CC BY
34
ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА И ЭНЕРГЕТИКА
УДК 621.865.8
ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ДЛЯ УСТРОЙСТВ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ СТАЛЬНЫХ КАНАТОВ
© 2010 г. В.С. Пузин, Д.А. Щучкин, А.В. Большенко
Южно-Российский государственный South-Russian State
технический университет Technical University
(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)
Рассмотрены вопросы создания датчика перемещения для устройств контроля состояния стальных канатов. Предложена и изготовлена конструкция датчика перемещения. Приведены результаты испытаний.
Ключевые слова: стальные канаты; электромагнитные методы; модуль длины; магниточувствительная микросхема; массив элементов Холла, испытания.
Questions of creation of the sensor of relocation for monitoring devices of a state of steel ropes are considered. The construction of the sensor of relocation is offered and made. Results of tests are resulted.
Keywords: steel ropes; electromagnetic methods; the module of length; magnet sensitive a microcircuit; a file of elements of the Hall, test.
Документами, регламентирующими правила эксплуатации стальных канатов, предписывается дефектоскопическая проверка их состояния методами не-разрушающего контроля [1, 2].
Наиболее эффективными являются электромагнитные методы контроля стальных канатов [3], обеспечивающие бесконтактный способ контроля, обладающие высокой производительностью, малой зависимостью результатов контроля от физического состояния окружающей среды, простотой конструкций и высокой надежностью первичных преобразователей.
Реализация метода электромагнитного контроля стальных канатов осуществляется с помощью специальных устройств - магнитных дефектоскопов [4]. Типовая структура дефектоскопа, приведена на рис. 1, где РУ - регистрирующее устройство, предназначенное для хранения, обработки, идентификации сигналов дефектов и отображения данных контроля; ДМ -магнитный датчик; МЛД - модуль локальных дефектов; МПС - модуль потери сечения; МД - модуль длины.
В качестве магниточувствительных элементов в модулях регистрации дефектов используются датчики Холла, магниторезисторы, измерительные катушки и т. п., выбор которых определяется конструкцией магнитного датчика.
Модуль определения текущей длины каната, позволяющий определить местоположение дефектных участков, является одним из ответственных модулей устройства. Он должен обеспечивать работу в условиях сильного воздействия внешних магнитных полей, стабильные параметры сигнала при скорости перемещения датчика в диапазоне от нуля до 2 м/с, достаточную частоту дискретизации, простоту конструкции
[5].
Частота дискретизации при соответствующей скорости перемещения определяется достоверностью обнаружения дефектов. Для современных цифровых приборов, с синхронизацией выборки данных от датчика модуля текущей длины, и цифровой обработке данных дефектоскопического контроля частота дискретизации определяется параметрами дефектов [6]. При этом обеспечиваются следующие преимущества: помехоустойчивость цифровых каналов связи, возможность компактной записи и хранения полученных результатов, возможность построения сложных алгоритмов автоматической идентификации дефектов с помощью ЭВМ.
Оценка необходимых значений интервалов дискретизации при цифровой обработке сигналов дефектов, была проведена в работе [7]. Исследования показали, что для модуля обнаружения локальных дефектов достаточным является шаг дискретизации, равный 0,3 мм, а для модуля определения потери сечения шаг
Рис. 1. Структура магнитного дефектоскопа стальных канатов
может быть увеличен до 2 мм. Ширина зоны возмущения нормальной и тангенциальной составляющих индукции магнитного поля над наружным дефектом каната диаметром 45 мм закрытой конструкции для разных длин дефекта L показана на рис. 2.
АХ, мм 0,020 0,018 0,016 0,014 0,012 0,010 0,008 0,006 0,004 0,002 0,000
1
2
А
/ /
—/ г
ж
/
Для применяемого чувствительного элемента (магниточувствительная микросхема AS5040 [9]) работоспособность обеспечивается при величине магнитной индукции 45-75 мТл (рис. 4). Для его размещения необходимо определить величину магнитной индукции в месте расположения микросхемы, в этом случае основным параметром, необходимым для проведения конструкторской разработки датчика является величина воздушного зазора 5 и для его определения было проведено численное исследование математической модели устройства с помощью пакета прикладных программ [10], реализующих метод МКЭ [11].
2 4 6 8 10 12 14 16 L, мм
Рис. 2. Ширина зоны возмущения продольной (1) и нормальной (2) составляющих индукции магнитного поля
С учетом изложенных требований к модулю длины целесообразным является его построение на основе контактного способа, обеспечиваемого датчиком с обрезиненным роликом, приводящим в действие сельсин, крыльчатку оптопары или подвижную часть регистрирующего модуля на основе магниточувстви-тельных элементов.
