Исследование метрологических характеристик и разработка методов автоматической коррекции погрешностей механических резонаторных преобразователей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.15, кандидат технических наук Юрин, Александр Игоревич

• Юрин, Александр Игоревич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Юрин, Александр Игоревич

СПИСОК АББРЕВИАТУР.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1.

МЕХАНИЧЕСКИЕ РЕЗОНАТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ.

1.1 Особенности преобразователей с частотно - модулированным выходным сигналом.

1.2 Основные типы датчиков с частотно-модулированным выходным сигналом.

1.3 Механические резонаторные преобразователи.

1.4 Режимы работы механических резонаторов.

1.5 Принцип действия и разновидности струнных резонаторных преобразователей.

1.1 Погрешности механических резонаторных преобразователей.

1.7.1 Дополнительная температурная погрешность.

1.7.2 Энергетическая погрешность.

1.7.3 Влияние упругого последействия.

1.7.4 Погрешность от флуктуации частоты.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2.

МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1 Номенклатура метрологических характеристик.

2.2 Основные принципы автоматической коррекции погрешностей измерительных устройств.

2.2.1 Метод вспомогательных измерений.

2.2.2 Метод тестовых сигналов.

2.3 Методы суммирования погрешностей.

2.4 Применение методов регрессионного анализа для идентификации функции преобразования.

2.4 Применение методов дисперсионного анализа для оценки значимости влияющих факторов.

2.5 Применение методов расчёта теплопроводности твёрдых тел для оценки температурной погрешности преобразователей.

2.6 Методы составления уравнений движения колебательных систем и расчёта собственной частоты колебаний резонаторов.

2.7 Основные принципы уменьшения погрешности от воздействия вибрации на преобразователи физических величин.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕХАНИЧЕСКИХ

РЕЗОНАТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.

3.1 Анализ функции преобразования механических резонаторных преобразователей и выбор аппроксимирующих функций.:.

3.2 Исследование дополнительной температурной погрешности механических резонаторных преобразователей в стационарном режиме .61 3.2 Исследование температурной погрешности в нестационарном режимебб

3.3 Исследование дополнительной погрешности от воздействия вибрации.

3.3.1 Выбор типа виброзащиты и моделей виброизоляторов.

3.4 Исследование устойчивости конструкции механических резонаторов к возникновению параметрических колебаний.

3.5 Исследование дополнительной барометрической погрешности.

3.6 Исследование степени влияния применяемого оборудования ИИС на результаты измерений методами дисперсионного анализа.

3.6 Исследование функции преобразования различных АЦП и погрешности нелинейности.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1 Разработка информационно — измерительной системы, предназначенной для работы с механическими резонаторными преобразователями.

4.2 Разработка программного обеспечения для измерения частоты сигнала и коррекции погрешностей механических резонаторных преобразователей.

4.3 Исследование метрологических характеристик разработанной ИИС.

4.3.1 Исследование систематической составляющей погрешности.

4.3.2 Исследование вариации.

4.3.3 Исследование случайной составляющей погрешности.

4.3.4 Исследование дополнительной температурной погрешности.

4.3.5 Исследование прогрессирующей составляющей погрешности.

4.4 Внедрение результатов работы в учебный процесс.

4.5 Перспективы внедрения результатов работы в промышленности.

Выводы по главе 4.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование метрологических характеристик и разработка методов автоматической коррекции погрешностей механических резонаторных преобразователей»

Актуальность темы. На современном этапе развития измерительной техники точность воспроизведения эталона частоты является наиболее высокой по сравнению с эталонами других физических величин, поэтому метрологические характеристики измерительных преобразователей с частотно — модулированным выходным сигналом выгодно отличаются от характеристик датчиков с амплитудно-модулированным сигналом.

По виду физического явления, положенного в основу работы, все датчики с частотным выходом можно разделить на четыре группы:

1. Резонаторные датчики

2. Датчики с нерезонирующими частотно-зависимыми системами

3. Интегрирующие датчики

4. Статистические датчики Резонаторные датчики обладают рядом преимуществ:

• высокая добротность резонаторов даёт возможность существенно повысить точностные характеристики датчиков;

• имеется возможность включения в схему автогенератора для получения непрерывного выходного сигнала;

• отношение сигнал-шум намного выше, чем у датчиков других рассмотренных групп.

