CC BY
6
УДК 004.942
Б01: 10.15587/2312-8372.2018.123502
КОМПЕНСАЦ1Я ПРОСТОРОВИХ ДЕВ1АЦ1Й ЕЛЕМЕНТ1В ЗАСОБ1В ВИМ1РЮВАННЯ В САПР
Становський О. Л., Торопенко А. В., Лебедева О. Ю., Добровольська В. В., Дадерко О. I.
1. Вступ
Автоматизоване проектування засобiв вимiрювання мае певнi особливосл, якi полягають в необхiдностi створення додаткових сприятливих умов для роботи 1хшх чутливих органiв. Справа в тому, що точнiсть роботи засобiв вимiрювання (ЗВ) суттево залежить вщ стабiльностi геометричного розташування iхнiх елеменлв (ЕЗВ). I, хоча в ЕЗВ, як правило, не виникають суп^ механiчнi напруження, навiть незначнi iхнi вiдхилення можуть призвести до значних втрат точност позицiювання, а отже точност та достовiрностi результатiв такого вим1рюг^ння.
Пд вщхиленням ЕЗВ в робот! розумти статичнi деформацii або перемщення, а також динамiчнi коливання або будь-яке iхне об'еднання, не передбачеш паспортною геометричною або кшематичною схемою вiдповiдного засобу.
Для усунення зовшшшх впливiв, якi можуть призвести до подiбних вiдхилень (девiацii) при проектуванш ЗВ застосовують рiзнi конструктивш прийоми: пiдвищення жорсткостi елементiв, оптимiзацiю iхньоi конструктивно!' схеми, сучаснi матерiали iз покращеними характеристиками опору, тощо. Широко застосовуються також методи активного та пасивного вiброзахисту, термостатування, екрашзацп та багато iнших.
Зрозумiло, будь-який захист неспроможний повнiстю усунути небажаш вiдхилення ЕЗВ. Особливо це вщноситься до об'ектiв вимiрювання, якi мають великi габарити (десятки метрiв) та вагу, непрозорють, високi температури (сотш градусiв), суттевi зовнiшнi впливи непередбачуваного характеру, тощо. Моделi поведiнки таких об'еклв пiд навантаженням вкрай складш, а методи 1'хнього аналiзу та використання в САПР взагалi вщсутш, що призводить до закладання значних майбутшх похибок майбутнього вимiрювання вже на етат проектування.
Тому актуальним е дослiдження, направленi на розробку методiв та моделей, якi на раншх стадiях створення метрологiчних засобiв (наприклад, на етапi 1'хнього автоматизованого проектування) забезпечують необхiдну точнiсть майбутнього вимiрювання параметрiв великогабаритних об'ектiв, незалежно вiд умов 1'хнього використання на практищ.
2. Об'ект дослiдження та його технолопчний аудит
Об'ект дослгдження - процеси автоматизованого проектування елемешгв комплексних засобiв вимiрювання, якi призначеш для роботи в умовах значних вщхилень таких елементiв у простор^ викликаних внутрiшнiм та зовнiшнiм мехашчним або термiчним навантаженням.
Технолог1чний аудит е способом дiагностики шновацшно1' пiдсистеми САПР в метрологii, i дозволяе отримати характеристику iнновацiйного потенцiалу при створеннi нових i реконструкцп iснуючих засобiв вимiрювання. Проведення технолопчного аудиту дае проектному пiдприемству можливють сформувати стратегiю отримання прибутку з результалв iнновацiйноi дiяльностi. Передбачаеться, що розробник використовуе результати iнновацiйноi д1яльност безпосередньо в процесi проектування, випускаючи новi проекти в галузi приладобудування iз застосуванням створених проектних шновацш.
Процедуру оцiнки комерцiйного потенцiалу iнновацiйноi iдеi проводили за алгоритмом, що складаеться з 6 послiдовних кроюв [1]:
1) проведення попереднього анаизу iснуючих засобiв вимiрювання параметрiв великогабаритних гетерогенних об'екпв пiд час iх створення;
2) проведення пошуку аналопв метрологiчних засобiв в сумiжних об'ектах та анаиз ефективностi !х застосування для дослщжуваних об'ектiв;
3) перевiрка технiчноi здiйсненностi iнновацiйноi iдеi вимiрювання щiльностi залiзобетону в складних виробах в умовах девiацii елементiв метролопчних засобiв за допомогою емнiсного методу;
4) щентифкащя продукту (результату проектування) для поршняння з аналогами;
5) визначення ринкових переваг створюваного продукту;
6) практична здшсненшсть iнновацiйноi ще!' в реальному виробництвi.
Проведенi дослщження пiдтвердили високий комерцiйний потенцiал
шновацшно1' iдеi: використання нових моделей девiацii елементiв пiд час вимiрювання параметрiв об'ектiв.
3. Мета i задачi дослщження
Мета роботи - тдвищення точностi вимiрювань технiчних параметрiв великогабаритних об'екпв вщповщального призначення шляхом створення систем автоматичного проектування нових комплексних засобiв вимiрювань. Такi засоби повинш бути заснованi на нових моделях небажаних перемiщень окремих елементiв останшх та методах 1'хньо1' компенсацii.
