Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор современных датчиков давления и используемых в их составе формирователей сигнала 16
1.1. Методы преобразования давления 17
1.1.1. Тензометрический метод 17
1.1.2. Пьезорезистивный метод 18
1.1.3. Емкостной метод 20
1.1.4. Резонансный метод 21
1.1.5. Индуктивный метод 22
1.1.6. Ионизационный метод 23
1.1.7. Достоинства и недостатки различных методов преобразования давления в электрический сигнал 24
1.2. Обзор вторичных преобразователей, применяемых в датчиках давления 1.2.1 Мостовые схемы 25
1.2.1. Управление мостами 30
1.2.2. Емкостные схемы формирования сигнала 34
1.2.3. Формирование сигнала параметрических датчиков методом токовой петли 36
1.3. Содержательная постановка задачи исследования 39
Выводы по главе 1 39
Глава 2. Повышение точности вторичного преобразователя информации пьезорезистивного датчика давления 40
2.1. Структура и конструкция пьезорезистивных датчиков давления 40
2.1.1 Полупроводниковые тензорезисторы 40
2.1.2 Конструктивные особенности пьезорезистивных датчиков давления 43
2.2. Повышение точности измерения давления с помощью пьезорезистивных чувствительных элементов, включенных в токовую петлю
2.2.1. Предлагаемая топология формирователя сигнала датчика давления 46
2.2.2. Математическая модель измерителя давления 47
2.2.3. Процедура оценивания по ММП 52
2.3 Результаты математического моделирования работы пьезорезистивного датчика давления 53
2.3.1. Алгоритмическое и программное обеспечение 54
2.3.2. Сравнение точности оценивания предлагаемого метода и известного [26] 55
2.3.3. Сравнение различных топологий датчиков 56
2.3.4. Сравнение видов модуляции сигнала генератора 57
2.4 Экспериментальные результаты применения петли переменного тока
для обработки сигналов пьезорезистивных датчиков давления 58
Выводы по главе 2 63
Глава 3. Повышение точности вторичного преобразователя информации, основанного на петле переменного тока, для ёмкостных датчиков давления 64
3.1 Описание конструкции емкостного датчика давления С целью упрощения конструкции данного вторичного преобразователя давления, снижения его стоимости с одновременным повышением точности измерения предлагается следующая методика измерения давления [135]. 68
3.2 Методика уточнения измерения ёмкостей и углов потерь ёмкостных параметрических датчиков давления 68
3.2.1. Предлагаемая топология вторичного преобразователя ёмкостного датчика давления 68
3.2.2. Математическая модель ёмкостного датчика давления 69
3.2.3. Оценивание неизвестных параметров по ММП 3.3 Результаты математического моделирования работы ёмкостного датчика абсолютного давления 73
3.4 Экспериментальные результаты ёмкостных датчиков давления 75
Выводы по главе 3 76
ГЛАВА 4. Повышение точности вторичного преобразователя информации пьезорезонансного датчика давления 78
4.1 Описание конструкции пьезорезононсного датчика давления 78
4.2. Описание электронной схемы блока сбора информации 80
4.2.1. Выбор электронных компонентов для построения схемы 80
4.2.2. Построение электронной схемы 84
4.3. Методика уточнения частоты квазигармонического выходного сигнала пьезорезонансного датчика 84
4.3.1. Цифровые методы оценки частоты сигнала 84
4.3.2. Постановка задачи 86
4.3.2. Процедура оценивания по ММП и её анализ 87
4.4. Измерения выходной частоты пьезорезонансных датчиков давления с повышенной точностью 89
4.5. Алгоритмы и программное обеспечение для пьезорезонансного датчика давления 92
4.3 Экспериментальные результаты исследования вторичного
преобразователя пьезорезононсных датчиков давления 94
Выводы по главе 4 98
ГЛАВА 5. Методика построения математической модели зависимости выходного сигнала датчика давления от входного давления и окружающей температуры 99
5.1 Снятие экспериментальных данных 100
5.2 Снятие статической характеристики датчика 101
5.3. Статистическая обработка экспериментальных данных 102
5.3.1. Проверка равноточности измерений в точках (Pj,Ti) 102
5.3.2. Расчёт весовых коэффициентов для измерений в точках (Pj,Ti)
103
5.3.3. Аппроксимация характеристик датчика u (Ti) = f(P,Ti) полиномом 103
5.3.4. Методика аппроксимации опытных зависимостей моделью (5.2): 104
5.3.5. Процедура построения полинома 104 5.3.6. Описание процедуры построения полинома 105
5.3.7. Поиск зависимости коэффициентов регрессии от
5.3.7. Описание процедуры построения полинома (5.6) для коэффициента bл 107
5.3.8. Оценка измеряемого давления по выходному сигналу датчика 5.3.9. Описание процедуры оценки измеряемого давления 108
5.4. Экспериментальные результаты калибровки пьезорезонансного датчика избыточного давления 108
Выводы по главе 5 110
Заключение 112
Литература 114
- Емкостной метод
- Конструктивные особенности пьезорезистивных датчиков давления
- Описание конструкции емкостного датчика давления С целью упрощения конструкции данного вторичного преобразователя давления, снижения его стоимости с одновременным повышением точности измерения предлагается следующая методика измерения давления [135].
