CC BY
261
УДК.621.313
Р.В. Алалауев, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-19-59, tgupu(a),yandex.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
Ю.В. Иванов, д-р техн. наук, доц., (4872) 35-19-59, tgupu(a),yandex.ru _(Россия, Тула, ТулГУ),
Д.М. Малютин, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-19-59, tgupu(a),yandex.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
В.Я. Распопов, д-р техн. наук, проф., зав. каф.,(4872) 35-19-59, tgu-ри(а),yandex. ги (Россия, Тула, ТулГУ)
ДАТЧИКИ ПОЛОЖЕНИЯ И МОМЕНТА НА ВЫХОДНОМ ВАЛУ МНОГООБОРОТНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ
Приведены результаты использования в составе многооборотного электропривода трубопроводной арматуры абсолютного оптико-электронного датчика положения и электронного датчика момента на выходном валу. Показаны конструктивные схемы, примененные для встраивания датчиков в конструкцию электропривода.
Ключевые слова: многооборотный электропривод, абсолютный датчик положения, электронный датчик момента
Датчик положения выходного вала электропривода
Определение текущего положения выходного вала электропривода реализуется с помощью оптического энкодера с выходным сигналом в виде кода Грэя. В настоящее время предъявляются высокие требования к измерению положения запорного органа трубопроводной арматуры (ТПА). Основными требованиями являются точность позиционирования и надежность определения положения запорного органа в условиях пропадания электрического питания, возможность работы от ручного дублера, сохранение работоспособности при изменении температуры окружающей среды, а также в условиях механической вибрации и т.д.
Исходными данными для проектирования датчика положения запорного органа ТПА являются число оборотов выходного вала и требуемая точность. Согласно ГОСТ 22309-77 «Арматура трубопроводная. Электроприводы. Основные параметры», точность определения положения должна составлять не менее 2 % от максимального числа оборотов выходного вала, а число оборотов изменяется в пределах 2...800.
Для удовлетворения указанных требований в настоящее время используются специальные измерительные (кинематические) редукторы, построенные на базе цилиндрических зубчатых передач. Модуль передачи должен быть выбран исходя из максимального числа оборотов выходного вала электропривода. Для обеспечения высокой точности измерения положения запорного органа редуктор многооборотного привода должен содержать несколько звеньев. Общее положение запорного органа определя-
ется положением каждого из звеньев. Положение каждого звена может быть измерено различными устройствами: круговым потенциометром, механическим энкодером, сельсином или вращающимся трансформатором, аналоговым или цифровым магнитными датчиками и цифровым оптическим датчиком (оптическим энкодером). Выбор оптического энкодера обусловлен следующими достоинствами по сравнению с датчиками других типов:
- неограниченный срок службы по сравнению с круговым потенциометром и механическим энкодером из-за отсутствия механического контакта;
- простая схема управления и съема сигналов по сравнению с сельсином и вращающимся трансформатором;
- высокие температурная стабильность и помехозащищенность по сравнению с аналоговым магнитным датчиком;
- низкое энергопотребление по сравнению с цифровыми магнитными датчиками.
Следует отметить, что при всех перечисленных достоинствах оптические датчики обладают наименьшей стоимостью. Поскольку число оборотов выходного вала может достигать 800, то целесообразно применять редуктор, выполненный по схеме 8-8-8-2 оборота, который должен обеспечивать измерение 1024 оборотов выходного вала электропривода. Выбор передаточных отношений зубчатых колес обусловлен необходимостью реализации двоичного кода на выходе датчика. С этой целью на зубчатые колеса наносится рисунок, реализующий код Грэя. Преимуществом кода Грэя перед двоичным кодом является более высокая помехозащищенность. Оптический энкодер может быть реализован на базе оптического прерывателя типа KTIR0A11s и ПЛИС EPM240 T100I5N, схема которого приведена на рис. 1.
цифровой оптический датчик положения
Шина данных (20 разрядный код Грэя)
Рис. 1. Датчик положения выходного вала электропривода
с кодом Грэя
При вращении вала электродвигателя на выходах оптических прерывателей формируется сигнал, частота которого пропорциональна частоте вращения выходного вала привода. Благодаря наличию сдвига фаз в 90о между оптическими прерывателями, возможно определение направления вращения при помощи схемы квадратурного декодера.
Пример применения датчика положения в конструкции электропривода 7МРЭП приведен на рис. 2.