Для досягнення ще1' мети необхiдно виршити так задачг.
1. Побудувати моделi та здiйснити аналiз статичних, технолопчних та динамiчних перемiщень (деформацiй) елеменпв засобiв вимiрювання.
2. Розробити методи компенсацп майбутнiх небажаних статичних, динамiчних та технологiчних перемiщень на етат автоматизованого проектування засобiв вимiрювання.
3. Виконати практичш випробування результатiв дослщжень та оцiнити iхнiй технiчний ефект.
4. Дослщження iснуючих р1шень проблем
В останш роки автоматизоване проектування спещального метрологiчного забезпечення (МЗ) для дослщження внутрiшнiх параметрiв об'екта [2-4] набуло великого поширення. Це пов'язане iз тим, що воно дозволяе на рашшньому, проектному етапi життевого циклу МЗ ефективно обирати метод вимiрювання та конструкцiю вiдповiдних ЗВ, як мають нормованi метрологiчнi характеристики. До
останшх можна вiднести мiри фiзичних величин, вимiрювальнi прилади, перетворювачi та устаткування, iнформацiйно-вимiрювальнi системи, обчислювальнi комплекси та вимгрювалъм пристро'1, в яких виконуеться лише одна i3 складових частин процедури вимiрювання, наприклад: перетворення, масштабування, порiвняння, або iншi операцп i3 сигналом.
Iснуючi САПР МЗ не здатш ефективно функцiонувати, оскiльки вони не «оснащеш» моделями та методами процешв вимiрювання вiдповiдальних об'ектiв. Прикладами таких об'екпв е великогабаритнi будiвельнi конструкцiï, дослiдження внутрiшнiх параметрiв яких (наприклад, щшьносп) е вельми проблематичним iз-за значноï просторовоï девiацiï елеменпв МЗ, як призводять до неприпустимих втрат точносп вимiрювання.
Серед основних напрямюв усунення цих проблем, виявлених в ресурсах свiтовоï науковоï перюдики, можуть бути видiленi такi:
1) застосування методiв та засобiв зовшшнього по вiдношенню до об'екта неруйшвного контролю [5-9];
2) застосування вбудованих в об'ект засобiв неруйнiвного контролю [10-14];
3) застосування комплексних заг^в неруйшвного контролю, як вбудовуються в вимiрюваний об'ект лише частково [15-19].
Розглянемо щ напрямки докладнiше.
1. При виробництвi i експлуатацiï життево важливих виробiв, компонентiв i конструкцш (будинкiв, залiзничних рiйок, лiтакiв, морських суден, нафто та газопроводiв та шшого обладнання) для виявлення внутршшх дефектiв об'екта без його руйнування широко використовуеться неруйшвний контроль [5, 6]. До поширених методiв неруйшвного контролю (вимiрювання) також вiдносять таю, коли датчик цшком розташовуеться зовш об'екта вимiрювання (наприклад, тепловiзор [7] або ультразвукова головка [8] (рис. 1, а).
Зовшшт датчики потребують точного позицюнування вiдносно об'екта та створення додаткових умов для взаемодн з останшм. Наприклад, для створення умов проникнення ультразвукових хвиль вщ вимiрювальноï головки до об'екта та навпаки необхiдно стежити за тим, щоб зазор мiж ними був заповнений спешальною рiдиною [9].
2. Зпдно iз ДСТУ 3400:2006, державш випробування засобiв вимiрювальноï технiки проводять, щоб забезпечити едшсть вимiрювань в Укра1'ш Коли мова йде про неруйшвне вимiрювання внутрiшнiх параметрiв суцшьного (за власним кресленням) об'екта, едшсть вимiрювань може бути забезпечена тим, що, вимiрювальний засiб (наприклад, термопара) повшстю вбудовуеться в нього вже при проектуванш (рис. 1, б), тобто стае елементом конструкцн, а отже й частиною технiчного завдання на об'ект [10]. При надшному захисп такi засоби, як правило, не шддаються внутрiшньому по вщношенню до них вiдносному змiщенню окремих частин i не потребують компенсацп вщповщно!' девiацiï, яка впливае на точнють та достовiрнiсть ïхнiх показниюв [11-13].
<-►
а
г
зовншиня рухома частина зазсобу внцрювання
ннут|т1шнн аастнна зааооу ннм1рюннаня
ВимфюБаний об'ект
б
1
зоншшня рухома аастнна засобу ннмююнання
^нутр1шня аастнна засобу ннм1рюнання =
аастнна внмiрюваного об'екта --^^
Внм1рюнаннй о€>'с:1т_т
в
Рис. 1. Схеми розташування засобу вимiрювання вiдносно вимiрюваного
об'екта: а - зовш; б- всерединi; в - частково всередиш, частково зовнi; г - внутршш елементи засобу вимiрювання е частиною об'екта
Головний недолш «вбудованих» датчикiв - 1хня одноразовють, неможливiсть використання в iнших об'ектах, робить !х незастосовними при масовому виробництвi. Крiм того, одноразовi елементи засобiв вимiрювання, залишаючись назавжди чужорщними всерединi вимiрюваного об'екта, можуть суттево ускладнювати технологiю його виготовлення. Вони здатш також змiнювати його властивост (мiцнiсть, наявнiсть металевих включень, загальш поруватiсть та теплопровiднiсть, тощо), що, у пiдсумку, робить такий метод «не зовшм неруйшвним» [14].
