автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.14, диссертация на тему:Исследование и разработка методов повышения точности в каналах обработки и передачи информации автоматизированных весоизмерительных систем

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1. Весоизмерительные системы. Структурные схемы и отличительные особенности

1.2. Методы повышения точности весоизмерительных систем.

1.3. Анализ основных характеристик весоизмерительных систем.

1.4. Постановка задачи

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МНОГОДИАПАЗОННОЙ ВЕСОИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ.

2.1. Модель весоизмерительной системы

2.2. Разработка структурной схемы многодиапазонной весоизмерительной системы

2.2.1. Определение требований к основным техническим параметрам ВС.

2.2.2. Метод поверки многодиапазонной весоизмерительной системы.

2.2.3. Структурная схема много диапазонной весоизмерительной системы.

2.2.4. Структурная схема обработки сигнала тензодатчика итерационным методом.

2.3. Выводы по главе.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ЭЛЕМЕНТОВ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

ВЕСОИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ.

3.1. Разработка структурной схемы весовой ячейки

3.1.1. Определение весовой ячейки.

3.1.2. Разработка структурной схемы аналогового измерительного преобразователя

3.1.3. Разработка имитационной модели аналогового измерительного преобразователя.

3.2. Разработка методики определения параметров весовой ячейки для заданного класса точности

3.2.1. Передаточная характеристика весовой ячейки

3.2.2. Разрешающая способность.

3.2.3. Линейность.

3.2.4. Гистерезис.

3.2.5. Температурный коэффициент усиления.

3.2.6. Системная составляющая погрешности.

3.2.7. Поверка и определение основных параметров весовой ячейки

3.3. Разработка динамической модели весовой ячейки

3.4. Выводы по главе.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ТЕНЗОДАТЧИКА.

4.1. Разработка методики расчета упругого тела тензодатчика

4.2. Разработка модели тензодатчика

4.3. Экспериментальные исследования

4.4. Выводы по главе.

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ИМИТАЦИОННОЙ

МОДЕЛИ АДАПТИВНОЙ ВЕСОИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

5.1. Адаптивная весоизмерительная система

5.2. Разработка имитационной модели адаптивной весоизмерительной системы

5.3. Интерпретация результатов моделирования

5.4. Выводы по главе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Дозирование и взвешивание занимают одно из главных мест в технологических процессах разных отраслей промышленности: металлургической, химической, пищевой, горнодобывающей, в сельском хозяйстве и торговле. Современные требования к качеству продукции, ее рентабельности, создание непрерывных технологических процессов способствовали развитию весоизмерительных систем (ВС) . В современных автойатизированных производствах всевозрастающее значение приобретает учет сырья как при дозировании, так и в процессе отгрузки с помощью весоизмерительных систем.

С углублением развития рыночных отношений задача улучшения метрологических параметров при взвешивании и дозировании становится еще более актуальной. Применение различных механических связей, внешние факторы (температура, динамические колебания и т.д.) приводят к появлению явлений, вызывающих погрешности в ВС.

Исследование факторов, влияющих на точность ВС и методы борьбы с ними, рассматриваются в данной работе.

Работы в данной области продолжаются и совершенствуются с момента широкого применения компьютеров. Работы в этом направлении провел Э. Бауман [ 1 ] , который предложил различные методики измерения сил электрическими методами. У. Томкинс и Дж. Уэбстер предложили методы сопряжения тензодатчиков с устройствами ввода данных компьютера IBM PC [2] . В нашей стране основополагающие работы были выполнены С. И. Гаузнером, С. С. Кивилисом, А.П.Осокиной,

A.Н.Павловским [3],, Н .Я. Гроссмацом, Г.Д.Шныревым [4],

B.J1 .Шинкоренко [5]. В данных работах рассматривались основные методы и структуры ВС, направленные на повышение точности. Следует отметить в теории построения весов с цифровым автоматическим уравновешиванием работы

Годзиковского В.А. [б], Цывина A.A., [7], предложивших методы расчета конструктивных параметров тензорезисторных датчиков, а также работы Полунова Ю.Л., Гальченко В.Д. [8], предложивших различные принципы построения основных узлов весов и дозаторов. Число работ, посвященных этим важным вопросам, в настоящее время постоянно растет.

