Исследование и развитие методов измерительного преобразования параметров струнных датчиков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Петров, Алексей Юрьевич

• Петров, Алексей Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Петров, Алексей Юрьевич

Оглавление.

Введение.

1 Обзор технологий преобразования параметров струнных датчиков

1.1 Исследование конструктивных и функциональных особенностей струнных датчиков.

1.1.1 Методы преобразования колебаний струны.

1.1.2 Методы возбуждения.

1.2 Обзор методов измерения параметров струнных датчиков.

1.2.1 Анализ методов измерения частотно-временных параметров.

1.2.2 Анализ принципов измерительного преобразования активного сопротивления.

1.2.3 Анализ характеристик затухания колебаний.

1.3 Сравнительный анализ приборов для работы со струнными датчиками

1.3.1 Классификация и характеристики приборов.

1.3.2 Обзор измерительных приборов для струнных датчиков.

1.3.3 Обобщение результатов обзора приборов для работы со струнными датчиками.

2 Анализ теоретических положений для решения задач преобразования параметров струнных датчиков.

2.1 Оптимизация спектрального распределения энергии колебаний струны в процессе возбуждения.

2.1.1 Оптимизация импульсного возбуждающего воздействия для формирования моногармонического колебания струны.

2.1.2 Исследование спектрального состава колебаний струны при различных формах импульса возбуждения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и развитие методов измерительного преобразования параметров струнных датчиков»

Технология измерений с помощью струнных датчиков весьма актуальна, когда речь идёт о контроле состояния таких гидротехнических и подземных сооружений как плотины, тоннели, мосты [1, 5, 22, 25, 27]. Долговечность и преимущества частотного характера выходной величины сделали датчики этого типа весьма распространенными и в нашей стране и за рубежом. Для преобразования параметров струнных датчиков многими производителями в нашей стране и за ру бежом выпускается специализированная аппаратура [41, 42, 43].

Теория и практика использования струнных датчиков достаточно развиты, так как в той или иной мере этими вопросами занимались с начала XX века (работы академика Н.Н. Давиденкова). Однако по мере накопления опыта эксплуатации стали возникать вопросы, связанные с точностью и надёжностью как самих датчиков, так и вторичных измерительных преобразователей. Это обусловлено в разной степени:

• длительным сроком эксплуатации датчиков, уже достигшим рубежа 40 лет;

• невозможностью периодической поверки тех датчиков, которые забетонированы в теле конструкций (так называемые закладные датчики);

• недостаточным совершенством технологии производства, допускающей разброс параметров датчиков в относительно широких пределах;

• повышением требований к надёжности конструкции;

• экономическими и политическими факторами.

В обоснование последнего заметим, что в последние 15-20 лет политико-экономические причины вызвали существенный спад промышленного производства в нашей стране, что не могло не сказаться негативно как на эксплуатируемом оборудовании, так и на всей технологической базе. Наметившийся в последнее время некоторый экономический подъём высветил множество проблем, накопившихся за это время. Многие важнейшие объекты требуют немедленного обновления старого и внедрения нового оборудования. Такая же ситуация сложилась со строящимися и вводящимися в эксплуатацию объектами. Определённая специфика производственных отношений в Российской Федерации, обусловленная в первую очередь её прошлым, дала возможность отечественным производителям наукоёмкого оборудования (в том числе и измерительного) развиваться и создавать конкурентоспособную продукцию.

В связи с этим видится перспективным провести исследование технологий и методов, используемых в системах, реализующих измерения с помощью струнных датчиков, с целью выявления путей и способов повышения точности и надёжности вторичной измерительной аппаратуры. Решение этих задач можно разделить на два направления: во-первых, создание методов, алгоритмов и оборудования, обладающих повышенной толерантностью к разбросу характеристик датчиков как начальных, так и вызванных старением; во-вторых, использование неосновных параметров датчиков для получения дополнительной информации об их состоянии, работоспособности и для выбора оптимальных характеристик алгоритмов измерения основного параметра.