- Алгоритмы и программное обеспечение для пьезорезонансного датчика давления
Введение к работе
Актуальность работы. Современная концепция развития авиационной техники требует приоритетного решения проблем повышения эффективности автоматизированных цифровых систем управления, реализации качественного мониторинга состояния авиационных систем и агрегатов. Это существенно зависит от точности и надёжности источников первичной информации, в том числе датчиков давления, составляющих до 80% всех датчиков, входящих в комплектацию авиационных объектов, обладающих неизменностью метрологических характеристик в течение всего срока их службы, имеющих высокую устойчивость к внешним воздействиям.
Создание высокоточных датчиков давления, в которых цифровой вторичный преобразователь (формирователь сигнала) играет ключевую роль в достижении требуемых характеристик, является актуальной задачей для построения различных систем перспективных объектов авиационной техники, в том числе для систем регулирования и диагностики перспективных двигателей пятого поколения, управления движением ракеты-мишени, контроля параметров двигателя и трансмиссии модернизируемых вариантов вертолётов и истребителей.
Степень проработанности темы. В настоящее время в качестве формирователей сигналов датчиков давления, как правило, используются мостовые схемы, которые в силу таких существенных недостатков, как временной дрейф выходного сигнала и температурная погрешность, не обладают достаточной точностью, а их высокоточные варианты представляют собой громоздкие и дорогостоящие устройства. Анализу этой проблемы посвящены работы Ю.Р. Агамалова, Н.Д. Дубового, В.Ю. Кнеллера, П.П. Орнатского, М.А. Виноградова, С.А. Мекида, Д.А. Тростни-кова и В.И. Жука в нашей стране и D.M. Preethichandra, K.H. Peng, C. M. Uang, P.C. de Jong, G.C.M. Meijer, R. Pallas-Areny, J.G. Webster, M.Pohanka за рубежом.
Около двадцати лет назад К.Ф. Андерсоном (K.F. Anderson) была предложена оригинальная схема формирователя сигнала резистивных датчиков, основанная на использовании петли постоянного тока. Эта идея получила дальнейшее развитие в работах А.А. Львова, В.А Пыльского и В.В. Гуреева, а также P.M. Ramos, A.C. Serra, F.M При этом недостаточное внимание уделено применению петли на переменном токе, что позволяет достичь большей точности измерения. В связи с этим в диссертационной работе рассматривается использование вторичного преобразователя измерительной информации на основе петли переменного тока для пьезорезистивных, ёмкостных и пьезорезонансных датчиков давления. Исследуются возможности повышения эффективности функционирования датчиков с одновременным повышением точности измерения и снижением стоимости системы из первичных и вторичных преобразователей в целом.
Целью работы является повышение точности измерений параметрических датчиков давления за счёт усовершенствования вторичного преобразователя информации, основанного на петле переменного тока, а также разработки оптимальных цифровых методов и алгоритмов оценивания измеряемых параметров и компенсации погрешностей измерения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести критический анализ особенностей формирования сигнала параметрическими датчиками давления и на его основе сформулировать требования к новому методу формирования сигнала.
2. Разработать высокоточный вторичный преобразователь измерительного
сигнала параметрических датчиков на основе петли переменного тока и его мате
матические модели для случаев использования пьезорезистивных, ёмкостных и
пьезорезонансных первичных преобразователей давления.
-
Разработать оптимальные цифровые алгоритмы обработки измерительной информации, специализированные для применения с новым формирователем сигнала и обеспечивающие повышение точности результатов измерения датчиков давления и методику калибровки датчика.
-
Провести математическое моделирование функционирования предлагаемого вторичного преобразователя и опытную проверку экспериментальных образцов новых датчиков давления, использующих в своём составе этот преобразователь.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработан метод повышения точности измерения сопротивления пьезо-резистивных датчиков давления, отличающийся использованием нового вторичного преобразователя выходного сигнала на основе петли переменного тока за счёт применения более адекватной модели измерительного сигнала и оптимальных цифровых методов его обработки по методу максимального правдоподобия.
