Вторичные преобразователи для измерителей перемещения на основе трансформаторных растровых датчиков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.01, кандидат технических наук Цыпин, Владимир Борисович

• Цыпин, Владимир Борисович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Цыпин, Владимир Борисович

ВВЕДЕНИЕ

1 Анализ особенностей обработки сигналов в трансформаторных 11 растровых измерителях перемещения

1.1 Принцип действия и особенности конструкции датчиков

1.2 Особенности обработки выходных сигналов датчиков

1.3 Анализ факторов, влияющих на работу измерителей перемещения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Вторичные преобразователи для измерителей перемещения на основе трансформаторных растровых датчиков»

Уровень качества современных информационно-измерительных и управляющих систем в значительной степени определяется используемыми в них датчиками [18]. Не случайно мировой рынок всех сенсорных устройств (датчиков) оценивается в 15-30 миллиардов евро / год. Текущий рост продаж датчиков составляет 14% в год [53]. Особенно актуально расширение применения датчиков и построенных на их основе систем контроля, измерений, диагностики и управления в таких наукоемких областях техники, как атомная энергетика, авиация, ракетно-космическая техника, вооружение и военная техника (ВВТ).

Необходимость поддержания высокой надежности и безаварийности сложных образцов ВВТ вынуждает разработчиков увеличивать число контролируемых параметров и, как следствие, применять большое количество разнообразных датчиков физических величин. Роль датчиков является определяющей в любой измерительной системе, от их характеристик все в большей мере зависят работоспособность, надежность и боевая эффективность различных видов оружия и современной техники. Межвидовая комплексная целевая программа «Датчики ВВТ» на 2006-2015 гг. является базовой для межведомственного применения рядов унифицированных интеллектуальных датчиков, преобразователей физических величин и компонентов датчиков [29].

Современная и перспективная ракетно-космическая техника требует качественно иной цифровой, интеллектуальной датчиковой аппаратуры, строящейся на новых физических принципах измерений, новых конструкционных, функциональных материалах с использованием критических приборостроительных технологий, новых электронных аналоговых и цифровых компонентов. В Федеральной космической программе России на 2006-2015 гг. проблемам и задачам датчикостроения уделено повышенное внимание [21].

Актуальной задачей при отработке новых типов изделий ракетно-космической и военной техники, создании систем автоматики и контроля технологических процессов в металлургии, химической промышленности и других областях народного хозяйства является измерение линейных и угловых перемещений. Важное место в общей номенклатуре первичных преобразователей перемещений занимают электромагнитные, а именно взаимоиндуктивные (трансформаторные) датчики перемещений [13]. Они отличаются такими достоинствами, как высокая надёжность в жёстких условиях эксплуатации, относительно малый вес, широкий диапазон измеряемых перемещений, линейность функции преобразования, отсутствие гальванической связи между цепями питания и измерительными цепями, достаточно высокая точность измерений, простота в изготовлении и эксплуатации [28].

В настоящее время в ракетно-космической и, особенно, в авиационной технике для измерения перемещений широко используются трансформаторные датчики различных конструктивных [30, 25] исполнений, что снижает их серийноспособность, повышает цену, требует различных вторичных преобразователей (ВП). Используемые датчики имеют ряд недостатков, например, сельсины сложны в изготовлении, не удовлетворяют возросшим требованиям по точности и массогабаритным показателям; потенциометрические датчики, вследствие наличия скользящего электрического контакта, имеют ограниченный ресурс и низкую виброустойчивость; диапазон измерения бесконтактных трансформаторных и токовихревых датчиков линейных перемещений зависит от их массогабаритных показателей. Кроме того, все вышеперечисленные датчики имеют ограниченный диапазон рабочих температур и достаточно высокую температурную погрешность 0,01% на 1°С [33].