Для измерения частоты (периода) колебаний струны датчика (основной параметр) применяются хорошо известные цифровые счётные методы, надёжные и сравнительно простые в реализации. Однако, в процессе старения работоспособность датчиков ухудшается, что сказывается на точности последующего измери- -тельного преобразования. Наиболее существенное влияние оказывают уменьшение амплитуды сигнала, увеличение скорости затухания, а также неосновные гармоники колебаний струны и наведённые помехи. Количественная, а иногда даже просто качественная оценка этих параметров может предоставить информацию о состоянии датчика. Другой важнейший параметр влияния - это температура. Для реализации температурной коррекции результатов измерения зарубежные конструкторы дополнительно встраивают в датчики; термопреобразователи, что приводит к усложнению их конструкции и схем включения - очевидно, приводящий к удорожанию путь, неохотно принимаемый отечественными разработчиками. Для решения этой задачи в реальных системах предпочитают использовать естественные конструктивные особенности датчиков.

Основные цели данной работы можно сформулировать как: 1. Развитие методов преобразования параметров струнных датчиков с целью повышения точности, надёжности измерений, увеличения срока эксплуатации и удешевления производства датчиков. В первую очередь это касается методов измерения частоты сигнала датчика, но также способов возбуждения колебаний и оценки состояния датчика по таким характеристикам сигнала как спектральный состав, коэффициент затухания, начальная амплитуда.

2. Формирование современных подходов к проектированию измерительной аппаратуры для струнных датчиков. Разработка структур и принципов функционирования программно-аппаратных элементов этих структур.

3. Получение объективной оценки предложенных мер путём проведения экспериментальных исследований.

В: связи i с основными целями в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Определение путей совершенствования измерительной аппаратуры для струнных датчиков (ИАСД) на основе результатов изучения функциональных и конструктивных особенностей датчиков, анализа методов измерения частотно-временных параметров сигналов и сопоставления существующих образцов данной аппаратуры.

2. Анализ и развитие спектрального метода измерения частоты для повышения его точности; и помехозащищённости применительно к многообразию реальных сигналов струнных датчиков.

3. Исследование и оптимизация частотно-временных характеристик импульса возбуждения колебаний струны с целью улучшения распределения энергии гармоник.

4. Исследование методов и создание алгоритмов для оценки параметров затухания сигнала датчика.

5. Разработка и совершенствование структурной реализации измерительной аппаратуры для струнных датчиков и соответствующего программного обеспечения.

Научная новизна работы в основном связана с развитием методов преобразования параметров струнных датчиков и заключается в следующем:

1. Усовершенствован спектральный метод измерения частоты сигнала с использованием интерполяции дискретного спектра, основанной: на оконном взвешивании.

2. Предложены теоретически обоснованные методы оптимизации возбуждающего воздействия с целью усиления основной и подавления кратных гармоник колебаний струны.

3. На основании анализа погрешности даны рекомендации по улучшению помехоустойчивости алгоритмов измерения параметров затухания.

Практическую значимость представляют алгоритмические, программные и аппаратные разработки, выполненные в рамках работы, в частности:

1. Разработаны алгоритмы и соответствующее программное обеспечение, реализующие предложенный вариант спектрального метода измерения частоты и оптимизированные для встраиваемых микропроцессорных устройств.

2. Предложены и реализованы на практике алгоритмы и программное обеспечение для измерения коэффициента затухания колебаний струны датчика на основе анализа средневыпрямленного значения сигнала отклика.

3. Созданы многоканальная автоматизированная система и автономный многофункциональный прибор, использующие предложенные методы измерительного преобразования параметров струнных датчиков.

Также практическую ценность, представляют результаты реализации и внедрения, а именно при непосредственном участии автора созданы современные промышленные образцы аппаратуры для измерительных систем, использующих струнные датчики, в том числе:

• на Бурейской и ряде других ГЭС внедрены в эксплуатацию в системе контроля состояния плотины восемь автономных приборов и специализированное программное обеспечение, разработанное автором;

• в Санкт-Петербургском Метрополитене на участке размыва с июля 2004г в эксплуатации находится автоматизированная измерительная система, использующая более ста струнных датчиков для контроля состояний тоннелей.

Положения, выносимые на защиту:

1. Метод измерения частоты сигнала на базе спектрального анализа с использованием интерполяции дискретного спектра, основанной на оконном взвешивании.

2. Алгоритм измерительного преобразования, реализующий разработанный вариант спектрального метода измерения частоты.

3. Методика оптимизации импульсного возбуждения датчика по критерию сосредоточения максимума энергии колебаний в области основной гармоники.

4. Алгоритмическое и программное обеспечение для использования в разработанных системах и приборах, реализующих измерительное преобразование параметров струнных датчиков.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав и заключения. Во введении обосновывается актуальность проблемы, определяется предмет, формулируются цель и задачи исследования.

