автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.15, диссертация на тему:Исследование метрологических характеристик и разработка методов автоматической коррекции погрешностей механических резонаторных преобразователей

Московский государственный институт электроники и математики (технический университет)

На правах рукописи

ЮРИН АЛЕКСАНДР ИГОРЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ АВТОМАТИЧЕСКОЙ КОРРЕКЦИИ ПОГРЕШНОСТЕЙ МЕХАНИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Специальность 05 11 15 - Метрология и метрологическое обеспечение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2008

003448610

Работа выполнена в Московском государственном институте электроники

и математики

Ведущая организация

Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы

Защита состоится 18 ноября 2008 г. в 12.00 на заседании диссертационного совета Д212 133 05 при Московском государственном институте электроники и математики (техническом университете)

Адрес института 109028, г Москва, Б Трехсвятительский пер 3, МИЭМ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭМ

Научный руководитель

кандидат технических наук, профессор Скачко Юрий Валентинович

Официальные оппоненты

доктор технических наук профессор Володина Надежда Алексеевна

кандидат технических наук Поляк Леонид Моисеевич

Ученый секретарь

кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На современном этапе развития измерительной техники точность воспроизведения эталона частоты является наиболее высокой по сравнению с эталонами других физических величин, поэтому метрологические характеристики измерительных преобразователей с частотно - модулированным выходным сигналом выгодно отличаются от характеристик датчиков с амплитудно-модулированным сигналом

По виду физического явления, положенного в основу работы, все датчики с частотным выходом можно разделить на четыре группы

1 Резонаторные датчики

2 Датчики с нерезонирующими частотно-зависимыми системами

3 Интегрирующие датчики

4 Статистические датчики Резонаторные датчики обладают рядом преимуществ

• высокая добротность резонаторов дает возможность существенно повысить точностные характеристики датчиков,

• имеется возможность включения в схему автогенератора для получения непрерывного выходного сигнала,

• отношение сигнал-шум намного выше, чем у датчиков других рассмотренных групп

Эффективность рассмотренных резонаторов с точки зрения их использования для построения высокоточных датчиков показывает, что для практического применения наиболее предпочтительными являются механические резонаторы При достаточно высокой добротности и стабильности частоты они отличается технологичностью, относительно низкой стоимостью и универсальностью применения

Однако, при всех вышеперечисленных достоинствах механические резонаторные преобразователи обладают рядом ограничений Прежде всего, это высокая чувствительность к воздействию внешних факторов, таких, как температура, давление, вибрация и т д, что приводит к появлению дополнительных погрешностей в реальных условиях эксплуатации Устранение этих погрешностей путем уменьшения технологических допусков, усложнения конструкции и тщательного подбора материалов приводят к существенному росту стоимости изготовления преобразователей

Функция преобразования большинства механических резонаторных преобразователей нелинейна, что затрудняет обработку результатов измерений и приводит к необходимости работы на малом участке характеристики Линеаризация же функции преобразования путем введения просчитанной асимметрии конструктивных элементов преобразователя, а также путем введения в его структурную схему предварительных механических линеаризаторов или различных корректирующих устройств неизбежно приводит к существенному усложнению конструкции механической части преобразователя или его электронной схемы

Характеристики преобразователя индивидуальны и изменяются с течением времени, а их коррекция очень трудоемка, требует наличия точного механизма настройки и квалифицированного персонала

С появлением средств вычислительной техники появляется возможность устранения этих недостатков с помощью методов обработки информации и автоматизации коррекции погрешностей, поэтому исследование метрологических характеристик механических резонаторных преобразователей и пересмотр ранее сформулированных требований является актуальной задачей

Целью работы является разработка методики улучшения метрологических характеристик измерительных устройств с механическими резо-наторными преобразователями путем применения современных средств вычислительной техники

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

• Исследовать температурную погрешность механических резонаторных измерительных преобразователей в стационарном и нестационарном режимах,

• Исследовать погрешность механических резонаторных преобразователей, обусловленную воздействием вибрации,

• Исследовать возможность применения современных персональных ЭВМ для создания информационно-измерительных систем, работающих с механическими резонаторными преобразователями,

• Разработать методику автоматической коррекции основных и дополнительных погрешностей механических резонаторных преобразователей с использованием результатов исследований метрологических характеристик

Научная новизна работы

1 Разработаны математические модели для оценки влияния внешних условий (температура, вибрация) на погрешности механических резонаторных преобразователей,

2 Разработана методика автоматической коррекции основных и дополнительных погрешностей механических резонаторных преобразователей, базирующаяся на использовании методов образцовых сигналов и вспомогательных измерений,

3 Результаты теоретических и экспериментальных исследований метрологических характеристик механических резонаторных преобразователей, которые позволили выявить оптимальные способы уменьшения погрешностей,

4 Разработаны обобщенные алгоритмы коррекции основных и дополнительных погрешностей измерительных устройств на основе механических резонаторов

Практическая ценность работы

• Разработаны алгоритмы коррекции дополнительных погрешностей, позволяющие применять механические резонаторные преобразователи при изменяющихся условиях эксплуатации,

• Разработан и реализован алгоритм обработки измерительной информации, позволяющий компенсировать нелинейность функции преобразования механических резонаторных преобразователей без изменения конструкции,

• Экспериментально доказана возможность применения мультимедийной ЭВМ для создания информационно-измерительных систем, реализующих ввод и анализ сигналов механических резонаторных преобразователей,

• Разработано программное обеспечение для проведения измерений частоты сигнала и автоматической коррекции погрешностей механических резонаторных преобразователей, применение которого позволило уменьшить основную и дополнительную температурную погрешность рассмотренного резонаторного преобразователя угла наклона более чем на порядок

На защиту выносятся:

• Комплекс математических моделей для оценки влияния внешних условий на погрешности механических резонаторных преобразователей,

• Разработанная методика применения современных вычислительных средств для совершенствования метрологических характеристик измерительных устройств на основе механических резонаторов,

• Результаты проведенных теоретического и экспериментального исследования метрологических характеристик механических резонаторных преобразователей

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях

• 58-и, 61-й научной сессии Российского Научно-технического Общества радиотехники, электроники и связи им А С Попова (2003, 2006 г)

• Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ (2004, 2005, 2006 г)

• 5-й, 6-й, 7-й, 8-й, 9-й и 10-й Международных Конференциях «Цифровая Обработка сигналов и ее применение» (2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008 г)

Диссертация заслушана и одобрена на заседании кафедры «Метрология и Сертификация» МИЭМ (30 05 2008) Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры и используются при чтении лекций, а также в

