение выходной характеристики и передаточной функции МУП.

3.2. Исследование МУП в нагрузочном режиме.

3.3. Исследование дополнительной погрешности от колебаний температуры окружающей среды.

Выводы по главе 3.

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРОМЫШЛЕННОЕ

ПРИМЕНЕНИЕ МУП . це

4.1. Получение рабочей характеристики преобразователя

4.2. Определение дополнительных погрешностей и путей их уменьшения.

4.3. Практическое применение магаитрупругого преобразователя со сплошным машитопроводом в системах управления промышленными установками

Выводы по главе

Утвержденные ХХУТ съездом КПСС "Основные направления экономического и социального развития СССР на 1981-1985 годы и на период до 1990 года" намечают с целью повышения производительности труда и ускорения научно-технического прогресса опережающими тешами развивать производство электронных устройств регулирования и телемеханики ,исполнительных механизмов, приборов и датчиков систем комплексной автоматизации сложных технологических процессов,агрегатов,, машин и оборудования» Широкое распостранение получат автоматизированные и робототехнические комплексы,определяющие уровень современного производства»

Совершенствование технологии за счет применения комплексной автоматизации требует новых средств контроля отдельных технологических параметров. Важное место среди них занимают средства контроля и регулирования,обеспечивающие разработку систем управления промышленными объектами по силовому параметру. Например,в черной и цветной металлургии при современных скоростях прокатки невозможно эффективное управление прокатными станами без автоматического контроля усилия на валках с достаточной точностью,наличие его обеспечивает существенное повышение качества цри одновременном росте производительности, позволяет использовать такие резервы производства,как выпуск-проката в минусовых допусках и т.п.

В качестве средств автоматизированного контроля усилий наряду с широко применяемыми датчиками на базе тензорезисторннх. преобразо-* вателями и относительно новыми вибрационко-частотными все большее применение находят силоизмерительные датчики с магнитоупругими пре~ офазователнми/МУП/»Характерная шг особенность состоит в простоте, высокой эксплуатационной надежности при применении в первую, очередь в добывающих и перерабатывающих отраслях, р,2,5Д5,29,37;39,40,41,72, ,73,89,90] ♦

В настоящее время накоплены данные для сопоставления эксплуа-•ационных: и метрологических характеристик различных силоизмеритель-ж датчиков,используемых:,главным образом в прокатном производстве [29,47,71,86,87,98^] .Эти данные свидетельствуют,что силоизмеритель-:ые датчики с М7П,проигрывая против датчиков с тензорезисторными феобразователями в точности,имеют такие существенные достоинства, :ак простота схем включения »длительная стабильность параметров,высо-сий уровень выходного сигнала,высокая жесткость,виброустойчивость, шособность после двух-трег кратной перегрузки устойчиво работать в )асчетном диапазоне,компактность.

Проектирование силоизмерительного датчика с МЖ целесообразно 1ачинать с анализа технических требований к этощ элементу системы управления. Структурная схема системы управления промышленным объектом по силе Р приведена на рис.0,1 .Объект управления I силой Р воздействует на силоизмерительный датчик 2,"нулевой."электрический сигнал которого компенсируется или выходным сигналом компенсационного датчика 3,или схемой электрической компенсации 4.Датчики 2 и 3,а также схема компенсации "нуля"электрическим путем 4 и уставки по приращению: 8 получают питание от источника 5.Разностный сигнал после суммирующего узла 6 поступает в блок управления 7,который получает также сигнал от уставки 8.Блок 7 выдает сигнал управления на объект I,приводя его в соответствие с требуемым значением силы Р.

Силоизмерительный датчик должен иметь линейную зависимость ^ СС~ достаточную чувствительность и незначительную дополнительную частотную погрешность в широком диапазоне частот напряжения питания,низкие значения гистерезисной и дополнительной температурной погрешности. Так как управление по силовому парше тру в большинстве промышленных объектов ведется по отклонению от статистического режима, то достаточно иметь передаточную функцию по напряжению питания в принятом диапазоне частот от 50 Гц до 5 кГц /передаточная Функция/. ,

- 7

-7

Из-за массового применения в промышленности объектов »управля-змыэс по силовому параметру,не менее предыдущих важны требования тех-юлогичности и себестоимости силоизмерителъного датчика.

Вдаепере численные технические требования к силоизмерительному датчику целиком относятся к его магнитоупруиэду преобразователю, проектирование которого,в первую очередь должно увязываться с достижением наибольшей компактности в рамещении узлов автоматизированных и робототехнических комплексов. У словно принимаемая трехступенчатой, Цепочка магаитоупругого преобразованияг имеет вид £бЗ,79^ : где Р-сила, механические напряжения в теле машитопровода, • • аФ Л £ ~ соотвественно,приращения относительной магнитной проницаемости материала магнитопровода,комплексного магнитного сопротивления индуктивной катушки,магнитного потока и выходной э.д.с. преобразователя от силы Р.

