Вторичные преобразователи для тензометрических датчиков давления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.01, кандидат технических наук Катков, Алексей Николаевич

• Катков, Алексей Николаевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Катков, Алексей Николаевич

Список сокращений

Введение

Глава 1 - Анализ современного состояния исследований и разработок 13 вторичных преобразователей для тензометрических датчиков давления

1.1 Предпосылки появления цифровых вторичных преобразова- 13 телей для тензометрических датчиков давления

1.2 Методы снижения погрешностей тензорезистивных датчи- 21 ков давления

1.3 Цифровая обработка измерительных сигналов тензометри- 25 ческих датчиков давления

1.4 Развитие цифровых вторичных преобразователей датчиков

1.5 Задачи разработки цифровых вторичных преобразователей 39 датчиков давления

1.6 Цель и задачи исследования

1.7 Выводы по главе

Глава 2 - Вторичные преобразователи для тензометрических датчи- 43 ков давления - класс измерительно-вычислительных устройств

2.1 Методика модельно-управляемого проектирования вторич- 43 ных преобразователей тензометрических датчиков давления

2.2 Алгоритмы коррекции погрешностей тензометрических 50 датчиков давления

2.3 Параметры дополнительных измерительных каналов датчи- 54 ков давления

2.4 Имитационная модель вторичного преобразователя датчика 62 давления

2.5 Автоматическая коррекция температурной погрешности то- 75 ка питания тензомоста

2.6 Выводы по главе

Глава 3 - Практические аспекты построения вторичных преобразова- 83 телей тензометрических датчиков давления

3.1 Структуры вторичных преобразователей тензометрических 83 датчиков давления

3.2 Анализ вычислительной сложности алгоритмов аппрокси- 87 мации

3.3 Методика проектирования и документирования встроенного 98 ПО вторичных преобразователей датчиков давления

3.4 Операционная среда алгоритма коррекции погрешностей

3.5 Методика автоматизированной настройки вторичных пре- 106 образователей

3.6 Исследование погрешностей вторичных преобразователей 109 тензометрических датчиков давления

3.7 Выводы по главе

Глава 4 - Практическая реализация и внедрение цифровых вторичных 116 преобразователей для тензометрических датчиков давления 4.1 Цифровой вторичный преобразователь полупроводникового; 116 тензометрического датчика абсолютного давления

4.2 Цифровой вторичный преобразователь полупроводникового 119 тензометрического датчика разности давлений

4.3 Применение методики модельно-управляемого проектиро- 123 вания в разработке цифрового вторичного преобразователя тензометрического датчика разности давлений

4.4 Встроенное программное обеспечение цифрового вторичного преобразователя

4.5 Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 продолжается; наряду 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. Предложен- способ 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 датчика -температурной 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 - канала- температуры, необходимой/ для коррекции? температурной погрешности тензометрического датчика давления:

4. Разработана инженерная-; методика« расчета границы, неисклю-ченной температурной погрешности; тензометрических датчиков - давления-достижимой цифровой обработкой измерительных сигналов.

5. Решена-, задача снижения трудоемкости?, настройки цифровых вторичных преобразователей;тензометрических:датчиков давления за счет использования разработанной; инженерной методикш настройки, основанной на реализации; алгоритмов- вычисления коэффициентов аппроксимирующих кривых; во встроенном программном обеспечении цифровых; вторичных преобразователей. Методика внедрена в опытное' производство тензометрических датчиков давления.

6. Предложена последовательность этапов проектирования-встроенного программного обеспечения цифровых вторичных преобразователей; связанная с использованием автоматного программирования,, позволяющая- уменьшить 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, отличающийся- комплексным 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.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы измерения по видам измерений», Катков, Алексей Николаевич

6 Выводы

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

6.2 Программа предварительных испытаний СДАИ.406239.134 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.406239.134 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, 440026; тел/факс: [phone]; E-mail: [e-mail]; http://www.pnzgu.ru ОКПО 02069042, ОГРН 1025801440620, ИНН/ КПП 5837003736/583701001

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 нано- и микроэлектромеханических систем при воздействии стационарных и нестационарных температур. Регистрационный номер: 2.1.2/10274.

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.