«Автоматизация и информатизация ТЭК»

Подход к разработке отечественного взрывозащищенного вихретокового энкодера с преобразователем угол–код следящего типа для нефтегазовой отрасли, химической промышленности и энергетики

УДК: 621.317.49
DOI: -

Авторы:

¹ РАСУ, Москва, Россия
² Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук, Москва, Россия
³ Югорский государственный университет, Ханты-Мансийск, Россия
⁴ ИДМ-Плюс, Зеленоград, Россия

Ключевые слова: электромеханические системы, энкодер, индуктивный энкодер, вихревые токи, коррекция преобразования

Аннотация:

В условиях современных требований к высокоточным электромеханическим системам, применяемым в добыче, транспортировке и переработке полезных ископаемых, а также в производстве соответствующего оборудования, возникает необходимость в точных и стабильных измерениях с высокой повторяемостью. Настоящее исследование посвящено сравнительному анализу оптических и вихретоковых энкодеров с целью выявления преимуществ последних в контексте их применения в данных отраслях. Оптические энкодеры долгое время считались эталоном точности и стабильности, однако их высокая стоимость являлась значительным ограничением. Современные достижения в области индуктивных вихретоковых энкодеров позволили значительно сократить разрыв по ключевым электрическим параметрам с оптическими аналогами, одновременно предлагая более экономически выгодное решение. Вихретоковые энкодеры в настоящее время демонстрируют разрешение до 16 бит с точностью до 0,09°, что ранее было прерогативой исключительно оптических систем. Технология вихретоковых энкодеров, представленная в данном исследовании, обладает высоким потенциалом для экспортного применения благодаря эффективности, надежности и универсальности. Например, соответствие автомобильным стандартам AEC Q100, ESD, EMC и ASIL делает предложенный энкодер идеальным для критически важных автомобильных применений. Также в данном исследовании проведена оценка преимуществ и недостатков различных методов коррекции преобразования сигнала в угол. На основе анализа этих методов был выбран наиболее предпочтительный метод коррекции для разработки вихретокового энкодера. Кроме того, разработанный вихретоковый энкодер обладает расширенным рабочим диапазоном температур –40…+160 °C, что позволяет использовать его в различных климатических условиях. Взрывозащищенное исполнение по требованиям классов ATEX и IECEx делает его востребованным для использования в потенциально взрывоопасных средах. Таким образом, данное исследование не только демонстрирует преимущества вихретоковых энкодеров перед оптическими, но и обосновывает необходимость разработки отечественного вихретокового энкодера с улучшенными характеристиками для широкого спектра применений. Российские производители, опираясь на эти преимущества, могут занять ведущие позиции на международном рынке.

Список литературы:

1. Жданеев О.В., Зуев С.С. Вызовы для энергосектора России до 2035 года // Энергетическая политика. – 2020. – № 3(145). – С. 12–23. – DOI: 10.46920/2409-5516_2020_3145_12
2. Цифровизация поставок и применения материалов/оборудования в нефтегазодобывающей отрасли как один из шагов повышения эффективности и прозрачности процессов / Р.А. Муртазин, А.С. Харитонов, Г.Г. Гилаев [и др.] // Автоматизация и информатизация ТЭК. – 2023. – № 11(604). – С. 14–18. – DOI: 10.33285/2782-604X-2023-11(604)-14-18
3. Жданеев О.В., Зайцев А.В., Лобанков В.М. Метрологическое обеспечение аппаратуры для геофизических исследований // Зап. Горного ин-та. – 2020. – Т. 246. – С. 667–677. – DOI: 10.31897/PMI.2020.6.9
4. Жданеев О.В. Оценка уровня локализации продукции при импортозамещении в отраслях ТЭК // Экономика региона. – 2022. – Т. 18, № 3. – С. 770–786. – DOI: 10.17059/ekon.reg.2022-3-11
5. Пат. 2741075 Рос. Федерация, МПК H03M 1/48. Следящий синусно-косинусный преобразователь угла в код со встроенной цифровой коррекцией ошибки преобразования / Г.В. Прокофьев; патентообладатель ООО "ИДМ-Плюс". – № 2020118446; заявл. 26.05.2020; опубл. 22.01.2021, Бюл. № 3.
6. Dauth R., Gerlach G., Fella S. Inductive coupled-coils angle encoders with improved performance and linearity // Technisches Messen. – 2023. – Vol. 90, Issue S1. – P. S2–S7. – DOI: 10.1515/teme-2023-0068
7. Магнитное поле неидеальных катушек Гельмгольца / Д.Э. Харабадзе, Г.М. Николадзе, В.С. Шевцов, П.А. Поляков // Электричество. – 2020. – № 9. – С. 54–57. – DOI: 10.24160/0013-5380-2020-9-54-57
8. Аналого-цифровые преобразователи составляющих перемещения с применением микроэлектронных синусно-косинусных магнитных энкодеров / Ю.С. Смирнов, Т.А. Козина, Е.В. Юрасова, А.В. Соколов // Измерительная техника. – 2014. – № 1. – С. 28–31.
9. Yu Lintao, Zhang Lidan. FPGA-based 10Msps high-speed encoder // Proceedings. Vol. 12306. Second Int. Conf. on Digital Signal and Computer Communications (DSCC 2022), Changchun, China, Apr. 8–10, 2022. – DOI: 10.1117/12.2641268
10. Bitriá R., Palacín J. Optimal PID Control of a Brushed DC Motor with an Embedded Low-Cost Magnetic Quadrature Encoder for Improved Step Overshoot and Undershoot Responses in a Mobile Robot Application // Sensors. – 2022. – Vol. 22, Issue 20. – P. 7817. – DOI: 10.3390/s22207817
11. Nonlinear Error Correction for Magnetic Encoders / Chuang Hsiang-Chun, Kung Chung-Wei, Chen Li-Wu, Jiang Shyh-Biau // IEEE Sensors J. – 2023. – Vol. 23, Issue 9. – P. 9129–9135. – DOI: 10.1109/JSEN.2022.3214575
12. Phase Demodulation Strategy Based on Kalman Filter for Sinusoidal Encoders / Zhao Guobo, Ban Yaowen, Zhang Zhenghui [et al.] // IEEE Sensors J. – 2023. – Vol. 23, Issue 10. – P. 10625–10632. – DOI: 10.1109/JSEN.2023.3264846
13. Рассудов Л.Н. Учет аппаратных ограничений при построении систем управления сервопривода // Электричество. – 2020. – № 7. – С. 57–64. – DOI: 10.24160/0013-5380-2020-7-57-64
14. Harmonic analysis of the arctangent function regarding the angular error introduced by superimposed Fourier series for application in sine/cosine angle encoders / S. Kuntz, R. Dauth, G. Gerlach [et al.] // Sensors and Actuators A: Physical. – 2022. – Vol. 344. – P. 113585. – DOI: 10.1016/j.sna.2022.113585