ІВАНО-ФРАНКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

НАФТИ І ГАЗУ

Николайчук Микола Ярославович

УДК 622.692.26

МЕТОДИ ТА ПРИЛАДИ КОНТРОЛЮ ПЕРЕМІЩЕНЬ

НА ОСНОВІ БЕЗКОНТАКТНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ

ФАЗА-КОД

Спеціальність 05.11.13 - прилади і методи контролю

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Івано-Франківськ - 1999

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Івано-Франківському державному технічному університеті нафти і газу (ІФДТУНГ) Міністерства освіти України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, академік УНГА Заміховський Леонід Михайлович,

Івано-Франківський державний технічний університет нафти і газу,

завідувач кафедри автоматизованого управління.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор,

академік української технологічної академії

Поджаренко Володимир Олександрович, завідувач кафедри метрології та промислової автоматики,

Вінницький державний технічний університет;

доктор технічних наук, професор,

Семенцов Георгій Никифорович, завідувач кафедри автоматизації технологічних процесів і мониторингу в екології,

Івано-Франківський державний технічний університет нафти і газу,

Провідна установа: Державний університет

«Львівська політехніка» м. Львів.

Захист відбудеться «15» _жовтня_ 1999р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 20.052.03 при Івано-Франківському державному технічному університеті нафти і газу, м.Івано-Франківськ, вул.Карпатська-15.

З дисертацією можна ознайомитись в науково-технічній бібліотеці ІФДТУНГ (284018, м.Івано-Франківськ, вул.Карпатська-15).

Відгуки на автореферат у двох примірниках, завірені печаткою, просимо надсилати на адресу: 284018, м.Івано-Франківськ, вул.Карпатська-15, ІФДТУНГ, вченому секретарю ради Д 20.052.03.

Автореферат розісланий «14»_вересня_1999р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент Дранчук М.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Cтворення та широке впровадження первинних перетворювачів (ПП) для контролю виробничих процесів є важливою ланкою у вирішенні науково-технічних проблем в плані задач, поставлених «Національною Програмою інформатизації України».

У зв’язку з цим, все більше актуальними стають задачі вдосконалення існуючих, розробки, дослідження та впровадження нових засобів контролю і автоматизації виробничих процесів та руху інформації на об’єктах нафтогазовидобувної, хімічної, машинобудівної та енергетичної галузей промисловості. При цьому особливо зростають вимоги до точності, експлуатаційної надійності та завадостійкості давачів, перетворювачів технологічних параметрів та аналого-цифрових перетворювачів (АЦП), що працюють в умовах широкого діапазону температур, вібрацій, промислових завад, піддаються впливу кліматичних факторів, радіаційного опромінення та інш.

Серед різноманітних АЦП, широким класом представлені аналого-цифрові перетворювачі кутових переміщень (ПКП), призначені для перетворення кутових і лінійнних переміщень об'єкта в цифровий код. ПКП застосовуються практично у всіх системах керування та контролю за рухомими об'єктами тому, що кутові і лінійні переміщення відносяться до головних параметрів, що характеризують стан об'єкта.

Сучасні методи перетворення кутових і лінійних переміщень в цифровий код не вирішують в повній мірі всіх проблем, які виникають, особливо при практичній реалізації прицезійних ПКП.

Одним з перспективних методів побудови ПКП є фазовий метод, при якому переміщення об'єкта на початковому етапі перетворюється в фазовий зсув періодичного сигналу. Крім того, сучасна теорія перетворення кутових та лінійних переміщень передбачає побудову багатообертових і багатовідлікових ПКП, що значно розширює їх функціональні можливості та діапазони контролю.

У роботі вирішується актуальна задача розробки та дослідження нових методів перетворення кутових та лінійних переміщень в цифровий код і створення засобів контролю на їх основі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертація виконана в плані наукових досліджень, які проводяться кафедрою «автоматизованого управління» Івано-Франківського державного технічного університету нафти і газу (ІФДТУНГ) по програмі «Розробка методологічних основ (теорії, моделей, алгоритмів, процедур і технічних засобів) діагностування і автоматизованого управління об’єктами нафтогазового комплексу України» та госпдоговірної теми науково-дослідного інституту нафтогазових технологій ІФДТУНГ №497/95 «Проектування та впровадження датчиків технологічних параметрів на об’єктах нафтогазової промисловості».

Мета і задачі дослідження: —

створення засобів контролю та вимірювання переміщень на основі фазових методів; —

розвиток методів розширення діапазонів вимірювання та підвищення точності ПКП, для забезпечення заданої точності при високому рівні промислових завад, в широкому діапазоні температур, при їх експлуатації на еколого- та вибухонебезпечних об’єктах; —

розширення функціональних можливостей ПКП шляхом побудови багатообертових та двохвідлікових структур; —

створення засобів перетворення та передавання фазових сигналів ПКП на основі безконтактних сельсинів (БС); —

створення спеціалізованих (проблемноорієнтованих) контролюючих інформаційних систем (ІС) з високоточними ПКП, придатними для роботи в жорстких промислових умовах.