лабораторном практикуме по дисциплинам «Информационно-измерительные системы», «Автоматизация измерений, контроля и испытаний», «Методы и средства измерений, испытаний и контроля» Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы из 72-х наименований Общий объем работы 143 страницы, 58 рисунков, 12 таблиц

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, указана научная новизна и практическая значимость работы, а также основные положения, выносимые на защиту

В первой главе рассмотрены основные типы и особенности преобразователей с частотно-модулированным выходным сигналом, указаны режимы работы, достоинства и ограничения для применения механических резонаторных преобразователей

Преобразователи с частотно-модулированным выходным сигналом совмещают простоту и универсальность, свойственные аналоговым устройствам, с точностью и помехоустойчивостью, характерной для датчиков с кодовым выходом Дальнейшее преобразование частотно-модулированного сигнала сводится в основном к счету периодов сигнала в течение определенного времени - операции, по простоте и точности превосходящей все другие методы аналого-цифрового преобразования

Механические резонаторы - маятники, струны, гибкие пластинки, кварцевые кристаллы и т д - имеют собственную частоту, зависящую от массы или момента инерции и возвращающих сил, которые могут быть вызваны внешним полем, внешней силой или упругостью резонирующего элемента В соответствии с этим механические резонаторы могут применяться для измерения механической силы и приводящихся к ней величин, а также всех величин, которые могут влиять на размеры, упругие свойства и массу резонатора

Таблица 1 Характеристики датчиков с механическими резонаторами

Вид механического резонатора Характеристика

Добротность (батл) Стабильность частоты (балл) Простота конструкции (балл) Универсальность (балл) Технологичность (балл) Низкая стоимость (балл) I

Маятниковый 500 (3) 2 10"(5) 10 3 8 10 39

Камертонный 1000(5) 1 10"(6) 3 5 5 8 32

Струнный 700-5000(8) 2 10 '(9) 8 8 6 10 49

Стержневой 500-1000 (5) 1 105(7) 6 6 3 5 32

Кварцевый 10000(10) 1 10"(10) 2 5 3 4 34

Тонкие оболочки 500-2000(4) 1 Ю"6^) 2 2 2 г 20

Механические резонаторы работают, как правило, в автоколебательном режиме, реже встречается режим свободных колебаний

Проведенный анализ показал, что наиболее предпочтительным резонатором для использования в частотных датчиках является струнный При достаточно высокой стабильности частоты и добротности он выгодно отличается от остальных резонаторов по технологичности, низкой стоимости и особенно по универсальности применения Уже сегодня известно большое количество струнных датчиков, охватывающих 10-12 физических величин, чего нельзя сказать о датчиках с другими типами резонаторов

Анализ параметров и характеристик механических резонаторных преобразователей показал, что исследование их метрологических характеристик и применение современных методов обработки измерительной информации позволяет достичь следующих результатов

1) Возможность применения механических резонаторов при изменяющихся условиях эксплуатации

Методы автоматической коррекции дополнительных погрешностей позволяют применять механические резонаторы в условиях, отличающихся от нормальных условий эксплуатации

2) Идентификация функции преобразования

Нелинейность функции преобразования сама по себе не является погрешностью, так как ее можно учесть при обработке полученной измерительной информации Таким образом, отпадает необходимость в конструктивной асимметрии элементов и внешних линеаризаторах Для идентификации функции преобразования необходимо иметь ее аналитическое описание и возможность подачи образцовых сигналов С помощью дополнительных измерений можно вычислить параметры конкретного преобразователя и учесть их в алгоритме обработки результатов измерений

3) Автоматическая коррекция погрешностей

Функция преобразования, как правило, невоспроизводима, ее параметры могут быть различными даже для преобразователей идентичной конструкции Кроме того, параметры одного и того же преобразователя изменяются с течением времени и очень чувствительны к изменениям внешних условий Применение различных алгоритмов коррекции позволяет значительно уменьшить величину дополнительных погрешностей

4) Применение дифференциальной схемы включения резонаторов

Так как с появлением средств обработки измерительной информации линейность функции преобразования не обязательна, то возможно применение дифференциального преобразователя в режиме автоматической коррекции температурной погрешности, когда один из резонаторов служит для определения значения входного сигнала, а второй используется в качестве измерителя температуры для выработки корректирующего сигнала

Во второй главе рассмотрены метрологические характеристики средств измерений и методы их исследования, а также основные принципы автоматической коррекции погрешностей измерительных устройств

Основным отличительным признаком методов автоматической коррекции погрешностей является обеспечение ими близости статической реальной функции преобразования средства измерений (СИ) к номинальной характеристике преобразования путем коррекции реальной функции преобразования СИ под воздействием сигнала, соответствующего разности между статической реальной функцией преобразования СИ и номинальной характеристикой преобразования, т е соответствующего погрешности СИ Следовательно, одной из основных операций процесса автоматической коррекции погрешности СИ является оценка этой погрешности и выработка соответствующего корректирующего сигнала

Оценка погрешности СИ может осуществляться экспериментально или расчетным путем Наиболее эффективной является, конечно, экспериментальная оценка, так как она дает суммарную погрешность СИ независимо от ее происхождения и свойств СИ

Значительно более ограничена область использования расчетного определения погрешности В процессе эксплуатации рабочих СИ определять расчетом практически можно лишь некоторые составляющие суммарной погрешности, зависимость которых от определенных факторов, влияющих на метрологические свойства СИ, известна

При расчетном определении погрешности с целью ее автоматической коррекции надо знать зависимость погрешности от вызывающих ее факторов и, поскольку в процессе эксплуатации СИ они могут меняться, необходимо систематически определять (измерять) эти факторы

Таким образом, корректирующий сигнал 7,к может вырабатываться при использовании одного из следующих трех способов

1 измерения влияющих факторов ^ , , и расчета погрешности по известной для данного СИ зависимости Д = £, ,

2 измерения погрешности СИ, приведенной к выходу, - Д„,

3 измерения погрешности СИ, приведенной ко входу, - Д

Указанным трем способам формирования корректирующего сигнала соответствуют три метода коррекции погрешностей, отличающиеся общими принципиальными свойствами

Первый метод принято назвать методом вспомогательных измерений, второй - методом образцовых сигналов, третий - методом обратного преобразования

Различия алгоритмов автоматической коррекции, осуществляемых этими тремя методами, определяются способами образования корректирующего сигнала Процесс приближения реальной функции преобразования СИ к номинальной характеристике под влиянием корректирующего сигнала, т е собственно коррекция погрешности, во всех трех методах, в

принципе, может реализовываться одинаковыми путями и одинаковыми техническими средствами. Собственно коррекция погрешности в любом из трех методов может осуществляться как путем самонастройки, так и введением поправок.