-
Разработан метод измерения ёмкостей и углов потерь ёмкостных датчиков давления, использующих вторичный преобразователь выходных сигналов с током возбуждения токовой петли синусоидальной формы, отличающийся повышенной точностью за счёт учёта нестабильности частоты генератора и согласующих операционных усилителей путём применения оптимальных цифровых алгоритмов оценивания параметров нелинейной модели выходных сигналов.
-
Разработаны метод и алгоритмы измерения выходной частоты вторичного преобразователя пьезорезонансного датчика давления, отличающиеся применением комбинированной цифровой обработки выходного сигнала с помощью дискретного преобразования Фурье (ДПФ) и оценки частоты квазигармонического сигнала, что позволило также повысить чувствительность датчика давления с одновременным сокращением состава используемого оборудования.
Работа соответствует паспорту научной специальности 05.13.05 «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления»: пункт 2 – «Теоретический анализ и экспериментальное исследование функционирования элементов и устройств вычислительной техники и систем управления в нормальных и специальных условиях с целью улучшения технико-экономических и эксплуатационных характеристик»; пункт 3 – «Разработка принципиально новых методов анализа и синтеза элементов и устройств вычислительной техники и систем управления с целью улучшения их технических характеристик»; пункт 4 – «Разработка научных подходов, методов, алгоритмов и программ, обеспечивающих надёжность, контроль и диагностику функционирования элементов и устройств вычислительной техники и систем управления».
Методы исследования. В работе использованы методы теории электрических цепей и сигналов, математической статистики, цифровой обработки сигналов, математического моделирования. Приведены результаты экспериментальных исследований. Предложенные методы и алгоритмы реализованы в виде специализированных комплексов программ на языке С++.
Объект и предмет исследования. Объектом являются датчики давления по-4
вышенной точности для систем автоматического управления и диагностики современных авиационных газотурбинных двигателей. Предметом – вторичные преобразователи параметрических датчиков давления, основанные на петле переменного тока.
Достоверность и обоснованность полученных результатов определяются корректностью и строгостью применяемых уравнений теории электрических цепей, методов математической статистики, а также соответствием полученных экспериментальных данных результатам теоретических исследований.
Научная и практическая значимость. Работа может служить методологической основой для разработки современных цифровых датчиков давления, применяемых в системах управления и диагностики авиационной техники.
Разработанные универсальный вторичный преобразователь параметрических датчиков, основанный на петле переменного тока, и оптимальные цифровые методы обработки измерительной информации с его выходов более чем на порядок повышают точность проводимых измерений. Внедрение данных методов обработки сигналов с выходов пьезорезистивных, ёмкостных и пеьзорезонансных датчиков давления позволяют улучшить тактико-технические характеристики, как самих датчиков, так и систем, в которых они применяются.
Разработанная универсальная методика построения математической модели зависимости выходного сигнала датчика давления от входного давления и окружающей температуры (калибровки датчиков) позволяет отстроиться от систематических погрешностей, вызванных изменением температуры окружающей среды, вносящих наибольшие погрешности в измерительный процесс. Данная методика позволяет сократить время сбора данных и последующей математической обработки в автоматическом режиме, что снижает затраты и повышает технологичность самого процесса калибровки и отладки датчиков давления.
Положения работы, выносимые на защиту:
-
Разработанный высокоточный вторичный преобразователь измерительного сигнала параметрических датчиков на основе петли переменного тока и его математические модели для случаев использования пьезорезистивных, ёмкостных и пьезорезонансных первичных преобразователей давления.
-
Метод повышения точности измерения сопротивления пьезорезистивных датчиков давления, основанный на использовании нового вторичного преобразователя и учитывающий возможные нестабильности генератора питающего напряжения и согласующих операционных усилителей, за счёт применения более адекватной модели измерительного сигнала и оптимальных цифровых методов его обработки по методу максимального правдоподобия
-
Метод измерения ёмкостей и углов потерь ёмкостных датчиков давления, использующих вторичный преобразователь выходных сигналов с током возбуждения токовой петли синусоидальной формы, отличающийся повышенной точностью за счёт учёта нестабильности частоты генератора и согласующих операционных усилителей путём применения оптимальных алгоритмов оценивания параметров нелинейной модели выходных сигналов.
-
Метод и алгоритмы измерения выходной частоты вторичного преобразователя пьезорезонансного датчика давления, основанные на применении комбинированной цифровой обработки выходного сигнала с помощью ДПФ и оценки частоты
квазигармонического сигнала, что также позволило повысить чувствительность датчика давления с одновременным сокращением состава используемого оборудования.