Наукова новизна одержаних результатів: —

запропоновані нові методи розширення діапазонів вимірювання та підвищення точності ПКП на основі багатообертових та ноніусних перетворювачів, що дозволило суттєво підвищити клас точності перетворювачів даного типу (до 0.005%); —

розроблені методи та принципові рішення для розширення функціональних можливостей ПКП на основі багатоканальних структур; —

запропоновані та експериментально досліджені методи підвищення завадостійкості спектрально-фазових сигналів ПКП; —

проведені теоретичні дослідження потенційних можливостей ПКП на базі БС, що працюють в режимі АЦП; —

запропоновано єфективний метод узгодження грубої і точної шкали БПКП на основі цифрової згортки двійкових кодів.

Практичне значення одержаних результатів: —

розроблені та реалізовані в промисловості 7-ми і 10-ти бітні однообертові цифрові ПКП на основі БС; —

розроблено, досліджено та реалізовано цифрові схеми багатообертових реверсивних ПКП; —

розроблені і реалізовані ПКП з грубою і точною шкалою; —

розроблені ПКП для ІС контролю бази підкранових шляхів та горизонтальності реакторних відділень АЕС; —

розроблені і впроваджені на об'єктах нафтогазовидобувної і нафтопереробної промисловостей давачі рівня і система вимірювання рівня в товарно-сировинних резервуарах (СВР).

Теоретичні і практичні результати дисертаційної роботи використані: —

в науково-дослідних роботах, що проводились в науково-дослідному інституті нафтогазових технологій НДІ НГТ ІФДТУНГ; —

в науково-дослідних роботах лабораторії проблем інформаційних технологій ІФДТУНГ, що фінансувались відділом фундаментальних досліджень МО України “Розробка теоретичних основ вертикальної інформаційної технології та вдосконалення методів контролю розподілених об’єктів нафтогазовидобувних підприємств” (ТЗ ИГАУ-573/98); —

в дослідно-конструкторських роботах, що проводились Карпатським державним центром інформаційних засобів і технологій НАН України; —

методичних вказівках до лабораторних робіт курсу «Елементи та пристрої автоматики».

Особистий внесок здобувача полягає в тому, що основні положення, які складають суть дисертації, сформульовані та вирішені самостійно: —

проведено класифікацію і порівняльний аналіз різних типів ПКП та галузей їх застосування; —

розроблено і досліджено методи розширення діапазону вимірювання та підвищення точності ПКП; —

проаналізовано існуючі та запропоновано нові ефективні методи побудови перетворювачів фаза-код на основі БС; —

на основі розроблених методів формування напруги живлення ПКП на базі БС, запропоновано структуру багатоканального цифрового генератора трифазної напруги; —

запропоновано нові методи побудови та корекції показів БПКП на основі: цифрового коректора показів, перетворення залишкових класів та цифрової згортки двійкових кодів грубої і точної шкали; —

отримано залежності похибок ПКП від температури, частоти живлення, довжини лінії зв’язку, а також спектральні характеристики вихідних фазових сигналів; —

розроблена методика повірки для БПКП в складі системи вимірювання рівня в товарно-сировинних резервуарах. —

на основі запропонованого БПКП, розроблено давач рівня і блок перетворення та індикації для СВР; —

для узгодження вихідних сисгналів СВР з IBM сумісними обчислювальними засобами, розроблений 4-х канальний інтерфейсний модуль.

У наукових працях, опублікованих у співавторстві здобувачу належать наукові результати, що стосуються:—

розробки принципових рішень підвищення надійності роботи цифрових рівнемірів при від'ємних температурах і реалізації перетворення обертово-поступального руху мірного барабана в кут повороту безконтактного сельсину на основі гнучкої пластини [5];—

розробки принципів самосинхронізації при передаванні двійкових сигналів та реалізації приймальної частини багатоканального електронного пристрою [6];—

дослідження методів модуляції квазітрійкових широкосмугових сигналів на основі амплітудної трьохрівневої, частотної та фазової маніпуляції [9];—

у дослідженні згорткових методів аналізу сигналів [10];—

узагальнення досвіду промислового впровадження засобів контролю рівня в товарно-сировинних резервуарах на основі БПКП та розробки конструкції чутливого елемента [11];—

розробки технічних рішень нового типу інтегрально-імпульсного перетворювача, який забезпечує безпосереднє інтегрування параметра витрати енергоносія і узгоджується з системами контролю та обліку енергоносіїв [13];

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на: —

міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми і шляхи енергозабезпечення України» (м.Івано-Франківськ, 1993); —

ІІ-й українській конференції з автоматичного керування «Автоматика – 95» (м.Львів, 1995); —