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Петров, Алексей Юрьевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Задачей настоящей диссертационной работы являлось исследование и развитие методов вторичного измерительного преобразования параметров струнных датчиков с целью повышения точности и достоверности измерений, а также анализ устоявшихся и формирование новых подходов к проектированию измерительной аппаратуры для струнных датчиков с точки зрения принципов функционирования программно-аппаратных комплексов.

Для решения этой задачи было выполнено следующее:

1. На основании изучения функциональных особенностейi струнных датчиков, анализа методов измерения частотно-временных параметров сигналов и обзора представленной на рынке измерительной аппаратуры для струнных датчиков определены направления совершенствования данной аппаратуры.

2. Предложена методика оптимизации частотно-временных характеристик импульса возбуждения струнных датчиков с целью усиления основной и подавления кратных гармоник колебаний струны. Эффективность данной методики подтверждена результатами модельных исследований распределения амплитуд гармоник для традиционно используемых в промышленной аппаратуре и предложенных оптимальных воздействий.

3. Развит спектральный метод измерения;частоты с использованием "оконной" интерполяции применительно к сигналам струнных датчиков. Проведены сравнительные исследования соответствующих алгоритмов с использованием цифровой,. сплайновой - и. "оконной" интерполяций; подтверждающие эффективность предложенного метода в условиях ограниченного времени: наблюдения. На основании экспериментальных исследований сделано заключение о возможности практического применения спектрального метода на базе "оконной" интерполяции с использованием окна Блэкмана и его преимуществах по сравнению с классическими счётно-импульсными методами.

4. В результате исследования методов измерения коэффициента затухания колебаний струны получены аналитические зависимости случайной относительной погрешности измерения от погрешности, представления мгновенных значений сигнала датчика для методов измерения по амплитудным, среднеквадратическим и средневыпрямленным значениям. Отмечен ряд преимуществ метода измерения по средневыпрямленным значениям. Выполнен анализ погрешности алгоритма при использовании различных усредняющих фильтров. Отмечено, что результаты проведённых экспериментальных исследований соответствуют расчетным, и даны рекомендации по повышению помехозащищённости алгоритма измерения коэффициента затухания. Созданы и исследованы алгоритмы и программное обеспечение, реализующие предложенные методы измерения частоты и коэффициента затухания сигнала отклика струнного датчика.

Предложены структурные схемы, реализующие программно-аппаратный комплекс измерительных систем и приборов для преобразования параметров струнных датчиков.

На основании выполненных в диссертационной работе исследований методов измерения и проектирования аппаратуры для измерительных систем, использующих струнные датчики, были созданы и внедрены на Бурейской и ряде других ГЭС, а также в Санкт-Петербургском Метрополитене промышленные образцы таких систем. Приведены основные технические характеристики и структуры данных систем, а также результаты их практического применения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Петров, Алексей Юрьевич, 2004 год

1. Аш Ж. и соавторы. Датчики измерительных систем: В 2-х книгах. Кн. 1. Пер. с франц. - М.: Мир, 1992. - 280 е., ил.

2. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1981, 706 с

3. Введение в цифровую фильтрацию. Под ред. Л. Якименко. Русское издание. М.: Мир. 1977. 21 с.

4. Волгин Л.И. Аналоговые операционные преобразователи дли измерительных приборов и систем. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 208 е., ил.

5. Гутников.В.С.-Интегральная электроника в измерительных устройствах. 2-е издание, переработанное и дополненное. JI.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1988.-304 с.

6. Гутников, B.C. Фильтрация измерительных сигналов. Л.: Энергоатомиздат: Ленингр. отд-ние, 1990 .— 191 е.: ил.

7. Иродов И.Е. Основные законы электромагнетизма. Учебное пособие для студентов вузов. 2-е издание, стереотипное. М.: Высшая школа, 1991, 289 с.

8. Ю.Кирианаки Н.В., Гайдучок P.M. Цифровые измерения частотно-временных параметров сигналов. Львов, " Вища школа", издательство при Львовском Университете, 1978. 168 с.

9. Клементьев А.В., Петров А.Ю., Дурчева В.Н., Загрядский И.И. Вторичный прибор для струнных датчиков. "Датчики и системы" №6,2004

10. Ковшов В.Д. Разработка и исследование измерительных устройств параметров резистивных датчиков на основе амплитудно-импульсной модуляции. Диссертация на соискание учёной степени к.т.н. ЛПИ 1981 г., 247 с.

