Диссертацияси илмий раҳбар: т ф. д., профессор А. М. Мамаджонов \ мундарижа кириш

Достоверность полученных результатов исследования обосновывается корректным применением методов расчета цепей с распределенными параметрами, основных законов, теорий и методов расчета электромагнитного поля, а также подтверждается соответствием теоретических и экспериментальных результатов.
Научная и практическая значимость результатов исследования.------
Внедрение результатов исследований.----------
Апробация результатов исследования. Результаты диссертационного исследования докладывались, обсуждались и получили одобрение и поддержку на 3 международных и на 6 республиканских конференциях.
Публикация результатов исследования.По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, из них в журнальных изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Республики Узбекистан, в том числе 4 в иностранных и 3 в республиканских журналах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем диссертации составляет 130 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
В первой главе диссертации проводится анализ конструкций измерительных преобразователей, используемых в дискретных системах управления (ДСУ), в которых герконы органически сочленены с магнитной цепью в единой конструкции, образуя в ней дискретное распределение магнитных параметров. Раскрыты особенности применения герконных устройств различного назначения. Показано, что герконные элементы и устройства существенно повышают выходную мощность и надежность, а также расширяют функциональные возможности преобразовательных устройств, а сами дискретные системы управления существенно упрощаются за счет применения в них герконных преобразователей.
С учетом особенностей пространственной ориентации контактной системы по отношению к управляющему полю были выявлены и классифицированы различные конструктивные приемы улучшения характеристик самих герконов как чувствительных элементов герконных преобразователей. В результате анализа патентного материала и применения метода, разработанного с участием автора, было выявлено более сорока обобщенных приемов совершенствования конструкции, улучшающих основные характеристики герконов, и предложена классификация их по таким разнородным признакам, как «улучшаемые характеристики» и «совершенствуемые детали». Показано, что наиболее часто совершенствуемой деталью являются контактная пара и магнитная система, причем основной характеристикой, улучшаемой при этом, является надежность, коммутируемая мощность, функциональная возможность, габариты. Выявлен и предложен ряд новых обобщенных приемов улучшения характеристик ГПРМ. Путем применения математической модели на принципе прямой аналогии для измерительных преобразователей (названная в работе информационной моделью), позволяющей выявить обобщенные величины воздействия U, реакции I, заряда q и обобщенные параметры

Таблица 2. Величены и параметры для электрической, магнитной и механической цепей.

Природа цепей	Обобщенные величены				Обобщенные параметры
	Воздействие U	Реакция I	Заряд q	Сопротивление R		Емкость C	Индуктивлность L
Электри-ческая	(Напряжения)	(Ток)
Магнитная		(Скорость изменения потока)	(Поток)	(Электрическая проводимость на пути индуцированных токов)			(Электрическая емкость на пути индуцированых токов)
Механи-ческая	(Сила)	(Скорость)	(Сме-ще ние)	(трение)		(упругость)	(Масса)

сопротивления R, индуктивности L и емкости C для цепей различной физической природы (табл. 2) с помощью энергетического, статического и динамического критериев аналогии и подобий, а также путем использования внутрицепных зависимостей и различных межцепных эффектов между электрическими, магнитными и механическими цепями получены параметрические структурные схемы герконных преобразователей механических величин – взаимодействия U_M (усилия), реакции I_M (скорости), заряда q_M (перемещения) и скорости реакции I_M′ (ускорения) в дискретную электрическую величину U^В_Э с многоступенчатой релейной статической характеристикой, по которым на этапе проектирования преобразователей прослеживаются принципы их построения. В дальнейшем в работе использованы термины обобщенных величин и параметров.

