автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Информационно-измерительная система измерения нагрузок, действующих на опоры электродомкратов стартового комплекса

На правах рукописи

МАЙОРОВ Артем Владиславович

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ НАГРУЗОК, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА ОПОРЫ ЭЛЕКТРОДОМКРАТОВ СТАРТОВОГО КОМПЛЕКСА

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение)

1 о 2015

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 2015

005569930

Работа выполнена на кафедре «Радиотехника и радиоэлектронные системы» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Светлов Анатолий Вильевич

Официальные оппоненты:

Ведущая организация -

Батнщев Виталий Иванович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Информационные технологии»; Доросинский Антон Юрьевич, кандидат технических наук, ОАО «Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов», (г. Пенза), начальник лаборатории

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный технологический университет»

Защита диссертации состоится 30 июня 2015 г., в 12.00 часов, на заседании диссертационного совета Д212.186.02 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» и на сайте: http://dissov.pnzgu.rii/ecspertiza/rnayorov

Автореферат разослан » 2015 г.

Ученый секретарь Л^Ъ^'

диссертационного совета Чувыкин Борис Викторович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При подготовке к пуску ракеты-носителя необходимо непрерывно измерять нагрузку, передаваемую от ракеты-носителя на опоры электродомкратов опорных ферм стартового комплекса, с целью своевременного обнаружения смещения центра тяжести ракеты-носителя (РН) и возникновения аварийной ситуации в процессе заправки компонентами ракетного топлива. В настоящее время для этого используются информационно-измерительные системы (ИИС) для измерения нагрузки с тензорезистивными датчиками силы (ДС) в качестве первичных преобразователей. Основными требованиями к ИИС подобного рода являются:

- сохранение высоких точностных характеристик при работе в натурных условиях в широком диапазоне изменения внешних дестабилизирующих факторов, в том числе при изменении температуры от минус 50 до +50 °С;

- повышенная надежность;

- применение электрорадиоизделий отечественного производства;

-обеспечение заявленных точностных характеристик при большой

протяженности линий связи (до 200 м между ДС и блоком обработки и до 1000 м между блоком обработки и контрольно-наблюдательным пунктом);

- ограниченные масса и габариты отдельных блоков системы;

- возможность самодиагностики системы без демонтажа со стартового комплекса.

Указанные особенности ИИС обусловливают необходимость снижения основных и дополнительных погрешностей блоков системы, а именно датчиков силы, аналого-цифровых преобразователей (АЦП), цифроаналого-вых преобразователей (ЦАП).

Наиболее значимые результаты в теории и практике построения ИИС для измерения нагрузок получены коллективами Института точной механики и вычислительной техники им. С. А. Лебедева РАН (г. Москва), НИИ стартовых комплексов им. В. П. Бармина (г. Москва), НИИ физических измерений (г. Пенза), международного института инженеров электротехники и электроники IEEE, американскими компаниями National Instruments, Analog Devices, Texas Instruments и др.

Известные работы в области снижения основных и дополнительных погрешностей ИИС в основном касаются цифровой обработки информации и повышения быстродействия систем и не затрагивают вопросов, касающихся снижения дополнительных погрешностей компонентов ИИС.

Таким образом, тема диссертационной работы, посвященной поиску путей снижения основных и дополнительных погрешностей блоков информационно-измерительных систем, предназначенных для измерения нагрузок на опоры электродомкратов стартового комплекса, представляется актуальной.

Цель диссертационного исследования — совершенствование информационно-измерительных систем, предназначенных для измерения нагрузок на опоры электродомкратов стартового комплекса в плане снижения основных и дополнительных погрешностей узлов, включая АЦП, ЦАП, датчики силы.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

- исследование источников основных и дополнительных погрешностей блоков обработки аналоговой информации информационно-измерительных систем;

- создание математической модели погрешности преобразования от приложенной нагрузки датчиков силы на основе тензорезистивных мостов;

- разработка структуры датчика силы для ИИС измерения нагрузок на опорах электродомкратов стартового комплекса, с улучшенными метрологическими характеристиками на основе отечественной элементной базы;

- разработка структуры блока обработки ИИС измерения нагрузок, действующих на опоры электродомкратов стартового комплекса, отличающейся наличием цифровых интерфейсов связи с датчиками силы, а также реализованной на основе отечественной элементной базы.

Объектом исследования является ИИС измерения нагрузок, действующих на опоры электродомкратов стартового комплекса со стороны ракеты-носителя при подготовке к пуску.

