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 суднатрехкомпонентные, 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.