ІІІ-й міжнародній науково-технічній конференції «Контроль

і управління в технічних системах» (м.Вінниця, 1995); —

ХІІ міжнародній міжвузівській школі-семінарі «Методи і засоби технічної діагностики» (м.Івано-Франківськ, 1995); —

ІІІ-й Українській конференції з автоматичного керування «Автоматика – 96» (м.Севастополь, 1996); —

ІІ-й міжнародній науково-практичній конференції «Управління енерговикористанням» (м.Львів, 1997); —

науково-методичній конференції «Вплив наукових досліджень на підвищення якості підготовки фахівців» (м.Івано-Франківськ, 1998). —

науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу ІФДТУНГ (м.Івано-Франківськ, 1993 – 1998); —

система вимірювання рівня СВР-2 експонувалась на міжнародній універсальній виставці «Прикарпатська весна – » і відзначена дипломом за І-ше місце у конкурсі іноваційної продукції.

Публікації. По результатах виконаних досліджень опубліковано 17 робіт, з них 4 статті в наукових журналах та збірниках, 12 тезисів доповідей в матеріалах українських та міжнародних науково-технічних і науково-практичних конференцій, одне авторське свідоцтво на винахід.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний об'єм роботи 156 сторінок. Основний зміст викладений на 130 сторінках друкованого тексту, містить 65 рисунків, 11 таблиць. Список використаних джерел 85 найменувань. Додатки на 16 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обгрунтовується актуальність проблеми, показано зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, сформульовані мета та задачі досліджень, наукова новизна і практичне значення отриманих результатів. Представлені відомості про апробацію, публікації та реалізацію роботи.

У першому розділі на основі проведеного аналізу, прокласифіковано ПКП по типу вхідного сигналу, способу зчитування інформації та фізичних принципів реалізації (рис.1).

Рис.1. Класи перетворювачів кутових переміщень

В результаті аналізу потенціометричних давачів кутових переміщень показано, що клас точності провідникових давачів даного типу складає 0.05%, а плівкових — .01%. Даний клас ПКП характеризується простою конструкцією, що сприяло їх масовому впровадженню в різні галузі промисловості. В той же час, такі ПКП мають ряд суттєвих недоліків, в тому числі: —

низьку надійність, внаслідок механічного тертя повзунка по поверхні резистивного матеріалу та їх зношення під час тривалої експлуатації; —

порушення працездатності в умовах впливу вібрацій, кліматичних факторів та забруднення; —

іскронебезпечність (при застосуванні на вибухонебезпечних об’єктах); —

значні габарити при точності порядку (0.1—1%). Для побудови АЦП переміщень ефективно використовуються ПКП фазового типу на основі синус-косинусних обертових трансформаторів та БС. Точність вимірювання кутів БС досить велика і досягає до (5) кутових хвилин. Крім того, багаторічний досвід експлуатації БС в промислових умовах підтверджує їх високу надійність (мінімальний термін служби — 10 років).

ПКП на основі кодових шкал забезпечують пряме зчитування цифрових значень кутових величин. Найбільш широке застосування отримали оптоелектронні ПКП на основі кодової шкали Грея. Основним недоліком таких перетворювачів є зростання числа кодових доріжок при збільшенні точності ПКП згідно виразу

де — цілочисленна функція з округленням до більшого цілого;

А — діапазон квантування кутових переміщень на інтервалі 0-360.

ПКП на основі кодової шкали Галуа можуть бути реалізовані на основі однієї кодової доріжки. Недоліком таких ПКП є необхідність синхронізації зчитування показів за допомогою спеціальної доріжки.

Приведений аналіз дозволив обгрунтувати доцільність та перспективність вдосконалення методів та технічних засобів перетворення кутових переміщень в цифровий код на основі БС, які широко застосовуються для побудови первинних перетворювачів у нафтогазовій промисловості для контролю процесів буріння, зокрема комплекс СКУБ (ВАТ "Промприлад").

Для дослідження метрологічних характеристик однообертових ПКП на базі БС, створена високоточна експериментальна установка з кроком шкали 0.1 кутового градуса (рис.2).

Рис.2. Структурна схема експериментальної установки

де 1 — корпус; 2 — патрон для крiплення БС; 3 — БС 155А; 4 — високоточний круговий лiмб (крок шкали 0.1 кутового град.) промислового теодолiта; 5 — перетворювач фаза-код з цифровим індикатором; 6 — блок живлення; 7 — з'єднуючий кабель; 8 — муфта.

На даній установці досліджено метод формування вихідного сигналу сельсина при живленні трифазною прямокутною напругою, яка є непарною функцією і містить тільки непарні гармоніки, коефіцієнти яких визначаються формулою

де n — номер гармоніки ряду Фур’є; n (1, 5, 7, 11, 13, ).

Оцінено вплив найбільш значимої п’ятої гармоніки на границю фазової похибки вимірювання. Зниження похибки вимірювання досягається шляхом подавлення вищих гармонік при допомозі вузькосмугового фільтра. При цьому максимальне значення похибки рівне

де K5 — коефіцієнт затухання 5-ї гармоніки.