Предметом исследования являются методы коррекции погрешности нелинейности датчиков силы на основе тензорезистивных мостов, пути коррекции погрешностей встроенных АЦП и ЦАП микроконтроллеров.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись методы системного и математического анализа, теории погрешностей, теории измерений, теории электрических цепей, схемотехнического моделирования электронных схем. Основные теоретические результаты подтверждены экспериментальными исследованиями, а также путем математического моделирования.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Разработана структура датчика силы ИИС измерения нагрузок, отличающаяся введением дифференциального усилителя, микроконтроллера со встроенными АЦП и ЦАП для реализации цифровой обработки сигналов и внешних цифровых интерфейсов связи, а также дополнительного источника опорного напряжения, ключа и цепи обратной связи для коррекции погрешностей встроенных АЦП и ЦАП микроконтроллера.

2. Предложена математическая модель погрешности преобразования от приложенной нагрузки датчиков силы на основе тензорезистивных мостов, позволяющая учесть нелинейность функции преобразования датчиков силы во всем диапазоне нагрузок.

3. Разработана структура блока обработки информации ИИС измерения нагрузок, отличающаяся введением дополнительного микроконтролле-

ра для реализации внешних интерфейсов связи, оптических приемопередатчиков для построения каналов приема-передачи по волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) и преобразователей уровней для реализации проводных цифровых интерфейсов связи с датчиками и контрольно-наблюдательным пунктом.

Практическая значимость.

1. Разработана структурная схема ИИС, предназначенной для измерения нагрузок, действующих на опоры элекгродомкраггов стартового комплекса со стороны ракеты-носителя, отличающаяся переносом входного дифференциального усилителя и АЦП из блока обработки в датчики силы, а также введением в датчики силы микроконтроллера для нормирования выходного сигнала и реализации цифрового интерфейса дуплексной связи между ДС и блоком обработки.

2. Разработаны схемотехническая реализация всех блоков ИИС измерения нагрузок, действующих на опоры электродомкратов стартового комплекса, с применением отечественной элементной базы.

3. Разработано программное обеспечение датчиков силы, реализующее цифровую обработку сигналов с применением предложенной математической модели и нормирование выходного сигнала датчиков силы, что повышает точность измерений, а также позволяет производить замену датчиков силы без проведения повторной настройки системы.

4. Разработана ИИС измерения нагрузок, действующих на опоры четырех электродомкратов стартового комплекса при подготовке к пуску ракеты-носителя, с основной погрешностью не более 0,5 % с доверительной вероятностью 0,95, дополнительной температурной погрешностью не более 0,005 %/°С в диапазоне рабочих температур от минус 50 до +50 °С.

На защиту выносятся:

1. Структура датчика силы, отличающаяся введением дифференциального усилителя, микроконтроллера со встроенным АЦП и ЦАП, а также дополнительных узлов для коррекции основных и дополнительных погрешностей встроенных АЦП и ЦАП микроконтроллеров.

2. Математическая модель погрешности преобразования от приложенной нагрузки датчиков силы на основе тензорезистивных мостов, построенная на основе интерполяционного многочлена Лагранжа.

3. Структура блока обработки информации ИИС измерения нагрузок, отличающаяся введением дополнительного микроконтроллера для реализации программного управления внешними интерфейсами связи, оптических приемопередатчиков для построения каналов приема-передачи по ВОЛС и преобразователей уровней для физической реализации проводных цифровых интерфейсов связи с датчиками и контрольно-наблюдательным пунктом, при этом цифровые интерфейсы связи используются для дублирования каналов ВОЛС.

Реализация результатов работы. Материалы диссертационной работы использованы в ОАО «НИИ физических измерений» (г. Пенза) при выполнении ОКР «Возрождение». Изготовлена опытная партия ИИС, предназначенных для измерения нагрузок, действующих на опоры электродомкратов стартового комплекса.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены для обсуждения на международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2014), конференциях «Шляндин-ские чтения» (Пенза, 2014), «Теоретические и прикладные аспекты современной науки» (Белгород, 2014), «Современные тенденции в образовании и науке» (Тамбов, 2014), «Теоретические и прикладные вопросы науки и образования» (Тамбов, 2015). Результаты диссертационной работы были использованы в ОАО «НИИФИ» при выполнении ОКР «Возрождение».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 3 -в изданиях, рекомендованных ВАК, 8 печатных работ без соавторов.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, состоящего из 61 источника и одного приложения. Объем работы: 105 листов машинописного текста, включающего 11 таблиц и 35 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, сформулированы цель и задачи диссертации, научная новизна и практическая значимость результатов работы, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ основных и дополнительных погрешностей узлов существующих ИИС, предназначенных для измерения нагрузок, действующих на опоры электродомкратов стартового комплекса, в первую очередь - датчиков силы, встроенных АЦП и ЦАП микроконтроллеров.

Рассмотрена типичная структурная схема канала обработки медленно-меняющихся аналоговых сигналов ИИС, которая включает в себя первичный преобразователь, входной аналоговый преобразователь и/или фильтр нижних частот, АЦП, микроконтроллер, ЦАП, выходной фильтр нижних частот ЦАП, драйвер интерфейса или устройство индикации.

