автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Исследование и развитие методов измерительного преобразования параметров струнных датчиков

На правах рукописи

Петров Алексей Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ СТРУННЫХ ДАТЧИКОВ

Специальность 05.11.16 - "Информационно-измерительные и управляющие системы (энергетика)"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2004

Работа выполнена на кафедре "Измерительные информационные технологии" в ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет"

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент

Клементьев А.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кондрашкова Г.А. Кубланов МЛ.

кандидат технических наук

Ведущая организация: ОАО "Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники (ВНИИГ) им. Б.Е.Ведеяеева"

Защита состоится "23" декабря 2004 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.229.10 в ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" (по адресу 194021, Политехническая 21, ауд. 535).

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет".

Автореферат разослан ноября 2004 г.

Учёный секретарь совета

д.т.н., проф.

Общая характеристика работы

Актуальность. Технология измерений с помощью струнных датчиков весьма актуальна, когда речь идёт о контроле состояния различных гидротехнических и подземных сооружений, например, плотин ГЭС, тоннелей, мостов. Благодаря преимуществам частотного выходного сигнала, высокой чувствительности и долговечности датчики этого типа получили широкое распространение в нашей стране и за рубежом, а для преобразования их параметров многими производителями выпускается специализированная вторичная аппаратура.

Теория и практика использования струнных датчиков достаточно развиты, поскольку основные задачи в этой области решались, начиная с 20-30х годов XX века (работы академика Н.Н. Давиденкова). Но по мере накопления опыта эксплуатации возник ряд вопросов, связанных с точностью и надёжностью вторичного измерительного преобразования.

Для измерения частоты (периода) сигнала датчика, как правило, применяются хорошо известные цифровые счетные методы, надёжные и сравнительно простые в реализации. Однако на точность этих методов существенное влияние оказывают вызываемые старением датчиков уменьшение амплитуды сигнала и увеличение скорости затухания, а также неосновные гармоники колебаний струны и наведённые помехи.

Учитывая, что подавляющее большинство находящихся в эксплуатации струнных датчиков труднодоступны для замены, ремонта или периодической поверки, совершенствование методов вторичного преобразования их параметров является очевидным шагом на пути повышения точности и надёжности измерений, увеличения срока эксплуатации датчиков. Это касается как методов измерения частоты сигнала датчика, так и способов возбуждения колебаний и оценки состояния датчика по таким параметрам как спектральный состав колебаний струны, декремент их затухания и амплитуда сигнала отклика. Цель работы.

Целью работы является исследование и развитие методов вторичного преобразования

проектирования

параметров струнных датчиков, а также

I БИБЛИОТЕКА

I С

• О»

ГЯЩ,

универсальных измерительных систем для струнных датчиков. В связи с основным направлением исследований в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Определение путей совершенствования вторичной аппаратуры для струнных датчиков (ВАСД) на основе результатов изучения функциональных и конструктивных особенностей датчиков, анализа методов измерения частотно-временных параметров сигналов и сопоставления существующих образцов данной аппаратуры.

2. Анализ и развитие спектрального метода измерения частоты для повышения его точности и помехозащищённости применительно к многообразию реальных сигналов струнных датчиков.

3. Исследование и оптимизация частотно-временных характеристик импульса возбуждения колебаний струны с целью улучшения распределения энергии гармоник.

4. Исследование методов и создание алгоритмов для оценки параметров затухания сигнала датчика.

5. Разработка и совершенствование структурной реализации измерительных систем для струнных датчиков и соответствующего программного обеспечения.

Методы исследований.

В диссертационной работе применялись методы спектрального анализа, z-преобразования и теории фильтрации, а также теории погрешностей и математической статистики. Проводилось математическое моделирование рассматриваемых процессов и методов с использованием программного обеспечения MathCAD. Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Усовершенствован спектральный метод измерения частоты сигнала с использованием интерполяции дискретного спектра, основанной на оконном взвешивании.

2. Предложены теоретически обоснованные методы оптимизации возбуждающего воздействия с целью усиления основной и подавления кратных гармоник колебаний струны.

3. На основании анализа погрешностей даны рекомендации по улучшению помехоустойчивости алгоритмов измерения параметров затухания.

Практическая значимость:

1. Разработаны алгоритмы и соответствующее программное обеспечение, реализующие предложенный вариант спектрального метода измерения частоты и оптимизированные для встраиваемых микропроцессорных устройств.

2. Предложены и реализованы на практике алгоритмы и программное обеспечение для измерения коэффициента затухания колебаний струны датчика на основе анализа средневыпрямленного значения сигнала отклика.

3. Созданы многоканальная автоматизированная система и автономный многофункциональный прибор, использующие предложенные методы вторичного измерительного преобразования параметров струнных датчиков.

Результаты реализации и внедрения:

При непосредственном участии автора созданы современные промышленные

образцы измерительных систем и приборов, использующих струнные датчики, в том

числе:

• на Бурейской и ряде других ГЭС внедрены в эксплуатацию в системах контроля состояния плотины восемь автономных приборов и специализированное программное обеспечение, разработанное автором;

• в Санкт-Петербургском Метрополитене на участке размыва с июня 2004 г в эксплуатации находится автоматизированная распределённая измерительная система, использующая более ста струнных датчиков для контроля деформации бетонной обделки тоннелей.