Приведена похибка рівна

На рис.3 приведена теоретична залежність границі приведеної похибки вимірювання (без урахування похибки сельсина) від коефіцієнта подавлення фільтром 5-ї гармоніки.

Рис.3. Теоретична залежність похибки перетворення кут-код від коефіцієнта

затухання 5-ї гармоніки вихідного сигналу

Розроблено методи розширення діапазону вимірювання та підвищення точності ПКП на базі багатообертових ПКП (БПКП), що дає можливість створення принципово нових структур з розширеними функціональними можливостями. Показано, що існує два основних методи побудови БПКП: —

метод з використанням спеціального давача грубого відліку (ГВ); —

метод формування ГВ по показах точного відліку (ТВ) спеціальним пристроєм, без використання давача ГВ.

Отже, перспективним на даному етапі є розробка та дослідження БПКП.

У другому розділі на основі аналізу похибок ПКП, для випадку коли робоча частота ПКП співпадає з резонансною частотою фільтра досліджено, що підвищення добротності фільтра приводить до зменшення основної та збільшення додаткової температурної похибки і навпаки. Внаслідок чого, подальше підвищення метрологічних характеристик ПКП з прямокутним живленням сельсина, шляхом покращення характеристик вузькосмугових фільтрів буде неефективним. Тому для усунення дестабілізуючих чинників, що впливають на роботу сельсинних ПКП запропоновано та розроблено структуру цифрового генератора трифазної напруги, у якому відсутній фільтр, а генератор трифазної прямокутної напруги замінений цифровим генератором трифазної напруги (ГТН).

ГТН побудований на базі трьох ЦАП, на цифрові входи яких поступають із ПЗП коди синусоїди, зсунуті між собою по фазі на 120. Значення кодів визначається згідно формул:

Na(i) = Ent[135+120sin(2L/i)];

Nb(i) = Ent[135+120sin(2(((i-512)/L)+1/3)];

Nc(i) = Ent[135+120sin(2(((i-1024)/L)+2/3)],

де Na(i), Nb(i), Nc(i) — коди синусоїд відповідних фаз, які записані в і-тій комірці ПЗП; Ent — функція округлення до найближчого цілого; L — кількість сходинок в повному періоді синусоїди (L = 400).

Розроблена принципова схема ГТН та програма для обчислення та запису кодів трифазної напруги.

Досліджено вихідні характеристики сельсинного ПКП. Вихідний сигнал сельсина y(t) представляє собою синусоїду період якої складається з n-сходинок і без урахування квантування по рівню може бути представлений формулою

де (t) — шум дискретизації по часу і може бути представлений розкладом в ряд Фур’є на діапазоні від 0 до 2

(1)

де b — амплітуда шуму дискретизації, що рівна

k = 1, 2, 3, .

де — тривалість сходинки синусоїдального сигналу, яка рівна

(2)

При достатньо великому n, 0. Тоді

b = cos(t).

Підставивши останній вираз в (1), отримаємо

Таким чином, сигнал (t) містить n-ну і кратні їй гармоніки, причому амплітуда сигналу змінюється періодично по закону cos(t).

Аналіз фазової похибки ПКП при роботі сельсина без навантаження в однопроменевій обмотці, тобто в режимі холостого ходу, дає наступні співвідношення:

(3)

фаза такого сигналу описується виразом

Фазова похибка визначається виразом

з урахуванням (3)

Максимальне значення фазової похибки спостерігається в точках:

t = 0; 2; 4; ... .

Значення похибки при t 0, рівне

з урахуванням (2)

Приведена фазова похибка визначається виразом

(4)

Виявлено, що навантаження вихідного сигналу сельсина на характеристичний опір

Rн = L1, (5)

де L1 — індуктивність однопроменевої обмотки сельсина, виконує роль фільтра нижніх частот з коефіцієнтом подавлення n-ої гармоніки

Отримані значення фазових похибок:

Відповідно значення приведеної похибки визначається виразом

(6)

Порівняння виразів (4) і (6) дозволяє зробити висновок про те, що навантаження вихідної обмотки сельсина на характеристичний опір дозволяє зменшити похибку в рази.

Для отримання похибки перетворення кута (без урахування похибки сельсина) менше 0.01%, число сходинок n в періоді синусоїдального сигналу повинно бути більшим 30 (рис.4).

Рис.4. Залежність похибки ПКП від n при навантаженні однопроменевої

обмотки сельсина на характеристичний опір

Джерелами додаткової температурної похибки ПКП є температурна залежність фазового зсуву струму у вихідній обмотці сельсина. Зменшення додаткової температурної похибки без впливу на основну похибку може бути досягнуто шляхом навантаження однопроменевої обмотки сельсина на ємність.