Установлено, что при проектировании ИИС, предназначенных для обработки медленноменяющихся сигналов, наибольший интерес представляют статические погрешности. Статические погрешности входного аналогового преобразователя, являющегося фильтром нижних частот (ФНЧ), и выходного фильтра ЦАП зависят от схемы построения и с общем случае подразделяются на аддитивную составляющую погрешности преобразования и мультипликативную составляющую. При использовании в качестве ФНЧ ЬС и/или ЯС фильтров их статические погрешности обусловлены

лишь активным сопротивлением. При построении активных фильтров на основе операционных усилителей (ОУ) вносимые фильтром статические погрешности будут определяться в основном точностными параметрами примененного операционного усилителя.

На основании проведенного анализа намечены пути снижения погрешности датчиков силы на основе тензорезистивных мостов, аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности встроенных АЦП и ЦАП микроконтроллеров, а также нелинейности функции преобразования встроенных АЦП микроконтроллеров.

Во второй главе исследованы погрешности, вносимые различными компонентами канала обработки аналоговых сигналов ИИС на основе «систем на кристалле». Для проведения эксперимента по определению погрешностей компонентов канала обработки аналоговых сигналов ИИС автором была разработан стенд, включающий в себя источник напряжения, входной фильтр, микроконтроллер со встроенными АЦП и ЦАП, выходной фильтр ЦАП, драйвер интерфейса для связи с электронной вычислительной машиной (ЭВМ), ЭВМ, вольтметр типа AGILENT TECHNOLOGIES 34420А.

На основании результатов, полученных в результате проведенного эксперимента, намечены пути снижения основных и дополнительных погрешностей встроенных АЦП и ЦАП микроконтроллеров.

Для снижения интегральной нелинейности функции преобразования встроенных АЦП микроконтроллеров автором предложено осуществлять измерение сигнала в части шкалы АЦП, имеющей наименьшее значение интегральной нелинейности. Для этого необходимо введение высокостабильного источника напряжения, сумматора, электронного ключа или твердотельного реле. Структурная схема, поясняющая принцип работы, приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Структурная схема, поясняющая принцип коррекции погрешности, обусловленной интегральной нелинейностью АЦП

Алгоритм работы при реализации предложенного принципа коррекции интегральной нелинейности встроенных АЦП микроконтроллеров заклю-

чается в следующем. В начальный момент времени электронный ключ, управляемый микроконтроллером, отключен. Входной аналоговый сигнал без изменений передается на вход АЦП. По окончании аналого-цифрового (АЦ) преобразования входного сигнала микроконтроллером осуществляется проверка, на каком участке шкалы АЦП находится результат АЦ преобразования. Если результат АЦ преобразования находится на участке с низкой интегральной нелинейностью, то результат преобразования можно считать действительным. Если результат АЦ преобразования находится на участке шкалы АЦП со значительной интегральной нелинейностью, управляемый микроконтроллером электронный ключ замыкается, тем самым осуществляется подключение высокостабильного источника напряжения к сумматору, после чего производится АЦ преобразование суммы напряжений источника и входного аналогового сигнала. Выходное напряжение дополнительного высокостабильного источника опорного напряжения выбирается таким образом, чтобы при суммировании выходного напряжения дополнительного источника и входного сигнала результат АЦ преобразования указанной суммы сигналов смещался на линейный участок функции преобразования АЦП.

Для снижения аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности ЦАП, управляемых микроконтроллером, микропроцессором или ПЛИС, автором предлагается введение обратной связи с выхода ЦАП на вход одного из свободных каналов АЦП того же микроконтроллера с целью реализации автоматического расчета коэффициентов коррекции выходного напряжения ЦАП. При этом используемый для коррекции АЦП должен удовлетворять следующим требованиям:

- разрядность АЦП должна быть выше разрядности корректируемого ЦАП на 2 и более единиц младшего разряда (ЕМР);

- АЦП должен иметь аддитивную составляющую погрешности на 2 и более ЕМР ниже аддитивной составляющей погрешности корректируемого ЦАП (при пересчете аддитивной составляющей погрешности ЦАП в ЕМР);

- АЦП должен иметь мультипликативную составляющую погрешности при пересчете в единицы младшего разряда на 2 и более ЕМР менее мультипликативной погрешности корректируемого ЦАП;

- АЦП должен иметь погрешность квантования по уровню не более 1-2 ЕМР.

На основе результата аналого-цифрового преобразования выходного напряжения ЦАП осуществляется расчет коэффициентов коррекции начального смещения выходного напряжения и ошибки квантования по уровню. Выходное напряжение ЦАП контролируется в двух точках:

1. В начале шкалы - для определения коэффициента коррекции начального смещения выходного напряжения.

2. В конце шкалы, при значении выходного напряжения ЦАП, близком к максимальному выходному напряжению.