В третьей главе проведён анализ функции преобразования механических резонаторных преобразователей и выбор аппроксимирующей функции. Проведено теоретическое и экспериментальное исследование температурной погрешности в стационарном и нестационарном режимах и погрешности, обусловленной влиянием вибрации на примере струнных преобразователей линейно-угловых перемещений. Также исследованы функции преобразования различных моделей аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и степень влияния применяемого оборудования информационно-измерительной системы на результаты измерений частоты колебаний резонаторов.

Для анализа функции преобразования прежде всего необходимо иметь её аналитическое описание. Это описание можно давать с различной степенью приближения к идеальной характеристике, которая получается путём расчёта по основному уравнению преобразователя без учёта второстепенных искажающих факторов. Почти все механические резонаторные преобразователи имеют параболическую идеальную характеристику вида

/ = /0Л + к-х, (1)

причём реальная естественная характеристика на большом протяжении почти совпадает с идеальной. Поэтому, в качестве аппроксимирующей функции логично выбрать степенной ряд вида

/ = /„(! +а]х + а2х2 +... + апх"), (2)

количество членов которого зависит от количества узлов аппроксимации. Такая аппроксимация характеристик удобна своей универсальностью, так как различные степени п описывают и линейную, и естественную параболическую характеристику.

О 1 2 _ _3__£__5 6 7

Г-»-п»2 ->-п-4 П=51 *.

Рис. 1. Влияние степени аппроксимирующего полинома на систематическую погрешность по входу для струнного резонаторного преобразователя УИГМнк

Выбор количества узлов аппроксимации определяется допустимым уровнем систематической погрешности и возможностью подачи определенного числа образцовых сигналов Однако не имеет смысла использовать в качестве аппроксимирующей функции полиномы высокого порядка (п > 4) поскольку при этом значительно усложняется процесс калибровки Как показано в работах ряда авторов, (Новицкий П В , Скачко Ю В , Капы-рин В В , Филимонов В В ), оптимальным является выбор трех или четырех членов ряда (2)

Однако, для идентификации функции преобразования или калибровки необходима подача п + 1 образцовых сигналов, что не всегда возможно Поэтому, целесообразно выбирать аппроксимирующую функцию в виде естественной функции преобразования, идентификация которой возможна при подаче всего 2-х образцовых сигналов, причем в качестве одного из них возможно выбрать отсутствие измеряемой величины, т е определение /о, а в качестве другого принять конструктивный предел измерений, т е определение к в выражении (1)

к = [(/„,//о)2-*„), (3)

где хт, х1Г- максимальное и минимальное значения входного сигнала, /„ - частота резонатора при х - х„, /о - начальная частота резонатора

Для уменьшения систематической погрешности при использовании 2-х узлов аппроксимации, в диссертационной работе был разработан метод коррекции систематической погрешности, основанный на применении естественной функции преобразования с изменяющимся коэффициентом к (см рис 2)

-♦-с помощью естественной функции преобразования I ^

по отношению частот режиме коррекции к__|

Рис 2 Зависимость систематической погрешности по входу преобразователя УИП-1нк

в различных режимах

Так как чувствительность преобразователя уменьшается с ростом частоты колебаний, это можно учитывать при определении входной величины В первом приближении запишем

*=*о[1-я(/-/'о)]

(4)

Изменяя коэффициент к в формуле (1) в зависимости от изменения частоты, можно добиться уменьшения систематической погрешности до уровня 0,1 %, используя для калибровки всего 2 узла аппроксимации

Дальнейшее уменьшение систематической погрешности (до уровня 0,1 % и меньше), возможно лишь при тщательном исследовании конкретной модели преобразователя и выбора наилучшей аппроксимирующей функции (рассмотрено в работах Филимонова В В, Скачко Ю В )

Случайная составляющая погрешности механических резонаторных преобразователей в основном обусловлена флуктуационной нестабильностью колебаний и распределена по нормальному закону (исследована в работах Карцева Е А , Короткова В П , Новицкого П В ) Так как значения а ~ доверительных точек распределения Стьюдента при а = 90 % и числе наблюдении от 1 до 30 изменяются от 6,31 до 1,70, а при увеличении числа наблюдений от 30 до бесконечности - от 1,70 до 1,64, то для получения достоверных результатов достаточно 25 30 наблюдений

Изменение температуры окружающей среды оказывает сильное влияние на частоту колебаний механических резонаторов Поэтому представляет интерес исследование влияния температуры в нестационарных условиях, т е, при изменении температуры в процессе выполнения измерений В качестве объекта исследования рассмотрим конструкцию струнного механического резонаторного преобразователя линейных перемещений УИП-4 (см рис 3) и выберем теплофизическую модель

1 - кожух

2 - корпус преобразователя

3 - трубка

4 - разъем

5 - кронштейн

6 - упругая мембрана

7 - шток

8 - измерительный наконечник

\ 8

Рис 3 Конструкция УИП-4

Принимая во внимание, что рабочая температура преобразователя не может изменяться в широких пределах, воспользуемся уравнением, которое можно применять для расчета процессов теплообмена с не очень сложными граничными условиями

dT(t)^s KTcp(J)-T(t)

dt

(5)

где Т(1) - температура объекта, К, I - время, с, Тср(0 - температура среды, К, с - теплоемкость материала, Дж/(кг К), т - масса, кг, - площадь поверхности теплообмена, м2, К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 К)

При выборе теплофизической модели примем следующие допущения

• материалы, используемые в конструкции преобразователя, обладают изотропной теплопроводностью

• теплофизические свойства материалов не зависят от температуры

• внутри преобразователя теплообмен осуществляется только теплопроводностью

• между слоями нет контактных сопротивлений Экспериментально установлено, что на изменение частоты колебаний струны в наибольшей степени влияет температурное расширение корпуса преобразователя, поэтому целесообразно использование следующей теплофизической модели (рис 4)

/

/////) '//'///,

'////// vryrz У/У/У,

L

1 - кожух

2 - корпус преобразователя

Рис 4 Теплофизическая модель струнного преобразователя УИП-4

Для решения уравнения (4) можно воспользоваться пакетом MATHCAD фирмы "MathSoft Inc " (USA)

Для определения коэффициента теплопередачи К воспользуемся расчетом теплового сопротивления R квадратной трубы с цилиндрическим каналом

1

2 к LI К= 1/R

In 0,54

(6)

(7)

Тогда температура внутренней поверхности кожуха будет изменяться по закону

T(t) = Tcp(t) - expf-K S Tcp(t) + expf-K S —1 CI V с my V cm J '

