Вторичные преобразователи для тензометрических датчиков давления

Состояние вопроса и актуальность темы.

Необходимость измерения неэлектрических (механических, тепловых, химических, оптических, акустических) величин стала причиной разработки широкого спектра датчиков физических величин. Датчики физических величин являются первичными поставщиками информации о значениях различных физических величин и неотъемлемыми компонентами* различных информационно-измерительных систем — систем управления^ контроля, измерения, телеметрии. Фактически, датчики находятся на границе осведомленности человека о значениях параметров технических процессов.

В настоящее время датчики давления выпускаются большим количеством отечественных и зарубежных фирм: Метран, МИДА, НИИФИ, Endress&Houser, Trafag, Honeywell, Yokogawa, Omegadune, Druck, Fisher-Rosemount и др. Развитие и совершенствование датчиков непрерывно продолжаетсянаряду с механизацией и информатизацией на ближайшие '40 лет прогнозируется. третья промышленная1 революция — повсеместное внедрение датчиков.

Отечественная школа датчикостроения зародилась в середине XX в. Она представлена такими учеными, как A.M. Туричин, Д. И. Агейкин, П. В. Новицкий, П. П. Орнатский Ф.Е. Темников, М. А. Земельман, Т. М. Алиев, Б. С. Сотсков, К. Б. Карандеев, М. П. Цапенко, В. М. Шляндин, Э. К. Шахов, Е. П. Осадчий, Е. А. Мокров, Е. А. Ломтев и рядом других. Ими была разработана теория проектирования датчиков для измерения неэлектрических величин и опубликовано несколько фундаментальных монографий [21, 93, 110, 139], отражающих состояние развития датчико-преобразующей аппаратуры.

Прогресс в области элементной базы и средствах реализации вычислительных алгоритмов сделал возможным применение цифровых методов.

• 7 обработки измерительной информации непосредственно в самих датчиках, что привело к появлению нового класса измерительно-вычислительных устройств — цифровых вторичных преобразователей для тензометрических датчиков давления. В настоящее время вопросы разработки методики* проектирования цифровых вторичных преобразователей, построения их структур, определения требований к измерительному каналу температуры и теоретических пределов достижимых погрешностей, моделирования и реализации структур и алгоритмов коррекции погрешностей, проектирования встроенного программного обеспечения, коррекции одной из составляющих температурной погрешности датчика — температурной погрешности тока питания тензомоста, методики автоматизированной настройки цифровых вторичных преобразователей не являются достаточно проработанными, что обуславливает актуальность диссертационной работы.

Целью данной работы является совершенствование цифровых вторичных преобразователей тензометрических датчиков давления структурно-алгоритмическими методами путем использования возможностей цифровой обработки измерительнойчинформации.

Основными задачами исследования, вытекающими из поставленной цели, являются следующие:

1. Разработать методику модельно-управляемого проектирования цифровых вторичных преобразователей тензометрических датчиков.

2. Исследовать связь между характеристиками измерительных каналов давления и температуры в составе цифровых вторичных преобразователей с целью определения чувствительности измерительного канала температуры и температурной погрешности датчиков давления, достижимой цифровой обработкой измерительных сигналов.

3. Разработать имитационную модель с целью построения конечного автомата, необходимого для проектирования встроенного программного обеспечения цифрового вторичного преобразователя.

4. Провести анализ алгоритмов аппроксимации с целью определения времени выполнения вычислительных процедур цифровыми вторичными преобразователями.

5. Исследовать возможность коррекции одной из составляющих температурной погрешности датчика давления — температурной погрешности тока питания тензомоста — структурно-алгоритмическим способом.

Научная новизна работы:

1. Определены эмпирическая зависимость чувствительности измерительного канала температуры от максимума производной функции влияния температуры на измерительный сигнал тензометрического чувствительного элемента давления и зависимость неустранимой температурной погрешности датчика давления от погрешности измерения температуры чувствительного элемента.

2. Предложенспособ определения структуры и синтеза алгоритма работы цифрового вторичного преобразователя тензометрического датчика давления, отличающийся комплексным исследованием структуры и алгоритма имитационным моделированием.

3. Разработан структурно-алгоритмический способ автоматической коррекции одной из составляющих температурной погрешности датчикатемпературной погрешности тока питания тензомоста — отличающийся использованием цифро-аналоговой обратной связи в структуре цифрового вторичного преобразователя.

Практическая ценность работы:

1. Разработана инженерная методика модельно-управляемого проектирования цифровых вторичных преобразователей тензометрических 9 датчиков: давления, позволяющая снизить длительность разработки и повысить технические характеристики цифровых вторичных преобразователей.

2. Разработана имитационная модель структуры и алгоритма работы цифрового’вторичного преобразователя, позволяющая разрабатывать конечный автомат, необходимый, для проектирования встроенного программного обеспечения!

3. Разработана* инженерная' методика расчета чувствительности измерительного — каналатемпературы, необходимой/ для коррекции? температурной погрешности тензометрического датчика давления:

4. Разработана инженерная— методика" расчета границы, неисклю-ченной температурной погрешноститензометрических датчиков — давления-достижимой цифровой обработкой измерительных сигналов.

5. Решена-, задача снижения трудоемкости?, настройки цифровых вторичных преобразователей-тензометрических:датчиков давления за счет использования разработаннойинженерной методикш настройки, основанной на реализацииалгоритмоввычисления коэффициентов аппроксимирующих кривыхво встроенном программном обеспечении цифровыхвторичных преобразователей. Методика внедрена в опытное' производство тензометрических датчиков давления.