5. Разработанная универсальная методика калибровки пьезорезистивных, ёмкостных и пьезорезонансных датчиков давления, позволяющая отстроиться от вносящих наибольший вклад в измерительный процесс систематических погрешностей, вызванных изменением температуры окружающей среды, и сокращающая время сбора данных с последующей их математической обработкой в автоматическом режиме, что снижает затраты и повышает технологичность калибровки и отладки датчиков давления.
Реализация и внедрение. Разработанный вторичный преобразователь сигналов параметрических датчиков давления и принципы построения цифровых формирователей сигнала на его основе, совместно с оптимальными алгоритмами обработки измерительной информации, а также универсальная методика сбора данных с последующей калибровкой датчиков, обеспечивающие повышение точности измерения давления, реализованы в рамках разработки высокоточных датчиков абсолютного и избыточного давлений для диагностики и управления системами перспективных авиационных комплексов (ЭОКБ «Сигнал», г. Энгельс) и послужили базой при проектировании датчиков перепада давлений для истребителя фронтовой авиации (ОАО ОКБ «Сухого», г. Москва), что подтверждено соответствующими актами, приложенными к диссертации.
Апробация работы. Результаты диссертационного исследования представлены на Международных конференциях: «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-26 (Саратов, 2013), «Наука и технологии» (Миасс, 2013), «Надёжность и качество» (Пенза, 2014), «Юбилейная Междунар. науч.-практ. конф., посвященной 60-летию БГТУ им. В.Г. Шухова» (Белгород, 2014), ХIV и ХV Междунар. науч.-тех. конф. «Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых» (Донецк, 2014, 2015), «Проблемы управления, обработки и передачи информации» (Саратов, 2013, 2015); Международной молодежной научной конференции «40-е Гагаринские чтения» (Москва, 2014), Международном форуме двигателестроения (МФД-2014, Москва), а также на научных семинарах ИнЭТМ и МФПИТ СГТУ имени Гагарина Ю.А.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликована 21 печатная работа, в т.ч. 3 в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и одна, индексируемая в базе SCOPUS.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и 3 приложений. Основная часть диссертации изложена на 125 печатных страницах машинописного текста, содержит 75 рисунков и 7 таблиц. Список литературы включает 136 наименований.
Емкостной метод
Под термином «датчик» (сенсор) обычно понимается совокупность первичного и вторичного преобразователей. При этом первичный преобразователь, как правило, представляет собой некоторый чувствительный элемент (ЧЭ), преобразующий измеряемую физическую величину в сигнал электрической природы. Вторичный преобразователь (ВП) – это элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы, преобразующий полученную первичным преобразователем величину в удобный для использования сигнал [9].
Процесс управления заключается в приёме информации о состоянии объекта управления, её контроле и обработке центральным устройством и выдачи им управляющих сигналов на исполнительные устройства. Для приёма информации часто служат датчики неэлектрических величин [10]. Таким образом, контролируется температура, механические перемещения, наличие или отсутствие предметов, давление, расходы жидкостей и газов, скорость вращения и т.п.
Спектр датчиков чрезвычайно разнообразен: большое число измеряемых физических величин или параметров исследуемого объекта; разнообразие физических зависимостей, используемых для измерительных преобразователей; разнообразие современных объектов измерения, предопределяющих специфику требований к датчикам и измерениям в целом (ракетно-космическая техника, авиация, судостроение, энергетика, атомная техника и т.д.) [9-17]. В последние 10-15 лет устройства обработки информации развиваются достаточно интенсивно. Прежде всего, это связано с огромными успехами микроэлектроники, радиотехники, вычислительной техники.
В ряду всевозможных датчиков особое место занимают датчики давления, которые играют важнейшую роль во многих технических системах. В последние десятилетия появилось понятие «интеллектуального» датчика [9-13]. В данной главе дан обзор известных методов измерения давления. Особое внимание уделяется пьезорезистивным, ёмкостным и пьезорезонансным датчи 17 кам, широко используемым в разнообразных технических авиационных системах. Далее проведён критический анализ вторичных преобразователей, используемых в составе этих датчиков, выявлены их достоинства и недостатки. После чего дана постановка задачи исследования, проводимого в диссертационной работе.
Датчик давления состоит (рис.1.1) из первичного преобразователя давления, в составе которого чувствительный элемент и приемник давления, схемы вторичной обработки сигнала, различных по конструкции корпусных деталей и устройства вывода. Основным отличием одних приборов от других является точность регистрации давления, которая зависит от принципа его преобразования в электрический сигнал: тензометрического, пьезорезистивного, емкостного, индуктивнного, резонансного, ионизационного типа [2, 10].