Совершенствования характеристик трансформаторных датчиков перемещений удалось добиться при использовании в их конструкции растровых комбинационных сопряжений [1]. Трансформаторные растровые датчики, перемещения (ТРДП) работоспособны при температурах окружающей среды от - 60 °С до + 200 °С, обладают высокой стабильностью, точностью измерений, надежностью и малыми габаритными размерами, не зависящими от диапазона измерения [34].

Разработкой и выпуском датчиков занимаются такие известные зарубежные фирмы, как «Philips», «National Semiconductor», «Texas Instruments», «Klixon», «Honeywell»; отечественные фирмы «НИИ физических измерений», «Метран», «Элемер», «Рэлсиб» и ряд других. Большой вклад в развитие теории и практики построения датчиков физических величин, вторичных преобразователей и методов обработки электрических сигналов в них внесли работы коллективов отечественных ученых, возглавлявшихся Д. И. Агейкиным, B.C. Гутниковым, Н.Е. Конюховым, K.J1. Кулаковским, Е.А. Ломтевым, А.И. Мартышиным, Е.А. Мокровым, Е.П. Осадчим, A.B. Фремке, Э.К. Шаховым, В.М. Шляндиным и их учениками.

Впервые применение принципа растра в трансформаторных датчиках предложено в 80х годах прошлого века в Самарском аэрокосмическом университете (в то время Куйбышевский авиационный институт) Николаем Евгеньевичем Конюховым и его сотрудниками [1, 2]. Там же разработана теория проектирования ТРДП [15, 16, 32]. Трансформаторные растровые датчики- линейных и угловых перемещений освоены промышленностью и выпускаются для нужд ракетно-космической техники и ВВТ Федеральным государственным предприятием «НИИ физических измерений» [14].

Однако принципы построения вторичных преобразователей для ТРДП, заложенные в 80х годах прошлого века [15] остаются практически неизменными. Вместе с тем развитее микроэлектронной базы и в особенности цифровых сигнальных процессоров [47, 54, 49] позволяет добиться существенного улучшения технических характеристик измерителей перемещения.

Целью работы является совершенствование измерителей перемещения на основе трансформаторных растровых датчиков за счет использования современных информационных технологий во вторичных преобразователях.

Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи: анализ особенностей обработки сигналов трансформаторных растровых датчиков и выявление факторов, влияющих на технические характеристики измерителей перемещения; выбор и обоснование требований к узлам вторичных преобразователей; разработка алгоритма обработки сигналов датчика, позволяющего повысить метрологическую надежность измерителей перемещения; разработка способов обработки сигналов датчика и реализующих их структур вторичных преобразователей, обеспечивающих повышение точности измерения перемещений.

Методы исследований базируются на положениях теории электрических цепей и сигналов, теории измерений, имитационном моделировании в среде МАТЬАВ-81МиЫИК и экспериментальных исследованиях.

Научная новизна.

1 В результате анализа особенностей обработки сигналов трансформаторных растровых датчиков выявлены факторы, влияющие на технические характеристики измерителей перемещения.

2 Разработана имитационная модель трансформаторного растрового измерителя перемещения, и исследовано влияние параметров и частичных отказов его узлов на погрешность измерения. Обоснованы требования к техническим характеристикам узлов вторичного преобразователя.

3 Предложен и реализован алгоритм обработки сигналов датчика, основанный на использовании кодов номеров участков квантования для формирования результата измерения, обеспечивающий повышение метрологической надежности измерителей перемещения.

4 Предложены и исследованы способы обработки сигналов датчика и реализующие их структуры вторичных преобразователей, позволяющие уменьшить погрешности измерения как путем численной обработки отсчетов сигналов, так и с помощью дополнительно сформированной электронной сетки растра.

Практическая значимость.

