Сравнительный анализ работы трехкоординатного электроиндукционного сферического датчика напряженности в электрических полях различной неоднородности Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ «ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (64)

удк 621.317.328 е. В. ТИМОНИНА

Омский государственный технический университет

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РАБОТЫ ТРЕХКООРДИНАТНОГО ЭЛЕКТРОИНДУКЦИОННОГО СФЕРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА НАПРЯЖЕННОСТИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХ РАЗЛИЧНОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ

В статье проводится сравнительный анализ работы трехкоординатного сферического датчика напряженности в электрических полях точечного источника, проводящей линии и электрического диполя. Выбираются оптимальные конструктивные размеры чувствительных электродов датчика, позволяющие обеспечить заданную погрешность измерения.

Задача измерения напряженности пространственных электрических полей (ЭП) возникает в различных областях науки и техники. Особенно остро стоит вопрос точного измерения напряженности ЭП промышленной частоты, в связи с созданием и эксплуатацией линий электропередач сверхвысокого (свыше 500 кВ) напряжения.

В настоящее время для измерения переменных ЭП широкое применяются электроиндукционные сферические датчики (ЭСД) напряженности ЭП. Однако отсутствие полного математического анализа работы ЭСД в ЭП различной неоднородности затрудняет их конструктивный и электрический расчеты, позволяющие обоснованно выбирать форму и размер чувствительных электродов, а так же получать функциональную связь между конструктивными параметрами ЭСД, пространственным диапазоном измерения и погрешностью, вызванной неоднородностью ЭП.

В данной работе для исследования полей различной неоднородности был использован двойной трехкоординатный электроиндукционный сферический датчик (ТЭСД) напряженности с дифференциальным включением с чувствительными электродами в виде сферических сегментов, выбор которого обусловлен следующими фактами. Датчики, построенные на основе электроэлектрического эффекта, имеют более простую конструкцию и измерительные цепи по сравнению с датчиками, построенными на основе других физических эффектов [1]. Сферическая форма датчика вносит незначительные искажения в электрическое поле (ЭП), симметрична во всех направлениях и не имеет острых углов, приводящих к возникновению коронного разряда, что позволяет измерять значительные уровни напряженности. В отличие от одно- и двухкоординатных, трехкоординатный датчик инвариантен к вектору электрического поля. Кроме того, прибор с двойным ТЭСД в дифференциальном включении, по сравнению с приборами, имеющими одинарные датчики, обладает повышенной чувствительностью и менее восприимчив к помехам и наводкам, что делает прибор с двойным ТЭСД более точным и позволяющим производить измерения с меньшей погрешностью [2].

Эффективной мерой для обеспечения заданных метрологических характеристик датчиков при измерении неоднородных ЭП является выбор оптимальных размеров и формы их чувствительных элементов. Выбор чувствительных электродов в форме сферических многоугольников разных типов приведет к разной чувствительности по координатным осям многоэлектродного датчика и кроме этого расчет зависимости выходного сигнала датчика от значения напряженности ЭП будет затруднен из-за сложности формы чувствительного электрода. Поэтому в качестве формы чувствительного электрода датчика целесообразно выбрать сферический сегмент [3].

Таким образом, целью данной работы является выбор оптимальных конструктивных размеров чувствительных электродов датчика, позволяющий обеспечить заданную погрешность измерения при максимальном пространственном диапазоне в любом из рассматриваемых электрических полей различной неоднородности.

В качестве неоднородных были рассмотрены электрические поля точечного заряда, проводящей линии и электрического диполя.