Незрозумшо також, чому в джерелах лггератури називають «неруйшвними» частково «зануреш» в об'ект, так зваш, механiчнi методи. Наприклад, при вимiрюваннi властивостей бетону в готовому виробi останнiй тддають досить руйнiвним впливам. До них вщносяться: пластична деформацiя, пружний вщсюк, вiдрив (або вiдрив зi сколюванням), сколювання ребра, а також методи вибуху, забивання та висмикування деталей арматури, подрiбнення, тощо [15].
Адже навпъ незначне порушення структури або геометрп гетерогенного виробу, до якого, безумовно, вщноситься бетон, може в майбутньому суттево вщбитися на його надшност взагалi.
3. Конструктивне роздшення датчикiв на двi частини: внутршню вбудовану та зовнiшню рухому (рис. 1, в) тд час проектування як вимiрюваних виробiв, так i комплексних ЗВ, iнодi частково розв'язуе проблему «метролопчноЬ» надiйностi [16]. Але це не усувае тепер вже сумарш недолши, якi випливають з одноразовост внутрiшньоi та неточностi позищонування зовнiшньоi частин.
Адже в цьому випадку залишаеться одноразовiсть (а, отже, й велик
витрати) по вщношенню до внутршшх частин засобу вимiрювання, а до не!' ще й додаються усi проблеми зовшшшх рухомих частин останнього, зокрема певна зв'язнють мiж елементами засобу [17]. При великогабаритних об'ектах з'являеться додатковий суттевий недолш: необхщнють зсовувати датчик на велику вщстань, що створюе передумови для значно1' динамiчноï девiацiï пiд час руху [18].
Додатковi можливостi з'являються тодi, коли на етат проектування ЗВ виконання ролi внутрiшнього елемента комплексного датчика «доручаеться» частинi самого об'екта (рис. 1, г) [19]. При цьому усуваються вс проблеми «чужорщного тша» в конструкцiï останнього та значно спрощуеться технологiя його виготовлення. Але залишаються проблеми позицiонування зовшшньо1' частини та ïï руху
Зрозумiло, що в цьому випадку «втручатися» в майбутнш процес вимiрювання необхiдно ще на рашшшх етапах проектування як самого об'екта, так i метролопчного забезпечення до нього, що, у пщсумку, робить цю проблему прерогативою САПР.
Таким чином, результати анаизу свггового досвщу дозволяють зробити висновок про те, що значний вклад в точшсть вим^ювань можна зробити лише на етат проектування методiв та засобiв для останнiх. Однак для цього необхiдно розробити новi моделi виникнення та методи компенсацп просторово1' девiацiï елементiв засобiв вимiрювання в САПР.
5. Методи дослщження
В основу створення окремих пщсистем САПР покладено теорiю аналiзу техшчних систем, теорiю вимiрювань, теорiю опору матерiалiв та коливань, теорiю автоматизованого проектування.
Для розробки емнiсного методу вимiрювання щiльностi частин великогабаритних об'екпв з гетерогенних матерiалiв (наприклад, зашзобетонних) використовували методи розпiзнавання образiв та вiртуального об'екта.
Для перевiрки адекватносп методiв, а також точностi та достовiрностi моделей використовували лабораторну та виробничу базу ПАТ «Галененергобудпром» (Львiвська обл., Украша).
6 Результати досл1дження
6.1. Побудова моделей девiацГí (в1дхилень, перемщень, деформацiй) елементiв комплексних засобiв вшупрювань
На початку створення моделей елементiв комплексних ЗВ виконаемо класифiкацiю девiацiï ЗВ за ïхнiм розташуванням вщносно великогабаритного складного об'екта вимiрювання та причинами 1'хнього виникнення (табл. 1).
Статичш девiацiï е наслiдками мехашчного або термiчного навантаження на елементи метролопчних засобiв, яке призвело до деформацп та перемiщення елементiв.
Динамiчнi: девiацiï е наслiдками механiчноï взаемодп iз приводом та направляючими руху зовшшнього елемента метролопчного засобу або об'екта.