В настоящее время основная масса датчиков давления в нашей стране выпускаются на основе ЧЭ (рис.1.2), принципом которых является измерение деформации тензорезисторов, сформированных в эпитаксиальной пленке кремния на подложке из сапфира (КНС), припаянной твердым припоем к титановой мембране [14-16]. Иногда вместо кремниевых тензорезисторов используют ме Рисунок 1.2 - Упрощенный вид тензорезистивного чувствительного элемента
таллические: медные, никелевые, железные и др. Принцип действия тензопреобразователей основан на явлении тензоэф-фекта в материалах. Чувствительным элементом служит мембрана с тензорези-сторами, соединенными в мостовую схему. Под действием давления измеряемой среды мембрана прогибается, тензорезисторы меняют свое сопротивление, что приводит к разбалансу моста Уитстона. Разбаланс линейно зависит от степени деформации резисторов и, следовательно, от приложенного давления.
Следует отметить принципиальное ограничение КНС преобразователя – неустранимую временную нестабильность градуировочной характеристики и существенные гистерезисные эффекты от давления и температуры. Это обусловлено неоднородностью конструкции и жесткой связью мембраны с конструктивными элементами датчика. Поэтому, выбирая преобразователь на основе КНС, необходимо обратить внимание на величину основной погрешности с учетом гистерезиса и величину дополнительной погрешности.
К преимуществам можно отнести хорошую защищенность чувствительного элемента от воздействия любой агрессивной среды, налаженное серийное производство, низкую стоимость.
Практически все производители датчиков в России проявляют живой интерес к использованию интегральных чувствительных элементов на основе монокристаллического кремния. Это обусловлено тем, что кремниевые преобразователи имеют на порядок большую временную и температурную стабильности по сравнению с приборами на основе КНС структур.
Кремниевый интегральный преобразователь давления (ИПД), схематично показанный на рис.1.3, представляет собой мембрану из монокристаллического кремния с диффузионными пьезорезисторами, включенными в мост Уинстона [10-12]. Чувствительным элементом служит кристалл ИПД, установленный на диэлектрическое основание с использованием легкоплавкого стекла или методом анодного сращивания.
Для измерения давления чистых низкостоймостные (low cost) решения (рис.1.4), основанные на ис Рисунок 1.3 - Кремниевый интегральный преобразователь давления пользовании чувствительных элементов либо без защиты, либо с защитой силиконовым гелем.неагрессивных сред применяются, так называемые,
Для измерения агрессивных сред и большинства промышленных применений применяется преобразователь давления в герметичном металло-стеклянном корпусе, с разделительной диафрагмой из нержавеющей стали, передающей давление измеряемой среды на ИПД посредством кремнийорганической жидкости (рис.1.5).
Преобразователь давления, защищенный от измеряемой среды посредством коррозионно-стойкой мембраны Основным преимуществом пьезорезистивных датчиков является более высокая стабильность характеристик, по сравнению с КНС преобразователями. ИПД на основе монокристаллического кремния устойчивы к воздействию ударных и знакопеременных нагрузок. Если не происходит механического разрушения чувствительного элемента, то после снятия нагрузки он возвращается к первоначальному состоянию, что объясняется использованием идеально-упругого материала.
Емкостные преобразователи используют метод изменения емкости конденсатора при изменении расстояния между обкладками. Известны керамические или кремниевые емкостные первичные преобразователи давления и преобразователи, выполненные с использованием упругой металлической мембраны. При изменении давления мембрана с электродом деформируется и происходит изменение емкости.
Конструктивные особенности пьезорезистивных датчиков давления
Методика обработки сигналов с выходов измерительных усилителей подробно описана в [23]. Единственным отличием является использование генератора переменного тока в петле, что позволяет устранять паразитное влияние дрейфа нуля усилителей и снизить требования к их точности и стабильности.
Применение в схеме опорного пьезорезистора, на который действуют все источники внешних возмущений из окружающей среды (температура, влажность и т.д.), что и на измерительные пьезорезисторы, кроме измеряемого давления, позволяет существенно снизить влияние окружающей среды на точность измерения.
Помимо перечисленных достоинств предлагаемая схема формирователя сигнала не подвержена влиянию изменения сопротивления соединительных проводов [23] за счёт использования источника тока, с одной стороны, и измерительных усилителей с высоким входным сопротивлением, равным практически бесконечности по сравнению с сопротивлением пьезорезисторов, с другой стороны.
Измерительные пьезорезисторы имеют такую ориентацию, что увеличение исследуемого давления приводит к увеличению сопротивлений одной пары и к уменьшению сопротивлений другой. Поэтому измеряя разность сопротивлений, можно получить выходной сигнал, характеризующий приложенное давление.