Положения, выносимые на защиту:

1. Метод измерения частоты сигнала на базе спектрального анализа с использованием интерполяции дискретного спектра, основанной на оконном взвешивании.

2. Алгоритм измерительного преобразования, реализующий разработанный вариант спектрального метода измерения частоты.

3. Методика оптимизации импульсного возбуждения датчика по критерию сосредоточения максимума энергии колебаний в области основной гармоники.

4. Алгоритмическое и программное обеспечение для использования в разработанных измерительных системах и приборах, реализующих вторичное преобразование параметров струнных датчиков.

Апробация работы. Основные практические и научные результаты диссертационной работы обсуждались на VII Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права» (РФ, Сочи, октябрь 2004г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 статьи, из них - одна статья в научно-техническом журнале и две статьи в сборнике материалов международной научно-практической конференции.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и 6 приложений. Содержит 150 страниц основного текста, 65 рисунков, 7 таблиц.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность проблемы, определяется предмет, формулируются цель и задачи исследования.

Первая глава посвящена исследованию конструктивных и функциональных особенностей струнных датчиков, обзору методов измерения частотно-временных параметров сигналов и анализу параметров, характеризующих затухание колебаний, а также обзору и сравнительному анализу современных измерительных систем и приборов, предназначенных для работы со струнными датчиками.

Вначале рассмотрены основные уравнения, связанные с функционированием струнных датчиков, отмечены различные варианты построения устройств возбуждения колебаний струны и их преобразования в электрический сигнал, а также импульсный и резонансный способы опроса датчиков. Выявлена тенденция к преимущественному использованию импульсного способа возбуждения и определён критерий оптимизации частотно-временных характеристик импульсов.

Особое внимание в главе уделено анализу методов измерения частотно-временных параметров сигналов. Выделены три основные группы этих методов: классические счётно-импульсные, спектральные и модельно-зависимые. Для указанных групп проведён сравнительный анализ достоинств и недостатков применительно к реальным сигналам струнных датчиков. Также рассмотрены характеристики затухания сигнала и их определение для систем, описываемых дифференциальными уравнениями второго порядка.

В конце главы приведен обзор ВАСД отечественных и зарубежных производителей и сравнительная таблица их характеристик. Предложена классификация по функциональному признаку, сделаны выводы о современных тенденциях развития этого направления измерительного приборостроения и сформулирован список требований к современным автоматизированным системам сбора данных.

На основании выполненного анализа определены задачи, решение которых повысит качество вторичного измерительного преобразования параметров струнных датчиков.

Во второй главе проведён углублённый анализ теоретических положений, связанных с решением поставленных задач.

Путём изучения колебательных процессов струнной системы датчика, описываемых дифференциальным уравнением второго порядка в частных производных, было выведено выражение для импульсного воздействия на струну, оптимального с точки зрения сосредоточения энергии колебаний в частотной области основной гармоники при одновременном подавлении высокочастотных:

где &,(*) - функция распределения ускорения вдоль с ФОрЛ - не-

которая частота из диапазона ожидаемых частот отклика; - окно, ограничи-

вающее импульс во времени, причём длительность воздействия Т, связана с диапазоном ожидаемых частот отклика.

Оценка эффективности такого воздействия проводилась путём спектрального анализа линейной системы, описывающей процесс колебаний струны, в которой в качестве входного воздействия принята внешняя сила а выходного - поперечное смещение струны У(р,х). Получение выражения для функции У{р,х) связано с необходимостью рассматривать входное воздействие как линейную комбинацию фундаментальных функций струны - - длина струны, номер моды. В таком случае результат воздействия представляет собой сумму

2 I

- передаточная

о

характеристика линейной системы со струной, причём 0)п - частоты колебательных мод струны.

При анализе оптимальных воздействий (1) были рассмотрены различные оконные функции а также часто используемые на практике формы импульсов возбуждения: прямоугольные и экспоненциальные. Основным критерием для оценки оптимальности импульсов в работе принято отношение амплитуд основной и высших гармоник в зависимости от частоты основной. В реальных конструкциях датчиков главный негативный вклад вносят нечётные колебательные моды струны, в частности третья и пятая.

На рис. 1 приведены диаграммы распределения амплитуд первой, третьей и пятой гармоник колебаний струны в зависимости от частоты первой гармоники для традиционных и оптимальных воздействий. Параметры импульсов выбраны с учетом условия

По результатам анализа сделаны выводы о преимуществе оптимальных воздействий в плане подавления высших гармоник: отношение амплитуд составляет около 70 дБ и 90 дБ для оптимальных воздействий и около 20 дБ и 35 дБ для традиционных воздействий. Неравномерность характеристики сравнительно велика для всех рассмотренных случаев: от 15 до 25 дБ, что говорит о необходимости настройки параметров воздействия в зависимости от типа датчика. В связи с этим предложены основные способы, позволяющие решить задачу автоматического выбора параметров возбуждающего воздействия для датчиков с различными характеристиками.

Важной задачей диссертационного исследования является развитие спектрального метода измерения частоты для сигнала струнного датчика. Эта задача обусловлена тем, что при уменьшении длительности анализируемого сигнала возрастает шаг дискретизации отсчётов спектра АР и, соответственно, погрешность измерения. Известные методы устранения данной проблемы в случае затухающего сигнала струнного датчика недостаточно эффективны, поэтому в работе исследуются альтернативные пути повышения точности измерения в условиях ограниченного времени наблюдения.