На первой ступени- механической - происходит преобразование силы Р в механические напряжения материала магнитопровода,на второй-магнитоупругой - механических напряжений в изменение относительной магнитнои проницаемости материала магнитопровода,на третьей— электромагнитной - изменения магнитной проницаемости с помощью электромагнитной системы преобразователя в изменение выходной э.д.с.

Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы датчиков с МУП в большинстве случаев выполняются шихтованными.Цельность шихтованных датчиков обеспечивается склейкой пластин,а для приложения силы опорные поверхности шлифуются.Не совершенство склейки при приложении нагрузки приводит в процессе эксплуатации к местному изгибу платин и трению между ними,что увеличивает механический гистерезис. Снижается эксплуатационная надежность датчиков.у совершенствование конструкции вызывает большие трудности,связанные с переходом на фугую форцу пластин. Значите лен разброс магнитных характеристик однотипных сердечников.Это связано с разбросом реальных характерис-гик материала не только в пределах плавки,но даже одного листа [2+42]. Сдельные нагрузки в шихтованном магаитопроводе должны быть существенно меньше предела упркгости также и из-за низких механических характеристик материала пластин £¡34,35] .

С целью упрощения конструкции,исключения трения между пластиками, соблюдения принципа цельности упругого тела »увеличения механических нагрузок для задач миниатюризации в последние десятилетия стали применяться датчики о МУЛ на сплошном магаитопроводе [78] .

Сплошной магнитопровод несколько поднял технологичность изготовления »формообразование магнитопровода упростилось.Появилась возможность поднять уровень механических напряжений в сплошном магнито-проводе.иднако из-за низких упругих свойств применяемых материалов гистерезисную погрешность значительно снизить не удалось.Основная погрешность датчика этого типа для анализируемого вида конструкций и большинства материалов составляет 2 - 3%.Температурная погрешность в диапазоне -50г+ 50°С имеет порядок с основной.Выбор материала магнитопровода производится из числа прецизионных сплавов с высоким удельным электрическим сопротивлением.Они трудны в механообработке, а их низкие пластические свойства порождают технологическую и эксплуатационную хрупкость.Применяемые для магнитопровода сплошные ферромагнетики не предназначаются при выпуске для силоизмерительных датчиков и поступают для изготовления магнитопровода в виде полуфабриката металлургического произволства.Нацример,промышленный сортамент сплавов с высоким удельным электрическим сопротивлением не превышает 30 мм в прутке,а справочные данные по механическим свойствам приведены для проволок,не превышающих 7,5 мм в диаметре [23,24] . Гак как на изготовление магнитопровода идут прутки гораздо больших диаметров,то неизбежен,как и для шихтованного варианта, разброс хараятеристшс однотипных сердечников.Это одерживает широ-. кое распостранение технологичных и дешевых в изготовлении и эксплуатации датчиков с МШ со сплошным магнигопроводом»

Следует искать материал,выпускаемый в виде готового,а пе промежуточного продукта металлургического производства.Поиск целесообразно провести среди прецизионных сплавов с нормированными механическими и оговоренными магнитными свойствами при минимальном их разбросе►Высокое удельное электрическое сопротивление сплава подразумевается как исходное условие поиска. Как известно£22]^ это сплавы с заданными свойствами упругости,расширяющими функциональные возможности датчиков с МУЛ. Этим сплавам свойственны повышенная коррозионная устойчивость и прочность; значение относительной магнитной проницаемости,удовлетворяющее требованиям магнитоуп-ругой чувствительности и уровню выходного сигнала,заданные значения модуля нормальной упругости и его низкий температурный коэффициент»

Конструкции силоизмерительных датчиков с ЮТ,как правило, технологичны .Наиболее перспективны по технологичности и функциональной возможности силоизмерительные датчики с цилиндрическими и полыми цилиндрическими магнитопроводами £4,6,14,15,16,18,19,2СХ,32,92,99^

Анализ электромагнитной ступени магнитоупругого преобразования показывает,что для уменьшения потерь на вихревые токи сердечник датчиков с МШ должен выполнятся шихтованным,а требования цельностигнизкого гистерезиса и обеспечения механической' перегрузочной способности делают необходимым применение сплошного магнитопро-вода» Но картина магнитного поля по сечению сплошного магнитопрово-да усложняется существенно.Интегралыше »цепные методы перестают удовлетворять исследователей »Условия конструирования для получения необходимых: чувствительности и точности могут осуществляться лишь - при проведении теоретических, исследований электромагнитных пара-. метров магнитной системы преобразователя,как обобщенных перемен- • ных информационных характеристик силоизмерительных датчиков на базе МУЛ со сплошным магнитопроводом.