При ємнісному навантаженні однопроменевої обмотки сельсина, напруга n-ї гармоніки визначається виразом

де Е — вихідна напруга однопроменевої обмотки; L — приведена індуктивність сельсина; RC — ємнісний опір.

Враховуючи, що

Звідси слідує, що подавлення n-ї гармоніки при роботі на ємнісне навантаження складає , а приведена похибка буде рівна

На рис.5 показано експериментальну залежність додаткової температурної похибки, що вноситься сельсином, в залежності від ємності навантаження.

Рис.5. Експериментальна залежність температурної похибки, що вноситься

сельсином, в залежності від ємності навантаження

Досліджено вплив зміни частоти живлення сельсина на похибку вимірювання. Фазовий зсув на виході однопроменевої обмотки сельсина при роботі на активне навантаження визначається виразом

При навантаженні сельсина на характеристичний опір, тобто при . При відхиленні робочої частоти від номінальної 0, фазова похибка визначається виразом

Перетворивши останній вираз з урахуванням (5), отримаємо

Оскільки , а (arctg) малих аргументів рівний аргументу, то

Приведена похибка від зміни частоти визначається виразом

(7)

З виразу (6) слідує, що f складає 0.08% на кожен процент відхилення частоти від номінальної (рис.6).

Рис.6. Залежність приведеної похибки при відхиленні частоти живлення

сельсинного ПКП від номінальної

При роботі на ємнісне навантаження f _вища в 5-6 разів. Але стабілізація частоти живлення сельсина кварцовим резонатором дозволяє усунути цей тип додаткової похибки.

На основі проведених досліджень, розроблено ПКП для контролю бази кранових установок і ПКП для гідростатичної системи контролю відхилення рівня реакторних відділень АЕС на основі високоточних однообертових ПКП.

У третьому розділі розроблено і досліджено високоточні (до 15 біт) БПКП, що дозволило розширити діапазони вимірювання кутових і лінійних переміщень від 10-ти кут. хв. до 40 повних обертів і від 0.01 мм до десятків метрів відповідно.

Аналіз розробок БПКП показує, що при їх створеннi необхiдно ефективно вирiшити двi основнi науково-технiчнi задачi:—

розробити ефективнi методи корекцiї показiв грубої i точної шкал БПКП;—

реалiзувати коректори та згортковi дешифратори-коректори.

Методи корекцiї показiв БПКП базуються на:—

основi реверсивного сумування сигналiв «+1» і «-1», якi формуються вiдповiдно на переходах точного відліку БПКП —

на основі цифрової згортки двійкових кодів БПКП.

Перший метод характеризується простотою реалізації і аналітично описується рівнянням

де K = 0, 1, 2, n.

Для забезпечення надійної роботи БПКП даного типу пропонується метод, в якому враховується проходження ПКП точної шкали двох проміжних станів, які запам’ятовуються в цифровому автоматі. Проведено формалізацію зміни всіх станів БПКП даного типу і розроблено його принципову схему.

На основі методу згортки кодів досліджено БПКП з корекцією грубої і точної шкал. Дана згортка описується табл.1, де Ф — код розузгодження грубої і точної шкали; К — код корекції розряду грубої шкали.

Таблиця 1. Цифрова згортка кодів |

0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 4 | 5 | 6 | 7 | 0 | 1 | 2 | 3

0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | Ф | = | 0 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | Ф | = | +4

0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | К | = | 0 | 0 | -1 | -1 | 0 | 0 | +1 | +1 | 0 | К | = | 1

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 0 | 5 | 6 | 7 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4

0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | Ф | = | +1 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | Ф | = | -3

0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | +1 | К | = | +1 | -1 | -1 | -1 | 0 | 0 | +1 | 0 | 0 | К | = | 1

2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 0 | 1 | 6 | 7 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5

0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | Ф | = | +2 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | Ф | = | -2

0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | +1 | +1 | К | = | +1 | -1 | -1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | К | = | -1

3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 0 | 1 | 2 | 7 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6

0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | Ф | = | +3 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | Ф | = | -1

0 | 0 | -1 | 0 | 0 | +1 | +1 | +1 | К | = | 1 | -1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | К | = | 0

Запропонований метод корекції шкал дозволив проводити узгодження роторів багатообертових ПКП у межах 14 кут. градусів відносно нульового положення, що спростило процедуру узгодження відліків БПКП.

На основі досліджених БПКП з грубою і точною шкалою, реалізовано високоточний давач рівня (ДР) для товарно-сировинних резервуарів (рис.7).

1 — мірний барабан;

2 — тросик;

3 — чутливий елемент;

4 — компенсаційна пружина;

5 — блок тензорезисторний;

6 — модуль управління

7 — сельсин точного відліку;

8 — понижуючий редуктор;

9 — сельсин грубого відліку;

10 — ведучий вал-шестерня;

11 — кроковий двигун;

12 — черв’ячний редуктор;

К — коефіцієнт редукції;

Z — число зубів шестерні;

і — передавальне число.