Таблиця 1
Класифжащя девiацii елементiв комплексних засобiв вимiрювання за _ розташуванням та причинами виникнення_ _ _ _
Елементи комплексних ЗВ Причини виникнення девiацii
статичнi динамiчнi технолопчш
Внутршш (вбудованi в об'ект) Зсув, поворот, вигш об'екта вимiрювання разом iз внутрiшнiми ЕЗВ 3-Б вiбрацiя об'екта вимiрювання разом iз внутршшми ЕЗв Вiдхилення вiд креслення та зсув внутрiшнiх ЕЗВ вщносно об'екта вимiрювання
Зовшшш по вiдношенню до об'екта Зсув, поворот, вигш зовшшшх ЕЗВ 3-Б вiбрацiя зовнiшнiх рухомих ЕЗВ вщ приводу та направляючих Вiдхилення вiд креслення та зсув зовшшшх ЕЗВ з^"тосно об'екта вимiрювання
Технологiчнi: девiацii е наслiдками порушення технологii виготовлення виробiв, наприклад, застосування металопрокату, який за розмiрами не вiдповiдае проекту виробу, неточност зварювання, металообробки, тощо, неточш встановлення та фiксацiя металево!' арматури в прес-форму i т. п.
Розглянемо плоский конденсатор iз паралельними обкладками площиною на вщсташ й одна вiд одно!. Смшсть такого конденсатора, як вiдомо, визначаеться за формулою:
С = е(р)е0(1)
_1 л
де С - емнiсть конденсатора, Ф; е0=8,854187817 10 Ф/м - електрична постшна; е - середня дiелектрична проникнiсть; р - середня щшьшсть дiелектрика, кг/м , розташованого мiж обкладками конденсатора; 5 - площа обкладки конденсатора, м2; й - вiдстань мiж обкладками, м.
Очевидно, що в реальному засобi вимiрювання усi перелiченi параметри (^м електрично1' постiйноi) можуть бути визначеш лише приблизно, а отже реальна емшсть е девiацiею розраховано1' за (1). При цьому загальш моделi статичних девiацiй складаються з 1'хшх елементарних перемiщень (рис. 2, а, б, в).
Статичш
Г
й+Ай
а
т
а
б
Дитaмiчтi
/, А
зовн с
Рис. 2. Схеми елементарних перемiщень елеменпв засобiв вимiрювання: а - паралельний зсув; б - поворот; в - вигин, г - ЗО^бращя
Вщповщно, математичною формою таких елементарних перемщень е змiна вiдстанi мiж обкладками Ай при паралельному зсув^ Кут вiдносного повороту обкладок а, рaдiуси вигинiв обкладок: внутрiшньоi гвн та зовшшньоi гзовн, вiдповiдно та параметри коливань - частота / та амплггуда А. Моделi динaмiчних девiaцiй обумовлюються З-О вiбрaцiею технолопчного обладнання та ЕЗВ при перемщенш остaннiх вздовж виробу по направляючих (рис. 2, г).
Реальний комплексний конденсатор в складному вироб^ наприклад, конденсатор «арматура виробу - зовшшня пластина» в зaлiзобетонному цилiндрi, поруч з яким знаходиться ЗВ, звюно не е плоскопаралельним за кресленням i точним за технологiею виготовлення. Так, на рис. 3 наведено зовшшнш вигляд арматури майбутнього цилшдричного великогабаритного (20 м) виробу, яку використовували також в якостi внутрiшньоi вбудовaноi в об'ект обкладки вже зовшм неплоского конденсатора.
Уявимо собi iдеaльний комплексний конденсатор, внутрiшньою обкладинкою якого е сталева арматура виробу, а зовшшньою - деякий металевий елемент, розташований поруч iз виробом на конструктивно визначенш вiдстaнi вщ нього (рис. 4, а).
г
Рис. 3. Загальний вигляд готово!' зварно! арматури для зашзобетонного виробу «Опора лшп електропостачання» довжиною 20 м
а б
Рис. 4. Моделi конструкцп комплексного конденсатора iз одшею недоступною для спостереження обкладкою: а - модель «щеального» комплексного конденсатора (за кресленням); б - реальний конденсатор iз недоступною для спостереження «внутршньою» обкладкою; в - розтзнаний вiртуальний образ реального конденсатора; г - реальний об'ект пiд час вимiрювання
Зрозумiло, що навiть маючи точнi креслення арматури зовнiшнього елемента та !хнього взаемного розташування, з-за складност конф^урацп
першо! значення емност цього конденсатора теоретично розрахувати вельми складно. З-за пе! ж складност неможливе також точне виготовлення арматури та встановлення И в опалубку перед заливанням. З цього стае очевидним, що й теоретичний розрахунок реально!' емност конденсатора iз зазначеною внутрiшньою частиною лише за кресленням також неможлирий.
Фактично маемо конденсатор iз невизначеною та недоступною для безпосереднього мошторингу внутршньою частиною (рис. 4, б), що не дозволяе застосовувати при вимiрюваннi щшьносл бетону формулу (1). А також И пристосований до вимiрювання щiльностi р обернений варiант:
Р(б) = СБ0(2)
Для визначення р в якостi результату вимiрювання необхщно не тiльки мати функцiю р(е) у явному (наприклад, табличному) виглядi та вимiряти значення С та Б, але й отримати невимiрюване значення й.
Для розв'язання останнього завдання застосовували розпiзнавання образу реального конденсатора у виглядi рiвного йому за емшстю за допомогою методу вiртуального об'екта.