Практика конструирования,расчета и эксплуатации датчиков на базе ЮТ со сплошным магнитопроводом уже позволяет сделать некоторые обобщения и анализ подходов к методам исследования: электромагнитных параметров силоизмерительных датчиков.

Для: шихтованного магнитопровода при незначительных длинах: магнитных силовых линий,малых потоках рассеяния правомочны,основанные на интегральных; методах» схемы замещения как магаитной/гак и электрической цепи в виде схемы с сосредоточенными параметрами .Магнитная и электрическая схемы замещения могут быть в этом случае рассчитаны путем применения закона Ома для обоих: видов схемДля сплошного магнитопровода такие расчеты очень грубы,хотя раньше применялись :,Эо] ,а также применяются в настоящее время для случая слабо выраженного поверхностного эффекта £28~|*

При распределенности параметров магнитной цепи прибегают к теории длиных линий. Магнитные сопротивления продольных': и проводимости поперечных участков принимаются постоянными |зз]* Это ведет к болшой погрешности расчета и не позволяет осуществить аналитический выбор электромагнитных и геометрических параметров .Поэтому анализ влияния тех иж иных параметров на информационные характеристики силоизмерительных датчиков с МУЛ и самих МУЛ носит приближенный характер.

Таким образом,существующие методы исследования сплошных: мапга-топроводов силоизмерительных датчиков с МУЛ не удовлетворяют потребностям теории и практике,так как не учитывают неравномерную распределенность параштров за счет вихревых токов,обуславливающих поверхностный эффект,усложненный механическим нагруже нием.Неравномерную распределенность магнитных параметров датчиков с Ш1 со сплошным мага®* юпр оводом за счет вихревых токов можно учесть разработкой обобщенных/полевых/методов расчета электромагнитных парметров магнктоуп-ругого преобразователя.

Обращаясь снова к электромагнитной ступени магнитоупругого преобразования,констатируем,что в случае сплошного магнитопровода комплексное магнитное сопротивление уже нельзя взять,как усредненный по какой-то длине участка параметр. Магнитный поток,как ранее отмечено .неравномерно распределен по сечению.Эта неравномерность потока различная для разных сечений по высоте магнитопровода.

Очевидно,что только переход к уравнениям электромагнитного поля в дифференциальной форме позволит наиболее полно учесть сложную картину электромагнитных явлений в сплошном машитопроводе и отразить это в информационных, характеристиках датчиков силы»

Следовательно »разработка инженерных методов расчета FOT сшгоиэ-мерительных датчиков со сплошным магнитопроводрм ¿рта систем управления: промышленными объектами,определение расширения их функциональных возможностей,повышения их: метрологических и технологических показателей является актуальной задачей» Эта задача,как указано выше» дрлщна решаться полевым методом расчета электромагнитных: параметров, являющихся обобщенными переменными информационных характеристик силоизмерительных датчиков со сплошным магнитопроводом на базе МУЛ» выбором материала сплошного магнитопровода,анализом повышения его использования по магнитного потоку при конструировании.

Основным содержанием данной работы является разработка конструкций и методов расчета информационных характеристик силоизмерительных датчиков со сплошным магнитопроводом на базе голых: цилиндрических: МУЛ как элементов систем управления промышленными объектами»

Выводы по главе III I. На основании проведенных теоретических исследований в главе2 получено аналитическое выражение выходного напряжения преобразователя, позволяющее определить его рабочие характеристики и передаточную функцию. Установлено аналитическое выражение изменения выходного напряжения от изменения магнитной проницаемости мапштопровода.

2» Экспериментально установлена эмпирическая формула изменения магнитной проницаемости от силы и определена функциональная зависимость изменения выходного напряжения от измеряемой силы.

3. Установлено аналитическое выражение передаточной функции преобразователя ,что позволяет определить частотные характеристики преобразователя при различных геометрических размерах и значениях электромагнитн-ных параметров. Аналитически найдено выражение оптимальной в смысле чувствительности частоты питающего напряжения от электромагнитных параметров. Определена возможность выбора частоты питающего напряжения в зависимости от омического сопротивления обмоток возбуждения ж других электромагнитных параметров.