Для анализа работы ТЭСД напряженности в этих полях на основании методики, предложенной в [4], была составлена математическая модель ТЭСД, сменным ядром которой является выражение для нормальной составляющей напряженности ЭП на поверхности датчика, находящегося в неоднородном поле и имеющее вид:

- для датчика в поле точечного заряда [4]:

■ для датчика в поле проводящей линии [5]:

2 •с • а

'

) I -асд( ) 1 - а2 • cos (у )2 1

^(у )• л 2 / 42 л! СОЭ (у) 1 + а • cos(у ) - |2 -2 • а • cos(у )• cos(0 -у )

Таблица 1

Углы, задающие пространственное положение ТЭСД

8, 0 00 100 200 00 т 00 4 00 5 00 6

А(8), 0 54.7360 47.7280 42.7090 39.2310 36.9610 35.6790 35.2640

Таблица 2

Размеры чувствительных электродов датчика 01 при максимальном пространственном диапазоне а для заданной погрешности с для различных источников неоднородного ЭП

а , % Источник неоднородного ЭП

Точечный заряд Проводящая линия Электрический диполь

0к 0 а 0к 0 а 0к 0 а

10 55,318 0,78 57,455 0,96 56,205 0,61

9 55,576 0,77 57,743 0,95 56,497 0,6

8 55,887 0,75 58,063 0,93 56,827 0,59

7 56,255 0,73 58,418 0,91 57,201 0,57

6 56,692 0,71 58,812 0,88 57,626 0,55

5 57,210 0,69 59,255 0,85 58,114 0,53

4 57,829 0,66 59,761 0,82 58,679 0,51

3 58,578 0,62 60,346 0,77 59,343 0,48

2 59,513 0,57 61,034 0,71 60,149 0,43

1 60,761 0,49 61,909 0,6 61,205 0,37

Таблица 3

Оптимальные размеры чувствительных электродов датчика 01 при максимальном пространственном диапазоне а для заданной погрешности с

а % 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0- 0 61,909 61,034 60,346 59,761 59,255 58,812 58,418 58,063 57,743 57,455

а 0,36 0,42 0,47 0,50 0,52 0,54 0,56 0,58 0,59 0,61

■ для датчика в поле электрического диполя [6]:

< С 2

1+—+с-а 4_________

2 ■а-с

(1+—+с + а -2-а-со80-I 1+-'4 I 2

с2

1 +-с-а

4

(1+-с+а -2-а-со80-I 1 —

4 I 2

с

3 + 2

3 с 2 1- — 4

где a = R / d - относительное расстояние (Я - радиус корпуса ТЭСД, d - расстояние от центра датчика до источника поля);

с = I / d (1 — длина линии для случая проводящей линии и 1 — расстояние между точечными зарядами диполя для случая электрического диполя);

9 - широтный угол сферический системы координат, отсчитываемый от оси z.

Математическая модель предусматривает возможность задавать ориентацию ТЭСД в пространстве двумя углами: долготным углом 8 - по оси вращения

датчика и широтным углом Д, задающим поворот датчика в плоскости оси вращения.

Для расчетов в рамках составленной математической модели был использован математический пакет MATHCAD 13.

В ходе математического моделирования поведения ТЭСД в полях точечного источника, проводящей линии и электрического диполя были получены графические зависимости погрешности с ТЭСД от ориентации датчика в пространстве, пространственного диапазона измерения а и конструктивных размеров электродов датчика 91. По графикам было установлено, что изменения погрешности датчика от его ориентации в различных неоднородных ЭП абсолютно идентичны.

Графики зависимости погрешности датчика с от его ориентации в неоднородном электрическом поле точечного источника при различных расстояниях до источника поля а и различных значениях широтного Д и долготного 8 углов представлены на рис. 1, 2, 3, 4 для конструктивных размеров чувствительных электродов О] =30°36|| =45°, <9, =60°, <9, =90°соответственно. В связи с периодическим повторением графических зависимостей с периодом в 60о, изменение долготного угла 8 осуществлялось в диапазоне от 0 до 60о, а ши-

е

«ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (64) ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Рис. 1

*

а

а

о

а

К) и)

^ 0~\

а

а

а>

1Л ГО N

а

а

Рис.