В рамках цього методу будемо шукати вiртуальний конденсатор iз умовно плоскою внутрiшньою обкладинкою, емнiсть якого Сирт дорiвнювала б емност Свим реального вимiрюваного конденсатора iз повiтряним шаром мiж обкладками для поточного об'екта, тобто Свим з повпрям=Сшрт. Таким чином отримуемо вiртуальний образ реального конденсатора (рис. 4, в).
Вимiрювання Свим з повпрям здiйснюеться на робочому вимiрювальному стендi [20] до заповнення опалубки iз арматурою бетоном, тобто тод^ коли мiсце майбутнього бетону заповнене повпрям.
Далi заповнюемо опалубку iз встановленою арматурою бетоном (рис. 4, г), виконуемо друге вимiрювання емност того ж конденсатора, але «з бетоном» i розраховуемо дiелектричну проникнiсть останнього за формулою:
^бе/юн (3)
вим зпов\прям
Для отримання залежност рбетону (а саме цей показник е метою метролопчного процесу) вiд вимiряного значення )бетон виконуемо експериментальне тарування засобу вимiрювання, використовуючи вiртуальне представлення об'екта (рис. 4, в). Оскшьки дiелектрична проникнiсть повiтря епов практично дорiвнюе 1, маемо з (2):
^в\рт= Б0 Ту • (4)
вим з пов\прям
Тарування виконували за допомогою окремого плоского конденсатора, в якому вщстань мiж обкладками дорiвнювала ^врт. Його результати наведен на рис. 5.
2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 ебетон
Рис. 5. Результати тарування вiртуального конденсатора iз ^мрт=5,73 см
В результат були теоретично-експериментально отриманi модел^ необхiднi для використання в системах автоматизованого проектування комплексних засобiв вимiрювання щiльностi бетону, необхiдних при управлшш технологiчним процесом виготовлення залiзобетонних виробiв великих розмiрiв iз геометрично складною арматурою.
6.2. Методи компенсащ'1 небажаних статичних, технолопчних та динамiчних дев1ацш на етапi автоматизованого проектування метрологiчних засобiв
Будь-яке просторове вiдхилення елеменлв вимiрюючого пристрою вiд розрахункового (проектного) положення призводить до попршення точност вимiрювання [21]. Тому надiйна компенсащя девiацiй сприяе пiдвищенню ще1 точности а отже ефективностi управлiння технолопчним процесом, в якому результати вимiрювання використовуються в замкнутих циклах.
До методiв компенсацп небажаних девiацiй будь-якого походження були пред'явлеш такi вимоги.
По-перше, компенсащя повинна вщбуватися автоматично по мiрi виникнення девiацil.
По-друге, компенсащя повинна вщбуватися в найменшi строки.
По-трете, передумовою тако! поведшки елементiв метрологiчного засобу, девiацiя якого компенсуеться, повинш бути властивостi останнього, закладеш на етапi його автоматизованого проектування.
Розглянемо методи компенсацп девiацiй елементiв комплексних засобiв вимiрювання на прикладi згаданого вище емкiсного методу вимiрювання.
Математичний метод передбачае, що усi заходи з компенсацп
виконуються лише за рахунок змш до обчислюваних моделей. Наприклад, при вщомих законах змiни розмiрiв та/або конф^урацп обкладок вимiрюючого конденсатора математична компенсащя передбачае введення до формули (1) додаткового коефщента, який обчислюеться за формулою:
К =
СМ еоР(Ф
(5)
У тдсумку маемо:
С = Кб0р(б)~
(6)
Вираз (6) практично застосовний лише у тому випадку, коли проектувальнику вiдомi закони змши вiдстанi й пiд навантаженням та ютинне значення С для «паспортного» конденсатора. Ц закони випливають iз методiв розрахунку деформацiй та перемщень в опорi матерiалiв.
Як випливае з рис. 4, вiртуальна поверхня внутршньо!' обкладки завжди плоска. Якщо ж зовнiшня обкладка при девiащi форми втрачае плоскостнiсть, то формула обчислення емност (1) значно ускладнюеться. Хай, наприклад, у загальному випадку, поверхш х2к2) та у^х^3, х2к4), емнiсть мiж якими
обчислюеться, описуються виразами:
_ 2 2.
У-! — '
у2
х,
X2
(7)
при обмеженнях:
х 1шт—•• 1 —■• 1шах; х2тт—х2—Х2тах-
(8) (9)
[20]:
Тодi емнють мiж цими поверхнями в межах (6) та (7) можна обчислити як
1тш 2 таг
С = ее0 | ]
| f1 ) )|
ее
'1тах 2 та
\ I
1
1тт л2тт \
I ОС ^ Ч- ОС
) ( Х1 Х2)
(1ос 2
у Х1щах 2 щах -86,
2 (ос л ~ь ос
л1тт ~ь2тт V '
<
Механгчний метод передбачае незмшш моделi обробки метролопчно1' iнформацii, натомiсть, сам конденсатор (частше зовнiшнi елементи) пiддаються геометричнш трансформацii, яка компенсуе девiацiю. Розглянемо методи, розроблеш для статичних та динамiчних девiацiй.