На рис.1 приведена топограмма параметрических структурных схем герконных преобразователей.
С целью сравнения различных конструктивных решений разработана классификационная таблица герконных преобразователей перемещений с дискретным выходом, в качестве подвижных элементов которых используется обмотка, экран, сердечник и магнит, причем вдоль магнитной системы распределены герконы, нормально открытые и нормально закрытые контакты которых либо шунтируют, либо соединены последовательно цепочкой, соответственно, одинаковых или функционально отличных друг от друга дискретно изменяющихся по многоступенчатой характеристике параметров.
В первой главе анализируются в сравнении оригинальные и известные конструкции герконных преобразователей и формируются задачи исследования.
Вторая глава. В результате анализа различных методов исследования магнитных цепей, сделан вывод о целесообразности учете распределенных дискретных параметров с помощью параметрической структурной схемы, в которой отдельные участки магнитных цепей рассматриваются как продольные и поперечные дискретно распределенные магнитные параметры. Причем элемент продольно распределенного параметра представляется в виде сосредоточенной магнитной емкости и определяет величину магнитного потока (заряда) в том или ином сечении с дискретной координатой, а элемент поперечно распределенного параметра представляется в виде сосредоточенной магнитной жесткости (обратное значение магнитной емкости) и определяет величину магнитного напряжения (воздействия) в том же сечении. Число сосредоточенных параметров в простейшем случае определяется числом относительно однородных участков реальной цепи (например, по одному продольному и поперечному параметру на каждом участке для нашего случая). При более строгом подходе число сосредоточенных параметров определяется требуемой степенью точности учета распределенных магнитных параметров для каждого однородного участка цепи. Число таких дискретно распределенных параметров может соответствовать числу герконов, распределенных на рассматриваемом участке. В работе предложена методика, использующая минимальное число сосредоточенных параметров, (а именно, по одному параметру на каждом участке) при условии, что параметры на этих участках являются функцией подвижной части, найденной путем решения дифференциальных уравнений по известному методу расчленения магнитной цепи на три участка: участок до подвижной части, участок подвижной части и участок после подвижной части. Расчет величины магнитного заряда и магнитного напряжения для каждого участка производится по названному выше методу в соответствии со схемой на рис. 2, первая емкость и первая жесткость которой через их реальные значения находятся в виде цепных дробей

(1)

(2)



Рис.2.Обобщенная схема замещения (а) и обобщенная параметрическая структурная схема (б) герконного преобравователя.
Реальные значения параметров на первом и третьем участках являются функцией координат подвижной части и могут быть найдены либо по приближенным схемам замещения, либо с учетом распределенных параметров известными методами. Реальные же значения дискретных параметров на участке подвижной части и находятся в зависимости от вида используемой подвижной части. В работе найдены их значения для 4-х видов подвижной части при их продольном и поперечном расположении. Для каждого вида и расположения подвижной части получены условия в форме оптимальных отношений значений продольных и поперечных размеров магнитопровода, обеспечивающих надежность срабатывания при минимуме поперечных габаритов:
а) для продольных и поперечных подвижных экранов
(3)
б) для продольных и поперечных подвижных магнитов и обмоток возбуждения

(4)
в) для поперечного подвижного сердечника
(5) г) для продольного подвижного сердечника
; (6)


Рис.3.Кривые, определяющие границы соотношений между и r, в пределах которых обеспечивается надежная работа преобразователя.

Рис.4.Зависимость рабочей магнитной емкости от координаты подвижного магнита в относительных единицах (при разных соотношениях .
Рассмотрена методика расчета магнитной цепи герконного преобразователя, работающего в качестве конечного выключателя, так и в качестве преобразователя с многоступенчатой статической характеристикой. Для магнитной емкости, создающей управляющий магнитный заряд (поток), выражение ее в функции координаты подвижного магнита q_M с учетом распределенных параметров получено в виде
; (7)

аксимальное значение этой емкости соответствует определенному значению координат , зависящему от соотношения погонных магнитных емкостей между подвижным магнитом и подвижным ферромагнитным контактом геркона в зоне контактирования и за пределами зоны.

На рис. 4 в относительных единицах приведены кривые зависимости рабочей магнитной емкости от координаты подвижного магнита при равных соотношениях .

Из анализа этих кривых следует, что наиболее целесообразной является конструкция с замкнутым через максимальный зазор внешним магнитопроводом, уменьшающим до минимума это соотношение, что приводит к увеличению чувствительности, степени нелинейности статической характеристики и диапазона перемещения подвижной части. В работе приводится один из вариантов такой конструкции преобразователя.
На рис. 5 показана конструкция с числом дискретных участков до подвижной части и после подвижной части, равным числу герконов, соответственно расположенных до подвижной части и после подвижной части. Из анализа характеристик этой конструкции, полученных с учетом распределенных параметров, следует, что распределение герконов вдоль пути перемещения подвижной части исключает необходимость в уменьшении потерь магнитного потока в стали магнитопровода при условии, если минимальное значение магнитной величины воздействия U_µдо подвижной части больше необходимого для включения контактов герконов, а максимальное значение магнитной величины воздействия за подвижной частью меньше необходимого для отключения контактов герконов.
В третьей главедиссертации исследованы такие характеристики, как статическая, степень нелинейности, коэффициент потери мощности, надежности и динамическая характеристика. Анализ основных характеристик проводился с использованием общего выражения зависимости выходной величины от входного перемещения в операторной форме