где CI = 298 К - начальная температура

Произведя аналогичный расчет для корпуса преобразователя, получим

Тк(1) =Т(1)-ехр[-К1 51 —Ц.]т(1)+ехр(-К1 51 —Ц-¡С1, (9) V с1 гп1) ^ с1 т\)

где К1 - коэффициент теплопередачи цилиндрической стенки

Для проверки полученного соотношения (9) были проведены экспериментальные исследования изменения частоты колебаний струны УИП-4 в условиях нагрева и охлаждения при Г/ = 298 К и Т2 = 323 К

При проведении экспериментов по исследованию температурной погрешности было использовано следующее оборудование

1 Унифицированный струнный преобразователь УИП-4

2 Термостат ТВЗ - 25

3 Частотомер электронно-счетный Ч3-34А

4 Автогенератор ЭП - I

Для сравнения результатов эксперимента с теоретическими данными необходимо воспользоваться коэффициентом температурной чувствительности преобразователя и перевести измеренные значения частоты в величину мгновенной температуры Результаты сравнения для случая нагрева представлены на рис 6

—♦—Экспериментальная зависимость -Расчётная зависимость

Рис 5 Сравнение результатов эксперимента с теоретическими данными

На рис 5 видно, что расчетная зависимость при нагреве преобразователя хорошо согласуется с результатами экспериментальных исследований, т е выбранная тепловая модель может быть использована для расчета температурной погрешности в нестационарном режиме

Дифференциальные преобразователи отличаются большей температурной стабильностью, поскольку в режиме разности частот дополнительные погрешности резонаторов должны взаимно вычитаться Действительно, если

/¡=/0Л/1 + Л, х+Б.М, (10)

Л=/олМз (Н)

то погрешность, обусловленная изменением температуры, в режиме разности частот практически сводится к нулю

А/ = /;-Л =/о(л/1 + ^ хЧ\-к х) (12)

Однако на практике этого часто не происходит из-за различной температурной чувствительности резонаторов Дело в том, что резонаторы обычно настраивают на разные значения /0 для предотвращения явления взаимной синхронизации автогенераторов Изменение внешней температуры приводит к изменению начальной частоты колебаний резонатора и чувствительности, так как

= (13)

'-'•Н-'Ш-'-Рг- (|4)

где /о - начальная частота колебаний резонатора,

а, к, к'- коэффициенты, характеризующие чувствительность преобразователя, Ро~ сила начального натяжения (или механическое напряжение) резонатора, ДГ - изменение силы натяжения (или механического напряжения) резонатора из-за воздействия измеряемой величины

Таким образом, разность или отношение частот оказываются зависимыми от температуры (см рис 6)

Рис 6 Смещение функции преобразования из-за изменения температуры

Так как с появлением средств обработки измерительной информации нелинейность функции преобразования не является существенным недостатком, то возможно применение дифференциального преобразователя в режиме автоматической коррекции температурной погрешности, когда один из резонаторов служит для определения значения входного сигнала, а

второй используется в качестве измерителя температуры для выработки корректирующего сигнала Достоинством данного метода коррекции очевидны нет необходимости подключать ВИУ и рассчитывать тепловую инерционность преобразователя, так как резонаторы, как правило, находятся в идентичных условиях

Разработанный алгоритм коррекции температурной погрешности выглядит следующим образом

1) Измерить частоту колебаний резонаторов/] и/2

2) Определить значение х'

х'= /о 1"

К

(15)

3) Определить номинальную частоту колебаний 2-го резонатора

Ггп=иг~к2х' <]6>

4) Определить изменение частоты колебаний 2-го резонатора из-за изменения температуры

= /2л - Л (17)

5) Определить изменение частоты колебаний 1-го резонатора из-за изменения температуры

.л

6) Определить уточненное значение х к\

(18)

(19)

Рис 7 Температурная погрешность преобразователя УИШнк в различных режимах

Следует отметить, что при применении данного алгоритма происходит также коррекция барометрической погрешности и дрейфа, так как резонаторы обычно идентичны по конструкции

Для оценки погрешности, обусловленной влиянием вибрации, в работе исследован процесс воздействия вибрационных нагрузок на конструкцию унифицированного струнного модуля, который используется для измерения различных геометрических параметров, а также температуры, давления, усилий и других физических величин после их преобразования в линейное перемещение (рис 8)

Воздействие вибрации на конструкцию может привести к поперечным колебаниям подвеса 5 Это вызовет увеличение средней силы продольного натяжения струны Рср (см рис 8), в результате чего осредненное значение частоты колебаний струны /ср сместится в сторону больших значений, так как

к

ф~

(20)

где К„~ = 1,41, А',/,-. = 1,11- коэффициенты амплитуды и формы синусоидального сигнала с двухполупериодным выпрямлением

1 - корпус

2 - струна

3 - постоянный магнит

4 - упругий шарнир (торсион)

5 - подвес

6 - измерительный наконечник

Рис 8 Конструкция унифицированного струнного модуля с упругим шарниром и изменение силы натяжения струны при воздействии вибрации

Если считать, что изменение натяжения струны АР линейно зависит от ее удлинения Л1, то для предложенной механической модели преобразователя изменение частоты колебаний струны А/можно определить как г I-г \

к А_

4/" =/о

1 + -

-1

(21)

где Ат - амплитуда колебаний подвеса / - длина струны

Для оценки величины погрешности А/ необходимо определить амплитуду вынужденных колебаний подвеса А„„ которая зависит от амплитуды и частоты возмущающего воздействия, а также от собственной частоты колебаний подвеса юп и коэффициента демпфирования торсиона й,

При воздействии на систему периодического воздействия частотой О и амплитудой А0 вынужденные колебания будут иметь амплитуду

Ат = А„У (22)

Множитель V показывает, во сколько раз амплитуда колебаний отличается от Ап, и поэтому его называют коэффициентом усиления или динамичности, а график его зависимости от ц = £3/сип - амплитудно-частотной характеристикой или резонансной кривой

Механическая модель подвеса преобразователя представляет собой колебательную систему в виде стержня и инерционной массы с одной степенью свободы, положение которой в любой момент времени определяется углом ф отклонения от горизонтали Коэффициент усиления подобной системы можно представить следующим образом

Ч2

у= . 2 (23)

\(1_т1 ) +40т г|

Для расчета частоты собственных колебаний подвеса можно воспользоваться решением уравнения движения колебательной системы Для составления уравнения движения системы было использовано уравнение Лагранжа II рода

дТ

ч

= (24)

дql дд,

где Г - кинетическая энергия системы, I - время, с/, - обобщенные координаты,

ц, - обобщенные скорости, п - число степеней свободы системы

Для подтверждения полученного расчетного соотношения (21) были проведены экспериментальные исследования с использованием следующего оборудования