Знакопеременное оптимальное воздействие

Знакопостоянное оптимальное воздействие

-50

\т,

дБ -100

-150

-1 1 —1 —гармоника

1 \! \ *\6дБ V \ 1

п \ ---Зя гармоника ~ 1

'I 1 А 3тип пАДл 1/ \( 1» 1 — 1 ' И \Г\ 1 , \(\ \Jmax Ал 11 у г ~

1 « * ■ г / 5я гармоника 1 1 I I \| '\Д ¥>Л 1 Ч

500 1000 1500 2000 2500 /,Гц

Экспоненциальный импульс

1-Г

1я гармоника

-50

\Лф\, дБ

-100

-150

-—1 1я гармоника ~

т л* \

« 26 дБ V \ 1

—■ Зя гармоника ~

/тт \ . 1 \А Л * — 1 V у ЧА„ \ ^ 1 ?>пах \(\ Г\ 1 -

I у V 1 5я гармоника " 1

500 1000 1500 2000 2500 Я Гц

Прямоугольный импульс

1000 1500 2000 2500 /Гц

-50

т\,

дБ -100

-150

^__1 1 ---- 1я гармоника ~

1 ------__ Зя гармоника

1 \

■ И 5я гармоника 1 — I у ^ 1 _

1 /тт \ 1 1 1 '} тах \

500

1000 1500 /'Гц

2000 2500

Рис. 1. Диаграммы распределения амплитуд гармоник в зависимости от частоты основной гармоники

Автором предложено использовать интерполяцию дискретной функции распределения спектральной плотности амплитуд, основанную на оконном взвешивании ("оконная" интерполяция). Под такой интерполяцией в данной работе подразумевается использование преобразования вида (3) для непрерывного спектра Ф(/) дискрет-

ного и ограниченною во времени сигнала:

N-1

Ф (ти • Д/) = • (>и • Д/- л • ,

(3)

где Фп - отсчёты дискретного спектра; - спектральная функция окна

ограничивающего исходный сигнал во времени; Д/^/Д/- = г - коэффициент интерполяции; N объём рассматриваемой выборки. Рис. 2 иллюстрирует этот процесс.

Рис. 2. Диаграмма формирования непрерывного спектра дискретного сигнала

С целью выбора оптимальной для рассматриваемого класса сигналов функции был выполнен сравнительный анализ ряда известных оконных функций, а для нескольких, обладающих наилучшим соотношением ширины основного и энергии боковых "лепестков", произведена оценка погрешности метода измерения частоты. По результатам данного анализа в дальнейших исследованиях применялось окно Блэкмана, как отвечающее указанному требованию и относительно простое для вычислений.

Оценка эффективности предложенного решения производилась по методу Монте-Карло при е {/„,и = \...М}, где /и - случайные величины, равномерно распределённые в диапазоне [500,2000] Гц. Для этого было выполнено моделирование и анализ погрешности спектральных методов измерения частоты, использующих цифровую, сплайновую и оконную интерполяции. Условия и результаты исследования приведены в табл. 1.

Табл. 1.

Интерполяция Цифровая Сплайновая Оконная

Параметры интерполяции Сглаживающий фильтр: И2 м)] р = 5, п = 2г Кубические сплайны Окно Блэкмана

Коэффициент интерполяции г 256 (аналитическая) 256

Количество выборок М 300 300 300

Погрешность в,02 0,2 0,01

Распределение погрешности Нормальное Агсзт Равномерное

Оценочное время вычисления1, с 110 25 40

По представленным данным сделан вывод о том, что предложенный вариант интерполяции с окном Блэкмана позволяет эффективно измерять частоту сигнала в плане производительности и вычислительной сложности. Дополнительно были оценены законы распределения погрешностей для рассмотренных вариантов. При "оконной" интерполяции распределение равномерное, что позволяет предположить отсутствие какой-либо методической погрешности.

Далее в данной главе анализируются методы измерения параметров затухания сигнала, в первую очередь их погрешность и помехоустойчивость. Сравниваются методы измерения коэффициента затухания по амплитудным, среднеквадратическим

1 Среда-МайСАИ у.П

(СКЗ) и средневыпрямленным (СВЗ) значениям. В табл. 2 приведены результаты анализа для идеализированной математической модели затухающего сигнала Л(г). Погрешность представления мгновенных значений реального сигнала уА определяется в основном соотношением сигнал/шум и, таким образом, коэффициент уА/уд, где у8 - погрешность результата измерения, определяет помехоустойчивость метода.

Табл. 2.

Метод Амплитудный СКЗ СВЗ

Исходная величина Я, =тахЛ(т)--тпЛ(т), гф^+Г,] (размах колебаний) 1 '*т ж(0 = - 1А(Т)2С1Т (квадрат средне-квадратического значения) 1 ,+Т п0)=1/КОК (средневыпрямлен-ное значение)

Коэффициент затухания 8 Ь^-ЬЛ,, 1 1п£2(/,)-1п£2(/0)

2 Ц-Ч '■-'о

Относительная погрешность измерения уд уА—, Г = 1п— Г В, 11 +2тА. 2Г ^ ) т п _ -Д-Т-гп7

уЗпрп Г «2,3, и уЛыШо 4,5% 0,3% 0,2%

* А/7- рассматриваемый частотный диапазон.