Проведена серия экспериментов для определения оптимальных значений выходных напряжений ЦАП для расчета коэффициентов коррекции в зависимости от разрядности и опорного напряжения ЦАП.

Проведена серия экспериментов с использованием контроллеров МБЮ2Р9 и С8051Р410 и встроенных в них блоков АЦП и ЦАП. Согласно полученным экспериментальным данным, предложенный автором подход позволяет снизить аддитивную составляющую погрешности преобразования с (минус 20 ... +10) мВ до (минус 12 ... +6) мВ и мультипликативную составляющую погрешности преобразования с (0,11 ...0,12) % до 0,07% при использовании встроенных ЦАП микроконтроллеров. Это дает основание полагать, что предложенный автором подход позволяет снизить аддитивную и мультипликативную составляющие погрешности информационно-измерительной системы в целом. Полученные результаты дают возможность в ряде случаев отказаться от использования внешних цифро-аналоговых преобразователей и необходимости предварительного подбора коэффициентов коррекции, благодаря чему снижаются конечная стоимость системы, массогабаритные параметры, повышается надежность системы вследствие снижения вероятности ошибок субъективного характера на этапе наладки, снижается погрешность преобразования системы.

В третьей главе исследованы погрешности датчиков силы на основе тензорезистивных мостов, на основе чего обоснована необходимость разработки математической модели погрешности преобразования тензорезн-стивных датчиков силы от приложенной нагрузки.

Установлено, что в большинстве случаев коррекция нелинейности функции преобразования датчиков силы не производится. Вместо этого производится аппроксимация реальной функции преобразования прямой линией. Значения начала и конца аппроксимирующей прямой совпадают со значениями реальной функции преобразования при нулевой нагрузке (здесь и далее под нулевой нагрузкой подразумевается отсутствие воздействия на датчик со стороны силозадающей установки или отсутствие полезной нагрузки) и при номинальной (максимальной) нагрузке. В этом случае имеет место значительная методическая погрешность (до 1 %) ввиду отсутствия коррекции нелинейности функции преобразования датчика.

Одним из способов снижения влияния нелинейности функции преобразования датчиков силы на основе тензорезистивных мостов является использование заранее рассчитанных на основе экспериментальных данных коэффициентов коррекции. При этом промежуточные значения рассчитываются методом кусочно-линейной интерполяции. К недостаткам указанного способа следует отнести значительные трудовые и временные затраты ввиду необходимости проведения эксперимента для определения точной передаточной функции каждого конкретного экземпляра датчика.

Более эффективным способом снижения влияния нелинейности функции преобразования датчиков силы на основе тензорезистивных мостов яв-

ляется использование математической модели функции преобразования датчика силы для коррекции зависимости погрешности преобразования от приложенной нагрузки. Автором проведена серия экспериментов по определению зависимости выходного сигнала тензорезистивных датчиков силы от приложенной нагрузки. При проведении экспериментов автором были использованы тензорезистивные датчики на основе тензорезисторов типа 1-LY41-6/350. Тензорезисторы были соединены в мост, по два последовательно соединенных тензорезистора в каждом из плеч моста. В два плеча моста последовательно с тензорезисторами также включены постоянные резисторы для реализации термокомпенсации тензорезистивного моста при работе в широком диапазоне температур. Выходное напряжение полученного тензорезистивного моста находится в диапазоне от 1 до 8 мВ при отсутствии нагрузки на датчик и от 80 до 120 мВ при номинальной нагрузке.

Для задания нагрузки использовалась образцовая силозадающая установка сжатия-растяжения типа Д02-100 (г. Арзамас). Основная погрешность силозадающей установки не превышает 0,01 %.

Автором было проведено три серии экспериментов с датчиками силы, имеющими максимальную нагрузку 10, 50 и 100 тс. При проведении каждой серии экспериментов использовалось по четыре датчика силы каждого номинала. Для повышения достоверности результата количество измерений для каждой силы составляло не менее 10, после чего данные усреднялись. Для каждого из датчиков силы был определен уровень выходного сигнала при 21 значении нагрузки, включая нулевую и номинальную нагрузку. График зависимости выходного сигнала от приложенной нагрузки для датчика силы, рассчитанного на нагрузку 10 тс, приведен на рисунке 3.

Рисунок 2 - График зависимости выходного сигнала от приложенной нагрузки для датчика силы, рассчитанного на нагрузку 10 тс

Как видно из графика, приведенного на рисунке 2, функция зависимости выходного сигнала датчика силы от нагрузки недостаточно наглядна

ввиду невозможности определения значения погрешности по графику функции. Поэтому автором была использована зависимость погрешности преобразования датчика силы от значения приложенной нагрузки. Полученные в результате проведенных автором экспериментов зависимости погрешности выходного сигнала датчиков силы, рассчитанных на нагрузку 10 и 50 тс от приложенной нагрузки, представлены соответственно на рисунках 3 и 4.