1 Унифицированный струнный модуль УИП-3

2 Установка вибрационная электродинамическая 12 МВЭ2/50 - 010

3 Бесконтактный электретный вибропреобразователь

4 Вольтметр ВЗ - 38

5 Источник питания Б5 — 47

АЧХ была определена методом фиксированных частот при виброускорении 1 § (рис 9)

Как следует из результатов проведенных исследований, погрешность от воздействия вибрации имеет место даже при очень большом собственном коэффициенте демпфирования Например, для струнного преобразователя, выполненного по ГОСТ 21652-76, воздействие вибрации частотой 300 - 800 Гц и амплитудой 5 мкм вызовет дополнительную приведенную погрешность 0,2 - 1,0 %, превышающую пределы допускаемой основной погрешности 0,25 % В связи с этим необходимо обращать внимание на уровень вибраций и принимать соответствующие меры - увеличивать массу средств базировки датчика, повышать жесткость элементов конструк-

ции преобразователя, использовать внешние амортизаторы (виброизоляторы) под измерительной стойкой и др

_О 200 400 600 800 1000 1200

[——•Расчетная зависимость —^-Экспериментальные данные } Гц

Рис 9 Сравнение результатов эксперимента с расчетными данными

Полученная математическая модель может быть применена при расчете средств базировки преобразователей и параметров виброизоляторов, а также для учета величины дополнительной погрешности и введения поправок

Так как для получения и обработки измерительной информации целесообразно использовать персональный компьютер (ПК) со специализированным программным обеспечением, возникает вопрос о применимости тех или иных аппаратных и программных средств для получения достоверных результатов измерений

Для определения влияния конфигурации ПК, применяемого программного обеспечения и используемого аналого-цифрового преобразователя (АЦП) был проведен многофакторный эксперимент, заключающийся в измерении частоты синусоидального сигнала частотой 1 кГц и уровнем 0,5 В при всех возможных комбинациях исследуемых факторов Частота сигнала контролировалась электронно-счетным частотомером 43 - 63, а уровень - вольтметром ВЗ - 41 При этом исследовались следующие факторы

А - применяемый АЦП, В - используемое ПО, С - используемый ПК

При проведении эксперимента были использованы ПК различной базовой конфигурации и АЦП различного типа Анализ оцифрованного входного сигнала измерительной информации проводился методом дискретного счета (модуль частотомера РМ, ПО ИС-8) и методом спектрального анализа (спектральные частотомеры Брес^аЬаЬ, 1_аЬУ1Е\У)

Обработка результатов проводилась методом дисперсионного анализа (см табл 2) С точки зрения методов дисперсионного анализа математическая модель эксперимента имеет вид

ХяЫ = (х + Л, + BJ + ЛВ9 + Ст + АСт, (25)

1 де Х,)Ц - значение наблюдения в ячейке у с номером к, /1 - общее среднее,

А1 - эффект, обусловленный влиянием /-го уровня фактора А, BJ - эффект, обусловленный влияниему-го уровня фактора В, АВу - эффект, обусловленный взаимодействием факторов Л и В, С(/)к - эффект, обусловленный влиянием к-го уровня фактора С, АС1(/)к - эффект, обусловленный взаимодействием факторов А и С

Проверка значимости в дисперсионном анализе основана на сравнении компоненты дисперсии, обусловленной межгрупповым разбросом (называемой средним квадратом эффекта .5/) и компоненты дисперсии, обусловленной внутригрупповым разбросом (называемой средним квадратом ошибки ¿У Если верна нулевая гипотеза IIп (равенство средних значений), то можно ожидать сравнительно небольшое различие выборочных средних из-за чисто случайной изменчивости Поэтому, при нулевой гипотезе, внутригрупповая дисперсия будет практически совпадать с общей дисперсией, подсчитанной без учета групповой принадлежности Полученные внутригрупповые дисперсии можно сравнить с помощью ^ - критерия (критерия Фишера), проверяющего, действительно ли отношение дисперсий значимо больше 1

Гипотеза Н0 отвергается, если фактически вычисленное значение статистики F = больше критического Рок1 к2, определенного на

уровне значимости а при числе степеней свободы А; = т-1 и к2 = т(п-1), и принимается, если < Ра,к1 к2

Построим таблицу дисперсионного анализа

____Табл 2 Результаты дисперсионного анализа

Источник Сумма Число степеней сво- Средний Отношение

измен- квадратов боды квадрат средних

чивости квадратов

АЦП (Л) 76,65163 (а - 1) = Ъ 25,55054 1368,919

ПО (В) 1,544717 (Ь-1) = 3 0,514906 27,58706

АхВ 0,546964 (а-1)(Ь-1) = 9 0,060774 3,256072

ПК (С) 0,217544 Ь(с-1)= 12 0,018129 1,295036

АхС 0,67 (а - 1)Ь(с-1) = 36 0,018665 -

Сумма 79,63279 (аЬс- 1) = 63

Проверим гипотезу о том, что взаимодействие между ПК и АЦП равно нулю Для этого вычислим отношение средних квадратов, которое оказывается равным 0,060774/0,018655 = 3,256072, т е является значимым при сравнении с табличным значением Рд за п95~ 2,16

Аналогичным образом проверим гипотезы о том, что используемые ПО, ПК и АЦП не влияют на результат измерений При этом получим РА = 1368,92 >^»(И= 2,88, Ря = 27,59 >Р3 36 0 95 = 2,88, Рс = 1,29 <Р12 36 П95 = 2,04

Таким образом, экспериментальное исследование показало, что наибольшее влияние на погрешность определения частоты сигнала оказывает применяемый АЦП, поэтому были проведены дополнительные исследования метрологических характеристик АЦП мультимедийных ПК с помощью специализированного программного обеспечения, измерительного генератора Г6 - 34, частотомера 43 - 63 и вольтметра В7-16 На вход АЦП подавался синусоидальный сигнал с амплитудой 1 В, частота которого ступенчато изменялась в пределах исследуемого диапазона

Результаты исследования показали, что погрешность измерения частоты имеет мультипликативный характер (см рис 10), поэтому легко учитывается введением соответствующей поправки При этом основной составляющей погрешности АЦП становится нелинейность функции преобразования

gl »»

lUIUIt, ""««MW» iunu::!