Механгчна компенсацгя статичних девгацгй. Запропоноваш методи компенсацii статичних девiацiй ЕМЗ розглянемо на прикладi проектування комплексного обладнання для емнюного вимiрювання щiльностi бетону. У вщповщност до формули (1) при змт й на й+Дй необхiдно, щоб Б автоматично змiнювалась на Б+ДБ, компенсуючи «додавання» вiдстанi Дй:
. _ СМ
Фактично таке додавання може здшснюватися, наприклад, зсувом частин обкладки (рис. 6, а) або и поворотом (рис. 6, б). Зсув або поворот здшснюються за допомогою простого мехашзму, в якому ДБ та Дй повиннi бути зв'язанi однозначно, наприклад, рейкового.
Рис. 6. Схема автоматичноi геометричноi компенсацii збшьшення вiдстанi мiж обкладками збiльшенням плошд проекцii однiеi з обкладок: а - компенсащя зсувом; б - компенсащя поворотом
Мехамчм компенсатори динам1чних дев1ацп по суп е амортизаторами. В робот для мехашчно!' компенсацп динамiчних девiацiй використовували адаптивнi амортизатори. Адаптивними називаються такi системи активно!' амортизацii, параметри яких можуть змшюватися в процесi роботи таким чином, щоб забезпечити мтмум передачi вiбрацii вiд двигуна та направляючих
до зовшшнього елемента засобу вимiрювання.
Таю системи працюють за двома головними схемами. Перша схема передбачае попереднш монiторинг спектру частот механiчних вщхилень, якi розповсюджуються вiд приводу та направляючих (рис. 7, а), i внесення майбутнiх компенсуючих дiй на попередньому етат автоматизованого проектування вщповщних амортизаторiв.
а б
Рис. 7. Амортизатори гумометалевi для приладiв по ГОСТ 11679.1-76: а - схема приладу для попереднього мошторингу спектру частот мехашчних вщхилень; б - проект 3-0 гумометалевого амортизатора;
1 - вимiрюючий пристрiй; 2 - гумова частина приладу;
3 - нерухома платформа; 4 - скоба; 5 - вантаж
Спектр частот таких коливань вщносно широкий [22], i дiють вони в ушх напрямках (рис. 2, г). Тому амортизатори для 1хньо1 компенсацii обирали з класу 3-0 гумометалевих багатошарових (рис. 7, б). Математичними моделями в САПР для 1х розрахунку служили моделi електромеханiчних фiльтрiв, використовуваних в радютехшщ [23, 24].
Друга схема передбачае отримання сигналу для адаптацп систем амортизацп безпосередньо тд час пересування рухомих ЕЗВ. Таю системи значно складшш^ але вони краще працюють в умовах малопередбачуваних заздалегiдь девiацiй елементiв.
6.3. Практичне використання результатiв дослiдження
Схема постановки та виршення завдання вимiрювання щщьносл бетону в великогабаритних обектах тдвищено! складностi наведена на рис. 8.
Отримання завдання та початкових даних: конструкщя та креслення
залiзобетонного об'екта
Виготовлення реальних обкладинок конденсатора: внутршньо)' (сталева арматура) та зовышньо)' (вимiрювальнi цилЫдри)
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА УСТАНОВКА
Вимiрювання eмностi конденсатора до заповнення оснастки
01
Вимiрювання eмностi конденсатора тсля заповнення оснастки
II
Розрахунок дiелектричноï проникност бетону
ч Розпiзнавання У «образу» вiртуального конденсатора
Тарування ви ^рювального конденсатора
Розрахунок ефективноï щтьносп бетону
Рис. 8. Схема постановки та виршення завдань створення засобу та вимiрювання щшьносл бетону в великогабаритних обектах тдвищено!' складностi за допомогою САПР «DEVICOM»
Вибiр того чи шшого методу випробувань бетону залежить вiд мети випробування (контроль якост виробiв на заводi, вибiрковий або суцшьний контроль мiцностi, випробування конструкцш з бетону з невiдомими властивостями). Важливо також враховувати форми i розмiри виробiв (балки, плити, колони, масивт елементи з похилими поверхнями), вид бетону (важкий, пористий, на легкому заповнювач^, а також вимоги до точност одержуваних результатiв i зручност проведення випробувань.
Розроблено загальну систему автоматизованого проектування елементiв метролопчних засобiв «DEVICOM» (the compensation of déviation) та ïï пiдсистеми для практичного використання. САПР «DEVICOM» дозволяе проектувати велик вимiрювальнi пристроï, захищет вiд впливу зовнiшнiх статичних, технолопчних та динамiчних навантажень.
За допомогою САПР «DEVICOM» були спроектоват 3-D амортизатори для системи емнiсного вимiрювання щiльностi заповнення оснастки бетонною сумшшю. Амортизатори були призначенi для компенсацп динамiчних вiдхилень при русi зовшшнього кiльця вимiрювального конденсатора уздовж залiзобетонноï опори довжиною 20 м.