Существует несколько подходов для реализации повышения точности ВС. Один из них заключается в использовании метода многодиапазонности. Наиболее распространенными являются ВС, использующие ТД прямого нагружения; данные ВС имеют число поверочных делений <3000, с погрешностью ±3 поверочных деления. Для реализации ВС с наибольшим пределом взвешивания (НПВ) в диапазоне 5т<НПВ<200т использование для повышения точности ТД прямого нагружения с числом поверочных делений>6000 затруднительно. В связи, с чем возникает проблема:

• разработка многодиапазонной ВС с использованием малогрузного ТД;

• использование ТД с НПВ<200кг и числом поверочных делений>4 000 в контуре управления мно-родиапазонной BQ вызывает необходимость разработки мётфда расчета упругого элемента ТД.

Снижение погрешности ВС при обработке и усилении сигнала ТД аналоговым измерительным преобразователем (АИП) ставит проблему:

• разработки структурной схемы АИП.

Динамическая погрешность ВС определяется спектром входного сигнала и зависит от различных вибрационных помех. Наиболее эффективными методами снижения влияния различных видов вибрационных помех являются фильтрация, методы подавления динамических помех и метод интегрирования сигнала ТД во времени.

В настоящее время широко применяются адаптивные методы управления в различных системах управления, однако применение адаптивных методов управления для ВС с целью повышения точности в условиях действия динамических помех недостаточно исследовано. В связи с этим при создании ВС повышенной точности возникает проблема:

• разработка имитационной модели адаптивной ВС.

Рассмотрение отдельных частей ВС: устройства нагружения, ТД, АИП без взаимосвязи не позволит определить каждому поверочному значению веса соответствующие значения технических параметров основных элементов весоизмерительной системы (ОЭВС) в зависимости от числа поверочных делений. Таким образом, возникает необходимость решения следующих проблем:

• определения технических параметров ОЭВС для заданного класса точности в зависимости от числа поверочных делений;

Объектом исследования являются: разработка моделей и структурных схем многодиапазонной ВС, адаптивной ВС, разработка методик расчета параметров ТД и весовой ячейки (ВЯ) в зависимости от числа поверочных делений. Целью диссертационной работы являются исследование и разработка методов повышения точности ВС в каналах обработки и передачи информации автоматизированных весоизмерительных систем. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

• разработка структурных схем ВС и АИП на основе принципа многодиапазонности с применением в качестве измерительного устройства одного или нескольких ТД;

• исследование и разработка методики определения параметров ОЭВС в зависимости от числа поверочных делений;

• исследование и разработка методики расчета параметров упругого тела ТД, учитывающего действия изгибающего момента продольной силы и всех конструктивных параметров упругого тела; разработка имитационной модели адаптивной ВС.

Для решения поставленных задач используются методы математической статистики, метод сил, метод правых прямоугольников для вычисления значения определенного интеграла, метод многодиапазонности. Кроме аналитических методов в исследовании использовалось имитационное моделирование на ЭВМ и эксперимент на конкретном объекте.

Научная новизна работы заключается в получении следующих научных результатов:

• Предложена методика определения параметров ТД, учитывающая в совокупности геометрические размеры, приложенный изгибающий момент и продольную силу.

• Разработана методика определения основных параметров весовой ячейки в зависимости от числа поверочных делений ВС.

• Разработан алгоритм расчета упругого тела ТД на основе методики расчета рамочной конструкции упругого тела ТД с учетом всех геометрических размеров, а также действия изгибающего момента и продольной силы.

• Впервые разработана структурная схема многодиапазонной ВС, реализованная на основе принципа многодиапазонности с применением в качестве измерительного устройства одного или двух ТД с НПВ<200 кг.

• Осуществлено моделирование адаптивной ВС.

Прикладным практическим результатом диссертации является создание многодиапазонной весовой ячейки, модуля АИП сигнала, а также программного обеспечения для функционирования ВС повышенной точности до 10000 делений. Использование полученных результатов при выполнении ОКР в АО «СКТБВИТ с ОП» повысило эффективность выполнения договорных обязательств, что подтверждено актом внедрения.

