Синтез функций преобразования измерительных приборов для контроля давления по заданному пределу приведенной погрешности

Методы разработки прецизионных приборов контроля и измерения давления с пределом приведенной погрешности менее ±0.1% являются предметом пристального изучения производителей контрольно-измерительных приборов. Спрос на подобные приборы растет с каждым годом, в связи с развитием промышленного производства и расширением сферы услуг в нашей стране. В полной мере это относится к исследовательской и практической деятельности, основанной на использовании приборов измерения давления для учета газообразных и жидких энергоносителей, измерения глубины погружения технических и биологических объектов [87], проведения водолазных работ, контроля расхода газовоздушных смесей при работе аппаратов искусственной вентиляции легких и т. п. Диапазон измеряемых давлений составляет от единиц кПа до десятков МПа.

С развитием полупроводниковой электроники в области промышленного производства приборов измерения значительную часть занимают тензорезистивные диффузионные первичные измерительные преобразователи (ПИП) давления. Это обусловлено развитой технологией производства чувствительных элементов ПИП — кремниевых кристаллов с внедренными в них (методами ионной имплантации) кремниевыми тензорезисторами, соединенными в мостовую схему тончайшими алюминиевыми проводниками. Такие ПИП способны удовлетворительно преобразовывать измеряемый параметр в температурном диапазоне от -60°С до +125°С, характеризуются высокой чувствительностью, имеют малый гистерезис, доступны широкому кругу потребителей в связи с относительно низкой стоимостью. Но в процессе промышленного производства статические характеристики, определяющие нелинейность по давлению и температурный дрейф, каждого ПИП становятся уникальными.

Существующие методы разработки контрольно-измерительных приборов давления (КИПД) базируются на трех принципах обработки измерительного сигнала ПИП: аналоговая обработка, цифровая обработка и смешанная аналого-цифровая обработка. Работы Мирского Г. Я.(1984), Гутникова В.С.(1990), Харта Х.(1999), Классена К.Б.(2002), Дж. Фрайдена (2005), показывают, что в настоящий момент в данной области науки и техники преобладают алгоритмы смешанной (аналоговая — первичная, цифровая — вторичная) обработки выходного сигнала.

С развитием серийного производства средств обработки измерительной информации (микропроцессоров), позволившего отечественным исследователям предложить схемотехнические решения и алгоритмические методы обработки данных для линеаризации функции преобразования (ФП) измерительного прибора (С.Ю. Иванов, В. К. Суходолец, С. П. Качалов, Т. Е. Карталова, 1990), проблема была частично решена. Однако, отсутствие элементов преобразования аналогового сигнала в цифровой с высокой степенью верности, неопределенная методика определения ФП прибора, неопределенная методика получения градуировочной характеристики прибора, не позволили наладить выпуск КИПД с приведенной погрешностью не более ±0.1% в условиях промышленного производства.

Таким образом, решение проблемы синтеза функций преобразования КИПД с заданным пределом приведенной погрешности измерения является актуальной задачей по повышению качества КИПД в условиях одновременной градуировки партии КИПД.

Цель диссертационной работы: обеспечение заданной приведенной погрешности контрольно-измерительных приборов давления на основе тензорезистивных диффузионных ПИП с различными параметрами нелинейности и температурной чувствительности, в условиях промышленного производства.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: провести анализ существующего алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных и неинформативных измерительных сигналов в КИПД разработать математическую модель тензорезистивного диффузионного ПИП давления разработать методику синтеза систематизированного набора функций преобразования для каждого КИПД по его уникальной градуировочной характеристике разработать методику определения наименее сложной функции преобразования для каждого КИПД. разработать ИП позволяющий обрабатывать измерительный сигнал ПИП по наименее сложной функции преобразования для обеспечения заданной приведенной погрешности измерения разработать алгоритмическое и программно-техническое обеспечение получения градуировочных характеристик партии КИПД.