4» Установлено выражение выходного напряжения преобразователя с учетом нагрузочного сопротивления,а также установлено выражение передаточной функции преобразователя при наличии натрузки,позволяющее определить рабочие и. частотные характеристики преобразователя в нагрузочном режиме.

5. Исследованы дополнительные погрешности от колебания температуры окружающей окружающей среды. Выявлены температурные зависимости отдель-шх параметров преобразователя и установлены закономерности, обобщённых зункций,полученных из. выражения погрешности от температуры. Определены гути уменьшения температурной погрешности в режимах холостого хода и [агруз очном.

ШВА 4 ЭКСГГЕРШШТАЛЬНЫЕ ШШЩЗВАНШ Ж ПРШЬШШЕННОЕ ПРИШШШВ МШ

В главе 2 рассмотрены теоретические исследования: магаитоупругого преобразователя и на основе этой теории: в главе 3 исследованы вопросы: определения: его информационных характеристик,которые нуждаются: в практическом уточнении достоверности полученных: характеристик, научных: результатов и их промышленном использовании»

4.1» Научение рабочей характеристики преобразователя

Одной из основных характеристик разработанного МУП на сплошном магкитопроводе из сплава 44НХТГО является его рабочая характеристика.

Для снятия рабочей характеристики преобразователя вребуется образцовая силоизмерительная машина, измерительные приборы высокой точности и стабилизированный источник питания»

В зависимости от области применения: разработанного преобразователя возникает необходимость снять рабочую характеристику при питании МУ1Г промышленной1 частотой и повышенной частотой I ОООПц; ,применяе-мой в промышленных установках, имевдих автономные источники питания переменного тока»

Для снятия рабочей характеристики преобразователь устанавливается между планками реверсора образцовой силоизмерительной маши1 ны,позволяющей создать усилие сжатия от 0 до 49,0 кН с точностна 0,2$» На рис.1/фото/ показана установка МУП между планками реверсора и общий вид испытательной: машины ДО 11-5» На рис.4»2»/^»ото/показан общий вид датчика и входящие в него детали.

Характеристика преобразователя получается по схеме измерения, представленной на рис»4»3»

Для снятия рабочей характеристики первичные ^ и • последовательно . согласно включённые между

Рис.4 о I о Образцовая испытательная машина ДО II - 5

4±в

Рис.4.2 Общий вид датчика в сварном и резьбовом вариантах и входящие детали собой обмотки подсоединяются к источнику переменного тока с регулируемым напряжением - автотрансформатору 2, величина выгодного напряжения которого контролируется цифровым вольтмером 14 переменного тока типа ВК7-10/А1 класса точности 0,3.

Измерительные обмотки также подключаются к цифровому ноль-метру |/з -ВК7-10/А1 на пределы измерения 10,100 и 1000 В.

Стабилизация питающего напряжения промышленной частоты осуществляется с помощью феррорезонансного стабилизатора I.

Уровень входного напряжения преобразователя устанавливается автотрансформатором 2. Для контроля величины тока Еозбужде- 1 ния используется резистор 3 и параллельно подключенный к нему цифроЕой вольтметр .

При сжатии преобразователя между планками 4 и 5 реверсора образцовой сплоизмерительной машины магнитопровод преобразователя деформируется, соответственно меняется его магнитная проницаемость. Последняя, е свою очередь, вызывает изменения напряжения в измерительных обмотках и \fifs , сумма которых контролируется цифровым вольтметром I(ъ . В процессе измерения стабильность показаний вольтметра жестко контролируется.

На основании опытных данных построена характеристика по изменению напряжения, полученного на Еыходе преобразователя (рис.4.4). Сравнивая рабочую характеристику, полученную теоретически (рис.3.4) и экспериментальную (рис.4.4.)определим, что сходимость этих кривых составляет 7/ь. Это подтверждает достоверность полученного аналитического выражения (3.35) зависимости Л ¿/г от измеряемого усилия Р

Как отмечено в главе 3 зависимость между изменением магнитной проницаемости и измеряемым механическим усилием устанавливается экспериментальным путем.

1 Для этого проводятся экспериментальные исследования разработанного преобразователя по схеме 4.3. Для проведения эксперимента вместо резистора 3 и вольтметра 2 в рис.4.3 подключается миллиамперметр, а вольтметр 1// подключается параллельно к обмоткам возбуждения преобразователя и/у И Уг .

МУЛ устанавливается между планками реверсора образцовой силоизмерительной машины. Задавая механическое усилие, снимаем показание миллиамперметра. Установив напряжение питания 7,5 Б частотой 50 Гц и контролируя стабильность показания цифрового вольтметра \/< , снимаем зависимость тока возбуждения от измеряемого усилия. Полученные данные приведены в таблице 4.1.