11. Курант Р., Гильберт Д. Методы математической физики. Том 1. Издание третье, исправленное М; Л: Гостехиздат, 1951. - 476 с.

12. Курант Р., Гильберт Д. Методы математической физики. Том 2. Издание третье, исправленное М; Л: Гостехиздат, 1951. - 544 с.

13. Кушнир Ф.В. Электрорадиоизмерения: Учебное пособие для вузов. Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1983. - 320 е., ил.

14. Лабутин С.А., Пугин М.В. Анализ сигналов и зависимостей. Н. Новгород. 2001.

15. Несис Е.И. Методы математической физики. Учебное пособие для студентов факультетов педагогических институтов. М.: "Просвящение", 1977, 199 стр. с ил.

16. Никольский С.М. Курс математического анализа. Том 2: Учебник. Издание третье, переработанное и дополненное. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983,448 с.

17. Новиков Л.В. Основы вейвлет-анализа сигналов. Учебное пособие. ИАнП РАН. 1999. 152 е.: ил.

18. Новицкий П.В., Кнорринг В.Г., Гутников B.C. Цифровые приборы с частотными датчиками. Л., "Энергия", 1970. 424 с. с рис.

19. Проектирование датчиков для измерения механических величин/Под редакцией Осадчего Е.П. — М.: Машиностроение, 1979. -480 е., ил.

20. Райзберг Б.А. Диссертация и ученая степень. Пособие для соискателей. 3-е изд., доп. - М.:ИНФРА-М, 2003. — 411 с

21. Северов А.П. Импульсное возбуждение струн в струнных датчиках. Приборы и системы управления № 3, 1968 г., с 9-11.

22. Справочник по элементарной математике, механике и физике. Под. ред. Н.И. Кузнецова. Издание двенадцатое. Минск: "Наука и техника", 1973, 215 с.

23. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. Издание 5-е, стереотипное, учебное пособие для высших учебных заведений. — М.: Главная редакция физико-математической литературы издательства "Наука", 1977, 736 стр.

24. Харкевич А.А. Борьба с помехами. Издание второе, исправленное. —М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1965,275 с

25. Хоровиц П., Хилл У; Искусство схемотехники. Издание 5-ое, переработанное. М.: Мир, 1998. 704 с.

26. Электроника: Справочная книга. Под ред. Ю.А. Быстрова. СПб.: Энерго-атомиздат. Санкт-Петербургское отделение, 1996. 544 с.

27. Gleb Gubler, Valentin Gutnikov. DFT-based Method for Accurate Determination of Fundamental Hannonic Parameters within Periodic Signal

28. Improving ADC Resolution By Oversampling and Averaging. Silicon Laboratories. Application Notes. AN118. (www.silabs.com)

29. Performance for Standard Library Math Routines. CIP-51. (www.silabs.com)

30. J.C.A. Wavers. Mathematics formulary. 06.01.2002. http://www.xs4all.nl/~iohanw/index.html

31. Mixed-signal processing design seminar. Analog Devices technical reference books. 1991.3 8. Rorabaugh, C.B. Digital Filter Designer's Handbook. TAB Books. Blue Ridge Summit. 1994. 332 c.

32. Saeed V. Vaseghi. Advanced Digital Signal Processing and Noise Reduction, Second Edition. Copyright © 2000 John Wiley & Sons Ltd. ISBNs: 0-471-62692-9 (Hardback): 0-470-84162-1 (Electronic)

33. William H. Press, Saul A. Teukolsky, William T. Vetterling, Brian P. Flannery. Numerical Recipes in C. The Art of Scientific Computing. Second Edition. CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS, 1992. p. 994

34. WWW: http://www.geokon.com

35. WWW: http://www.roctest.com/rocteIemac

36. WWW: http://www.rstinstruments.com

37. WWW: http://www.encardio.com

38. WWW: http://www.campbellsci.ca

39. WWW: http://www.datataker.com

40. Каталог электронных компонентов фирмы Analog Devices (www.analog.com).

41. Каталог электронных компонентов фирмы Linear Technology (www.linear.com).

42. Каталог электронных компонентов фирмы Philips Semiconductors (www.semiconductors.philips.com).

43. Каталог электронных компонентов фирмы Silicon Laboratories (www.silabs.com)