Оригинальность предложенных принципов и методов подтверждается полезной моделью и патентом [32,33].

Научные и практические результаты диссертационной работы внедрены при проведении НИР и ОКР при проектировании различных типов весов и дозаторов в АО «СКТБВИТ с ОП» и АО АПКО «Весоизмеритель» при непосредственном участии автора в ОКР, полученных в рамках выполнения договорных обязательств. В процессе выполнения этих работ осуществлены внедрения следующих научных результатов:

1. При изготовлении ТД с наибольшими пределами взвешивания 100,200 кг использована методика определения основных геометрических параметров упругого тела.

2. Модуль усиления, схемная реализация АИП ВС.

3.Многодиапазонная ВС с наибольшим пределом взвешивания 6000 кг и модель многодиапазонной ВС.

Акты внедрения прилагаются.

Основные результаты диссертационной работы доказывались и обсуждались на следующих конференциях:

• «Персональные исследовательские комплексы и автоматизированные рабочие места» г. Таганрог 1994 г;

• Северо-Кавказская региональная научно-практическая конференция «Методы и технические средства диагностики прочности и сейсмостойкости зданий и инженерных сооружений и сейсмического районирования» г. Армавир 1996 г.

Результаты работы также докладывались на семинарах в Таганрогском радиотехническом университете (1996/1997 г.г.)

Основное содержание диссертационной работы, опубликовано в работах [32,33,4 4,45] приведённых в списке литературы.

Диссертация состоит из пяти глав, основных результатов работы и списка используемой литературы.

В первой главе проводится анализ существующих весоизмерительных систем. Анализируются различные структурные схемы ВС, их достоинства и недостатки. Даются различные классификации ВС по принципу передачи усилия, по виду грузоприемного устройства, по виду напряжения питания ТД. Также в первой главе приводятся основные методы повышения точности ВС. Выделяется предмет исследования, т.е. методы, которые рассматриваются в данной работе. Во второй главе предлагается алгоритм разработки модели ВС повышенной точности, разрабатываются две новые структуры ВС на основе многодиапазонности. Данные структурные схемы позволяют достигнуть точность ВС 6000-10000 поверочных делений.

Третья глава посвящена разработке элементов структурной схемы ВС. Введено новое функционально обобщающее понятие -весовая ячейка. Введение данного функционального понятия позволяет рассматривать ТД, устройство нагружения и АИП как единое целое, где каждому поверочному значению веса соответствует определенное значение напряжения на выходе.

Разработана методика определения основных параметров весовой ячейки в зависимости от числа поверочных делений. На основании предложенной методики разработана имитационная модель АИП. Разработана динамическая модель весовой ячейки.

В четвертой главе разрабатывается методика расчета упругого тела ТД. Основной отличительной особенностью расчета рамочной конструкции методом сил является учет всех

10 геометрических размеров упругого тела ТД, действие изгибающего момента и продольной силы.

Разработана модель ТД, которая позволяет имитировать коэффициент передачи ТД для различных усилий с учетом геометрических параметров упругого тела ТД и различных модулей упругости.

В пятой главе разработаны две структурные схемы адаптивной ВС. Разработаны имитационные модели адаптивной ВС. Проведены исследования на имитационных моделях и моделях механических систем. Сделаны выводы по реализации повышения точности ВС в условиях действия различных динамических помех.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В данной работе были поэтапно реализованы теоретические основы и средства повышения точности ВС. Были выделены этапы этой технологии:

• предварительная выработка основных технических требований направленных на повышение точности ВС;

• реализация функциональных (структурных схем) отдельных блоков;

• моделирование отдельных блоков и ВС в целом.

В рамках реализации каждого этапа были проведены исследования, результатами которых явилась реализация новых структурных блоков, алгоритмов и программ, решающих задачу повышения точности ВС на каждом этапе и обладающих рядом совершенно новых качеств, выгодно отличающихся от ранее известных разработок:

• проведено исследование и выработано новое функционально - обобщающее понятие ВЯ;

• проведено исследование и разработана модель и алгоритм расчета упругого тела ТД с возможностью получения оптимальных размеров упругого тела ТД;

• проведен анализ и разработана имитационная модель адаптивной ВС;

• проведено исследование и разработана структура многодиапазонной ВС повышенной точности.