У четвертому розділі розглянуті питання практичної реалізації давача рівня на основі БПКП з діапазоном вимірювання до двадцяти метрів, електронного блока перетворення для місцевої їндикації результату вимірювання, 4-х канального інтерфейсного модуля для зв'язку з користувачем.

При розробці давача рівня, для усунення додаткових похибок, які обумовлені середньою та гвинтовою лініями намотки тросика на мірний барабан, а також похибки, що виникає внаслідок збільшення ваги системи тросик - чутливий елемент при збільшенні довжини відмотаного тросика, розраховані та введені поправки на діаметр мірного барабана давача рівня.

Реалізація даних засобів дозволила розробити і впровадити на АТ "Нафтохімік Прикарпаття" систему вимірювання рівня в товарно-сировинних резервуарах СВР-2, а в НГВУ "Бориславнафтогаз" - комплект приладів для контролю рівня в нафтових резервуарах.

Запропонована формалізація інформаційних потоків СВР забезпечила програмно-апаратну сумісність впровадженої системи зі стандартними мереживими протоколами IBM-сумісних обчислювальних засобів.

ВИСНОВКИ ПО РОБОТI.

1. На основi аналiзу методiв побудови та галузей застосування ПКП, проведена їх класифiкацiя та дослiдженi рiзні методи побудови. Обгрунтована перспективність вдосконалення сельсинних ПКП на основi обертового електромагнітного поля з прямокутним трифазним живленням.

2. Створена високоточна екпериментальна установка з кроком шкали (0.1 кутового градуса) для дослідження метрологiчних характеристик однообертових ПКП на основi БС. Це дозволило провести дослідження ПКП при різних параметрах живлення і температурі навколишнього середовища і узагальнити причини виникнення додаткових похибок ПКП даного типу.

3. Дослідження розроблених методів розширення дiапазону вимiрювання та пiдвищення точностi ПКП на основі цифрового генератора трифазного синусоїдального сигналу показали, що для одержання похибки ПКП (без урахування похибки сельсина) менше 0.01%, число сходинок в періоді синусоїдального сигналу повинно бути більшим 30.

4. При досліджені сельсинного ПКП встановлено, що навантаження однопроменевої обмотки сельсина на характеристичний опір дозволяє зменшити приведену фазову похибку, а навантаження на ємність дозволяє зкомпенсувати додаткову температурну похибку до рівня 0.01%/10C.

5. Запропонованi та дослiдженi новi методи корекцiї показiв БПКП слідкуючого типу та прямого зчитування на основi сумування числа повних обертів, перетворення системи залишкових класiв та цифрової згортки кодiв точної i грубої шкали БПКП. Розроблений метод узгодження грубої і точної шкали БПКП дозволяє проводити їх узгодження в межах 14 кутових градусів, що робить дані перетворювачі нечутливими до люфтів у редукторах і мультиплікаторах на всьому діапазоні вимірювання.

6. На основi запропонованих БПКП розроблені і реалізовані давач рівня, електронний блок перетворення та iндикацiї, 4-х канальний iнтерфейсний модуль, що дозволило розробити, освоїти виробництво і впровадити засоби контролю і системи вимірювання рівня в товарно-сировинних резервуарах в нафтогазовидобувній і нафтопереробній галузях промисловості.

7. Розроблено методику повірки каналів вимірювання рівня на базі БПКП безпосередньо на об'єктах автоматизації, що дозволило суттєво знизити затрати часу і коштів на калібрування давачів рівня, без їх демонтажу.

ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

1. Николайчук М.Я. Багатообертовий перетворювач кутових переміщень на основі фазового методу вимірювання // Методи та прилади контролю якості. 1998.- №2. - С. 77-80.

2. Николайчук М.Я. Високоточний цифровий рівнемір для товарно-сировинних резервуарів. Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. Серія: “Технічна кібернетика та експлуатація об’єктів паливно-енергетичного комплексу”. Випуск 33. - 1996. - С. 87-91.

3. Николайчук М.Я. Структура та організація автоматизованої системи обліку нафтопродуктів в резервуарних парках // TACIS. - 1997. - С. 4/63-4/66.

4. Николайчук М.Я. Тестування каналів зв’язку на основі перетворювачів з інтегрально-імпульсним виходом // Збірник наукових праць ХІІ міжнародної міжвуз. шк.-сем. “Методи і засоби техніччної діагностики” (МіЗД - 95). - Івано-Франківськ. - 1995. - C. 116-118.

5. Николайчук М.Я., Заміховський Л.М. Діагностика цифрових рівнемірів. // Збірник наукових праць ХІІ міжнародної міжвуз. шк.-сем. “Методи і засоби техніччної діагностики” (МіЗД - 95). - Івано-Франківськ. - 1995. - C. 142.