В работе [2] была предложена альтернативная петлевая схема формирователя сигнала для измерения на постоянном токе, которая во многом лишена недостатков, присущих мостовым схемам, в частности, мосту Уитстона. В работах [4, 42] авторы предложили использовать алгоритмы цифровой обработки данных с выходов петлевого формирователя сигналов, что позволило, наряду с повышением точности измерений, значительно расширить сферы применения данного формирователя, как для измерений на постоянном, так и переменном токе. В настоящей работе исследуются методы и алгоритмы цифровой обработки измерительной информации, снимаемой с выхода токовой петли, которые позволяют ещё больше повысить точность измерений без использования дополнительных измерительного оборудования и вычислительных мощностей.
Чтобы избежать использования прецизионных дорогостоящих операционных усилителей в схеме сбора данных в [4, 42] рассматривается более сложная математическая модель выходных сигналов измерительных (т) и опорного (г) каналов. При измерении на постоянном токе, когда импеданс параметрического датчика может считаться чисто активным ui=u(ti) = Ari(ti)+B + Zi, i = hN, (2.2.1) где А - амплитуда исследуемого сигнала; rj(ti) - точно известный закон модуляции возбуждающего контур петли тока; В - неизвестная систематическая составляющая сигнала, обусловленная наличием постоянных смещений операционных усилителей и элементов измерительного устройства, что необходимо для перевода выходного сигнала в диапазон от 0 до 5 В, требуемого АЦП; - погрешности измерений, обусловленные шумами электронных компонентов и помехами, действующими датчик и измерительное устройство; tt -моменты дискретизации; N - количество измерений в выборке.
Целью цифровой обработки информации является получение оценки параметра А канальных сигналов токовой петли. В случае применения генератора постоянного тока для возбуждения её контура, определить постоянное смещение В возможно только, если сигнал постоянного тока, возбуждающий петлю, будет модулирован с помощью некоторого знакопеременного закона rj(t), что следует из (2.2.1). Предполагается, что систематическое смещение В может быть принято постоянным по отношению к периоду модулирующего сигнала rj(t), а погреш 49 ности %І являются нормально распределенными величинами с нулевым математическим ожиданием и неизвестной дисперсией о2.
Авторы [42] предложили в качестве сигнала ц(ї) использовать альтернативную последовательность (меандр). В этом случае предполагается, что половина измерений в системе (2.2.1) имеет вид и;=А + В + &, (i = \,N/2), а другая -UJ=-A + B + 4J, (j = l,N/2). Получающиеся системы легко решаются совместно по ММП, который при нормальных ошибках совпадает с решением по методу наименьших квадратов (МНК). Это позволяет найти оптимальную в смысле минимума квадрата ошибки оценку информативного параметра А и отстроиться от паразитных систематических составляющих В.
Однако использование модулирующего сигнала типа меандр не обеспечивает точных оценок параметров А и В. Это происходит потому, что реальный сигнал имеет вид, схематично показанный на рис. 2.8, из которого видно, что далеко не все отсчёты имеют амплитуды + А. При этом, если период модулирующего сигнала Тт не кратен периоду дискретизации Ts, то на разных периодах будет проводиться различное число отсчётов сигнала, после чего решить систему (2.2.1) будет сложно, поскольку она станет нелинейной относительно информативного параметра [132].
Идеальный (пунктирная) и реальный (сплошная) сигналы типа меандр: Tm – период модулирующего сигнала, черными точками показаны дискретные отсчёты сигнала, Ts – период дискретизации Поэтому предлагается всегда проводить измерения, возбуждая петлю переменным током. Если используются чисто резистивные датчики, то частота сигнала должна быть порядка 10 50 Гц, чтобы реактивное сопротивление датчика было пренебрежимо мало по сравнению с его активным сопротивлением. Тогда сигнал, снимаемый с измерительного и опорного выходов, будет описываться моделью (2.2.2) [134]. Схематично он показан на рис. 2.9. Рисунок 2.9 - Сигнал с выхода датчика и его дискретные отсчёты При измерении на переменном токе, когда импеданс параметрического датчика смешанный (активный и реактивный) ul=u{tl) = Asm{cotl+(p)+B + i = ljj (2.2.2) где со - круговая частота генератора, задающего ток в контуре петли; ср - неизвестная фаза сигнала. Все остальные обозначения совпадают с уравнением (2.2.1). Модель (2.2.2) является исходной при разработке алгоритмов оптимальной цифровой обработки выходных сигналов измерительных и опорного датчиков. В работе [42] показано, что отклики датчиков не зависят от сопротивлений соединительных проводов. Кроме того, топология, предложенная в предыдущем разделе, сохраняет линейность функций отклика датчиков и существенно повышает чувствительность всей схемы в целом.