Основные теоретические положения диссертации использованы при разработке вторичных преобразователей для трансформаторных растровых датчиков линейных и угловых перемещений. Повышена метрологическая надежность измерителей перемещения. В результате при частичных отказах в цепях сигналов обмоток считывания погрешность измерения не превосходит двух единиц младшего разряда. Показаны и реализованы возможности дополнительного получения информации о скорости изменения перемещений и автоматической подстройки вторичного преобразователя при смене датчика. Разработаны структурные схемы вторичных г преобразователей, обеспечивающие повышение точности измерений.

На защиту выносятся:

1 Имитационная модель измерителя перемещений на основе трансформаторного растрового датчика и результаты исследования влияния параметров и частичных отказов его узлов на погрешности измерений.

2 Адаптивный к отказам алгоритм обработки сигналов датчика, обеспечивающий повышение метрологической надежности измерителей перемещений.

3 Способы снижения погрешности измерения, основанные как на формировании во вторичном преобразователе дополнительной электронной сетки растра, так и на численной обработке отсчетов выходных сигналов датчика, и реализующие их структуры вторичных преобразователей.

4. Результаты разработки и внедрения вторичных преобразователей для трансформаторных растровых датчиков перемещения.

Реализация результатов работы.

Результаты работы реализованы при выполнении в рамках Федеральной космической программы России на 2006-2015 гг. ОКР «Возрождение ЛГУ» на тему «Разработка унифицированного многофункционального микропроцессорного преобразователя для растровых трансформаторных датчиков линейных и угловых перемещений». Лабораторный макет вторичного преобразователя применен в ФГУП «НИИ физических измерений» для лабораторных испытаний экспериментальных образцов нового поколения трансформаторных растровых датчиков линейных перемещений, разработанных в рамках комплексной целевой программы на 2006-2015 гг. «Датчик ВВТ». Алгоритмы обработки информации использованы при выполнении по заказу ФГУП «НИИ физических измерений» НИР «Датчик 2 ПГУ» на тему «Разработка методики цифровой фильтрации, алгоритмов и программного обеспечения для интеллектуального функционального модуля».

Макетные образцы вторичных преобразователей БОН и Б014-01 использованы в ФГУП НИИ физических измерений при доводочных испытаниях разработанных в рамках Федеральной космической программы России макетных образцов нового поколения трансформаторных растровых датчиков угловых перемещений.

Теоретические результаты работы и имитационная модель измерителя перемещения внедрены в учебный процесс преподавания дисциплин 9

Датчиковая аппаратура» и «Интеллектуальные средства измерения» на кафедре «Информационно-измерительная техника» в Пензенском государственном университете, а также использованы при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы обсуждались на Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2007), IV Международной научно-практической конференции «Метрологическое обеспечение измерительных систем» (Пенза, 2007), XII Международной научно-методической конференции «Университетское образование», на Международном симпозиуме «Надежность и качество 2008», а также на ежегодных научно-технических конференциях Пензенского государственного университета.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 2 работы в журналах, рекомендованных ВАК, 1 патент Российской Федерации.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 174 листа, включая приложение на 63 листах. Список литературы состоит из 54 наименований.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы измерения по видам измерений», Цыпин, Владимир Борисович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ПО РАБОТЕ

1 Проведен анализ основных конструкций трансформаторных растровых датчиков перемещений и способов обработки их сигналов; Показано, что повышение точности и метрологической надежности измерителей перемещений на основе трансформаторных растровых датчиков при заданных массогабаритных характеристиках ограничено технологическими возможностями механической обработки и достигается за счет использования; современных информационных технологий; во вторичных преобразователях.

2 Разработана имитационная модель измерителя перемещений^ на основе . трансформаторного- растрового датчика. Выявлены и систематизированы; факторы, влияющие на технические характеристики измерителей перемещений- С помощью модели; оценены погрешности измерения, вызванные последствием неточности, изготовления и сборки датчика, его частичными отказами в процессе эксплуатации, и параметрами узлов, вторичного преобразователя. Результаты исследования позволили сформулировать рациональные требования к элементам вторичного преобразователя;

3 Предложен и реализован адаптивный к видам отказов алгоритм, использующий дополнительные избыточные операции сравнения, выходных сигналов датчика и код номера участка квантования^ для расчета перемещения. Его применение позволило повысить метрологическую надежность измерителен перемещений и получить погрешность измерения, не превосходящую двух единиц младшего разряда при частичных отказах в цепи одной из обмоток считывания датчика.