На виробничих площах ПАТ «Галененергобудпром» були проведет випробування такого вимiрювального конденсатора. Прилад було задiяно в управлшт технологiчним процесом виготовлення залiзобетонного виробу «Опора лшп електропостачання», що дало, у тдсумку, можливiсть знизити
кшьюсть бракованих b^o6îb на 7,4 %.
7. SWOT-аналiз результатiв дослiдження
Strengths. Головним позитивним впливом об'екта дослщження на сво! внутрiшнi чинники е створена можливiсть:
- вже на етапi проектування вибирати метод компенсацп' девiащï елементiв вимiрюваних засобiв та приладдв;
- розробляти вiдповiднi детаи та механiзми компенсацiйного вузла;
- завдяки наявним моделям, прогнозувати стутнь та надшнють компенсацiï.
Це дозволяе значно покращити ефективнiсть САПР в цшому, зокрема, -при використанш результатiв проектування в управлiннi технолопчними процесами.
Weaknesses. Головним негативним впливом об'екта дослщження на сво! внутрiшнi чинники е необхщнють повертатися до етапу проектування вимiрюваного засобу пiсля змши конструкцiï вимiрюваного об'екта.
Opportunities. Перспективи подальших дослiджень в цьому напрямку пов'язаш як з розвитком теоретично!' бази в частиш створення нових методiв та моделей для проектування вимiрювальноï технiки, так i з вдосконаленням методiв i засобiв тдвищення точностi вимiрювання i достовiрностi результалв останнього.
Threats. Як в будь-якому випадку автоматизованого проектування, основш загрози для ще!' дiяльностi випливають з адекватност використовуваних в САПР моделей предметно! галуз^ Зважуючи на великi габарити об'еклв проектування та !хню складнють, а також на природну розбiжнiсть технологiчних параметрiв виготовлення послiдовних об'еклв сер^', що призводить до 1'хньо!' постiйноï девiацiï, тому пiдтвердження адекватност необхiдно робити частiше.
Ранiше компенсацшш вузли використовували для протидiï високочастотним коливанням на вiдносно невеликих об'ектах. Тому повних аналопв пропонованих моделей i методiв в проектуваннi не юнуе.
8. Висновки
1. Отримаш теоретично-експериментальнi вiртуальнi моделi електричних характеристик елеменпв засобiв вимiрювання та моделi 1'хньо!' девiацiï. Моделi використовуються в системах автоматизованого проектування комплексних засобiв емнюного вимiрювання щiльностi бетону, необхiдних при управлшш технологiчним процесом виготовлення заизобетонних виробiв великих розмiрiв iз геометрично складною арматурою.
2. Запропоноваш методи компенсацп' небажаних статичних, технологiчних та динамiчних перемiщень на етапi автоматизованого проектування метролопчних засобiв. Методи розподшяються на два класи. Перший -математичш, в яких компенсацiя виконуеться виключно за рахунок внесення змш до результатiв вимiрювання. Другий - мехашчш, в яких компенсацiя виконуеться за рахунок змши геометрп засобу вимiрювання (при статичних
девiацiя) або амортизацп ixmx елементiв (при динамiчних).
3. Результати дослiджень були втшеш в пiдсистемi САПР «DEVICOM», за допомогою якоi були спроектоват 3-D амортизатори для системи комплексного емтсного вимiрювання щiльностi заповнення оснастки бетонною сумiшшю. Амортизатори були призначет для компенсацп динамiчних вiдхилень при рус зовнiшнього кiльця вимiрювального конденсатора уздовж залiзобетонноi опори довжиною 20 м. На виробничих площах ПАТ «Галененергобудпром» (Львiвська обл., Украiна) були проведет випробування такого вимiрювального конденсатора. Прилад було задiяно в управлшт технологiчним процесом виготовлення залiзобетонного виробу «Опора лшп електропостачання», що дало, у тдсумку, можливють знизити кшьюсть бракованих виробiв на 7,4 %.
Лiтература
1. Baranov V. V. Tekhnologicheskiy audit predpriyatiya v semi shagakh // Elitarium. TSentr dopolnitel'nogo obrazovaniya. URL: http://www.elitarium.ru/tekhnologicheskijj audit predprijatija/ (Last accessed: 03.05.2016).
2. Osnovni pytannia proektuvannia ta povirky tsyfrovykh vymiriuvalnykh pryladiv. URL: http://elib.lutsk-ntu.com.ua/book/fepes/pruladobyd/2015/15-07/other/lekcziya_30 osnovni_pitannya_proektuvannya_ta_povirki_czifrovix_vimir yuval nix priladiv.pdf (Last accessed: 11.01.2018).