Рисунок 3 - Зависимость погрешности выходного сигнала от приложенной нагрузки датчика силы на номинальную нагрузку 10 тс

Рисунок 4 - Зависимость погрешности выходного сигнала от приложенной нагрузки датчика силы на номинальную нагрузку 50 тс

Из графиков, приведенных на рисунках 3 и 4, видно, что датчики силы на основе тензорезистивных мостов имеют составляющую погрешности, обусловленную нелинейностью, до 1 %. Наибольшая нелинейность наблюдается в первой четверти диапазона входного воздействия. Максимальное

значение погрешности, обусловленной нелинейностью зависимости выходного сигнала от приложенного давления, приходится на нагрузку 20 % от номинальной. Кроме того, из графиков, приведенных на рисунках 3 и 4, видно, что датчики на различные диапазоны нагрузок имеют схожие зависимости погрешности выходного сигнала от приложенной нагрузки. Подобный характер нелинейности, предположительно, обусловлен конструктивными особенностями первичных преобразователей, а именно нелинейной зависимостью деформации металла от приложенной нагрузки.

Для создания математической модели автором был выбран интерполяционный многочлен Лагранжа

¿„«=£д*,ж*)> со

1=0

где Ln{x) - искомая функция; /(*,) - значения исходной функции в заданных узлах; х( — значения аргумента в заданных узлах; (х) - базисные полиномы.

Базисные полиномы интерполяционного многочлена Лагранжа:

п Х-Х/

>/(*)= П —(2) j=0,j*i xt Xj

Для расчета коэффициентов базисных полиномов были использованы значения функции преобразования тензорезистивных датчиков, имеющих диапазон нагрузок 10 тс. Математическая модель зависимости погрешности преобразования датчиков силы от приложенной нагрузки разработана на основе 11 узлов.

Разработанная автором универсальная математическая модель зависимости пофешности выходного сигнала от приложенной нагрузки для исследованных тензорезистивных датчиков силы имеет следующий вид:

[ 5(р) = 0, прире[70;100]

(3)

где Ът - максимальное значение погрешности, соответствующее значению нагрузки датчика силы, равному 20 % от максимальной нагрузки; р - значение приложенной нагрузки; 1Х (х), /2 (х), /3 (х), /4(х), /5 (х), /б(х) - базисные полиномы интерполяционного многочлена Лагранжа, которые определяются по следующим формулам:

----, (4)

1 т

/ (р) - PiP - )(р - 3Рт ){р - 4Рт )(р -5Рт)(р - 6Рт Хр - 1Рт). 2 -Pi 215!

- р(р~ 1Р"){Р"2РЛр~4Р»ХР'"5/>т)(Р~6Рт)(Р"'7/>т) • (б)

, , , Р{Р~ 1 ^)(Р ~2Р„)(/>~)(Р -5РМ)(Р ~6Рт)(р ~1Рт) (?) /4(Р) =-

/6(Р) =-—

'я"1

где Рт - максимальное значение нагрузки датчика силы.

Возможность применения предложенной математической модели погрешности выходного сигнала датчиков силы от приложенной нагрузки для датчиков, имеющих различные значения максимальной нагрузки, подтверждена экспериментальным путем. Полученные в результате эксперимента зависимости погрешности выходного сигнала датчиков силы на нагрузку 10 и 50 тс приведены на рисунках 5 и 6 соответственно.

Ч / V

10

Рисунок 5 - Зависимость погрешности выходного сигнала от приложенной нагрузки датчика силы на номинальную нагрузку 10 тс при использовании коррекции с помощью предложенной математической модели

Автором установлено, что применение предложенной математической модели позволяет учесть нелинейность функции преобразования тензоре-зистивных датчиков силы, и, как следствие, позволяет снизить основную погрешность систем на основе датчиков подобного типа с 0,7...1 % до 0,1...0,2%.

Рисунок 6 - Зависимость погрешности выходного сигнала от приложенной нагрузки датчика силы на номинальную нагрузку 50 тс при использовании коррекции с помощью предложенной математкческой модели

I"

В четвертой главе сформулированы требования к ИИС измерения нагрузок на опоры электродомкратов стартового комплекса, разработаны структурные схемы, алгоритмы функционирования и программное обеспечение датчиков силы и блока обработки ИИС.

Система включает в себя четыре датчика силы ДС1-ДС4, установленных на опоры электродомкратов несущих стрел стартового комплекса, блок обработки, установленный в первом основании стартовой системы, электронную вычислительную машину, установленную в контрольно-наблюдательном пункте, находящемся на расстоянии до 1 км от стартового стола -на безопасном удалении при проведении пуска ракеты-носителя.