6. Предложена последовательность этапов проектирования-встроенного программного обеспечения цифровых вторичных преобразователейсвязанная с использованием автоматного программирования, позволяющаяуменьшить трудоемкость разработки встроенного программного обеспечения.

7. Разработаны, апробированы-и внедрены* в опытное производство алгоритмы коррекции нелинейности и температурной' погрешности тензометрических датчиков давления цифровыми вторичными преобразователями. Проведены испытания опытных образцов тензометрических датчиков давления, получены значения основной погрешности порядка 0,1% и температурной погрешности порядка 0,002 — 0,005%/°С.

На защиту выносятся:

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований функции влияния температуры на измерительный сигнал давления.

2. Способ определения структуры и синтеза алгоритма работы цифрового вторичного преобразователя, позволяющий получить минимальное значение температурной погрешности, отличающийсякомплексным исследованием структуры и алгоритма имитационным моделированием.

3. Структурно-алгоритмический способ автоматической коррекции одной из составляющих температурной погрешности датчика — температурной погрешности тока питания тензомоста — отличающийся использованием цифро-аналоговой обратной связи в структуре цифрового вторичного преобразователя.

Реализация работы и внедрение результатов:

На основе проведенных теоретических исследований и разработок внедрены в опытное производство датчики давления ДРЭ-001 и ДРЭ-003, алгоритмы коррекции нелинейности и температурной погрешности тензо-метрических датчиков давления и методика автоматизированной настройки ЦВП тензометрических датчиков давления. Результаты использовались при выполнении ОКР «Возрождение» и ОКР «МКС-Эксплуатация» в ОАО «НЕЙ физических измерений», г. Пенза.

Апробация работы:

По теме диссертации опубликовано 25 печатных работ, в том числе 4 работы в журналах их перечня ВАК. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

XXVIII Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых.

11 и специалистов «Датчики и Системы-2009» (г. Пенза, 2009 г.), Международной научной конференции «Компьютерные науки и информационные технологии-2009» (г. Саратов, 2009 г.), Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления, в технических системах-2009» (г. Пенза, 2009 г.), XXIX Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Датчики* и Системы-2010» (г. Пенза, 2010 г.), Международной научно-технической конференции «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации» (г. Пенза, 2010 г.), Отраслевой научно-технический конференции приборостроительных организаций Роскосмоса «Информационно-измерительные и управляющие системы-2010» (г. Королев, 2010 г.), XXX Межрегиональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Датчики и Системы-2011» (г. Пенза, 2011 г.), Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах-2011» (г. Пенза, 2011 г.), Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Компьютерные и информационные технологии в науке, инженерии и управлении-2011» (г. Таганрог, 2011 г.).

Содержание работы:

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, 5 приложений, изложена на 181 листе, содержит 85 рисунков, 8 таблиц.

6 Выводы.

6.1 Технические характеристики опытных образцов при проведении предварительных испытаний соответствуют требованиям ТЗ.

6.2 Программа предварительных испытаний СДАИ.406 239.134 ПМ 2 выполнена в полном объеме.

6.3 По результатам предварительных испытаний 1 этапа (протокол № 95/15 от 12.02.2009 г.) конструкторской документации датчика разности давлений ДРЭ 001 СДАИ.406 239.134 присвоена литера «О».

6.4 Объем и качество разработанной и представленной на предварительные испытания конструкторской документации достаточны для предъявления ее на согласование 2452 ВП МО.

6.3 Применяемые при проведении испытаний методики измерений и контроля параметров, стандартные и нестандартные средства измерений обеспечивают требуемую ТЗ точность измерений и контроля параметров.

7 Заключение.

7.1 По результатам предварительных испытаний опытного образца датчика откорректировать конструкторскую документацию для предъявления ее на согласование 2452 ВП МО.

Федеральное агентство по образованию «Утверждаю».

Государственное образовательное^{учреждение} высшего профессионального образования^{Пензенский} фсу дарственный университет"(ПГУ).

Ул. Красная, д. 40, г. Пенза, Россия, 440 026- тел/факс: (841−2) 56−51−22- E-mail: cnit@pnzgu.ruhttp://www.pnzgu.ru ОКПО 2 069 042, ОГРН 1 025 801 440 620, ИНН/ КПП 5 837 003 736/583701001.

СПРАВКА выдана Каткову Алексею Николаевичу в том, что его диссертационная работа «Вторичные преобразователи для тензометрических датчиков давления» выполнялась в рамках аналитической ведомственной целевой программы Министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2009;2011)»:

Мероприятие 2. Проведение фундаментальных исследований в области естественных, технических и гуманитарных наук. Научно-методическое обеспечение развития инфраструктуры вузовской науки. Наименование проекта: Проведение фундаментальных научных исследований свойств тонкопленочных нанои микроэлектромеханических систем при воздействии стационарных и нестационарных температур. Регистрационный номер: 2.1.2/10 274.

Результаты научных исследований Каткова А. Н. использованы при написании отчётов в 2011 г.

Начальник научно-исследовательского отдела ПГУ, к. т. н., доцент.

Руководитель НИР,.

Зав. кафедрой «Приборостроение», д.т.н., профессор

А.П. Чепасов.

В.А. Васильев.

Пензенского университета.

И. Волчихин 2011 г.