В результате работы получены следующие научные и практические результаты:

1.Предложена методика определения параметров ТД, учитывающая в совокупности: геометрические размеры, приложенный изгибающий момент и продольную силу.

151

2.Разработан алгоритм расчета упругого тела ТД, учитывающий геометрические размеры, действующий изгибающий момент и продольную силу.

3.Разработана методика определения основных параметров ОЭВС в зависимости от числа поверочных делений ВС.

4. Разработана схемная реализация АИП ВС, использующего в качестве опорного напряжения ТД синусоидальный сигнал.

5. Впервые разработана структурная схема многодиапазонной ВС повышенной точности.

6.Разработана динамическая модель ВЯ и осуществлено моделирование адаптивной ВС.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что разработана фактически новая ВС повышенной точности. Решение данной задачи выполнено на более высоком уровне, благодаря использованию мощных программных инструментов моделирования, обработке и фильтрации весоизмерительной информации с использованием специфических требований к отдельным элементам ВС.

1. Э Бауман. Измерение сил электрическими методами. М:Мир 1978.-430с.

2. Сопряжение датчиков и устройств ввода вывода с компьютерами IBM PC. Под ред. У Томпкинса, Дж. Уэбстера,-М.:Мир, 1992.-592с.

3. Гаузнер С. И., Кивилис С. С., Осокина А. П., Павловский А.Н. Измерение массы, объема и плотности.-М.: Издательство стандартов, 1982.-528с.

4. Гроссман Н.Я. Шнырёв Г. Д. Автоматизированные системы взвешивания и дозирования.- Машиностроение, 1988.-296с.

5. Шинкаренко В. Л. Некоторые вопросы теории весов с цифровым автоматическим управлением. Измерительная техника, 1980. №9.

6. Сравнительная оценка погрешности от механических влияющих величин силоизмерительных элементов тензорезисторных датчиков силы. Годзиковский В.А. Труды НИКИМП. Москва, 1985.-С.33-45.

7. Особенности групповых методов изготовления тензорезисторных датчиков силы. Цывин A.A. Базжин Ю.М. Кузнецов A.M. Труды НИКИМПА, 1985.-С.69-81.

8. Полунов Ю.Л., Гальченко В.Д. Цифровые измерительно-управляющие устройства тензометрических весов и дозаторов. М.:Энергоатомиздат, 1986.-152с.

9. Components for Weighing Technology. Hottinger Baldwin Messtechnik. (HBM) 1998-106с.

10. Патент СССР SU1827015A3 G01G 19/413 Весы Бочаров В.А. и др. 07.07.93 Бюл. №25.

11. Патент СССР SU 1747934А1 G01 G19/413. Весы с автоматическим изменением диапазонов Дубов Г.Н и др. 15.07.92 Бюл. №26.

12. Патент РФ RU 2071039С1 6G01 G19/413 Электронные весы. Давиденко Н.И. и др. 27.12.96. Бюл. №36.

13. Алиев Т.М, А.А.Тер-Хачатуров, А.М. Шекиханов. Итерационные методы повышения точности измерения М.: Энергоатомиздат, 1986.-168с.

14. Вишенков А.С. Методы и средства аттестации, поверки и испытаний силоизмерительных приборов. М. :Изд-во стандартов, 1985.-184с

15. Погодин С. Н. Автоматизированная расчетная система для исследования упругих характеристик тензодинамометров Измерительная техника 1992. №4.-С.12-14.

16. Секулевич М. Метод конечных элементов М.:Стройиздат, 1993.-664с.

17. Шлыков Г.П. Аппаратурное определение погрешностей цифровых приборов. М.: Энергоатомиздат, 1984.-128с.

18. Мирский Г.Я. Микропроцессоры в измерительных приборах М.гРадио и связь, 1984.-160с.

19. Рекомендации МОЗМ OIML R60 «Internationa Recommendation metrological regulation for load cells».