Разработанная автором структурная схема датчика силы приведена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Структурная схема датчика силы ИИС измерения нагрузок на опоры электродомкратов стартового комплекса

Она включает в себя тензорезистивный мост (ТМ), сумматоры, дифференциальный усилитель (ДУ), источники опорного напряжения ИОН1 и ИОН2, аналоговые ключи 1 и 2, микроконтроллер (МК) со встроенным

АЦП и универсальными асинхронными приемо-передатчиками (УАПП), преобразователь уровней для реализации цифрового проводного интерфейса типа 115-485 и оптический приемопередатчик для реализации канала ВОЛС. Источник опорного напряжения ИОН1, аналоговый ключ 1, управляемый микроконтроллером, и сумматор 1 необходимы для реализации функции проверки работоспособности датчика силы без демонтажа со стартового комплекса. Источник опорного напряжения ИОН2, аналоговый ключ 2, управляемый микроконтроллером, и сумматор 2 необходимы для коррекции нелинейности АЦП микроконтроллера.

Для осуществления связи датчиков силы с блоком обработки автором одновременно применены волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС), цифровой интерфейс связи типа 118-485. Связь между ЭВМ и блоком обработки осуществляется одновременно с помощью ВОЛС и цифрового интерфейса связи типа 118-485. Применение одновременно двух типов линий связи позволяет повысить надежность системы за счет сравнения данных, полученных по двум различным, не связанным между собой каналам, что также обеспечивает целостность данных.

При построении канала ВОЛС как со стороны датчиков силы, так и стороны блока обработки в качестве приемопередатчиков ВОЛС автором применены оптические передатчики типа ПОМ-24 и оптические приемники типа ПРОМ-12 производства ОАО «НИИ "Полюс" им. Стельмаха» (г. Москва). Примененные оптические приемники и передатчики имеют возможность работы на скоростях приема/передачи от 10 до 25 Мбит/с.

Для управления вышеуказанными приемопередатчиками со стороны датчика силы использован встроенный аппаратный УАПП микроконтроллера. Со стороны блока обработки УАПП реализован программным способом ввиду отсутствия в примененном автором микроконтроллере (1986ВЕ93) четырех аппаратных блоков УАПП.

Для компенсации основной погрешности датчиков силы, обусловленной нелинейностью первичного преобразователя, использована предложенная автором математическая модель. При этом на этапе настройки производится расчет коэффициентов коррекции в 20 точках функции преобразования с помощью предложенной математической модели на основе погрешностей датчика при трех значениях нагрузки, полученных экспериментальным путем. Рассчитанные коэффициенты коррекции сохраняются в энергонезависимом постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) микроконтроллера датчика силы. Во время штатного режима работы системы производится коррекция погрешности преобразования датчика силы на основе хранимых в ПЗУ микроконтроллера коэффициентов коррекции. Значения коэффициентов коррекции для заранее неопределенных нагрузок рассчитываются методом кусочно-линейной интерполяции.

Блок обработки построен на основе двух 32-х разрядных микроконтроллеров серии 1986ВЕ9х производства ЗАО ПКК Миландр (г. Зелено-

град), МК1 и МК2. Микроконтроллер МК1 реализует функции внешних интерфейсов связи с датчиками силы ДС1-ДС4. На микроконтроллере МК2 реализованы следующие функции:

- аналого-цифровое преобразование сигналов при использовании аналоговых линий связи с датчиками в случае отсутствия подключения по цифровым линиям связи;

- вывод на индикацию;

- балансировка датчиков силы (компенсация тарной нагрузки);

- автоматический расчет коэффициентов преобразования для компенсации погрешности преобразования первичных преобразователей (тензоре-зистивных мостов);

- интерфейсы связи с ПЭВМ оператора;

- самодиагностика системы.

Структурная схема блока обработки приведена на рисунке 8.

ДС2

ДС4

УАПП! МК1

УАЛЛ2

УАППЗ УАПП4

УАЛП5 УАПЛ6 УАПП9

УАПП7 УАПЛ8

Порт1

Порт2 ПортЗ Порт4 УАПП2

УАППЗ АЦП 1*4

ИНДИКАЦИЯ

БАЛАНСИРОВКА

КАЛИБРОВКА

ФИКСАЦИЯ

Рисунок 8 - Структурная схема блока обработки информации разрабатываемой ИИС

Внешние интерфейсы связи схемотехнически реализованы аналогично тем же узлам датчиков силы. Микроконтроллеры блока обработки связаны между собой последовательным интерфейсом связи на основе аппаратных блоков УАПП микроконтроллеров (УАПП9 МК1 и УАПП1 МК2).

Для реализации функций управления блок обработки имеет на лицевой панели корпуса четыре кнопки: две кнопки «балансировка», соединенные

последовательно для снижения вероятности случайного нажатия, кнопку «калибровка», кнопку «фиксация». Все кнопки подключены к линиям порта ввода-вывода микроконтроллера МК2. При нажатии кнопки «фиксация» происходит прекращение обновления показаний на индикаторах блока обработки и в окне программы на ПЭВМ.