Рис. 3

00 ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ «ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (64)

1

¡Л ^ Ы [О М

Оо Оо Оо Оо Оо II II II II II ы ы ы ы ы

■ ^ ^ ^ ^ Со-> > > > >

IO

о

о

о\

ю

ф

М fl VI

40

и

Рис.

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ «ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (64)

%

120

— 1-

точечный заряд

__2 -

электрический диполь

проводящая линия

Рис. 5

Рис. 6

ротного угла А — от 0 до А (8 ) , где А (5 ) выбиралось в зависимости от угла 8 из таблицы 1.

Из графиков, представленных на рис. 1 — 4 можно выделить три худших угловых пространственных положения ТЭСД с точки зрения максимальной погрешности. Первое положение 8 = 0 и А = 0 (когда вектор напряженности равноудален от координатных осей ТЭСД, т.е. направлен вдоль оси датчика), второе положение 8 = 0 и А = 54.7360(когда вектор напряженности совпадает с координатной осью одного из электродов ТЭСД) и третье положение 8 = 600 и А =35.2640(когда вектор напряженности находится в плоскости двух координатных осей датчика и равноудален от них). Кроме того, анализируя полученные графические зависимости, можно сделать вывод о том, что выполнение конструктивного размера чувствительного электрода 01 = 600 обеспечит меньшую погрешность датчика от неоднородности ЭП при большем пространственном диапазоне а. Однако выбором оптимального углового размера чувствительного электрода можно свести эту погрешность к желаемому минимуму. Так, задаваясь различными значениями погрешности ±о (в диапазоне от 0 до 10%) и производя перебор угловых размеров электродов датчика 01 в математической модели датчика, были построены графики оптимального углового размера чувствительного электрода 01 и максимального пространственного диапазона измерения а в зависимости от требуемой погрешности о (рис. 5 а,б) для случаев, когда источником поля является точечный заряд (кривая 1), электрический диполь (кривая 2) и проводящая линия (кривая 3). При оптимизации определялись такие углы 01, для которых заданной абсолютной величине погрешности соответствовал бы наибольший пространственный диапазон измерения а .

Обобщая результаты, полученные в данной работе, была составлена сводная табл. 2. Анализируя данные таблицы, можно сделать вывод о том, что ТЭСД напряженности будет работать с заданной погрешностью от неоднородности о и в поле точечного источника, и в поле проводящей линии, и в поле электрического диполя при условии выбора в качестве оптимальных конструктивных размеров чувствительных электродов 01, соответствующих случаю, когда источником неоднородного поля является проводящая линия. Таким образом, возникает необходимость расчета для этих угловых размеров пространственного диапазона измерения а для случаев точечного источника и электрического диполя, в рамках которого погрешность ТЭСД от неоднородности о не превысит заданного значения.

На рис. 6а представлены графические зависимости заданной погрешности датчика о , вызванной неоднородностью ЭП, от оптимальных, с точки зрения работы в любом из трех рассматриваемых полей, угловых размеров чувствительных электродов датчика 01, а на рис. 6б — зависимости этой погрешности от пространственого диапазона а для случаев полей точечного заряда (кривая 1), электрического диполя (кривая 2) и проводящей линии (кривая 3). Обобщенные данные, полученные в процессе оптимизации, представлены в табл. 3.

На основании проведенного сравнительного анализа можно сделать вывод о том, что выбором полученных оптимальных конструктивных размеров электродов датчика 01 и ограничением пространственного диапазона измерения а , можно обеспечить заданную погрешность измерения от неоднородности ЭП при работе ТЭСД в любом из рассмотренных неоднородных электрических полей.

точечным

заряд

электрический

диполь

проводящая

линия

Библиографический список

1. Бирюков, С.В. Физические основы измерения параметров электрических полей. — Омск : СибАДИ, 2008. — 112 с.