Описание конструкции емкостного датчика давления С целью упрощения конструкции данного вторичного преобразователя давления, снижения его стоимости с одновременным повышением точности измерения предлагается следующая методика измерения давления [135].
В настоящие время бурное развитие систем автоматического управления и диагностики летательных аппаратов повлекло за собой развитию составных частей таких систем, а именно датчикам давления. Альтернативой пьезорези-стивным и ёмкостным датчикам давления являются датчики, основанные на пьезорезонансном эффекте. Кварцевые пьезорезонансные датчики давления имеют высокую стабильность характеристик и высокую точность измерения давления при правильном выборе метода обработки выходного сигнала с первичного преобразователя давления.
В настоящее время направление, связанное с разработкой и производством датчиков давления с пьезорезонансными ЧЭ интенсивно развивается в России и за рубежом [24]. Преимуществом резонансных датчиков перед датчиками с ёмкостными и пьезорезистивными ЧЭ является высокая точность и стабильность характеристик, малое изменение частоты колебаний при воздействии температуры в широком диапазоне от -60 С до +150 С [3,6].
В главе рассматриваются вопросы применения ВП типа «петля синусоидального тока» в пьезорезонансных датчиках и методика обработки сигналов с его выходов, позволяющая повысить точность измерения давления.
Как было показано в главе 1, наибольшие распространение получили датчики с пьезорезонансными чувствительными элементами (ПЧЭ). В качестве ПЧЭ таких датчиков используется пьезоэлектрический резонатор из монокристаллического кварца, который представляет собой электромеханическую систему, работа которой основана на явлениях прямого и обратного пьезоэффекта, В ней объединены системы электрического возбуждения механических колебаний и съема электрического сигнала, пропорционально их амплитуде [6,9].
Интеллектуальный датчик давления предназначен для измерения избыточного давления неагрессивных жидкостей (топлива, масла и гидрожидкостей) и преобразования измеренного давления в цифровой код. Датчик оснащен термочувствительным элементом, который обеспечивает измерение температуры контролируемой среды, что позволяет компенсировать температурную погрешность датчика во всем диапазоне рабочих температур.
Воздействие измеряемого давления вызывает прогиб мембраны и изменение частоты кварцевого резонатора. Электрический сигнал от чувствительных элементов передаётся через гермовыводы на плату преобразователя, осуществляющую оцифровку и корректировку данных с выдачей выходного сигнала.
Конструктивно датчик выполнен в виде моноблока (рис. 4.1) [12,15,16] и состоит из следующих основных узлов и деталей: преобразователя избыточного давления со штуцером 1, четырёх печатных плат 2 с радиоэлементами, электрического соединителя3, кожуха 4. Печатные платы 2 крепятся на кронштейне преобразователя. Преобразователь соединен с платами через гермовывод 5. Кожух 4 приварен к штуцеру преобразователя с кронштейном.
Рисунок 4.1 - Конструктивная схема кварцевого пьезорезонансного датчика давления: 1 - преобразователь давления; 2 - комплект плат; 3 -электрический разъем; 4 - кожух; 5 - гермовывод; 6 - кварцевый резонатор; 7 - металлостеклянный корпус; 8 - мембрана; 9 - кремний-органическая жидкость; 10 - шарик; 11 - винт; 12 - кварцевый резонатор; 13 - кронштейн
Преобразователь избыточного давления состоит из кварцевого резонатора 6 абсолютного давления закрепленного в металлостеклянном корпусе, с разделительной мембраной 8. Внутренняя полость, образованная разделительной мембраной и металлостеклянным корпусом заполнена кремний-органической жидкостью 9. Герметизация ячейки после её заполнения жидкостью обеспечивается шариком 10 и винтом 11. Также в металлостеклянный корпус установлен кварцевый резонатор 12, измеряющий атмосферное давление через отверстие с установленным в нем фильтром.
Функциональная схема работы кварцевого пьезорезонансного датчика давления показана Функциональная схема пьезорезонансного датчика давления ИДД-И: РКМА – резонатор кварцевый манометрический абсолютного давления; РКТ – резонатор кварцевый термочувствительный; Г1 –генератор канала давления; Г2 –генератор канала температуры; МК – микроконтроллер; И – интерфейс; ИСН – импульсный стабилизатор напряжения.