Эффективность рассмотренных резонаторов с точки зрения их использования для построения высокоточных датчиков показывает, что для практического применения наиболее предпочтительными являются механические резонаторы. При достаточно высокой добротности и стабильности частоты они отличается технологичностью, относительно низкой стоимостью и универсальностью применения.

Однако, при всех вышеперечисленных достоинствах механические резонаторные преобразователи обладают рядом ограничений. Прежде всего, это высокая чувствительность к воздействию внешних факторов, таких, как температура, давление, вибрация и т. д., что приводит к появлению дополнительных погрешностей в реальных условиях эксплуатации. Устранение этих погрешностей путём уменьшения технологических допусков, усложнения конструкции и тщательного подбора материалов приводят к существенному росту стоимости изготовления преобразователей.

Функция преобразования большинства механических резонаторных преобразователей нелинейна, что затрудняет обработку результатов измерений и приводит к необходимости работы на малом участке характеристики. Линеаризация же функции преобразования путем введения просчитанной асимметрии конструктивных элементов преобразователя, а также путем введения в его структурную схему предварительных механических линеаризаторов или различных корректирующих устройств неизбежно приводит к существенному усложнению конструкции механической части преобразователя или его электронной схемы.

Характеристики преобразователя индивидуальны и изменяются с течением времени, а их коррекция очень трудоёмка, требует наличия точного механизма настройки и квалифицированного персонала.

С появлением средств вычислительной техники появляется возможность устранения этих недостатков с помощью методов обработки информации и автоматизации коррекции погрешностей, поэтому исследование метрологических характеристик механических резонаторных преобразователей и пересмотр ранее сформулированных требований является актуальной задачей.

Целью работы является разработка методики улучшения метрологических характеристик измерительных устройств с механическими резонаторными преобразователями путем применения современных средств вычислительной техники.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• Исследовать температурную погрешность механических резонаторных измерительных преобразователей в стационарном и нестационарном режимах;

• Исследовать погрешность механических резонаторных преобразователей, обусловленную воздействием вибрации;

• Исследовать возможность применения современных персональных ЭВМ для создания информационно-измерительных систем, работающих с механическими резонаторными преобразователями;

• Разработать методику автоматической коррекции основных и дополнительных погрешностей механических резонаторных преобразователей с использованием результатов исследований метрологических характеристик.

Научная новизна работы

1. Разработаны математические модели для оценки влияния внешних условий (температура, вибрация) на погрешности механических резонаторных преобразователей;

2. Разработана методика автоматической коррекции основных и дополнительных погрешностей механических резонаторных преобразователей, базирующаяся на использовании методов образцовых сигналов и вспомогательных измерений;

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований метрологических характеристик механических резонаторных преобразователей, которые позволили выявить оптимальные способы уменьшения погрешностей;

4. Разработаны обобщенные алгоритмы коррекции основных и дополнительных погрешностей измерительных устройств на основе механических резонаторов.

Практическая ценность работы

• Разработаны алгоритмы коррекции дополнительных погрешностей, позволяющие применять механические резонаторные преобразователи при изменяющихся условиях эксплуатации;

• Разработан и реализован алгоритм обработки измерительной информации, позволяющий компенсировать нелинейность функции преобразования механических резонаторных преобразователей без изменения конструкции;

• Экспериментально доказана возможность применения мультимедийной ЭВМ для создания информационно-измерительных систем, реализующих ввод и анализ сигналов механических резонаторных преобразователей;

• Разработано программное обеспечение для проведения измерений частоты сигнала и автоматической коррекции погрешностей механических резонаторных преобразователей, применение которого позволило уменьшить основную и дополнительную температурную погрешность рассмотренного резонаторного преобразователя угла наклона более чем на порядок.

На защиту выносятся:

• Комплекс математических моделей для оценки влияния внешних условий на погрешности механических резонаторных преобразователей;

• Разработанная методика применения современных вычислительных средств для совершенствования метрологических характеристик измерительных устройств на основе механических резонаторов;

• Результаты проведенного теоретического и экспериментального исследования метрологических характеристик механических резонаторных преобразователей.