Теоретические методы решения поставленных задач основаны на применении методик системотехники (А.Д.Холл, 1975), теории точности (В.Я. Розенберг, 1975), теории измерений (Я. Пиотровский, 1989) и регрессионного анализа (Н.Н. Калиткин, 1978), (Н.С. Бахвалов и др. 1987). Экспериментальные методы исследования заключались в разработке рабочих макетов приборов, с проведением испытаний на точность и надежность в рабочем диапазоне температур и давлений при наличии внешних воздействующих факторов: статического давления, атмосферного давления, тепловых ударов.

Первая глава посвящена анализу современного состояния проблемы, здесь рассматривается конструкция и технология сборки первичного тензорезистивного диффузионного измерительного преобразователя давления. Показано, что уникальность статических характеристик (имеющих сильную температурную зависимость) каждого ПИП давления, является следствием не только процесса производства чувствительных элементов, но и технологии сборки ПИП давления. Дается обзор методов обработки измерительных сигналов. Значительное место уделено рассмотрению элементов существующих КИПД, позволяющих учесть особенности аналого-цифровой обработки измерительных сигналов КИПД. Показано что, регрессионная ФП КИПД не может однозначно определятся коэффициентами.

Во второй главе ставится задача поиска наилучшей ФП КИПД, разрабатывается математическая модель ПИП давления в общем виде. На основе статических характеристик ПИП математическая модель трансформируется в регрессионную математическую модель, которая является основой для алгоритма формирования тезауруса регрессионных функций преобразования КИПД. Сформированные ФП систематизируются по разработанному показателю сложности ФП. Показатель сложности организован на весовой конкатенации степеней аппроксимирующих полиномов, образующих регрессионную ФП КИПД. Производится сортировка ФП в тезаурусе по возрастанию сложности. На основе заданного предела приведенной погрешности производится поиск такой ФП, которая обеспечивает расчет значения давления, с использованием значений напряжений ПИП из градуировочной характеристики, с приведенной погрешностью равной или меньше заданного предела.

Разрабатывается структурная и функциональная схемы измерительного преобразователя КИПД, предназначенного для выполнения функций сбора данных при определении градуировочной характеристики КИПД в режиме градуировки, а также для обработки измерительных сигналов ПИП по ФП в режиме измерения и контроля давления.

В третьей главе разрабатывается алгоритмическое и программно-техническое обеспечения для определения градуировочных характеристик КИПД, а также для решения задачи синтеза наилучшей ФП по методике, разработанным во второй главе.

Четвертая глава посвящена методам функционального контроля ИП, результатам стендовых испытаний КИПД, построенных с использованием теоретических положений, разработанных во второй главе и алгоритмического и программно-технического обеспечений, разработанных в третьей главе. Приведены характеристики оборудования, которое обеспечивает процесс получения градуировочных характеристик КИПД. Рассматривается блок-схема алгоритма программы функционального контроля ИП КИПД.

В заключении работы приведена общая характеристика работы и основные выводы по результатам диссертации.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Показатель сложности регрессионной функции преобразования КИПД, основанный на конкатенации степеней аппроксимирующих полиномов.

2. Систематизация регрессионных функций преобразования КИПД по показателю сложности.

3. Постановка и решение задачи определения регрессионной функции преобразования с наименьшей сложностью (из систематизированного набора) по заданному пределу приведенной погрешности, при выполнении условий приближения ФП к линейной идеализированной функции в среднеквадратическом.

4. Алгоритмическое и программно-техническое обеспечение процесса обработки измерительных сигналов ПИП информативных и неинформативных внешних воздействующих факторов в процессе определения градуировочных характеристик множества КИПД, с целью синтеза индивидуальной наименее сложной регрессионной функций преобразования для каждого КИПД.

Выводы.

В четвертой главе рассмотрены проблемы функционального контроля измерительных преобразователей КИПД, дан обзор средствам градуировки и поверке КИПД. Приведены результаты стендовых испытаний для КИПД малых давлений. Рассмотрены вопросы дальнейшей работы. Получены следующие результаты:

1. Разработана методика и средства программирования памяти программ микроконтроллера измерительного преобразователя КИПД.

2. Разработана методика и средства тестирования функционирования программного обеспечения микроконтроллера измерительного преобразователя КИПД.

