Введение к работе
Актуальность и перспективность работы. Развитие информационно-измерительных систем (ИИС) в настоящее время идет в направлении дальнейшего увеличения точности измерений, расширения перечня, диапазонов и спектра измеряемых величин, улучшения метрологических характеристик, повышения надвкности.
Особенно жесткие требования предъявляются к ИИС и измерительным преобразователям (ШІ), применяемым при наземных я летных испытаниях авиационной техники, что связано с высокой стоимостью испытаний и со слокностыо самих ИИС. К особенностям ИИС для испытаний авиационной техники относятся:
большое количество разнородных измеряемых величин;
тянэлыэ условия эксплуатации;
многообразие режимов измерений, в том числе переходных;
разделенность во времени и в пространстве процессов извлечения и обработки измерительной информации;
разнодиапазонность по измеряемым параметрам;
высокие требования по точности, весу, габаритам, потребляемой электроэнергии.
При этом номенклатура и объемы измеряемых параметров, а также требования к точности измерений имеют тенденцию к росту. Так, при летных испытаниях самолета ТУ-І04 измерялось около 300 физических величин, а при испытаниях самолета Ил-96-ЗШ количество измеряемых параметров достигает 3200.
Наиболее распространенной физической величиной, измеряемой ИИС является давление. Например, измерения давления воздуха и жидкости составляет около 25 % объема измерений всех неэлектрических величин при летных испытаниях авиационной техники.
По прогнозам ряда исследователей, потребность в датчиках
для измерения неэлектрических величин, в том числе давления, удваивается кавдне пять лет.
Широкое применение в настоящее время находят ИП давления, использующие в качестве чувствительного элемента интегральные тензорезисторные преобразователи (ИТП). Наряду с низкой стоимостью за счет использования интегральной технологии, они обладают малой основной погрешностью и стабильностью параметров во времени, хорошими динаїяїческими характеристиками. Однако, существующие датчики давления с ИТП не обладают требуемыми метрологическими характеристиками для работы в составе ШО для испытаний авиационной техники. При летных испытаниях в 20 % случаев точность измерений ниже требуемой. Это, в известной мере, связано с большой погрешностью нелинейности и температурной погрешностью ИТП. Поэтому актуальна задача разработки методов уменьшения погрешностей ИП давления.
Согласно OCT І 01021-81, при испытаниях и доводке опытных газотурбинных двигателей погрешность измерения давления газов по тракту не должна превышать 0,3 % от измеряемой величины с доверительной вероятностью 0,99. Температурный диапазон при этом составляет от -40 до +80 С.
Широко применяемый в настоящее время ИП "Сапфир-22-М" имеет предел допускаемой основной погрешности 0,25 % и температурную погрешность 0,25 Ж/10 С, что не удовлетворяет требованиям.
В последние года значительное развитие за рубежом и у нас в стране получило новое направление измерительной техники сенсоэлектроника: производство "интеллектуальных" датчиков, осуществляющие обработку данных измерения, самодиагностику и контроль с помощью встроенного микропроцессора или процессора ИИС. При этом возникает задача разработки эффективных алгоритмов такой обработки.
Широко применяемые в настоящее время методики определения метрологических, характеристик измерительных каналов (ИК) ИИС завышают оценку погрешности и не позволяют оценить погрешность в переходном режиме. От этих недостатков свободен общий подход к определению погрешностей. В настоящее время разработаны методики и программы для определения характеристик погрешности, основанные на общем подходе. Для расчета характеристик погрешности МК по этим методикам необходимо разработать математическую модель ИК и-методы измерения ее параметров.
Тагам образом, задача по обеспечению требуемой точности ИК давления ИИС для испытаний авиационной техники является актуальной в настоящее время и перспективной в обозримом будущем.
Исследования по теме диссертации проводились на кафедре "Теоретические основы электротехники" Уфимского государственного авиационного технического университета в соответствии с координационным планом НИР АН СССР на 1986-1990 гг. по проблеме
І.ІІ.6.7 "Теория, метода и средства контроля испытаний и
* диагностика машин"; Комплексной программой метрологического
обеспечения информационных систем, автоматизированных систем управления технологическими процессами гибких производственных систем в отраслях народного хозяйства на 1986-1990 гг. по теме 01.02.06 "Разработка методов определения метрологических характеристик автоматизированных ИИС для статических и динамических измерений"; НИР по темам й 6-03-88, JS 6-ІІ-90, Я АП-Т0-І0-93-0Г и договора о творческом сотрудничестве J6 30-1-40-86/90.
Цель работы и задачи исследования. Целью работы является обеспечение требуемой точности ИК давления ИИС для испытаний авиационной техники. Поставленная цель достигается путем решения следующих задач:
разработка и исследование вторичного измерительного преобразователя для тензорвзисторного датчика давления с линейной статической характеристикой и низкой чувствительностью к температуре;
исследование метрологических характеристик ИК давления;
разработка метода и измерительной системы, для определения частотных характеристик ИП.
Метода исследования. Поставленные задачи в диссертационной работе решаются с использованием теории дифференциальных уравнений и спектрального анализа, методов статистической обработки экспериментальных данных и математического моделирования, теории вероятности и случайных процессов.
Научная новизна. Разработаны методы компенсации погрешности нелинейности м температурных погрешностей нуля и чувствительности ИП и методы коррекции температурных погрешностей в процессе обработки результатов измерений, обеспечивающие требуемую точность измерения Давления при испытаниях авиационной техники. Математическая модель ИК давления и методы определения е5 параметров, основанные на общем подходе к определению погрешности. Метод и измерительная система для определения вещественной и мнимой частотных характеристик ИП.
Практическую ценность имеют:
ИП давления с каналом измерения температуры ИТП;
метода компенсации температурных погрешностей в процессе обработки результатов измерений;
методы экспериментального определения характеристик Ж давления;
измерительная система определения частотных характеристик УП-355.
На защиту выносятся:
метода компенсации погрешности нелинейности и температурной погрешности ШІ давления, позволяющие получить требуемую точность в составе ИИС для испытаний авиационной техники;
метод определения вещественной и мнимой частотных характеристик ИП;
результаты экспериментальной проверки метрологических характеристик ИК давления.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и ' обсуздались на III Всесоюзной конференции "Метрологическое обеспечение ИИС и АСУ ТІГ (Львов, 1990 г.); Всесоюзной конференции "Микроэлектронные.датчики в машиностроении" (Ульяновск, 1990 г.); Всероссийских конференциях "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" "Датчик-91", "Датчик-93", "Датчик-94" (Москва, 1991 г., Гурзуф, 1993 и 1994 гг.); Всесоюзной конференции "ИИС-9І" (Санкт-Петербург, 1991 г.); конференции "Микроэлектроника в машиностроении" (Ульяновск, 1992 г.). В полном объеме работа докладывалась на Всероссийской научно-технической конференции "Управление и контроль технологических процессов изготовления деталей в машиностроении" (Уфа, 1995 г.).
Публикации. Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 15 научных трудах, из которых 3 статьи, I положительное решение о выдаче патента Российской Федерации, 3 отчета о НИР.
Структура и объем работы, диссертация содержит перечень сокращений и условных обозначений (2 с), введение (6 с), пять глав основного текста (ИЗ с), основные результаты и выводы (2 с), список литературы из НО наименований, 3 приложения (12 с). В основной части работы имеется 51 рисунок.