Отмечается, что с практической точки зрения, то есть в плане вычислительной сложности и методической погрешности, определённым преимуществом обладает метод измерения по СВЗ.

Дополнительно проведено исследование влияния на погрешность результата измерения характеристик усредняющего фильтра, используемого для получения СВЗ. Рассмотрен ряд фильтров, выбранных по критериям минимальной вычислительной сложности или максимальной крутизны амплитудно-частотной характеристики. На рис. 3 представлены диаграммы распределения погрешностей, полученные путём моделирования методов измерения коэффициента затухания по амплитудным и средне-выпрямленным значениям при условиях, соответствующих указанным в табл. 2, и В целом, полученные результаты соответствуют численным данным, приведённым в табл. 2. Отмечено также, что использование более сложных в реали-

зации фильтров (например, 8ШС2 и синтезированный методом Фурье) даёт относительно невысокий эффект в подавлении случайных и аддитивных помех по сравнению с простым усреднением (втс). 100

75

25

°-10 -8 -б -4 -2 0 2 4 б 8 10 "-1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

у8, % у8, %

Рис. 3. Диаграммы интегральных функций распределения погрешностей, полученные по результатам моделирования метода измерения по СВЗ

Третья глава посвящена разработке и анализу программно-аппаратных структур современных измерительных систем для струнных датчиков.

В работе предложена обобщённая структурная схема данного класса устройств и более детально рассмотрены наиболее важные её компоненты. Выделено четыре измерительных канала: основной - частотный и дополнительные - каналы измерения активного сопротивления, коэффициента затухания и осциллографический. Наличие канала измерения сопротивления позволяет осуществлять диагностику цепей датчика, а также получать дополнительную информацию о его температуре и при необходимости выполнять температурную коррекцию результатов измерения. Также в структуре присутствуют внутренний коммутатор каналов, блоки обработки данных и управления процессом измерения.

Далее представлены результаты разработки и исследования программных технологий обработки сигналов струнных датчиков для микроконтроллерных устройств (МК). С учетом структур современных микроконтроллерных платформ предложены и исследованы алгоритмы для решения следующих задач:

• измерение периода сигнала счётно-импульсными методами; при этом основной акцент сделан на оптимизацию использования периферийных компонент МК семейства МС8-51;

• измерение частоты сигнала спектральным методом с использованием "оконной" интерполяции спектра;

--1— sine b- — 95

г

h v

sine и Фу эье

... ... ... ... 5_

• измерение коэффициента затухания сигнала по его средневыпрямленным значениям.

Алгоритм измерения частоты сигнала спектральным методом рассмотрен как последовательность таких этапов измерительного преобразования, как дискретизация и квантование, предварительная фильтрация и децимация, преобразование Фурье, интерполяция и поиск максимума.

Для сравнительной оценки эффективности методов выполнены экспериментальные исследования разработанных реализаций алгоритмов измерения периода и частоты. На основании анализа зависимости результатов измерения чаетоты от начальной амплитуды сигнала (рис. 4а и в) можно говорить об эффективности разработанного спектрального алгоритма при широком амплитудном диапазоне сигналов струнных датчиков - до 40 дБ, что соответствует реальному разбросу данного параметра. Кроме того, установлено, что, согласно полученным интегральным функциям распределения погрешностей (рис. 46 и г), спектральный метод обеспечивает существенно меньшее (до двух раз) значение абсолютной погрешности результатов измерения частоты по сравнению со счётно-импульсным.

Рис. 4. Диаграммы распределения результатов измерения частоты и

их погрешности

В заключительной части главы обобщены рекомендации по проектированию аппаратной части ВАСД. Рассмотрены каскады предварительного усиления и фильтрации, формирователь импульса возбуждения, источник опорного тока для измерения сопротивления. Отмечена возможность повышения качества преобразования при использовании операций автоматической и полуавтоматической калибровок измерительных каналов. Приведены требования к параметрам аналого-цифрового преобразования для каждого из каналов, рассмотрены варианты и приведены структуры цифровой части ВАСД, оптимальные с точки зрения распределения ресурсов ядра и периферийных компонентов современных микроконтроллерных устройств.

В четвёртой главе рассмотрены практические реализации систем, в процессе создания которых автором были выполнены описанные в предыдущих главах диссертационной работы обзоры, исследования и разработки. Глава посвящена рассмотрению двух систем и предварительных результатов их эксплуатации.

Во-первых, это система оперативного контроля деформаций плотины Бурей-ской ГЭС на базе разработанного при участии автора автономного вторичного преобразователя для струнных датчиков (ВПСД). Система предназначена для эксплуатации в качестве средства оперативного контроля деформаций плотин Бурейской и других ГЭС.