6. А.с. 563731. СССР. Многоканальное устройство для передачи и приема двоечной информации / Я.Н.Николайчук, А.М.Лучук, С.Г.Бунин, Б.М.Шевчук, Р.В.Доценко, Н.Я.Николайчук. - 4с. ил.; Опубл. 1989. Бюл. №8.

7. Николайчук М.Я. Задачі та базові методи створення низових безпровідних інформаційних мереж // Матеріали Другої української конф. з автоматичного керування (Автоматика-95). - Том 2. - Львів. - 1995. - С. 124.

8. Николайчук М.Я. Структура та організація низових мереж з активними ретрансляторами // Матеріали Другої української конф. з автоматичного керування (Автоматика - 95). - Том 2. - Львів. - 1995. - С. 125.

9. Николайчук М.Я., Іщеряков С.М. Методи формування та цифрової обробки сигналів ШСС в низових безпровідних мережах // Матеріали Третьої міжнародної науково-технічної конф. “Контроль і управління в технічних системах”. - Частина 2. - Вінниця. - 1995. - С. 435.

10. Петришин Л.Б., Николайчук М.Я. Згорткові методи синхронізації та прийому цифрових повідомлень в базисі Галуа // Праці Третьої української конф. з автоматичного керування (Автоматика - 96). - Том 1. - Севастополь. - 1996. - С. 76.

11. Заміховський Л.М., Николайчук М.Я. Досвід промислового впровадження та діагностики комп’ютерної системи вимірювання рівня СВР_ // Праці Третьої української конф. з автоматичного керування (Автоматика - 96). - Том 1. - Севастополь. - 1996. - С. 174.

12. Николайчук М.Я. Перспективи розробки низових радіомереж на основі модуляції шумоподібних сигналів // Тези науково-технічної конф. професорсько-викладацького складу інституту нафти і газу. - Частина 2. - Івано-Франківськ. - 1994. - С. 172.

13. Козак О.Ф, Николайчук М.Я. Розробка інтегрально-імпульсного перетворювача контролю споживання електроенергії // Тези науково-технічної конф. професорсько-викладацького складу інституту нафти і газу. - Частина 2. - Івано-Франківськ. - 1994. - С. 169.

14. Николайчук М.Я. Аналіз та класифікація методів передачі даних в низових ретрансляційних мережах // Тези науково-технічної конф. професорсько-викладацького складу ІФДТУНГ. - Частина 2. - Івано-Франківськ. - 1994. - С. 122.

15. Николайчук М.Я. Способи ідентифікації номера об’єкту управління в низових ретрансляційних мережах // Тези науково-технічної конф. професорсько-викладацького складу ІФДТУНГ. - Частина 2. - Івано-Франківськ. - 1995. - С. 123.

16. Николайчук М.Я. Розробка методики повірки каналів СВР-2 // Тези науково-технічної конф. професорсько-викладацького складу ІФДТУНГ. - Частина 2. - Івано-Франківськ. - 1997. - С. 143.

17. Петришин Л.Б., Николайчук М.Я. Нові тематичні розділи в курсі (Перетворення форми інформації) // Матеріали науково-методичної конф. “Вплив наукових досліджень на підвищення якості підготовки фахфівців”. - Івано-Франківськ. - 1998. - С. 73-75.

АНОТАЦІЯ

Николайчук М.Я. Методи та прилади контролю переміщень на основі безконтактних перетворювачів фаза-код. Рукопис дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 — прилади та методи контролю, Івано-Франківський державний технічний університет нафти і газу, Івано-Франківськ 1999.

Захищається 17 наукових праць, в яких розроблені теоретична база та методи побудови засобів контролю на основі безконтактних перетворювачів кутових переміщень (ПКП), обгрунтовано вибір та розроблено методи розширення діапазону вимірювання, а також підвищення точності ПКП. Розроблені структурні методи розширення функціональних можливостей ПКП.

Запропоновано багатообертові перетворювачі кутових переміщень (БПКП) на основі грубої і точної шкал. Розроблена методика повірки та проаналізовані похибки ПКП, дані рекомендації щодо їх усунення.

Ключові слова: ПКП, фазообертач, сельсин, перетворювач фаза-код, давач рівня (ДР), узгодження відліків, груба і точна шкала.

АННОТАЦИЯ

Николайчук Н.Я. Методы и приборы контроля перемещений на основе безконтактных преобразователей фаза-код. Рукопись диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13 — приборы и методы контроля, Ивано-Франковский государственный технический университет нефти и газа, Ивано-Франковск 1999.

Защищается 17 научных работ, в которых разработаны теоретическая база и методы построения информационных систем на основе безконтактных преобразователей угловых величин (ПУВ), обоснованы методы расширения диапазона измерения, а также повышения точности ПУВ. Разработаны структурные методы расширения функциональных возможностей ПУВ.