(8)

Рис.5.Конструкция герконного преобрзаователл

1. 
   П-образный магнитопровод с замкнутым основанием 2;
   

3-обмотка возбуждения со стабильной амплитудой синусоидального тока;
4-подвижный экран;
5-распределенные вдоль пути перемещения экрана герконы;
6-дискретно-изменяющиеся электрические параметры.
Анализ выражения показывает, что герконный преобразователь перемещения представляет собой в общем реальное колебательное звено четвертого порядка, переходная характеристика которого описывается дифференциальным уравнением с переменными коэффициентами. В работе показано, что для уменьшения динамической погрешности необходимы выполнения следующих условий
(9)
_(10)
(11)
Статическая характеристика получена из математической модели для четырех режимов работы преобразователя:
а) в режиме использования постоянных источников;
б) в режиме питания схемы от переменных источников питания;
в) в режиме, когда один из источников питания постоянный.
Анализ выражений показывает, что статическая характеристика является нелинейной. Из сравнения результатов экспериментальных исследований и теоретического анализа для герконного преобразователя с различными подвижными элементами следует, что погрешность расчета по приведенным уравнениям не превышает для разных преобразователей 10-15%.
Сравнение математических выражений для степени нелинейности и чувствительности цепи последовательных преобразований одной физической природы, в частности показало, что общая чувствительность цепи растет с увеличением произведения пары смежных параметров. Однако это сопровождается ростом степени нелинейности при том же диапазоне изменения входного сигнала. Показано, что для уменьшения степени нелинейности герконного преобразователя на два порядка достаточно уменьшить сопротивление нагрузки всего лишь на один порядок. Для уменьшения степени нелинейности до минимума в работе предлагается два метода, заключающиеся в выполнении второго параметра или коэффициента межцепного эффекта в зависимости от подвижной части q_Mсогласно выражениям
; (12)
; (13)
Для анализа потерь мощности герконного преобразователя в работе использован коэффициент, определяемый из соотношения
(14)
Из сравнения математических выражений для чувствительности преобразования и коэффициента потерь мощности следует, что при неизменной электрической проводимости выходной цепи увеличение электрического сопротивления той же цепи приводит к уменьшению чувствительности предыдущего элементарного преобразователя, коэффициента теряемой мощности (и наоборот), однако общая чувствительность при этом возрастает. В работе предложены конструктивные методы снижения мощности за счет использования дифференциальных магнитопроводов, исключающих необходимость в балластных сопротивлениях в цепи обмотки возбуждения.
В работе исследуется передаточная функция преобразователя больших постоянных токов
(15)
Надежность герконного преобразователя по параметрической структурной схеме можно определить, используя такой показатель, как интенсивность отказа элементарных преобразователей. Параметрическая структурная схема позволяет выявить такой участок цепи, который характеризуется минимумом интенсивности отказов или максимумом наработки на отказ.
В этой же главе исследуются методы повышения надежности срабатывания герконов за счет увеличения отношения магнитного напряжения до и после подвижной части с помощью дополнительных ампервитков, а также увеличения коэффициента возврата K_в за счет возбуждения переменными ампервитками при преобразовании больших постоянных токов.