Применение сельсина затруднено в связи с его высоким энергопотреблением [8], ограничивающим возможность его использования для приборов портативного исполнения. Датчик длины на основе энкоде-ра обеспечивает требуемую точность и высокую помехозащищенность, но обладает высокой стоимостью и трудностью интеграции в конструкцию дефектоскопа.
Для построения датчика длины, имеющего высокую разрешающую способность, низкую стоимость и простую конструкцию, авторами предложено использование способа определения изменения угла наклона вектора магнитной индукции, создаваемой источником магнитного поля при его вращении. В качестве последнего выступает продольно-намагниченный постоянный магнит из редкоземельного материала NdFeBr, закрепленный на торце вала вращающегося ролика (рис. 3).
Bv, мТл 75,0 35,5 0
-37,5 75,0
90
180
а, град
Рис. 4. Зависимость нормальной составляющей магнитной индукции от угла поворота постоянного магнита
Анализ полученных результатов моделирования (рис. 5) позволил установить, что требуемое значение магнитной индукции находится на расстоянии 5 = 1,4 - 3 мм.
B, мТл
Рабочий диапазон
120 100 80 60 40 20 0
6, мм
Рис. 3. Расчетная область оси ролика с закрепленным постоянным магнитом
Рис. 5. Зависимость магнитной индукции от зазора
Изменение магнитной индукции В (рис. 6), в результате поворота оси с постоянным магнитом, регистрирует измерительный преобразователь (ИП), включающий в себя массив элементов Холла (МЭХ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифровой сигнальный процессор (ЦСП) и модуль интерфейсов. Сигналы с элементов Холла поступают на входы АЦП, выходные коды которых подвергаются обработке цифровым сигнальным процессором. Модуль интерфейсов реализует связь измерительного преобразователя с микропроцессорным комплексом (МПК) и с устройством регистрации и идентификации (УРиИ).
1
2
3
Рис. 6. Структурная схема датчика перемещения
Для уточнения оптимальной величины воздушного зазора создан макет датчика длины (рис. 7) и проведены экспериментальные исследования.
Ось ролика
Микросхема
Рис. 7. Макет датчика длины
При диаметре ролика d = 60 мм макета датчика длины теоретически достижимое значение разрешающей способности датчика длины составило: Lразр =пd/210 =0,06я/1024=183,98-10"6 < 300 мкм, что меньше требуемого.
Считывание абсолютного значения положения с микросхемы возможно несколькими вариантами: использование ШИМ-выхода (несущая частота составляет 1024 Гц); через последовательный интерфейс (максимальная частота обновления показаний положения также составляет 1024 Гц); применение инкрементального интерфейса.
При использовании ШИМ-выхода или последовательного интерфейса при считывании текущего значения положения необходимо учитывать, что максимальная частота обновления данных о положении составляет 1024 Гц, что накладывает ограничения на максимальную скорость движения с погрешностью измерения в 1 младший разряд кода положения (183,98 10-6 м). Максимально возможная скорость движения в этом случае составляет
Umax. = W/ ^бн. -1024= 183,98 10-6 -1024 = 0,188 м/с.
При превышении максимальной скорости движения возникает ошибка измерения, которую можно вычислить следующим образом:
8<(U-Umax.)/ Umax. • W< (U-Umax.)/ Umax. • nd/210 м.
Например, при скорости движения и=2 м/с погрешность составит е<1,77мм, при и=8 м/с с<7,64 мм.
Для возможности использования разрабатываемого датчика длины на максимальной скорости перемещения необходимо применение инкрементального интерфейса.
Микросхема ^5040 поддерживает несколько режимов работы инкрементального интерфейса, наиболее подходящим из которых (учитывая аппаратные особенности цифровой системы сбора и обработки данных) является режим, при котором применяется ее трехпроводное подключение: 1 выход используется в качестве младшего разряда кода абсолютного значения положения; 2 выход применяется для определения направления движения (1 - прямое, 0 - обратное); 3 выход предназначен для определения механической точки начала отсчета измерения.
При применении инкрементального интерфейса максимальная частота оборотов вала барабана составляет 30 000 об/мин, и теоретически достижимой является максимальная скорость перемещения
итах = птах / 60лd = 30000/60- п 60 10 3 = 94,2 м/с.
В данном случае микросхема была подключена на напряжение питания 5 В в соответствии с рекомендациями производителя, считывание производилось с инкрементального интерфейса при помощи цифрового осциллограф GDS-2064.