_О_4000 8000 чгооо 16000 20000

}—»-Cnstal SoundFusotn -*-Genius SoundMaker -fr-SBbve' -»-CnstalCS 42811

Рис 10 Погрешность измерения частоты для различных моделей АЦП

Исследование пяти экземпляров АЦП одинакового типа позволяют сделать вывод о том, что их погрешности от нелинейности одинакового порядка и носят сходный характер

Проведенные исследования позволили определить возможность применения ПК, оснащенного АЦП и соответствующим программным обеспечением для измерения частоты сигнала механических резонаторных преобразователей Так как в диапазоне рабочих частот большинства механических резонаторов погрешность нелинейности функции преобразования простейшего АЦП не превышает 0,01 %, то можно рекомендовать применение мультимедийного ПК с установленным специализированным ПО для создания информационно - измерительной системы с приемлемыми метрологическими характеристиками

Четвертая глава посвящена вопросам создания и исследования информационно - измерительной системы, реализующей разработанные алгоритмы автоматической коррекции погрешностей механических резонаторных преобразователей, и программного обеспечения, предназначенного для определения частоты сигнала и вычисления измеряемой величины

МРГ1 - механическим резонаторный преобразователь, ЛВТ - автогенератор, JIC - линия связи, АЦП - аналого-цифровой преобразователь, ПО - программное обеспечение, БП - блок питания, УО - устройство отображения, ИОС - источник образцовых сигналов, ВИУ - вспомогательное измерительное устройство, СХ - средство хранения, Т -температура

Рис 11 Структурная схема разработанной ИИС

Разработанная структурная схема (рис 11) реализует предложенный метод автоматической коррекции погрешностей, являющийся сочетанием метода образцовых сигналов и метода вспомогательных измерений Результаты проведенных исследований (см гл 3) показали, что для автоматической коррекции погрешностей механических резонаторных преобразователей наиболее применим следующий метод Перед выполнением измерений необходимо скорректировать коэффициенты аппроксимирующей функции с помощью подачи 2-х или более образцовых сигналов, в зависимости от уровня допустимой систематической погрешности Затем, в процессе измерений, для коррекции дополнительных погрешностей достаточно определять текущее значение влияющих факторов с помощью ВИУ и учитывать изменение внешних условий в алгоритме вычисления результатов измерений Для учета дополнительных погрешностей необходимо определить функциональную зависимость частоты колебаний резонатора от уровней воздействующих факторов для конкретной конструкции преобразователя по методикам, предложенным в главе 3 или экспериментальными методами и ввести полученные зависимости в алгоритм работы ПО

Для измерения частоты сигнала и коррекции дополнительных погрешностей механических резонаторных преобразователей было разработано специализированное программное обеспечение, представляющее собой частотомер, выполненный на основе применения аналого-цифрового преобразователя и персонального компьютера ПО реализовано на языке графического программирования G в системе создания приложений LabVIEW

LabVIEW обладает следующими преимуществами

1) Сравнительная простота освоения для непрофессиональных программистов и интуитивно-понятный интерфейс

2) Широкие возможности обработки измерительной информации

3) Возможность работы с драйверами самых различных устройств, разработанных в виде динамически подключаемых библиотек DLL, а также использования элементов ActiveX.

4) Поддержка стандартных интерфейсов ПК и возможность простого ввода-вывода цифровых данных через порты.

Интерактивный интерфейс пользователя представлен в виде передней панели, имитирующей панель физического прибора и содержащей органы управления и графические индикаторы. Результаты выводятся на экран компьютера и/или записываются в файл.

Выбор режима работы (рис. 13) осуществляется переходом на соответствующую закладку:

; Измерение\ Сигнал jКалибровка j Эксперимент j

Рис. 12. Меню выбора режима работы

ПО (см. рис. 13) реализует один из алгоритмов обработки аналогового сигнала, поступающего с измерительного преобразователя, а именно определение частоты с помощью метода быстрого преобразования Фурье. После загрузки ПО возможно провести калибровку преобразователя с помощью метода образцовых сигналов (см. гл. 2) и возможностью выбрать необходимую функцию приближения в виде естественной функции преобразования с алгоритмом коррекции чувствительности (см. гл. 3) или полинома 2-го порядка. При проведении последующих измерений в случае применения дифференциального механического резонаторного преобразователя производится автоматическая коррекция дополнительных погрешностей и дрейфа с помощью оригинального алгоритма (см. гл. 3). Для коррекции дополнительных погрешностей преобразователей с одним резонатором необходимо подключить ВИУ и указать функциональную зависимость выходного сигнала преобразователя от соответствующего фактора.

Измерение Сигнал j Калибровка ¡ Эксперимент | ИС_1 HK_s ver. 2.0

Исследуемый curmrtj Исследуемый сигнал _2

выкл

¡5990,751 г« 54731,953 гц

Рис. 13. Передняя панель разработанного ПО в режиме «Сигнал»

Экспериментальное исследование метрологических характеристик разработанной ИИС при работе с дифференциальным резонаторным преобразователем угла наклона УИГЫнк показало, что основная приведенная погрешность системы составляет менее 0,1 %, а температурная погрешность - 0,01%/10 °С

В заключении приводятся выводы и основные результаты работы

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Разработана методика идентификации функции преобразования механических резонаторных преобразователей и автоматической коррекции систематической погрешности с применением современных средств вычислительной техники,

2 Разработан алгоритм автоматической коррекции температурной погрешности дифференциальных механических резонаторных преобразователей, отличающийся тем, что один из резонаторов служит для определения значения входного сигнала, а второй используется в качестве измерителя температуры и выработки корректирующего сигнала,

3 Разработана математическая модель для расчета зависимости дополнительной температурной погрешности механических резонаторных преобразователей от особенностей конструкции и внешних условий,

4 Проведено теоретическое и экспериментальное исследование метрологических характеристик механических резонаторных преобразователей на примере струнных преобразователей линейно-угловых перемещений, что позволило разработать обобщенные алгоритмы коррекции основных и дополнительных погрешностей,

5 Предложен и реализован метод расчета резонансных частот конструкции механических резонаторных преобразователей Рассмотрены причины возникновения и проведено исследование дополнительной погрешности преобразователей от воздействия вибрации Предложены методы виброизоляции и произведен расчет параметров виброизоляторов для применения механических резонаторных преобразователей в цеховых условиях,

6 Экспериментально доказана возможность применения мультимедийного ПК для создания информационно-измерительной системы, реализующей ввод и анализ сигналов механических резонаторных преобразователей,

7 Реализована ИИС на базе ПК, позволяющая применять механические резонаторные преобразователи в условиях, отличающихся от нормальных,

8 Разработано программное обеспечение для измерения частоты сигнала и автоматической коррекции основных и дополнительных погрешностей механических резонаторных преобразователей,

9 Права на программный код реализации алгоритмов анализа измерительной информации защищены свидетельством официальной регистрации программ для ЭВМ № 2007610617 «Частотно-цифровая измерительная система РМ-1»,