3. Приведены характеристики оборудования для получения градуировочных характеристик и проведения поверки КИПД.

4. Приведены результаты стендовых испытаний КИПД на предмет определения передела приведенной погрешности. Предел приведенной погрешности, полученный в результате проведения стендовых испытаний совпадает с пределом приведенной погрешности, полученным расчетным путем. Различия наблюдаются только в характере распределения погрешности в заданном диапазоне температур и давлений.

5. Названы нерешенные вопросы, намечены пути их решения.

Заключение

Основные результаты диссертационной работы.

В работе рассмотрены принципы синтеза наилучших (наименее сложных) функций преобразования контрольно-измерительных приборов давления по заданному пределу приведенной погрешности. Получены следующие результаты:

1. Разработан и обоснован показатель сложности регрессионных ФП измерительного прибора, основанный на весовой конкатенации степеней аппроксимирующих полиномов.

2. Разработан метод систематизации ФП измерительного прибора по показателю сложности.

3. Выполнена постановка и решена задача определения наилучшей ФП, обладающей наименьшей сложностью, по заданному пределу приведенной погрешности.

4. Разработан промежуточный измерительный преобразователь, работающий в режиме сбора данных при определении градуировочной характеристики прибора, и режиме обработки измерительных сигналов ПИП при измерении давления.

5. Разработано алгоритмическое и программно-техническое обеспечение одновременного определения градуировочных характеристик партии приборов, а также синтеза индивидуальных наилучших ФП каждого измерительного прибора в партии.

6. Разработан контрольно-измерительный прибор давления (с функцией преобразования минимальной сложности), обладающий двумя выходными интерфейсами (цифровым и аналоговым работающими одновременно), с допускаемой приведенной погрешностью в пределах ±0.1%.

Разработка теоретических положений синтеза наилучших функций преобразования КИПД по заданному пределу приведенной погрешности стала возможной благодаря комплексному использованию теоретических и экспериментальных методов исследования.

Разработанные методические положения и новые технические решения опробованы экспериментально. Экспериментальные исследования метрологически обеспечены и проводились на экспериментальной базе предприятия заказчика. Информационно-измерительные системы давления опробованы и прошли стендовые испытания.

Практическая и научная полезность результатов диссертационной работы.

Разработанные в диссертационной работе новые методы, алгоритмы, схемотехнические решения позволяют уменьшить издержки производства контрольно-измерительных приборов давления, улучшить параметры точности и стабильности их работы. Схемотехнические методы и алгоритмы могут быть использованы при проектировании контрольно-измерительных приборов других физических и технических величин, например, температуры, объемного или массового расхода и др.

Приведенные в работе результаты экспериментальных работ представляют практический интерес при синтезе новых и модернизации известных устройств и методов измерения давления, позволяют уточнить представление о протекающих процессах, сопутствующих процессам градуировки контрольно-измерительных приборов давления.

Основные научные и практические результаты работы докладывались и обсуждались на Седьмой, Восьмой, Девятой научных сессиях аспирантов ГУАП (Санкт-Петербург 2004;2006 гг.). Исследования были поддержаны грантом: грант правительства Санкт-Петербурга для студентов и аспирантов вузов и академических институтов 2004 г. «Проблема цифровой коррекции погрешностей некомпенсированных тензопреобразователей». Результаты диссертационной работы использованы при выполнении следующих НИР: НИР (ГР 1 040 000 827) «Контроллер интеллектуального преобразователя давления», НИР (ГР 1 200 500 740) «Разработка методики и аппаратно-программных средств для автоматизированного рабочего места калибровки преобразователя дифференциального давления», НИР (ГР 1 200 600 819) «Разработка технических средств рабочего места функционального контроля микропроцессорных преобразователей абсолютного и избыточного давлений». Результаты работы по НИРам внедрены в ЗАО «Тимос» в области производства интеллектуальных датчиков давления с заданным пределом приведенной погрешности не более ±0.1%.

Внедрение результатов диссертации подтверждено соответствующими актами, копии которых даны в приложениях к диссертации.