Датчик работает следующим образом. При включении питания, запускаются генераторы каналов давления и температуры. Сигналы генераторов, частота которых пропорциональна измеряемому параметру, обрабатываются микроконтроллером, который реализует функции фильтрации, линеаризации и температурной коррекции характеристик чувствительных элементов, производит операции вычисления, управления обменом с внешними устройствами.
Процессор интеллектуального блока. В процессе поиска наиболее подходящими контроллерами, на которых построена схема блока сбора информации, были выбраны процессоры семейства MCS-51. Во-первых, архитектура серии MCS-51 является одной из самых распространенных в мире для решения задач небольшой вычислительной мощности, а во-вторых, выбор компонентов с модификацией Im позволяет работать в температурном диапазоне –40…+125 С.
Нижняя граница рабочей температуры не обеспечивает необходимые –55C, поэтому потребуется установка дополнительного подогрева процессора с контролем температуры запуска, поскольку память контроллера не сможет работать при температурах ниже допустимого характеристиками уровня.
Алгоритмы и программное обеспечение для пьезорезонансного датчика давления
Априорно полагается, что известна температура окружающей среды Т. Постановка задачи следующая: по снятому значению выходного сигнала и и известной температуре Т необходимо оценить значение входного давления Р. Кроме этого, полагаются известными характеристика датчика (5.2) и зависимости коэффициентов модели от температуры, задаваемые уравнениями (5.6).
Описание процедуры оценки измеряемого давления По известным коэффициентам с и температуре Т рассчитываются значения коэффициентов характеристики датчика Ъх на основании выражений (5.6) по схеме Горнера. Рассчитывается нулевое приближение искомого давления для чего зависимость (5.2) линеаризуется: и = Ь0+Ьг-Р. Откуда: P(0) = (u - boybh Нулевое приближение уточняется по методу Ньютона, используя следующее рекуррентное соотношение: P(i) = Рц-\) - h{P{i-\))l h {Рц-х)). Итерации продолжаются, пока не будет достигнута требуемая точность. Экспериментальные результаты калибровки пьезорезонансного датчика избыточного давления С целью проверки разработанной методики калибровки, обеспечивающей компенсацию температурной погрешности датчика давления, были проведены экспериментальные исследования, в которых проводилась калибровка опытных образцов пье-зорезонансных датчиков, описанных в последнем разделе предыдущем главы.
Для этого устанавливались различные температуры окружающей среды, когда датчики помещаются в камеры холода или нагревательные печи. После чего при заданной температуре производится измерение различных давлений из заданного диапазона. Пройдя весь диапазон температур и давлений с фиксированными шагами, можно установить зависимость показаний датчика от температуры.
Калибровка проводилась по методике, описанной в работе [47]. Измерялись выходные сигналы датчиков при заданных температурах -60 С, -40 С, - 20 С, 20 С, 40 С, 70 С, 100 С. При каждой из указанных температур давление изменялось с равномерным шагом 1,4 атм от 0,1 до 7,1 атм. Характерные результаты измерения показаны на рис. 5.2. Далее по полученным данным строились полиномиальные зависимости выходного сигнала датчика от приложенного давления. Адекватность выбранного полинома проверялась по критерию Фишера, для чего рассчитывалась дисперсия опыта в каждой точке с координатами Р,Т. Характерные полиномиальные зависимости и(Р) показаны на рис. 5.3.
Данные зависимости были найдены для всех указанных температур. После этого строились полиномиальные зависимости коэффициентов разложения а( (/=0,1,2) от температуры. Здесь уже степень полинома получалась различной для разных коэффициентов. Если для коэффициента a0 зависимость была кубической, то для коэффициента a2 она уже была большей степени (до 7) и варьировалась от датчика к датчику.
В главе дана постановка задачи разработки алгоритмического обеспечения для автоматизированного рабочего места оператора в АСУ ТП настройки и поверки интеллектуальных датчиков давления, которая предполагается к внедрению на ОАО ЭОКБ «Сигнал» им. А.И.Глухарева (г. Энгельс).
Далее была разработана методика построения математической модели зависимости выходного сигнала датчика от входного измеряемого давления и окружающей температуры в диапазоне температур от -50 С до 250 С.
Методика заключается в приближении экспериментальных данных полиномиальными зависимостями с последующим оцениванием коэффициентов данных полиномов.
Сначала строятся полиномы зависимости выходного сигнала датчика от давления (во всем рабочем диапазоне давлений) при заданной температуре, когда последняя фиксируется с заданным шагом.
На втором этапе строятся полиномиальные зависимости коэффициентов полученных ранее полиномов от температуры. Коэффициенты полученных полиномов заносятся в память процессора датчика и используются в дальнейшем для уточнения его показаний во время эксплуатации.