Рис. 2. Конструкция многооборотного электропривода 7МРЭП: БУ - блок управления; ЭД - электродвигатель; ПМ - приводной механизм; РД - ручной дублер; 1 - датчики силы; 2 - толкатели;
3 - визуальный датчик положения шпинделя задвижки; 4 - электронно-механический датчик положения выходного звена
Электропривод состоит из блока управления БУ, электродвигателя ЭД, приводного механизма ПМ, ручного дублера РД, датчиков силы 1, толкателей 2, визуального датчика положения шпинделя задвижки 3. Электронно-механический датчик положения выходного звена 4 (рис. 2, Д-Д) расположен на верхней крышке электродвигателя и кинематически связан с выходным валом трансмиссии информационным валом (рис. 2, Б).
Промышленностью выпускаются готовые к применению в многооборотном электроприводе конструкции многооборотных датчиков положения. В качестве примера можно привести 14-разрядный многооборотный энкодер АЕА Т-ЪААБ (рис. 3).
Модуль энкодера АЕА Т-ЪААБ предоставляет собой оптико-электронный, абсолютный, многооборотный датчик с разрядностью цифрового кода до 30 бит и расширенным диапазоном рабочих температур. Устройство состоит из платы инфракрасных светодиодов, платы фототранзисторов и приборного редуктора, имеющего 6 или 7 ступеней зубчатых передач, расположенного между электронными платами.
а
6.5*01—I—-I -53.5;
Рис. 3. 14-разрядный много оборотный энкодер АЕАТ-84АВ: а - общий вид энкодера; б - габаритный чертеж энкодера
Особенности вариантов исполнения энкодера АЕАТ-&4АО заключаются в следующем:
• выходной сигнал имеет разрядность 14 бит (16384 отсчетов) или 12 бит (4096 отсчетов) в зависимости от количества ступеней редуктора;
• оптический энкодер имеет малые габариты: диаметр сборки не более 55 мм, высота 12,2 мм;
• рабочая температура от -40 до +125 ° С;
• механические связи с помощью пластмассовых зубчатых колес с модулем 0,3;
• рабочая скорость до 12000 оборотов в минуту;
• отсутствие батареи или конденсатора, необходимых для подсчета числа оборотов вала во время отключения питания;
• мгновенное определение положения при включении питания.
Успешный опыт применения 14-разрядного многооборотного энкодера АЕАТ-ЪААО в конструкции электропривода 7МРЭП показал перспективность использования оптических энкодеров в многооборотном электроприводе трубопроводной арматуры.
Датчик момента электропривода
Чувствительным элементом системы ограничения момента, развиваемого электроприводом, служит датчик момента или датчик силы. В зависимости от конструкции силовой части редуктора электропривода применяется несколько типов таких датчиков.
В электроприводах с червячным редуктором используют датчик, в основу которого положена конструкция подпружиненного червяка.
Недостатками такого подхода к управлению моментом силы уплотнения арматуры являются большие погрешности при измерении момента нагруже-ния на валу электропривода вследствие возникновения динамических погрешностей, обусловленных конструктивными параметрами измерительной и силовой части электропривода, арматуры, а также режимами работы электропривода и необходимость применения достаточно сложного и ненадежного механизма для настройки датчика.
Кроме того, датчик момента на основе подпружиненного червяка может применяться только в электроприводе с червячным редуктором.
В случае использования в электроприводе иных схем построения редуктора для измерения момента на выходном валу возможно применение электронного датчика силы.
Конструкция такого устройства для измерения момента на выходном валу электропривода с многопоточным редуктором показана на рис. 2.
В приливах корпуса редуктора (см. рис. 2, Г-Г) расположены два датчика силы 1, кинематически связанные с опорным звеном толкателями 2. При нагружении выходного вала редуктора сила реакции через опорное колесо и толкатели 2 прикладывается к датчику силы 1, который преобразует ее в электрический сигнал, поступающий в систему управления электропривода.
В качестве электронного датчика силы может быть использован датчик С9B фирмы HBM. Основными достоинствами этих датчиков являются малые габариты и масса, большой диапазон измеряемых усилий, высокая линейность характеристики, широкий рабочий температурный диапазон, высокая временная и температурная стабильность характеристик.
Общий вид датчика силы С 9 B и габаритный чертеж показаны на рис. 4 и рис. 5 соответственно, а технические характеристики приведены в таблице. Внешний вид датчика силы в составе электропривода 7МРЭП показан на рис. 6.