Анализ данных экспериментального исследования (рис. 8) позволяет сделать следующий вывод: при зазоре между постоянным магнитом и микросхемой 5 = 2 - 6мм конструкция является работоспособной.
\ \
ч 6=2 мм
ö=4 мм 6=6 мм
6=8 мм
/
5, % 9 8 7 6 5 4 3 2
50 100 150 200 250 300 350 а, град
Рис. 8. Зависимость скважности импульса от угла поворота оси ролика при различных расстояниях до микросхемы
В настоящее время проводится комплекс опытно-конструкторских работ по интеграции датчика длины в устройства дефектоскопического контроля состояния стальных канатов [12].
Статья подготовлена по результатам, полученным в ходе выполнения научно-исследовательской работы по государственному контракту №14.740.11.0303 от 17 сентября 2010 г. по теме «Разработка устройств для контроля состояния стальных канатов подъемно-транспортных установок» в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы.
Литература
1. Хальфин М.Н., Короткий А.А., Иванов Б.Ф., Липатов А.С. Канаты стальные. Контроль и нормы браковки. Руководящий документ. РД 012-97/ согл. Госгортехнад-зор России: Новочеркасск, 1997. 50 с. Введ. 01.03.97.
2. Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов ПБ 10-382-00 (утв. постановлением Госгортехнадзора РФ от 31 декабря 1999 г. № 98).
3. Кавецкий З., Стахурский Я. Магнитная дефектоскопия стальных канатов / пер. с польского И.Б. Доржичкевича. М., 1979.
4. Методические указания по магнитной дефектоскопии стальных канатов / В.С. Котельников [и др.] // Руководящий документ.РД 03-348-00. Утверждены постановлением Госгортехнадзора России от 30.03.2000 № 11. (СП "Интрон Плюс", г. Москва).
5. Отчет о НИОКР (закл.). Разработка системы мониторинга комплексной оценки состояния стальных канатов машин и механизмов на основе магнитной дефектоскопии / рук. А.В. Павленко, испол.: В.И. Паршуков, Е. Яценко, А.А. Гуммель, Д.В. Батищев и др.; Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск, 2006 г. № ГР 01200612669 - Инв. №02200700678. С. 112.
6. Wire rope non-destructive testing - survey of instrument manufacturera. Off-shore technology report - OTO 2000 064 / The University of Readinc.
7 Пузин В.С. Электромагнитные преобразователи для устройств контроля состояния стальных канатов : дис. ... канд. техн. наук. Новочеркасск, 2008. 208 с.
8. Баканов М.В., Лыска В.А., Алексеев В.В. Информационные микромашины следящих и счетно-решающих систем (вращающиеся трансформаторы, сельсины). М., 1977. 88 с.
9. Официальный сайт компании Austriamicrosystems [Электронный ресурс]: Описание микросхемы AS5245. Режим доступа: http://www.austriamicrosystems.com/Magnetic-Encoders/AS5245, свободный.
10. Официальный сайт компании Ansoft [Электронный ресурс]: Описание программного пакета Maxwell. Режим доступа: http://www.ansoft.com/products/em/max3d, свободный.
11. Расчет магнитных полей электрических машин методом конечных элементов / А.Л. Кислицын [и др.]. Саратов, 1980. 178 с.
12. Павленко А.В., Пузин В.С. Комплекс устройств для не-разрушающего контроля стальных канатов // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2007. Спецвып. Проблемы мехатроники - 2006. С. 12 - 18.
Поступила в редакцию 13 октября 2010 г.
Пузин Владимир Сергеевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Электрические и электронные аппараты», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 25-51-13. E-mail: vspuzin@gmail.ru
Щучкин Денис Александрович - аспирант, кафедра «Электрические и электронные аппараты», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 25-51-13. E-mail: den-a85@rambler.ru
Большенко Андрей Викторович - аспирант, кафедра «Электрические и электронные аппараты», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 25-51-13. E-mail:bolwoi@rambler.ru
Puzin Vladimir Sergeevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Electric and Electronic Devices», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 25-51-13. E-mail: vspuzin@gmail.ru
Shchuchkin Denis Aleksandrovich - post-graduate student, department «Electric and Electronic Devices», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 25-51-13. E-mail: den-a85@rambler.ru
Bolshenko Andrey Viktorovich - post-graduate student, department «Electric and Electronic Devices», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 25-51-13. E-mail: bolwoi@rambler.ru