Рис.6.Зависимость коэффициента возврата от возбуждения переменным ампервитком.
Четвертая глава. В этой главе рассматриваются метрологические характеристики герконного преобразователя, а именно, адидитивные и мультипликационные, случайные и систематические погрешности преобразования в целом. Указанные погрешности определены в результате анализа источников погрешностей элементарных преобразований. Параметрическая структурная схема позволяет путем перебора известных физических эффектов между внешними полями различной физической природы и параметрами и величинами в структурной схеме оценить значения вышеназванных погрешностей. Внешние факторы, воздействующие на промежуточную величину, рассматриваются как источники аддитивной погрешности, а внешние факторы, воздействующие на параметр в случае, если последний не зависит от входного сигнала, рассматриваются как источники мультипликативной погрешности. В работе приведены выражения зависимости основных параметров и величин от внешних возмущений. В этой главе получен следующий вывод: каскадное соединение элементарных преобразований с аналоговым входным сигналом и выходным дискретным сигналом за счет пространственного распределения герконов исключает погрешность всех элементарных преобразователей, расположенных между ними. Для этого дискретные значения выходного сигнала предыдущего преобразователя должны быть больше входного сигнала последующего дискретного преобразователя, необходимого для последующей дискретизации сигнала. В работе сделаны выводы и ряд рекомендаций по снижению аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности у элементарных преобразователей.
Рассматриваются также вопросы машинного выбора структурной схемы: выявление массива информации внутрицепных зависимостей, внутрицепных и межцепных эффектов с указанием диапазона значений параметров и коэффициентов эффектов и критерии выбора оптимальной структурной схемы. При двух критериях необходимо задать диапазон допустимых значений двух наиболее важных взаимно противоречащих характеристик, стоимость и погрешность и т.д. В этой же главе предложена инженерная методика расчета, в которой по заданным значениям чувствительности, степени нелинейности, допустимой погрешности, потребляемой мощности, интенсивности отказов рассматриваются геометрические размеры магнитной системы и числа витков обмоток, шаг распределения герконов и т.д. Методика расчета предполагает использование серийно выпускаемых герконов КЭМ-2А, КЭМ-2Б и шихтованной стали Э-330 (при цифровой индикации выходного сигнала индикаторов типа АЛС-325). Для выбора оптимальных соотношений размеров магнитной системы использованы те рекомендации, которые вытекают из выводов, полученных при исследовании чувствительности, погрешности и коэффициента потерь мощности.
В приложении приведены алгоритмы выбора структурной схемы по максимуму чувствительности, таблицы по обработке результатов экспериментов, материалы по разработанной методике патентных исследований, а также копии актов внедрения результатов исследований в промышленность и в учебный процесс.
Заключение
1.В результате патентного анализа известных изобретений выявлены обобщенные приемы улучшения основных характеристик герконов, а также разработаны новые приемы улучшения преобразователей на герконах, заключающиеся в распределении герконов вдоль пути перемещения подвижной части индукционных преобразователей механических величин. Предложен ряд конструкций преобразователей на герконах, защищенных авторскими свидетельствами, с выходными сигналами с многоступенчатой релейной зависимостью в функции входного сигнала.
2. Показано, что органическое сочленение герконов с магнитной цепью индукционных преобразователей повышает на порядок у предложенного преобразователя надежность, пожаробезопасность, реактивный момент и быстродействие по сравнению с электроконтактными преобразователями, а также повышает выходную мощность, уменьшает шаг квантования, поперечные габариты и расширяет область применения их по сравнению с индукционными преобразователями.
3. В результате применения математической модели на принципе прямой аналогии предложена топограмма параметрических структурных схем герконных преобразователей, связывающих между собой величины и параметры для цепей различной физической природы с помощью энергетического, статического и динамического критериев аналогии и подобий, путем использования внутрицепных зависимостей и различных межцепных эффектов между электрическими, магнитными и механическими цепями.
4. Предложен метод синтеза преобразователей на герконах по топограмме внутрицепных зависимостей и межцепных эффектов между обобщенными величинами и параметрами механических, магнитных и электрических цепей.
5. Разработана методика расчета цепей с дискретно распределенными магнитными параметрами путем анализа зависимостей выходной величины в функции входной, полученной непосредственно из параметрической структурной схемы в операторной форме.
6. Получены условия для каждого вида и расположения подвижной части ГПРМП в форме оптимальных соотношений значений продольных и поперечных размеров магнитопровода, обеспечивающих надежность срабатывания при минимуме поперечных габаритов. Показано, что преобразователи с подвижным экраном обладают наименьшими поперечными габаритами по сравнению с другими при одних и тех же используемых герконах.
7. Исследование основных характеристик ГПРМП, в частности, показало, что при наличии участков в параметрической структурной схеме с двумя смежными параметрами одной и той же физической природы, увеличение чувствительности всего преобразователя за счет произведения этих параметров сопровождается увеличением степени нелинейности при том же значении входного сигнала при условии, если один из параметров зависит от входного сигнала.