Рис. 4. Общий вид датчика силы С9В
Рис. 5. Габаритный чертеж датчика силы С9В
Рис. 6. Внешний вид датчика силы на электроприводе
Технические характеристики
Тип СЭВ
Номинальное усилие гпзп H 50 100
KH :>,5 1 2 б 10 20 м
К.гг.сс точности С б
Номинальная чувствнге льнпсть ■Отн. отклонение ч увствнте ль нпсти Спсгт do ■лЕ.Э % 1
Влия ни еи зн енен ня температуры на 10 К на чувствительность з номинальном ТЕМПЕрэгурнои диапазоне з рабочЕМ т=-'-чг-=Е"урнам диапазонЕ ТКе % % ± D,5 <; ± :■.£
Влия ние и Енен ия температуры наЮ К на нулевой сигнал з номинальном температурной диапазонЕ з рабочем температурном диапазонЕ ТК: % % ± о,5 <; ± о.а
Линейность % ± D,5
Относительная вариация показании % ± 0,5
■Отн. ошибка повторяемости при ней зменном монтажном положении Ьч % ^ ± 0,5
Отн. деформация после ВОЗДЕЙСТВИЯ постоянного усилия при РЕКОМЕНДУЕМОЙ "ЕМПЕрД-урЕ чере= 30 -л/-. dnh-h % ± 2
Входное сопротивление ■черны/-голубой) -ри ремоиЕцдуемои температуре Выходное сопротивление ■; л-5ель / ¡1 при рекомендуемом ттем-ерагч'ре Сопротивление изоляции R. R. Rir Ом Ом ГОм >545 300-400 >1
РаБочий диапазон напряжения питания Рекомендуемое напряжение питания „TEf Е Б 0.5. ..12 б
Рекомендуемая температура Номинальным темперэтурнь и диапазон Ра-Бочии температурный диапазон Температурный диапазон хранения tref Bhpjir B.„ BIS =0 :С :С -23 -10. .+70 -Ы'. .4 = 5 .+ Е5
Класс защиты по DIN EN 60 52 Э IP 67
Номинальное перемещение ±" 5% - ■ ■ 1 чм <□.1 0,04 :.об о.-:-; С 11 1 э
Собственная частота ±15% кГп 7,2 I ID I 15 " 3.5 I б I 7 13 15,1 20 "2
РаБочЕЕ усилие Разрушающее усилие Предельная статическая поперечная силат| {Fa) (F,: ■:Fn) % % % 300 > 500 100 120 > 4DD 42
Отн. допустимая вибрационная нагрузка согласно D N 5D 1СС % 7С 40
Вес, около г ЕС 65 260
Длина кабеля м 1 б
относительно cweiL.ei--if нз 2W4 тс-чк припаноения сиг=- нза ака$рзгм:Р
Для пересчета показаний датчика силы в момент, развиваемый электроприводом, можно использовать зависимость
где Р - показания датчика силы; / - плечо, на котором измеряется момент (для конструкции электропривода 7МРЭП/ = 0,115 м).
На рис. 7 показан график зависимостей моментов, рассчитанных по
Момент нагрузки на выходном валу, Нм
Рис. 7. Зависимость моментов, рассчитанных по показаниям датчика силы, от значения нагрузочного момента
Из рис. 7 следует, что зависимость показаний моментного выключателя от нагрузочного момента практически линейная.
В показаниях моментного выключателя имеется систематическая погрешность, которая может быть устранена алгоритмически при калибровке датчика момента.
Список литературы
1. Кобелев А.С., Алалуев Р.В., Иванов Ю.В. Асинхронный электродвигатель с большим центральным отверстием для многооборотного электропривода //Известия ТулГУ. Технические науки. Вып 5:в 3 ч. Ч 2 /под науч. ред. В.Я Распопова. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. С.247 - 254.
R.V. Alaluev, Yu.V. Ivanov, V.M. Malyutin, V.Ya. Raspopov
POSITION SENSORS AND TORQUE AT THE OUTPUT SHAFT OF THE MULTI-TURN ELECTRIC DRIVE VALVES
The results of the use in a multi-turn electric drive valves absolute optical-electronic sensor and an electronic sensor at the output shaft. Are shown design schemes applied for embedding sensors in the design of the electric drive.
Key words: multitum electric drive, absolute position sensor, electronic torque sen-
Получено 3.12.12