Заключение диссертации по теме «Метрология и метрологическое обеспечение», Юрин, Александр Игоревич

Ю.Результаты работы внедрены в научно-исследовательскую работу по теме: шифр 2006-РИ-16.0/024/122 «Научно-организационное, методическое и техническое обеспечение организации и поддержки научно-образовательных центров в области управления качеством и осуществление на основе комплексного использования материально-технических и кадровых возможностей совместных исследований и разработок».

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана методика идентификации функции преобразования механических резонаторных преобразователей и автоматической коррекции систематической погрешности с применением современных средств вычислительной техники;

2. Разработан алгоритм автоматической коррекции температурной погрешности дифференциальных механических резонаторных преобразователей, отличающийся тем, что один из резонаторов служит для определения значения входного сигнала, а второй используется в качестве измерителя температуры и выработки корректирующего сигнала;

3. Разработана математическая модель для расчета зависимости дополнительной температурной погрешности механических резонаторных преобразователей от особенностей конструкции и внешних условий;

4. Проведено теоретическое и экспериментальное исследование метрологических характеристик механических резонаторных преобразователей на примере струнных преобразователей линейно-угловых перемещений, что позволило разработать обобщенные алгоритмы коррекции основных и дополнительных погрешностей;

5. Предложен и реализован метод расчёта резонансных частот конструкции механических резонаторных преобразователей. Рассмотрены причины возникновения и проведено исследование дополнительной погрешности преобразователей от воздействия вибрации. Предложены методы виброизоляции и произведён расчёт параметров виброизоляторов для применения механических резонаторных преобразователей в цеховых условиях;

6. Экспериментально доказана возможность применения мультимедийного ПК для создания информационно-измерительной системы, реализующей ввод и анализ сигналов механических резонаторных преобразователей;

7. Реализована ИИС на базе ПК, позволяющая применять механические резонаторные преобразователи в условиях, отличающихся от нормальных;

8. Разработано программное обеспечение для измерения частоты сигнала и автоматической коррекции основных и дополнительных погрешностей механических резонаторных преобразователей;

9. Права на программный код реализации алгоритмов анализа измерительной информации защищены свидетельством официальной регистрации программ для ЭВМ № 2007610617 «Частотно-цифровая измерительная система FM-1»;

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Юрин, Александр Игоревич, 2008 год

1. Бабаков И. М. Теория колебаний. — М.: Наука, 1968. 560 с.

2. Бидерман В. J1. Теория механических колебаний: Учебник для вузов. -М.: Высш. школа, 1980.-408 е., ил.

3. Бриндли К. Измерительные преобразователи: Справочное пособие: Пер. с англ. — М.: Энергоатомиздат, 1991. — 144 е.: ил.

4. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т. /Ред. В. Н. Челомей (пред). Т. 3. Колебания машин, конструкций и их элементов/ Под ред. Ф. М. Диментберга и К. С. Колесникова. 1980. 544 с, ил.

5. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т. /Ред. совет: В. Н. Челомей (пред). — М.: Машиностроение, 1981.- Т. 6. Защита от вибрации и ударов / Под ред. К. В. Фролова. 1981, 456 е., ил.

6. Вибрационная защита и надёжность приборов, машин и механизмов / Сборник статей под ред. С. В. Елисеева, Иркутск, 1972

7. В. Н. Сретенский. Метрологическое обеспечение электронной техники. Учебное пособие, Москва, изд. МИЭМ, 1986, 106 с.

8. В. П. Дьяконов, И. В. Абраменкова Mathcad 8 PRO в математике, физике и Internet, М.: «Нолидж», 2000., 512 е., ил.

9. Гитис Э. И., Пискулов Е. А. Аналого-цифровые преобразователи: Учеб. пособие для вузов. М.: Энергоиздат, 1981. - 360 е., ил.

10. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Высшая школа, 2003.-523с.Дьяконов В. П. MATHCAD 8/2000: специальный справочник

11. Демидов С. П. Теория упругости: Учебник для вузов. — М.: Высш. Школа, 1979. 432 е., ил.

12. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке: Методы обработки данных. Пер. с англ. -М.: Мир, 1980. 610 е., ил.

13. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке: Методы планирования эксперимента. Пер. с англ. -М.: Мир, 1981. 520 е., ил.

14. Е. А. Карцев. Измерительные преобразователи. (Основы расчёта и конструирования). Учебное пособие. Москва, изд. МИЭМ, 1986, 160 с.