4 Предложены и исследованы два способа повышения точности измерения перемещения с помощью трансформаторных растровых датчиков и реализующие их структуры вторичных преобразователей. Первый способ основан на формировании во вторичном преобразователе напряжений, с помощью которых участки квантования разбиваются на более мелкие. Во втором способе для получения дополнительных младших разрядов результата измерения мгновенных значений амплитуд сигналов производится расчет текущих значений пропорциональных перемещению фаз огибающих напряжений на обмотках считывания. Оценены возможности и ограничения способов. Даны рекомендации для построения вторичных преобразователей повышенной точности на базе современных микроконтроллеров, оснащенных АЦП.

5. Разработаны и внедрены универсальные вторичные преобразователи, обеспечивающие возможность работы со всеми исполнениями трансформаторных растровых датчиков перемещения. В процессе работы преобразователи осуществляют постоянную диагностику всего измерителя, позволяющую определить вид и место появления отказа. Результаты испытаний и внедрения вторичных преобразователей подтвердили теоретические выводы работы.

Автор выражает искреннюю благодарность генеральному директору-главному конструктору ФГУП «НИИ физических измерений» д.т.н., профессору Мокрову Евгению Алексеевичу, заместителю главного конструктора по направлению к.т.н. Трофимову Анатолию Николаевичу и начальнику группы к.т.н. Трофимову Алексею Анатольевичу за постановку задачи исследований, технические консультации и оказание помощи в организации испытаний вторичных преобразователей на оборудовании «НИИ физических измерений», а так же инженерам Пензенского государственного университета Мельникову Анатолию Аркадьевичу и Козлову Валерию Валерьевичу за разработку и отладку программного обеспечения вторичных преобразователей.

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ АЛУ - амплитудно-логическое устройство АС — аналоговый сумматор АУ - арифметическое устройство ВВТ - вооружение и военная техника ВП - вторичный преобразователь ГСС — Генератор синусоидального сигнала ДГЖ — дешифратор позиционного кода ИНС - источник напряжения смещения ИСТ - источник синусоидального тока К - коммутатор

ПТУ — Пензенский государственный университет

ПНТ — преобразователь напряжение-ток

П — переключатель каналов

РМР - регистр младших разрядов

РС - реверсивный счетчик

СН - стабилизатор напряжения

ТРДП — трансформаторный растровый датчик перемещения УС — узел сравнения У-Ф - усилитель-фильтр

ФГУП НИИФИ - федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-исследовательский институт физических измерений»

ФИО — формирователь импульсов опроса

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Цыпин, Владимир Борисович, 2008 год

1. Авторское свидетельство СССР № 1019220. Преобразователь перемещений / А.Н.Трофимов, В.И. Быченков // Бюл. — 1983. — № 19.

2. Авторское свидетельство СССР № 769307. Преобразователь перемещений / Н.Е.Конюхов, B.C. Кочкарев, В.Р. Иванов// Бюл. 1987. - № 37.

3. Авторское свидетельство СССР № 945639. Преобразователь угловых перемещений / В.А.Волков, Н.Е.Конюхов, В.В.Скорняков, А.Н.Трофимов // Бюл. 1982. - № 27.

4. Бронштейн И.Н. Справочник по математике / И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев. М.: Наука, 1986. - 544 с.

5. Вострокнутов Н.Г. Информационно-измерительная техника / Н.Г. Вострокнутов, H.H. Евтихиев. — М.: Высшая школа, 1977. — 232 с.