10 Результаты работы внедрены в научно-исследовательскую работу по теме шифр 2006-РИ-16 0/024/122 «Научно-организационное, методическое и техническое обеспечение организации и поддержки научно-образовательных центров в области управления качеством и осуществление на основе комплексного использования материально-технических и кадровых возможностей совместных исследований и разработок»

Основное содержание диссертации отражено в печатных работах:

1 Юрин А И , Скачко Ю В , Цифровая обработка сигналов при сертификационных испытаниях дисплеев // Труды 5-й международной конференции и выставки «Цифровая обработка сигналов и ее применение» М ,2003-с 239-240

2 Юрин А И , Скачко Ю В , Применение виртуальных средств измерений при сертификационных испытаниях дисплеев // Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени А С Попова [.УШ научной сессии, посвященной дню радио - М Ин-связьиздат, 2003 - с 26-27

3 Юрин А И Исследование метрологических характеристик АЦП // СНТК МИЭМ Тезисы докладов - М МИЭМ, 2004 - 399-400

4 Юрин А И , Скачко Ю В , Разработка виртуальных СИ на базе АЦП ЛА-70 // Труды 6-й международной конференции и выставки «Цифровая обработка сигналов и ее применение» М , 2004 - с 223-224

5 Юрин А И , Интеллектуализация метрологического обеспечения механических резонаторных преобразователей // СНТК МИЭМ Тезисы докладов - М МИЭМ, 2005

6 Юрин А И, Интеллектуализация метрологического обеспечения информационно - измерительных систем на основе механических резонаторных преобразователей // Труды 7-й международной конференции и выставки «Цифровая обработка сигналов и ее применение» М , 2005 - с 486-489

7 Юрин А И , Применение струнных резонаторов в условиях вибрационных воздействий // СНТК МИЭМ Тезисы докладов - М МИЭМ, 2006 -с 55-56

8 Юрин А И , Филимонов В В Автоматическая коррекция температурной погрешности механических резонаторных преобразователей // Труды 8-й международной конференций и выставки «Цифровая обработка сигналов и ее применение» М , 2006-с 501-504

9 Филимонов В В , Скачко Ю В , Юрин А И Исследование особенностей режима прямого измерения и методов повышения точности частотно-

цифрового средства измерений линейных размеров // Труды 8-й международной конференции и выставки «Цифровая обработка сигналов и ее применение» М , 2006 - с 499-501

10 Суриков С В, Филимонов В В, Юрин А И Методы оценки качества частотно-цифровых измерительных преобразователей // Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени А С Попова ЬХ1 научной сессии, посвященной дню радио -М Инсвязьиздат, 2006 - с 63-64

11 Филимонов В В , Юрин А И , Скачко Ю В Коррекция погрешности частотно-цифрового средства измерений линейных перемещений // Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени А С Попова ЬХ1 научной сессии, посвященной дню радио - М Инсвязьиздат, 2006 - с 65-66

12 Юрин А И , Филимонов В В , Скачко Ю В Автоматическая коррекция погрешностей механических резонаторных преобразователей // Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени А С Попова ЬХ1 научной сессии, посвященной дню радио-М Инсвязьиздат, 2006 - с 69-71

13 10 В Скачко, В В Филимонов, А И Юрин, С В Суриков Особенности применения мультимедийных ЭВМ в частотно-цифровых средствах измерений линейных перемещений // "Измерительная техника", № 10, 2006 М 2006 - с 26-28

14 Ю В Скачко, А И Юрин Анализ влияния вибрации на погрешность струнного резонатора // "Измерительная техника", Кг 12,2006 М 2006 -с 14-16

15 Юрин А И, Филимонов В В Коррекция температурной погрешности дифференциальных струнных преобразователей // Труды 9-й международной конференции и выставки «Цифровая обработка сигналов и ее применение» М , 2007-с 501-503

16 Филимонов В В , Скачко Ю В , Юрин А И Применение диагностических экспертных систем в качестве средства повышения надежности частотно-цифровых программно-инструментальных измерительных комплексов // Труды 10-й международной конференции и выставки «Цифровая обработка сигналов и ее применение» М , 2008 - с 499-501

Подписано к печати " 01_" 10 2008 г Отпечатано в типографии МИЭМ Москва, ул М Пионерская, д 12 Заказ № 144 Объем 1,0 п л Тираж 100 экз

СПИСОК АББРЕВИАТУР.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1.

МЕХАНИЧЕСКИЕ РЕЗОНАТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ.

1.1 Особенности преобразователей с частотно - модулированным выходным сигналом.

1.2 Основные типы датчиков с частотно-модулированным выходным сигналом.

1.3 Механические резонаторные преобразователи.

1.4 Режимы работы механических резонаторов.

1.5 Принцип действия и разновидности струнных резонаторных преобразователей.

1.1 Погрешности механических резонаторных преобразователей.

1.7.1 Дополнительная температурная погрешность.

1.7.2 Энергетическая погрешность.

1.7.3 Влияние упругого последействия.

1.7.4 Погрешность от флуктуации частоты.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2.

МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1 Номенклатура метрологических характеристик.

2.2 Основные принципы автоматической коррекции погрешностей измерительных устройств.

2.2.1 Метод вспомогательных измерений.

2.2.2 Метод тестовых сигналов.

2.3 Методы суммирования погрешностей.

2.4 Применение методов регрессионного анализа для идентификации функции преобразования.

2.4 Применение методов дисперсионного анализа для оценки значимости влияющих факторов.

2.5 Применение методов расчёта теплопроводности твёрдых тел для оценки температурной погрешности преобразователей.

2.6 Методы составления уравнений движения колебательных систем и расчёта собственной частоты колебаний резонаторов.

2.7 Основные принципы уменьшения погрешности от воздействия вибрации на преобразователи физических величин.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕХАНИЧЕСКИХ

РЕЗОНАТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.

3.1 Анализ функции преобразования механических резонаторных преобразователей и выбор аппроксимирующих функций.:.

3.2 Исследование дополнительной температурной погрешности механических резонаторных преобразователей в стационарном режиме .61 3.2 Исследование температурной погрешности в нестационарном режимебб

3.3 Исследование дополнительной погрешности от воздействия вибрации.

3.3.1 Выбор типа виброзащиты и моделей виброизоляторов.

3.4 Исследование устойчивости конструкции механических резонаторов к возникновению параметрических колебаний.

3.5 Исследование дополнительной барометрической погрешности.

3.6 Исследование степени влияния применяемого оборудования ИИС на результаты измерений методами дисперсионного анализа.