15. Е. А. Карцев. Физические основы преобразования неэлектрических величин в электрические. Учебное пособие — Московский государственный институт электроники и математики (Технический университет). М., 2005. 160 с.

16. Енохович А. С. Справочник по физике и технике: Учеб. пособие для учащихся. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Просвещение, 1983. -255с., ил.

17. Земельман М. А. Автоматическая коррекция погрешностей измерительных устройств. М., Издательство стандартов, 1972.

18. Ивович В. А., Онищенко В. Я. Защита от вибрации в машиностроении.-М.: Машиностроение, 1990.— 271 е., ил.

19. Ильинский В. С. Защита РЭА и прецизионного оборудования от динамических воздействий. М.: Радио и связь, 1982. - 295 е., ил.

20. Карцев Е. А., Коротков В. П. Унифицированные струнные измерительные преобразователи. -М.: Машиностроение, 1981. 144 с.

21. Кондрашкова Г. А. Теоретическое и экспериментальное исследование струнных преобразователей для цифровых электроизмерительных приборов. Автореферат диссертации на соискание учёной степени канд. техн. наук. ЛИИ им. Калинина, 1963.

22. Кузнецов А. В. Методы математической физики: Учеб. пособие/ Яросл. гос. ун-т. Ярославль, 2004, 200 с.

23. Кузнецов В. А., Ялунина Г. В. Метрология (теоретические, прикладные и законодательные основы): Учеб. Пособие. М.: ИПК Издательство стандартов, 1998. - 336 с.

24. Кузнецов В. А., Ялунина Г. В. Общая метрология. М.:ИПК Издательство стандартов, 2001. - 272 с.

25. Кутателадзе С. С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие. — М.: Энргоатомиздат, 1990. — 367 е.: ил.

26. Левшина Е. С., Новицкий П. В. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи). Учеб. Пособие для вузов. — Л.: Энергоатомиздат. Ленингрю отд-ние, 1983. — 320 е., ил.

27. Львовский Е. Н. Статистические методы построения эмпирических формул: Учеб. Пособие. М.: Высш. Школа, 1982. - 224 е., ил.

28. Ляпунов В. Т. Резиновые виброизоляторы: Справочник / В. Т. Ляпунов, Э. Э. Лавендел, С. А. Шляпочников. Л.: Судостроение, 1988. -211 е., ил.

29. Магнус К. Колебания: введение в исследование колебательных систем. Пер. с нем. М.: Мир, 1982. - 304 е., ил.

30. Методы электрических измерений: Учебное пособие для вузов/ Л. Г. Журавин, М. А. Мариненко, Е. И. Семенов, Э. И. Цветков; под ред. Э. И. Цветкова. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. - 288 е.: ил.

31. Метрологические характеристики средств измерений. Ю. В. Скачко; М.: изд. МИЭМ, 1991, 43 с.

32. Метрологическое обеспечение ИИС. 4.1. Оценка нормируемых метрологических характеристик ИИС: Учеб. Пособие/ В. М. Лазарев; Моск. ин-т электронного машиностроения. М., 1990. 82 с.

33. Метрологическое обеспечение информационно-измерительных систем. 4.2: Учеб. Пособие/ В. М. Лазарев; Моск. ин-т электронного машиностроения. М., 1991. 78 с.

34. Милохин Н. Т. Частотные датчики систем автоконтроля и управления. М., «Энергия», 1968, 128 е., с ил.

35. Морз Ф. Колебания и звук. Гос. изд-во технико-теор. лит., 1959

36. Муттер В. М. Аналого-цифровые автоматические системы: Проектирование и расчет. Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1981. -199 е., ил.

37. Новицкий П. В., Зограф И. А. Оценка погрешностей результатов измерений. — Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1985. -248 е., ил.

38. Новицкий П. В. и др. Динамика погрешностей средств измерений/ П. В. Новицкий, И. А. Зограф, В. С. Лабунец.- Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990 — 192 е.: ил.

39. Новицкий П. В. Основы информационной теории измерительных устройств. Л., «Энергия», 1968 248 е., ил.

40. Новоселов О. Н., Фомин А. Ф. Основы теории и расчёта информационно-измерительных систем. М.: Машиностроение, 1980. — 280 е., ил.

41. Орнатский П. П. Автоматические измерения и приборы: Учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. Киев: Вища школа. Головное изд-во, 1980.-560 с.