Нажатие кнопки «калибровка» запускает процедуру самодиагностики системы, заключающуюся в подключении резистора между положительным выводом питания и одним из плеч тензорезистивного моста. Сопротивление калибровочного резистора подбирается таким образом, чтобы выходной сигнал датчика силы соответствовал уровню нагрузки 80% от номинального значения. Это дает возможность проконтролировать работоспособность как блока обработки, так и каждого отдельного датчика, включая первичные преобразователи и каналы связи, путем сравнения показаний индикаторов блока обработки с эталонным значением, соответствующим 80 % от номинального значения нагрузки.

В начальный момент времени, после подачи питания на блок обработки, производится инициализация микроконтроллеров, установление связи между ними и синхронизация, после чего осуществляется инициализация каналов связи и переход в штатный режим работы. Инициализация канала связи включает в себя следующие процедуры:

- определение подключения линий связи;

- определение типов датчиков, подключенных к блоку обработки, и их

основных параметров;

- определение максимальной скорости приема/передачи интерфейсов;

- переход в штатный режим работы.

При работе системы в штатном режиме прием/передача данных осуществляется по ВОЛС по принципу запрос-ответ, с периодическим дублированием по цифровому интерфейсу 118-485. При отказе ВОЛС (частая потеря пакетов данных, отсутствие связи, некорректные данные и др.) осуществляется полный переход на проводной цифровой интерфейс связи с передачей кода ошибки на электронную вычислительную машину оператора.

Процедура инициализации канала связи с датчиком производится по алгоритму, приведенному на рисунке 9.

После выполнения приведенного алгоритма осуществляется проверка максимальной скорости по выбранному интерфейсу связи, которая заключается в поочередной отправке пакетов от блока обработки с запросом ответа на определенной скорости начиная с минимальной (4800 бит/с). Контроль корректности принятых пакетов осуществляется на стороне блока обработки. При приеме некорректного пакета в качестве максимальной скорости выбирается предыдущее значение скорости приема/передачи. В случае отсутствия ошибок на всех скоростях приема/передачи выбирается мак-

симальная скорость (36400 бит/с). Приведенный алгоритм выполняется поочередно для каждого датчика.

Рисунок 9 - Блок-схема алгоритма процесса инициализации интерфейсов

связи с датчиками

В случае отсутствия соединения как по волоконно-оптической линии связи, так и по 118-485, а также во время процедур инициализации и определения максимальной скорости работа осуществляется по аналоговым линиям связи с датчиками, при этом задействован встроенный АЦП микроконтроллера МК2 и блоки аналоговой обработки, находящиеся в блоке обработки.

Для учета аддитивной составляющей погрешности преобразования датчиков силы (погрешность нуля) перед началом штатной работы системы производится процедура обнуления показаний. Для проведения указанной процедуры необходимо нажать одновременно на две кнопки «балансировка», расположенные на передней панели блока обработки. Блок-схема алгоритма работы системы при осуществлении балансировки приведена на рисунке 10.

Рисунок 10 - Блок-схема алгоритма процесса балансировки датчиков силы

При одновременном нажатии кнопок «балансировка» происходит запоминание значений, выдаваемых датчиками силы, и сохранение их в энергонезависимой памяти микроконтроллеров. При последующем проведении замеров во время штатного режима работы происходит считывание ранее сохраненных значений и вычитание их из результатов измерений.

Разработанная автором информационно-измерительная система контроля нагрузок на опоры электродомкратов имеет следующие технические характеристики:

Количество каналов Интерфейс связи с датчиками Интерфейс связи с ПЭВМ Автоматическое определение типа датчиков Верхнее значение диапазона нагрузки Основная приведенная погрешность Дополнительная температурная погрешность в диапазоне температур

RS-485, ВОЛС RS-485, ВОЛС, USB есть

Юте, 50тс, ЮОтс 0,5 % 0,005 %/°С минус 50...+50°С

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

В приложениях к работе представлены сведения о внедрении результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В результате проведенного исследования намечены пути снижения основных и дополнительных погрешностей блоков обработки аналоговой информации информационно-измерительных систем, включая первичные преобразователи, встроенные АЦП и ЦАП микроконтроллеров.

2. Разработана математическая модель погрешности преобразования от нагрузки тензорезистивных датчиков силы, позволяющая учитывать нелинейность функции преобразования датчиков силы, построенная на основе интерполяционного многочлена Лагранжа.

3. Разработана структура, алгоритмы функционирования и программное обеспечение датчика силы для ИИС измерения нагрузок, действующих на опоры электродомкратов стартового комплекса. Отличительными особенностями разработанного датчика силы является введение дифференциального усилителя, микроконтроллера со встроенными АЦП и ЦАП для реализации цифровой обработки сигналов и внешних цифровых интерфейсов связи, а также дополнительного источника опорного напряжения, ключа и цепи обратной связи для коррекции погрешностей встроенных АЦП и ЦАП микроконтроллера.