6. Гехер К. Теория чувствительности и допусков электронных цепей: Пер. с англ. / Под ред. Ю.Л. Хотунцева. М.: Сов. Радио, 1973. -200 с.

7. ГОСТ РВ 20.39.301-98. Комплексная система общих технических требований (КСОТТ). Аппаратура, приборы, устройства, оборудование военной техники (АПУОВТ). Общие требования, методы обеспечения и оценки соответствия требованиям. Основные положения.

8. ГОСТ РВ 20.39.303-98. Комплексная система общих технических требований (КСОТТ). Аппаратура, приборы, устройства, оборудование военной техники (АПУОВТ). Требования к надежности. Состав и порядок задания.

9. ГОСТ РВ 20.39.304-98. Комплексная система общих технических требований (КСОТТ). Аппаратура, приборы, устройства, оборудование военной техники (АПУОВТ). Требования стойкости к внешним воздействующим факторам.

10. ГОСТ 18977-79. Комплексы бортового оборудования самолетов и вертолетов. Типы функциональных связей. Виды и уровни электрических сигналов.

11. Грановский В.А. Проблема адекватности моделей в измерениях / В.А. Грановский, Т.Н. Сирая // Датчики и системы. М., 2007. — №10. - С. 52-61.

12. Дьяконов В.П. MATLAB 6/6.1/6.5 + SIMULINK 4/5. Основы применения. -М.: СОЛОН-Пресс, 2004. 800 с.

13. Ицкович Э. Современные датчики и тенденции их развития // Электронные компоненты, 2003. — №2. С. 23-26.

14. Каталог «Датчики. Преобразователи. Системы». — Пенза: ФГУП «НИИ физических измерений», 2004.

15. Микросхемы АЦП и ЦАП. — М.: Издательский дом «Додека-ХХ1», 2005.-434 с.

16. Минтчелл Г.А. Пришла пора интеллектуальных датчиков Электронный'ресурс. / Г.А. Минтчелл. — Режим доступа: www.asutp.ru.

17. Мокров Е.А. Интеллектуальные измерительные системы в ракетно-космической технике / Е.А. Мокров, В.Н. Новиков, Б.В, Чувыкин, С.А. Исаков // Материалы Международной научной конференции. Т. 1-Таганрог: Изд-во ТРТУ,2005.- С. 121-122.

18. Мокров Е.А. Состояние, проблемы и пути развитиядатчикостроения Вступительное слово // «Датчики- и системы»: сборник трудов ВНПК (Россия, Москва, 30-31 мая 2006 г.). Пенза: ФНПЦ ФГУП «НИИ физических измерений», 2006. - С. 6-14.

19. Носенко Ю.И. Вступительное слово // «Датчики и системы»: сборник трудов ВНПК (Россия, Москва, 30-31 мая 2006 г.). Пенза: ФНПЦ ФГУП «НИИ физических измерений», 2006. - С. 4.

20. Патент 63143. Российская Федерация, МПК НОЗМ 7/00. Растровый трансформаторный преобразователь перемещения в код / Б.В. Цыпин, Е.А. Мокров, А.Н. Трофимов, A.A. Мельников. заявл. 19.01.2007. Бюл. - 2007. № 13.

21. Патент 69292. Российская Федерация, МПК G08C 19/00. Цифровой измеритель перемещения // Е.А. Ломтев, В.Б. Цыпин. заявл. 01.10.2007; опубл. 10.12.2007. Бюл. № 34.

22. Патент на изобретение по заявке № 2007113996/09. Российская Федерация, МПК G08C 19/00. Преобразователь перемещения в код. // Б.В. Цыпин, Е.А. Ломтев, Е.А. Мокров, В.Б. Цыпин. заявл. 13.04.2007. Решение о выдаче патента 14.12.2007.

23. Патент 2316110. Российская Федерация, МПК НОЗМ 1/64. Преобразователь перемещение-код. // Косинский A.B. заявл. 06.07.2004; опубл. 27.01.2008 Бюл. № 19.