2. Рожков, Н.Ф., Бирюков, С.В., Чугулев, Д.О. Устройство для измерения параметров электрического поля : материалы III Междун. науч.-техн. конф. «Динамика систем, механизмов и машин». — Омск : ОмГТУ, 1999. — С. 174-175.

3. Бирюков, С.В. Многоэлектродный датчик напряженности электрического поля : тез. докл. IX Всерос. НТК с участ. зарубеж. специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Датчик-97) ; под ред. проф. В.Н.Азарова. — М. : МГИЭМ, 1997. - С. 65-66.

4. Бирюков, С.В. Анализ работы электроиндукционных сферических датчиков напряженности электрического поля в полях различной неоднородности // Магнитные и электрические измерения : межвузов. сб. научн. тр. — Омск.

политехн. ин-т, 1983. — С. 3-5.

5. Бирюков, С.В. Тимонина, Е.В. Расчет электрического поля на поверхности сферического датчика напряженности, находящегося в поле проводящей линии : матер. VI Меж-дунар. науч.-техн. конф. «Динамика систем, механизмов и машин», посвященной 65-летию ОмГТУ. — Омск : ОмГТУ, 2007. — Кн. 1. — С. 258-262.

6. Бирюков, С.В., Тимонина, Е.В. Расчет напряженности электрического поля на поверхности сферического датчика, находящегося в поле диполя // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — Омск : ОмГТУ, 2007. — № 3 (60). — С. 91-93.

ТИМОНИНА Евгения Викторовна, инженер кафедры информационно-измерительной техники.

Дата поступления статьи в редакцию: 28.04.2008 г.

© Тимонина Е.В.

УДК 543.423 : 681.785.5 А. А. КУЗНЕЦОВ

Д. А. ПИМШИН

Омский государственный университет путей сообщения

РЕАЛИЗАЦИЯ КОМПЛЕКСНОГО СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА МЕТАЛЛОВ НА ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ И ТРАНСПОРТЕ

На основании проведенных исследований разработаны методы определения химического состава и оценки физико-механических свойств по данным спектрального анализа. Методы позволяют повысить точность, достоверность и быстродействие анализа. Кроме этого, возможность оценки физико-механических свойств позволяет высвободить испытательное оборудование и проводить комплексный контроль практически на любых стадиях производства.

Необходимость повышения качества продукции признается на различных уровнях. Снижение качества поставляемого сырья приводит к ухудшению изготавливаемой продукции. Так, например, компания ОАО «РЖД» уже вынуждена выполнять закупки рельсовой продукции для высокоскоростных участков за рубежом [1]. Много проблем и на металлообрабатывающих предприятиях. В значительной мере эти проблемы связаны с морально и материально устаревшим оборудованием. Как показывает практика, на примере ОАО «Омскагрегат», внедрение передовых технологий металлообработки позволяет повысить качество продукции и производительность.

Однако любое литейное и металлообрабатывающее производство не может обойтись без систем контроля, в т.ч. технологического и входного. Причём значение последнего резко возрастает как на предприятиях-потребителях, так и на предприятиях-из-готовителях металлургической продукции. Системы входного контроля построены на использовании

классического атомно-эмиссионного спектрального анализа (АЭСА) в области от 180 до 450 нм. Этот метод очень чувствительный и относительно дешёвый. Сущность его заключается в излучении возбужденными частицами (атомами и ионами) квантов света. Причём каждый элемент периодической системы может излучать кванты только определённых длин волн. По интенсивности спектральной линии можно судить о концентрации элемента.

Несмотря на свои несомненные достоинства, классический АЭСА имеет существенные недостатки, ограничивающие его использование.

1. Высокая чувствительность к внешним воздействиям. В результате чего требуется периодически обыскривания комплектов государственных стандартных образцов (ГСО) для построения градуировочных графиков (регрессионных уравнений). На рис. 1 показано изменение градуировочных графиков для марганца (а) и никеля (б) комплекта ГСО № 9. Зависимость марганца практически не поменялась. В то

«ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (64) ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