Инфраструктура подобных объектов на этапе строительства не позволяет осуществлять полностью автоматический сбор данных, поэтому система базируется на портативных приборах серии ВПСД и персональном или любом другом компьютере в качестве средства обработки и долговременного хранения полученной информации. Ниже приведены структурная схема ВПСД (рис. 5) и его основные характеристики:

• Диапазон измерения периода, мкс: 400.0 ... 2000.0

• Предел допустимой относительной погрешности измерения периода: 0.02 %

• Диапазон измерения сопротивления, Ом: 100.0 ... 1500.0

• Относительная погрешность измерения сопротивления: ±0.2 %

• Диапазон измерения степени затухания за 0,1 с, дБ: 0 ... 60.0

• Амплитудная чувствительность: 1 мВ

Рис. 5. Структурная схема ВПСД

В приборе реализованы функции измерения периода/частоты, коэффициента затухания по СВЗ, а также активного сопротивления обмотки датчика. ВПСД допускает подключение одновременно до 128 датчиков при использовании соответствующих специализированных коммутаторов.

В настоящее время в эксплуатации находятся восемь приборов данной серии, что подтверждается актом внедрения.

Опыт проектирования ВПСД получил дальнейшее развитие при реализации разработанной по заказу Петербургского Метрополитена автоматизированной распределённой системы оперативного контроля деформаций бетонной обделки тоннелей на участке "Размыва" Кировско-Выборгской линии.

Система использует 110 струнных датчиков в двух тоннелях на участке размыва длиной около 400 м. Данные автоматически собираются на диспетчерском пункте на станции "Пл. Мужества".

Подключение датчиков осуществляется посредством многоканальных коммутаторов, управляемых автоматически по интерфейсу В качестве магистрального канала связи в системе применён интерфейс RS-485, что в целом обеспечило гибкие возможности для её расширения.

При подключении к компьютеру разработанные системы могут работать в штатном или расширенном режимах. Во втором случае в дополнение к функции дистанционного измерения параметров датчика, появляется возможность производить настройку процесса преобразования, а также по получаемым осциллограммам и спектрограммам отклика выполнять экспертную оценку состояния датчика, что иллюстрирует рис. 6.

Рис. 6. Диаграммы и данные, представляемые измерительной системой в расширенном режиме работы

Основные результаты работы

1. На основании изучения функциональных особенностей струнных датчиков, анализа методов измерения частотно-временных параметров сигналов и обзора представленной на рынке вторичной аппаратуры для струнных датчиков определены направления совершенствования данной аппаратуры.

2. Развит спектральный метод измерения частоты с использованием "оконной" интерполяции для сигналов струнных датчиков. Проведены модельные и физические исследования погрешности данного метода, подтверждающие его эффективность по сравнению с классическими счётно-импульсными методами.

3. Предложена методика оптимизации частотно-временных характеристик импульса возбуждения струнных датчиков с целью усиления основной и подавления кратных гармоник колебаний струны. Эффективность данной методики подтверждена результатами модельных исследований распределения амплитуд гармоник для разных типов воздействия.

4. Исследованы и модифицированы применительно к реальным сигналам струнных датчиков измерительные алгоритмы для оценки затухания колебаний струны.

5. На основании выполненных в диссертационной работе исследований методов измерения и проектирования вторичной аппаратуры для измерительных систем, использующих струнные датчики, были созданы и внедрены на Бурейской ГЭС и в Санкт-Петербургском Метрополитене промышленные образцы таких систем.

Публикации до теме диссертации:

1. Клементьев А.В., Петров А.Ю., Дурчева В.Н., Загрядский И.И. Вторичный прибор для струнных датчиков // Датчики и системы. - 2004 - № 6 — С. 8-10.

2. Петров А.Ю., Ильяшев А.В. Повышение разрешающей способности дискретного преобразования Фурье для точного измерения частоты сигнала струнного датчика // VII Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права»: сборник статей конференции. — 2004 - С. 205-210.

3. Петров А.Ю. Метод измерения частоты сигнала струнного датчика с помощью спектрального анализа // VII Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права»: сборник статей конференции. - 2004 - С. 200-204.

Подписано в печать 46 М Формат 60x84/16. Печать офсетная. Уч. печ.л. 10 .Тираж №0 .Заказ5Щ •

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая, 29.

124 294

Оглавление.

Введение.

1 Обзор технологий преобразования параметров струнных датчиков

1.1 Исследование конструктивных и функциональных особенностей струнных датчиков.

1.1.1 Методы преобразования колебаний струны.

1.1.2 Методы возбуждения.

1.2 Обзор методов измерения параметров струнных датчиков.

1.2.1 Анализ методов измерения частотно-временных параметров.

1.2.2 Анализ принципов измерительного преобразования активного сопротивления.

1.2.3 Анализ характеристик затухания колебаний.

1.3 Сравнительный анализ приборов для работы со струнными датчиками

1.3.1 Классификация и характеристики приборов.

1.3.2 Обзор измерительных приборов для струнных датчиков.

1.3.3 Обобщение результатов обзора приборов для работы со струнными датчиками.

2 Анализ теоретических положений для решения задач преобразования параметров струнных датчиков.

2.1 Оптимизация спектрального распределения энергии колебаний струны в процессе возбуждения.

2.1.1 Оптимизация импульсного возбуждающего воздействия для формирования моногармонического колебания струны.

2.1.2 Исследование спектрального состава колебаний струны при различных формах импульса возбуждения.