42. П. В. Новицкий, В. Г. Кнорринг, В. С. Гутников. Цифровые приборы с частотными датчиками. Л., «Энергия», 1970. 424 с. с рис.

43. С. Голдман. Теория информации. М.: Изд-во иностранной литературы, 1957

44. Сергеев А. Г. Метрология: Учебник. М.: Логос, 2005. - 272 е.:ил.

45. Теплотехника: Учеб. пособие/ Хазен М. М., Матвеев Г. А., Грицевский М. Е., Казакевич Ф. П.; Под ред. Г. А. Матвеева. — М. Высшая школа, 1981.- 480 е., ил.

46. Упругие и демпфирующие свойства конструкционных металлических материалов. Головин С. А., Пушкар А., Левин Д. М. — М.: Металлургия, 1987. 190 с.

47. Федоров А. М. и др. Метрологическое обеспечение электронных средств измерений электрических величин: Справочная книга Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние. 1988. - 208 е.: ил. — стр 25 — 28.

48. Цейтлин Я. М., Скачко Ю. В., Капырин В. В. Модифицированные струнные преобразователи для измерения геометрических величин. — М.: Изд-во стандартов, 1989 г., 264 е., с ил.

49. Электрические измерения неэлектрических величин/ А. М. Турчинин, П. В. Новицкий, Е. С. Левшина и др. Под ред. П. В. Новицкого. -Л.: Энергия, 1977

50. Ю. В. Зеленев, А. А. Кирилин, Э. Б. Слободник, Е. Н. Талицкий Виброзащита радиоэлектронной аппаратуры полимерными компаундами/ Под ред. Ю. В. Зеленева. — М.: Радио и связь, 1984. 120 е., ил.

51. Музыченко Е. Программные анализаторы спектра // РХ 1998.- №6. с. 32. -1999 - № 1. с. 38.

52. Использование виртуальных инструментов Lab VIEW / Ф.П. Жарков, В.В. Каратьев, В.Ф. Никифоров и др. / Под ред. К.С. Демирчана и В.Г. Миронова. М.: Солон-Р, Радио и связь, 1999. - 268 с.

53. Яблонский. А.А. Курс теории колебаний: 5-е изд. СПб.: БХВ-Петербург, 2007. - 336 е.: ил.

54. Новопашенный Г.Н. Информационно-измерительные системы.- М.: Высшая школа, 1977. 208 с.

55. Земельман М.А. Коррекция погрешностей измерительных устройств методами вспомогательных измерений. «Измерительная техника», 1966, №11.

56. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М.: Мир, 1978.

57. Михайлов Е.В. Помехозащищенность информационно-измерительных систем. — М.: Энергия, 1975. — 104 с.

58. Суранов A. LabView 7. Справочник по функциям. М.: ДМК -пресс, 2005.

59. Федосов В. Цифровая обработка сигналов в LabView. М.: ДМК- пресс, 2007.

60. Батоврин В., Бессонов A. LabVIEW: практикум по основам измерительных технологий. М.: ДМК пресс, 2005.

61. Бутырин П., Васильковкая Т., Каратаев В. Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе LabVIEW 7. М.: ДМК пресс, 2004.

62. Джеффри Т. LabVIEW для всех. М.: ДМК пресс, 2005.

63. Трэвис Д., Кринг Д. LabVIEW для всех -3-е изд. М.: ДМК -пресс, 2005.

64. РД 50-453-84. Методические указания. Характеристики погрешности средств измерений в реальных условиях эксплуатации. Методы расчета.

65. ГОСТ 8.009-84. Государственная система обеспечения единства измерений. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений.

66. ГОСТ 8.207-76. Государственная система обеспечения единства измерений. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения.

67. ГОСТ Р 8.563-96. Государственная система обеспечения единства измерений. Методики выполнения измерений.

68. ГОСТ 8.438-81. Системы информационно-измерительные. Метрологическое обеспечение. Основные положения.

69. ГОСТ 28195-89 Оценка качества программных средств. Общие положения.

70. ГОСТ 28806-90 Качество программных средств. Термины и определения.

71. ГОСТ 34.603-92. Виды испытаний автоматизированных систем.

72. ГОСТ Р ИСО/МЭК 9126-93. Информационная технология. Оценка программной продукции. Характеристики качества и руководства по их применению.