На всех этапах решения таких задач необходимым есть усовершенствование, расширение функциональных возможностей и повышение точности датчиков и преобразователей технологических параметров на объєктах энергетической, нефтегазодобывающей и нефтеперерабатывающей промышленностей. Спецификой информационных систем на предприятиях энергетических отраслей єсть постоянное повышение требований к точности, эксплуатационной надежности, а также помехоустойчивости датчиков и рервичных преобразователей формы информации, которые эксплуатируются в условиях воздействия интенсивных помех и агрессивных сред на промышленных предприятиях. Важным при этом есть усовершенствование существующих, разработка и комплексное внедрение новейших технологий на уровне датчиков, первичных преобразователей, каналов связи, а также средств обработки и регистрации измерительной информации.

Внедрение безконтактных ПУВ эффективно решает ряд научных задач: —

контроль микро- и макро перемещений (линейные, угловые, многокоординатные); —

позиционирование машин и механизмов; —

контроль отклонения от горизонтальности ответственных сооружений и установок; —

измерение уровня жидкостей и сыпучих материалов.

Таким образом безконтактные ПУВ имеют широкое применение в различных отраслях и их использование постоянно возрастает. А сами ПУВ, совместно из современными микроэлектронными средствами сбора, передачи и обработки информации становятся доступными и высокоэффективными елементами информационных систем.

Для решения вышеперечисленных научно-технических задач: —

предложено новые методы повышения точности преобразователей угловых перемещений на основе дискретных фазовращателей; —

разработано методы повышения помехоустойчивости спектрально-фазовых сигналов ПУВ; —

для расширения диапазона измерения и обеспечения необходимой точности, предложено принципы построения многооборотных ПУВ на основе цифрового автомата коррекции показаний, согласования шкал на основе преобразования системи остаточных классов, коррекции показаний грубой шкалы на основе цифровой свертки кодов; —

исследовано погрешности ПУВ на основе безконтактных сельсинов и даны рекомендации по их устранению; —

формализировано информационные потоки звездо-магистральной архитектуры информационной системы на основе ПУВ.

На основе проведенных исследований, разработано кинематическую схему преобразователя линейного перемещения в угловое для информационной системы контроля базы крановых установок АЕС.

Оценено воздействие наиболее значимой пятой гармоники на границу фазовой погрешности измерения ПУВ. Для повышения метрологических характеристик ПУВ, разработаны структурные и принципиальные схемы цифровых генераторов трифазных синусоидальных сигналов для питания обмоток возбуждения фазовращателей.

Разработаны методы расширения диапазона измерения и повышения точности преобразователей угловых перемещений на базе многооборотных ПУВ, что дает возможность создания принципиально новых структур с расширенными функциональными возможностями. Поэтому перспективным на данном этапе єсть разработка и исследование многооборотных ПУВ. Анализ разработок многооборотных ПУВ показывает, что при их создании необходимо эффективно решить две основные научно-технические задачи:—

разработать эффективные методы коррекции показаний грубой и точной шкал многооботных ПУВ;—

реализовать цифровые сверточные дешифраторы-корректоры.

Предложенный метод коррекции шкал позволил проводить согласование роторов многооборотных ПУВ в пределах 14 угловых градусов относительно нулевого положения, что упростило процедуру согласования отсчетов.

На основе разработанных и исследованных многооборотных ПУВ с грубой и точной шкалой, разработаны принципиальные решения высокоточного датчика уровня для товарно-сырьевых резервуаров.

Проведен анализ структур информационных систем и получены аналитические выражения для рассчета времени обмена данными между первичными преобразователями и центром обработки данных. Предложено звездо-магистральную структуру для построения информационных систем с ПУВ промышленного назначения.

В результате проведенных разработок и исследований внедрено в промышленности высокоточную систему измерения уровня в товарно-сырьевых резервуарах СВР-2.

Ключевые слова: преобразователи угловых величин (ПУВ), фазовращатель, сельсин, преобразователь фаза-код, датчик уровня ДР, согласование отсчетов, грубая и точная шкала.

ABSTRACT

Nickolajtchuck M.Ja. “Methods and devices of control draggings based on contactless transducers of phase-code”.

Manuscript of dissertation searching for degree of candidate of technical sciences obtaining according to the speciality 05.11.13 — devices and methods of control. Ivano-Frankivsk State Technical University of Oil and Gas, Lviv State University “Lvivska Polytechnica”, Ivano-Frankivsk 1999.

17 scientific works are defending in which elaborated theoretical bases and methods of control based on contactless transducers of angles movements building (TAM), granted methods of enlargement of measuring rang and improve of precision of TAM, designed structured methods extention of functional possibilities of TAM. There are proposed polyturned transducers of angles movement (PTTAM), based on rough and exact scales with updating results.

There is elaborated methods of verification and errors of TAM are analyzed also there are given recommendation how to remove them.

Keys: transducers of angles movements (TAM), phaseturner selseen, phase-code transducer, level transducer, precise of measuring, rough and exact scales.