Технология измерений с помощью струнных датчиков весьма актуальна, когда речь идёт о контроле состояния таких гидротехнических и подземных сооружений как плотины, тоннели, мосты [1, 5, 22, 25, 27]. Долговечность и преимущества частотного характера выходной величины сделали датчики этого типа весьма распространенными и в нашей стране и за рубежом. Для преобразования параметров струнных датчиков многими производителями в нашей стране и за ру бежом выпускается специализированная аппаратура [41, 42, 43].

Теория и практика использования струнных датчиков достаточно развиты, так как в той или иной мере этими вопросами занимались с начала XX века (работы академика Н.Н. Давиденкова). Однако по мере накопления опыта эксплуатации стали возникать вопросы, связанные с точностью и надёжностью как самих датчиков, так и вторичных измерительных преобразователей. Это обусловлено в разной степени:

• длительным сроком эксплуатации датчиков, уже достигшим рубежа 40 лет;

• невозможностью периодической поверки тех датчиков, которые забетонированы в теле конструкций (так называемые закладные датчики);

• недостаточным совершенством технологии производства, допускающей разброс параметров датчиков в относительно широких пределах;

• повышением требований к надёжности конструкции;

• экономическими и политическими факторами.

В обоснование последнего заметим, что в последние 15-20 лет политико-экономические причины вызвали существенный спад промышленного производства в нашей стране, что не могло не сказаться негативно как на эксплуатируемом оборудовании, так и на всей технологической базе. Наметившийся в последнее время некоторый экономический подъём высветил множество проблем, накопившихся за это время. Многие важнейшие объекты требуют немедленного обновления старого и внедрения нового оборудования. Такая же ситуация сложилась со строящимися и вводящимися в эксплуатацию объектами. Определённая специфика производственных отношений в Российской Федерации, обусловленная в первую очередь её прошлым, дала возможность отечественным производителям наукоёмкого оборудования (в том числе и измерительного) развиваться и создавать конкурентоспособную продукцию.

В связи с этим видится перспективным провести исследование технологий и методов, используемых в системах, реализующих измерения с помощью струнных датчиков, с целью выявления путей и способов повышения точности и надёжности вторичной измерительной аппаратуры. Решение этих задач можно разделить на два направления: во-первых, создание методов, алгоритмов и оборудования, обладающих повышенной толерантностью к разбросу характеристик датчиков как начальных, так и вызванных старением; во-вторых, использование неосновных параметров датчиков для получения дополнительной информации об их состоянии, работоспособности и для выбора оптимальных характеристик алгоритмов измерения основного параметра.

Для измерения частоты (периода) колебаний струны датчика (основной параметр) применяются хорошо известные цифровые счётные методы, надёжные и сравнительно простые в реализации. Однако, в процессе старения работоспособность датчиков ухудшается, что сказывается на точности последующего измери- -тельного преобразования. Наиболее существенное влияние оказывают уменьшение амплитуды сигнала, увеличение скорости затухания, а также неосновные гармоники колебаний струны и наведённые помехи. Количественная, а иногда даже просто качественная оценка этих параметров может предоставить информацию о состоянии датчика. Другой важнейший параметр влияния - это температура. Для реализации температурной коррекции результатов измерения зарубежные конструкторы дополнительно встраивают в датчики; термопреобразователи, что приводит к усложнению их конструкции и схем включения - очевидно, приводящий к удорожанию путь, неохотно принимаемый отечественными разработчиками. Для решения этой задачи в реальных системах предпочитают использовать естественные конструктивные особенности датчиков.

Основные цели данной работы можно сформулировать как: 1. Развитие методов преобразования параметров струнных датчиков с целью повышения точности, надёжности измерений, увеличения срока эксплуатации и удешевления производства датчиков. В первую очередь это касается методов измерения частоты сигнала датчика, но также способов возбуждения колебаний и оценки состояния датчика по таким характеристикам сигнала как спектральный состав, коэффициент затухания, начальная амплитуда.

2. Формирование современных подходов к проектированию измерительной аппаратуры для струнных датчиков. Разработка структур и принципов функционирования программно-аппаратных элементов этих структур.

3. Получение объективной оценки предложенных мер путём проведения экспериментальных исследований.

В: связи i с основными целями в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Определение путей совершенствования измерительной аппаратуры для струнных датчиков (ИАСД) на основе результатов изучения функциональных и конструктивных особенностей датчиков, анализа методов измерения частотно-временных параметров сигналов и сопоставления существующих образцов данной аппаратуры.

2. Анализ и развитие спектрального метода измерения частоты для повышения его точности; и помехозащищённости применительно к многообразию реальных сигналов струнных датчиков.

3. Исследование и оптимизация частотно-временных характеристик импульса возбуждения колебаний струны с целью улучшения распределения энергии гармоник.

4. Исследование методов и создание алгоритмов для оценки параметров затухания сигнала датчика.

5. Разработка и совершенствование структурной реализации измерительной аппаратуры для струнных датчиков и соответствующего программного обеспечения.

Научная новизна работы в основном связана с развитием методов преобразования параметров струнных датчиков и заключается в следующем:

1. Усовершенствован спектральный метод измерения частоты сигнала с использованием интерполяции дискретного спектра, основанной: на оконном взвешивании.

2. Предложены теоретически обоснованные методы оптимизации возбуждающего воздействия с целью усиления основной и подавления кратных гармоник колебаний струны.