3. Selection of metrological support of management of complex foundry objects with hardly measurable parameters / Oborskiy G. A. et al. // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2014. Vol. 6, No. 3 (72). P. 41-47. doi:10.15587/1729-4061.2014.32420
4. Brignell J. E., Young R. Computer-aided measurement // Journal of Physics E: Scientific Instruments. 1979. Vol. 12, No. 6. P. 455-463. doi:10.1088/0022-3735/12/6/002
5. Kuts Yu. V., Lysenko Yu. Yu., Protasov A. H. Pryntsypy proektuvannia zasobiv elektromahnitnoho neruinivnoho kontroliu: proceedings // Suchasni prylady, materialy i tekhnolohii dlia neruinivnoho kontroliu i tekhnichnoi diahnostyky mashynobudivnoho i naftohazopromyslovoho obladnannia. Ivano-Frankivsk, 2017. P. 44-45.
6. Shherbinskiy V. G., Pafos S. K., Gurvich A. K. Ul'trazvukovaya defektoskopiya: vchera, segodnya, zavtra // V mire nerazrushayushhego kontrolya. 2002. No. 4. P. 18.
7. Stanovskaia T. P., Dukhanyna M. A., Shykhyreva Yu. V. Infrakrasnyi metod izmerenyia teplovykh parametrov zatverdevanyia betona // Kholodylna tekhnika i tekhnolohiia. 2013. No. 2 (142). P. 112-115.
8. Detection and location of defects in electronic devices by means of scanning ultrasonic microscopy and the wavelet transform / Angrisani L. et al. // Measurement. 2002. Vol. 31, No. 2. P. 77-91. doi: 10.1016/s0263-2241(01)00032-x
9. Review of Second Harmonic Generation Measurement Techniques for Material State Determination in Metals / Matlack K. H. et al. // Journal of
Nondestructive Evaluation. 2014. Vol. 34, No. 1. P. 273. doi:10.1007/s10921-014-0273-5
10. Overview of Sensors and Needs for Environmental Monitoring / Ho C. et al. // Sensors. 2005. Vol. 5, No. 12. P. 4-37. doi:103390/s5010004_
11. Yakovlev M. Yu., Volobuiev A. P. Otsinka metrolohichnoi nadiinosti zasobiv vymiriuvalnoi tekhniky aviatsiinykh radiotekhnichnykh system na etapi proektuvannia // Systemy ozbroiennia i viiskova tekhnika. 2007. No. 2. P. 53-55.
12. Mishhenko S. V., Tsvetkov E. I., Chernyshova T. I. Metrologicheskaya nadezhnost' izmeritel'nykh sredstv. Moscow: Mashinostroenie, 2001. 96 p.
13. Chinkov V. N., Mel'nichenko A. E. Izbytochnaya model' nadezhnoy ekspluatatsii sredstv izmeritel'noy tekhniki // Ukrainskiy metrologicheskiy zhurnal. 2004. No. 2. P. 57-60.
14. Prokopovych Y. V., Dukhanyna M. A., Monova D. A. Upravlenie svoistvamy strukturochuvstvytelnykh obiektov lyteinoho proyzvodstva // Pratsi Odeskoho politekhnichnoho universytetu. 2013. No. 2 (41). P. 13-18.
15. Mekhanichni metody neruinivnoho kontroliu mitsnosti betonu. BudMaister. URL: http: //budmayster.pp.ua/1511 -mehanchn-metodi-neruynvno go-kontrolyu-mcnost-betonu.html (Last accessed: 11.11.2017).
16. Yakovlev M. Y., Volobuyev A. P. Evaluation of the metrological reliability of the means of measuring techniques of the aircraft radio systems: proceedings // Modern problems of radio engineering, telecommunications and computer science. Lviv-Slavske, 2006. P. 591-592. doi: 10.1109/tcset.2006.4404644
17. Optymizatsiia zviaznosti elementiv v zadachakh avtomatyzovanoho proektuvannia system / Stanovskyi O. L. et al. // Visnyk naukovykh prats NTU «KhPI». 2015. No. 49 (11/58). P. 170-175.
18. Porter B. E. Handbook of Traffic Psychology. Norfolk: Old Dominion University, 2011. 536 p. doi:10.1016/c2009-0-01975-8
19. Rao, P. Manufacturing Technology: Foundry, Forming And Welding. New Delhi: Tata McGraw Hill, 2008. 485 p.
20. Metrolohichne zabezpechennia kontroliu shchilnosti heterohennykh materialiv / Prokopovych I. V. et al. // Visnyk NTU «KhPI»: Mekhaniko-tekhnolohichni systemy ta kompleksy. 2016. No. 50 (1222). P. 22-28.
21. Measurement Error (Observational Error). Statistics How To. 2016. URL: http://www.statisticshowto.com/measurement-error/ (Last accessed: 21.12.2017).
22. Stanovskaya T. P., Tonkonogiy V. M., Oparin A. V. Avtomatizirovannoe proektirovanie mekhanizmov s vnutrenney vibrozashhitoy // Kholodil'naya tekhnika i tekhnologiya. 2005. No. 2. P. 107-109.
23. Szhul'gin K. Osnovnye parametry diskovykh EMF na chastotu 500 kGts // Radio. 2002. No. 5. P. 59-61.
24. Carr J. J. Radio Society of Great Britain. RF components and circuits. Oxford: Newnes, 2002. P. 34-65. doi:10.1016/b978-075064844-8/50004-9