20. Ачейнин Д.И. Костина Е.Н. Кузнецова Н.Н. Датчики контроля и регулирования. М.:Машиностроение, 1965.-928с.

21. Адаптивные системы автоматического управления: Учебное пособие /В.Н. Антонов, A.M. Пришвин, В.А. Терехов, А.Э. Янчевский/ Под ред. Проф. В.Б. Яковлева. JI.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1984.-204с.

22. Орлов В.В. Циферблатные весоизмерительные приборы. Алма-Ата. Казгосиздат, 1964.

23. Весы для статического взвешивания. Общие технические требования ГОСТ 29329-92 Введен 27.03.92.

24. Весы для статического взвешивания. Методы и средства поверки. ГОСТ 8.453-82. Введен 01.07.83.

25. Круг П. Г. Виртуальные измерительные системы. Приборы и системы управления, 1996. №11.-С.44.

26. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. 2-е издание, перераб. и доп.-JI.:Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988.-304с.

27. К вопросу о погрешностях весов для измерения больших масс. A.A. Миндин, B.C. Каро. Труды метрологических институтов СССР. Исследования в области измерения больших масс. Вып. 165(245) 1978. С.40-46.

28. Бочаров В.А. Погрешности рычажных весов от смещения рабочих ребер призм по высоте. Измерительная техника, №10. 1969.-С.45-46.

29. Бочаров В. А, Меньшиков И. Р, Орлов В.В. Поэлементная юстировка стационарных рычажных весов выпускаемых из производства Измерительная техника, №1, 1964.-С67-68.

30. Вовченко П.И. Гаузнер С.И. Весовые устройства. Монтаж, ремонт, поверка-М.:Транспорт, 1981.-256с.

31. Долгов С.Д, Морозов В. А, Федосов В. П. Использование статистических методов для повышения разрешающей способности аналого-цифровых преобразователей. Приборы и техника эксперимента, №3 198 9.-С.80-81.

32. Полезная модель РФ ВД 4002 и1бС01С19/00 Весы. Бочаров В.А. Давиденко А.Н. 16.04.97. Бюл. №4.

33. Патент РФ Ш 2133945С1 6С01 С19/02, 19/415 Многодиапазонные электронные весы. Давиденко А.Н Рогозов Ю.И. 27.07.99. Бюл. №21.

34. Парфенов М.М. и др. Анализ современного состояния и перспективы развития вторичных преобразователей для тензорезисторных датчиков. ТС.7. Машины и приборы для измерения механических величин. ЦНИИ ТЭИ приборостроения 19978-64с.

35. Сопротивление материалов с основами теории упругости и пластичности. Учебник под ред. Г. С. Варданян. -М., Издательство АСВ, 1995-568с.

36. И.А. Биргер, Б.Ф. Шорр, Р.М.Шнейдерович Расчет на прочность деталей машин Справочное пособие. М.:Машиностроение, 1966.-616с.

37. Клокова Н.П. Тензорезисторы :Теория, методики расчета, разработки. М.: Машиностроение, 1990.-224с.

38. Бендат Дж. Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. М, Мир, 198 9.-540с.

39. Экспериментальная механика. В 2-х книгах: Книга1 Пер. с англ. -/Под. ред Кобаяси-М.: Мир, 1990.-616с.

40. Тензорезисторные датчики силы для автоматизации процессов взвешивания, дозирования и испытания материалов. ТС-7. Информпробор, Выпуск 2.М.: 1987.-48с.

41. Сопротивление материалов. Под редакцией АН УССР Писаренко Г.С. Высшая школа. 1986.-775с.

42. Численные методы. М.: Высшая школа, 1976.-368с.

43. Метрологические требования к основным элементам электронных весов: Тез. Докл. Сборник трудов. Компьютерные технологии в инженерной и исследовательской деятельности. Материалы Всероссийской научно-технической конференции. Таганрог, 1996 -141с.

44. Расчет датчиков силы консольного типа: Тез. Докл. Северо-Кавказская региональная научно практическая конференция. Методы и технические средства диагностики прочности и сейсмостойкости зданий и инженерных сооружений. Армавир, 1996 -63с.157