24. Преснухин Л.Н. Муаровые растровые датчики положения и их применение / Л.Н. Преснухин, В.Ф. Шаньгин, Ю.А. Шаталов. — М.: Машиностроение, 1969. 210 с.

25. Проектирование датчиков для измерения механических величин / Под. редакцией Е.П. Осадчего. М.: Машиностроение, 1979. — 480 с.

26. Рахманов А.А. Вступительное слово // «Датчики и системы»: сборник трудов ВНПК (Россия, Москва, 30-31 мая 2006 г.). Пенза: ФНПЦ ФГУП «НИИ физических измерений», 2006. - С. 5.

27. Сайт ФГУП НИИФИ Электронный ресурс. / Режим доступа: http://www.niifi.ru.

28. Сайт Microchip Technology Inc. Электронный ресурс. / Режим доступа: http://www.microchip.com.ua.

29. Трофимов А.Н. Унифицированные трансформаторные преобразователи перемещений с растровым сопряжением ферромагнитных элементов: Автореферат дис. . канд. техн. наук. — Куйбышев, 1984.

30. Трофимов А.Н. Унифицированный ряд высокотемпературных растровых электромеханических датчиков перемещений / А.Н. Трофимов, А.В. Блинов, А.А. Трофимов // Датчики и системы. М., 2007. — №7. — С. 2428.

31. Управление качеством. Учебник / С. Д. Ильенкова, Н. Д. Ильенкова, С. Ю. Ягудин и др.; Под ред. Доктора экономических наук, профессора Ильенковой С. Д. М.: ЮНИТИ. М., 1998. - 200 с.

32. Цыпин В.Б. Многофункциональный датчик перемещений с цифровым выходом. / А.А.Трофимов, А.А.Мельников, Цыпин В.Б. // Датчики и системы. М., 2008. - № 6 - С. 37-40.

33. Цыпин В.Б. Вторичный преобразователь для трансформаторных-растровых датчиков перемещений. / В.Б. Цыпин // Мир измерений. — М., 2008. № 4. - С. 38-40.

34. Цыпин В.Б. Повышение точности измерения перемещений с помощью трансформаторного растрового датчика: / Е.А. Ломтев, В.Б. Цыпин // Информационно-измерительная техника: Тр. Университета. — Пенза: Издательство ПГУ, 2008. Вып. 33.

35. Цыпин В.Б. Повышение точности трансформаторных растровых измерителей перемещений / В.Б. Цыпин // Известия Вузов. Поволжский регион. 2008. - № - С. 56-67.

36. Цыпин В.Б. Повышение метрологической надежности трансформаторных растровых измерителей перемещений Информационно-измерительная техника: Тр. Университета Межвуз. сб. науч. тр. Пенза:

37. Издательство Пенз. гос. университета, 2008. — Вып. 32.

38. Черных И.В. SIMULINK: среда создания инженерных приложений. М.: Диалог-МИФИ, 2003. - 496 с.

39. Ashok Ambardar. Analog and Digital Signal Processing, 2e. Brooks/Cole Publishing Company, 1999. . .у

40. Bentley J.P. Principles of Measurement Systems 3rd edition (Long-man),1995.

41. Bordeaux E. Advanced DSP Performance Complicates Memory Architectures in Wireless Designs, Wireless Systems Design, April 2000.

42. Considine D.M. Process / Industrial Instruments and Controls Handbook 5th edition / McGraw-Hill, 1999.

43. Fraden J. Handbook of Modern Sensors. New York: Springer-Verlag Inc,2004.

44. Gary A. Mintchell // CONTROL ENGINEERING, 1/2002.

45. Jackson R.G/ Novel Sensors and Sensing. Taylor & Francis Group LLC, 2004.

46. Rorabaugh B.C. DSP Primer, McGraw-Hill, 1999.