3. На основании анализа погрешности даны рекомендации по улучшению помехоустойчивости алгоритмов измерения параметров затухания.

Практическую значимость представляют алгоритмические, программные и аппаратные разработки, выполненные в рамках работы, в частности:

1. Разработаны алгоритмы и соответствующее программное обеспечение, реализующие предложенный вариант спектрального метода измерения частоты и оптимизированные для встраиваемых микропроцессорных устройств.

2. Предложены и реализованы на практике алгоритмы и программное обеспечение для измерения коэффициента затухания колебаний струны датчика на основе анализа средневыпрямленного значения сигнала отклика.

3. Созданы многоканальная автоматизированная система и автономный многофункциональный прибор, использующие предложенные методы измерительного преобразования параметров струнных датчиков.

Также практическую ценность, представляют результаты реализации и внедрения, а именно при непосредственном участии автора созданы современные промышленные образцы аппаратуры для измерительных систем, использующих струнные датчики, в том числе:

• на Бурейской и ряде других ГЭС внедрены в эксплуатацию в системе контроля состояния плотины восемь автономных приборов и специализированное программное обеспечение, разработанное автором;

• в Санкт-Петербургском Метрополитене на участке размыва с июля 2004г в эксплуатации находится автоматизированная измерительная система, использующая более ста струнных датчиков для контроля состояний тоннелей.

Положения, выносимые на защиту:

1. Метод измерения частоты сигнала на базе спектрального анализа с использованием интерполяции дискретного спектра, основанной на оконном взвешивании.

2. Алгоритм измерительного преобразования, реализующий разработанный вариант спектрального метода измерения частоты.

3. Методика оптимизации импульсного возбуждения датчика по критерию сосредоточения максимума энергии колебаний в области основной гармоники.

4. Алгоритмическое и программное обеспечение для использования в разработанных системах и приборах, реализующих измерительное преобразование параметров струнных датчиков.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав и заключения. Во введении обосновывается актуальность проблемы, определяется предмет, формулируются цель и задачи исследования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Задачей настоящей диссертационной работы являлось исследование и развитие методов вторичного измерительного преобразования параметров струнных датчиков с целью повышения точности и достоверности измерений, а также анализ устоявшихся и формирование новых подходов к проектированию измерительной аппаратуры для струнных датчиков с точки зрения принципов функционирования программно-аппаратных комплексов.

Для решения этой задачи было выполнено следующее:

1. На основании изучения функциональных особенностейi струнных датчиков, анализа методов измерения частотно-временных параметров сигналов и обзора представленной на рынке измерительной аппаратуры для струнных датчиков определены направления совершенствования данной аппаратуры.

2. Предложена методика оптимизации частотно-временных характеристик импульса возбуждения струнных датчиков с целью усиления основной и подавления кратных гармоник колебаний струны. Эффективность данной методики подтверждена результатами модельных исследований распределения амплитуд гармоник для традиционно используемых в промышленной аппаратуре и предложенных оптимальных воздействий.

3. Развит спектральный метод измерения;частоты с использованием "оконной" интерполяции применительно к сигналам струнных датчиков. Проведены сравнительные исследования соответствующих алгоритмов с использованием цифровой,. сплайновой - и. "оконной" интерполяций; подтверждающие эффективность предложенного метода в условиях ограниченного времени: наблюдения. На основании экспериментальных исследований сделано заключение о возможности практического применения спектрального метода на базе "оконной" интерполяции с использованием окна Блэкмана и его преимуществах по сравнению с классическими счётно-импульсными методами.

4. В результате исследования методов измерения коэффициента затухания колебаний струны получены аналитические зависимости случайной относительной погрешности измерения от погрешности, представления мгновенных значений сигнала датчика для методов измерения по амплитудным, среднеквадратическим и средневыпрямленным значениям. Отмечен ряд преимуществ метода измерения по средневыпрямленным значениям. Выполнен анализ погрешности алгоритма при использовании различных усредняющих фильтров. Отмечено, что результаты проведённых экспериментальных исследований соответствуют расчетным, и даны рекомендации по повышению помехозащищённости алгоритма измерения коэффициента затухания. Созданы и исследованы алгоритмы и программное обеспечение, реализующие предложенные методы измерения частоты и коэффициента затухания сигнала отклика струнного датчика.

Предложены структурные схемы, реализующие программно-аппаратный комплекс измерительных систем и приборов для преобразования параметров струнных датчиков.

На основании выполненных в диссертационной работе исследований методов измерения и проектирования аппаратуры для измерительных систем, использующих струнные датчики, были созданы и внедрены на Бурейской и ряде других ГЭС, а также в Санкт-Петербургском Метрополитене промышленные образцы таких систем. Приведены основные технические характеристики и структуры данных систем, а также результаты их практического применения.

1. Аш Ж. и соавторы. Датчики измерительных систем: В 2-х книгах. Кн. 1. Пер. с франц. - М.: Мир, 1992. - 280 е., ил.

2. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1981, 706 с

3. Введение в цифровую фильтрацию. Под ред. Л. Якименко. Русское издание. М.: Мир. 1977. 21 с.

4. Волгин Л.И. Аналоговые операционные преобразователи дли измерительных приборов и систем. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 208 е., ил.

5. Гутников.В.С.-Интегральная электроника в измерительных устройствах. 2-е издание, переработанное и дополненное. JI.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1988.-304 с.