4. Разработана структура, алгоритмы функционирования и программное обеспечение блока обработки ИИС измерения нагрузок, действующих на опоры электродомкратов стартового комплекса. Отличительными особенностями разработанного блока управления ИИС является введение дополнительного микроконтроллера для реализации внешних интерфейсов связи, оптических приемопередатчиков для построения каналов приема-передачи по ВОЛС и преобразователей уровней для реализации проводных цифровых интерфейсов связи с датчиками и контрольно-наблюдательным пунктом.

5. Разработанные структурные схемы, алгоритмы функционирования и программное обеспечение блоков ИИС использованы в ОАО «НИИФИ» при разработке ИИС измерения нагрузок, действующих на опоры электродомкратов стартового комплекса, имеющей основную приведенную погрешность не более 0,5%, дополнительную температурную погрешность не более 0,005 %/°С в диапазоне температур минус 50.. ,+50°С.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Майоров, А. В. Математическая модель зависимости погрешности выходного сигнала тензорезистивных датчиков силы от приложенной нагрузки / А. В. Майоров, А. В. Светлов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2015. - № 1 (33). - С. 70-80.

2. Майоров, А. В. Методика проведения эксперимента по определению основных и дополнительных погрешностей компонентов информационно-измерительных систем для обработки медленноменяющихся сигналов // Научное обозрение. - 2015. - № 8. - URL: http://www.sced.ru/ru/files/07_08_

2015/07_08_2015.pdf

3. Майоров, А. В. Способ снижения температурной погрешности циф-роаналоговых преобразователей «систем на кристалле» / А. В. Майоров, А. В. Светлов // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс : периодическое научное издание. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. технол. ун-та, 2015.-№03(25).-Т. 2.-С. 149-154.

Публикации в других изданиях

4. Майоров, А. В. Метод снижения температурной погрешности аналого-цифровых преобразователей информационно-измерительных систем на основе «систем на кристалле» // Надежность и качество - 2014 : тр. Меж-дунар. симп.: в 2 т. - Пенза: Изд-во ПТУ, 2014. - Т. 2. - С. 96-99.

5. Майоров, А. В. Помехозащищенный канал обработки аналоговых сигналов информационно-измерительной системы // Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации : сб. науч. ст. Междунар. науч.-техн. конф. «Шляндинские чтения - 2014» (г. Пенза, 10-12 ноября 2014 г.). - Пенза : Изд-во ПТУ, 2014. - С. 110-111.

6. Майоров, А. В. Влияние параметров фильтра нижних частот аналого-цифрового преобразователя на погрешность преобразование при обработке медленноменяющихся сигналов в информационно-измерительных системах // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2014. - № 3. -С. 47-51.

7. Майоров, А. В. Метод снижения основных погрешностей встроенных ЦАП микроконтроллеров // Измерение. Мониторинг. Управление.

Контроль. - 2014. -№ 4. - С. 9-13.

8. Майоров, А. В. Применение цифровых интерфейсов связи в силоиз-меряющих устройствах // Теоретические и прикладные аспекты науки и образования : сб. науч. тр. по материалам Междунар. науч.-практ. конф. 31 января 2015 г. : в 16 ч. -.Тамбов : ООО «Консалтинговая компания Юком», 2015.-Ч. 15.-С. 77-78.

9. Майоров, А. В. Способ коррекции интегральной нелинейности АЦП // Теоретические и прикладные аспекты современной науки : сб. науч. тр. по материалам V Междунар. науч.-практ. конф. 30 ноября 2014 г. : в 6 ч. / под общ. ред. М. Г. Петровой. - Белгород : ИП Петрова М. Г., 2014. -Ч.З.-С. 92-94.

10. Майоров, А. В. Способ коррекции погрешностей преобразования ЦАП в системах обработки медленноменяющихся сигналов // Современные тенденции в образовании и науке : сб. науч. тр. по материалам Междунар. науч.-практ. конф. 28 ноября 2014 г. : в 14 ч. - Тамбов : ООО «Консалтинговая компания Юком», 2014. - Ч. 11.-С. 108-109.

Научное издание

МАЙОРОВ Артем Владиславович

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ НАГРУЗОК, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА ОПОРЫ ЭЛЕКТРОДОМКРАТОВ СТАРТОВОГО КОМПЛЕКСА

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение)

Редактор Е. Г. Акимова Технический редактор М. Б. Жучкова Компьютерная верстка М. Б. Жучковой

Распоряжение № 6/62-15 от 27.04.2015. Подписано в печать 29.04.15. Формат 60х841/16. Усл. печ. л. 1,16. Заказ № 008756. Тираж 100.

Издательство ПГУ. 440026, Пенза, Красная, 40. Тел./факс: (8412) 56-47-33; e-mail: iic@pnzgu.ru