6. Гутников, B.C. Фильтрация измерительных сигналов. Л.: Энергоатомиздат: Ленингр. отд-ние, 1990 .— 191 е.: ил.

7. Иродов И.Е. Основные законы электромагнетизма. Учебное пособие для студентов вузов. 2-е издание, стереотипное. М.: Высшая школа, 1991, 289 с.

8. Ю.Кирианаки Н.В., Гайдучок P.M. Цифровые измерения частотно-временных параметров сигналов. Львов, " Вища школа", издательство при Львовском Университете, 1978. 168 с.

9. Клементьев А.В., Петров А.Ю., Дурчева В.Н., Загрядский И.И. Вторичный прибор для струнных датчиков. "Датчики и системы" №6,2004

10. Ковшов В.Д. Разработка и исследование измерительных устройств параметров резистивных датчиков на основе амплитудно-импульсной модуляции. Диссертация на соискание учёной степени к.т.н. ЛПИ 1981 г., 247 с.

11. Курант Р., Гильберт Д. Методы математической физики. Том 1. Издание третье, исправленное М; Л: Гостехиздат, 1951. - 476 с.

12. Курант Р., Гильберт Д. Методы математической физики. Том 2. Издание третье, исправленное М; Л: Гостехиздат, 1951. - 544 с.

13. Кушнир Ф.В. Электрорадиоизмерения: Учебное пособие для вузов. Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1983. - 320 е., ил.

14. Лабутин С.А., Пугин М.В. Анализ сигналов и зависимостей. Н. Новгород. 2001.

15. Несис Е.И. Методы математической физики. Учебное пособие для студентов факультетов педагогических институтов. М.: "Просвящение", 1977, 199 стр. с ил.

16. Никольский С.М. Курс математического анализа. Том 2: Учебник. Издание третье, переработанное и дополненное. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983,448 с.

17. Новиков Л.В. Основы вейвлет-анализа сигналов. Учебное пособие. ИАнП РАН. 1999. 152 е.: ил.

18. Новицкий П.В., Кнорринг В.Г., Гутников B.C. Цифровые приборы с частотными датчиками. Л., "Энергия", 1970. 424 с. с рис.

19. Проектирование датчиков для измерения механических величин/Под редакцией Осадчего Е.П. — М.: Машиностроение, 1979. -480 е., ил.

20. Райзберг Б.А. Диссертация и ученая степень. Пособие для соискателей. 3-е изд., доп. - М.:ИНФРА-М, 2003. — 411 с

21. Северов А.П. Импульсное возбуждение струн в струнных датчиках. Приборы и системы управления № 3, 1968 г., с 9-11.

22. Справочник по элементарной математике, механике и физике. Под. ред. Н.И. Кузнецова. Издание двенадцатое. Минск: "Наука и техника", 1973, 215 с.

23. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. Издание 5-е, стереотипное, учебное пособие для высших учебных заведений. — М.: Главная редакция физико-математической литературы издательства "Наука", 1977, 736 стр.

24. Харкевич А.А. Борьба с помехами. Издание второе, исправленное. —М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1965,275 с

25. Хоровиц П., Хилл У; Искусство схемотехники. Издание 5-ое, переработанное. М.: Мир, 1998. 704 с.

26. Электроника: Справочная книга. Под ред. Ю.А. Быстрова. СПб.: Энерго-атомиздат. Санкт-Петербургское отделение, 1996. 544 с.

27. Gleb Gubler, Valentin Gutnikov. DFT-based Method for Accurate Determination of Fundamental Hannonic Parameters within Periodic Signal

28. Improving ADC Resolution By Oversampling and Averaging. Silicon Laboratories. Application Notes. AN118. (www.silabs.com)

29. Performance for Standard Library Math Routines. CIP-51. (www.silabs.com)

30. J.C.A. Wavers. Mathematics formulary. 06.01.2002. http://www.xs4all.nl/~iohanw/index.html

31. Mixed-signal processing design seminar. Analog Devices technical reference books. 1991.3 8. Rorabaugh, C.B. Digital Filter Designer's Handbook. TAB Books. Blue Ridge Summit. 1994. 332 c.

32. Saeed V. Vaseghi. Advanced Digital Signal Processing and Noise Reduction, Second Edition. Copyright © 2000 John Wiley & Sons Ltd. ISBNs: 0-471-62692-9 (Hardback): 0-470-84162-1 (Electronic)

33. William H. Press, Saul A. Teukolsky, William T. Vetterling, Brian P. Flannery. Numerical Recipes in C. The Art of Scientific Computing. Second Edition. CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS, 1992. p. 994

34. WWW: http://www.geokon.com

35. WWW: http://www.roctest.com/rocteIemac

36. WWW: http://www.rstinstruments.com

37. WWW: http://www.encardio.com

38. WWW: http://www.campbellsci.ca

39. WWW: http://www.datataker.com

40. Каталог электронных компонентов фирмы Analog Devices (www.analog.com).

41. Каталог электронных компонентов фирмы Linear Technology (www.linear.com).

42. Каталог электронных компонентов фирмы Philips Semiconductors (www.semiconductors.philips.com).

43. Каталог электронных компонентов фирмы Silicon Laboratories (www.silabs.com)