3.6 Исследование функции преобразования различных АЦП и погрешности нелинейности.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1 Разработка информационно — измерительной системы, предназначенной для работы с механическими резонаторными преобразователями.

4.2 Разработка программного обеспечения для измерения частоты сигнала и коррекции погрешностей механических резонаторных преобразователей.

4.3 Исследование метрологических характеристик разработанной ИИС.

4.3.1 Исследование систематической составляющей погрешности.

4.3.2 Исследование вариации.

4.3.3 Исследование случайной составляющей погрешности.

4.3.4 Исследование дополнительной температурной погрешности.

4.3.5 Исследование прогрессирующей составляющей погрешности.

4.4 Внедрение результатов работы в учебный процесс.

4.5 Перспективы внедрения результатов работы в промышленности.

Выводы по главе 4.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Актуальность темы. На современном этапе развития измерительной техники точность воспроизведения эталона частоты является наиболее высокой по сравнению с эталонами других физических величин, поэтому метрологические характеристики измерительных преобразователей с частотно — модулированным выходным сигналом выгодно отличаются от характеристик датчиков с амплитудно-модулированным сигналом.

По виду физического явления, положенного в основу работы, все датчики с частотным выходом можно разделить на четыре группы:

1. Резонаторные датчики

2. Датчики с нерезонирующими частотно-зависимыми системами

3. Интегрирующие датчики

4. Статистические датчики Резонаторные датчики обладают рядом преимуществ:

• высокая добротность резонаторов даёт возможность существенно повысить точностные характеристики датчиков;

• имеется возможность включения в схему автогенератора для получения непрерывного выходного сигнала;

• отношение сигнал-шум намного выше, чем у датчиков других рассмотренных групп.

Эффективность рассмотренных резонаторов с точки зрения их использования для построения высокоточных датчиков показывает, что для практического применения наиболее предпочтительными являются механические резонаторы. При достаточно высокой добротности и стабильности частоты они отличается технологичностью, относительно низкой стоимостью и универсальностью применения.

Однако, при всех вышеперечисленных достоинствах механические резонаторные преобразователи обладают рядом ограничений. Прежде всего, это высокая чувствительность к воздействию внешних факторов, таких, как температура, давление, вибрация и т. д., что приводит к появлению дополнительных погрешностей в реальных условиях эксплуатации. Устранение этих погрешностей путём уменьшения технологических допусков, усложнения конструкции и тщательного подбора материалов приводят к существенному росту стоимости изготовления преобразователей.

Функция преобразования большинства механических резонаторных преобразователей нелинейна, что затрудняет обработку результатов измерений и приводит к необходимости работы на малом участке характеристики. Линеаризация же функции преобразования путем введения просчитанной асимметрии конструктивных элементов преобразователя, а также путем введения в его структурную схему предварительных механических линеаризаторов или различных корректирующих устройств неизбежно приводит к существенному усложнению конструкции механической части преобразователя или его электронной схемы.

Характеристики преобразователя индивидуальны и изменяются с течением времени, а их коррекция очень трудоёмка, требует наличия точного механизма настройки и квалифицированного персонала.

С появлением средств вычислительной техники появляется возможность устранения этих недостатков с помощью методов обработки информации и автоматизации коррекции погрешностей, поэтому исследование метрологических характеристик механических резонаторных преобразователей и пересмотр ранее сформулированных требований является актуальной задачей.

Целью работы является разработка методики улучшения метрологических характеристик измерительных устройств с механическими резонаторными преобразователями путем применения современных средств вычислительной техники.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• Исследовать температурную погрешность механических резонаторных измерительных преобразователей в стационарном и нестационарном режимах;

• Исследовать погрешность механических резонаторных преобразователей, обусловленную воздействием вибрации;

• Исследовать возможность применения современных персональных ЭВМ для создания информационно-измерительных систем, работающих с механическими резонаторными преобразователями;

• Разработать методику автоматической коррекции основных и дополнительных погрешностей механических резонаторных преобразователей с использованием результатов исследований метрологических характеристик.

Научная новизна работы

1. Разработаны математические модели для оценки влияния внешних условий (температура, вибрация) на погрешности механических резонаторных преобразователей;

2. Разработана методика автоматической коррекции основных и дополнительных погрешностей механических резонаторных преобразователей, базирующаяся на использовании методов образцовых сигналов и вспомогательных измерений;

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований метрологических характеристик механических резонаторных преобразователей, которые позволили выявить оптимальные способы уменьшения погрешностей;

4. Разработаны обобщенные алгоритмы коррекции основных и дополнительных погрешностей измерительных устройств на основе механических резонаторов.

Практическая ценность работы

• Разработаны алгоритмы коррекции дополнительных погрешностей, позволяющие применять механические резонаторные преобразователи при изменяющихся условиях эксплуатации;

• Разработан и реализован алгоритм обработки измерительной информации, позволяющий компенсировать нелинейность функции преобразования механических резонаторных преобразователей без изменения конструкции;

• Экспериментально доказана возможность применения мультимедийной ЭВМ для создания информационно-измерительных систем, реализующих ввод и анализ сигналов механических резонаторных преобразователей;

• Разработано программное обеспечение для проведения измерений частоты сигнала и автоматической коррекции погрешностей механических резонаторных преобразователей, применение которого позволило уменьшить основную и дополнительную температурную погрешность рассмотренного резонаторного преобразователя угла наклона более чем на порядок.

На защиту выносятся:

• Комплекс математических моделей для оценки влияния внешних условий на погрешности механических резонаторных преобразователей;

• Разработанная методика применения современных вычислительных средств для совершенствования метрологических характеристик измерительных устройств на основе механических резонаторов;

• Результаты проведенного теоретического и экспериментального исследования метрологических характеристик механических резонаторных преобразователей.

Ю.Результаты работы внедрены в научно-исследовательскую работу по теме: шифр 2006-РИ-16.0/024/122 «Научно-организационное, методическое и техническое обеспечение организации и поддержки научно-образовательных центров в области управления качеством и осуществление на основе комплексного использования материально-технических и кадровых возможностей совместных исследований и разработок».

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана методика идентификации функции преобразования механических резонаторных преобразователей и автоматической коррекции систематической погрешности с применением современных средств вычислительной техники;

2. Разработан алгоритм автоматической коррекции температурной погрешности дифференциальных механических резонаторных преобразователей, отличающийся тем, что один из резонаторов служит для определения значения входного сигнала, а второй используется в качестве измерителя температуры и выработки корректирующего сигнала;

3. Разработана математическая модель для расчета зависимости дополнительной температурной погрешности механических резонаторных преобразователей от особенностей конструкции и внешних условий;

4. Проведено теоретическое и экспериментальное исследование метрологических характеристик механических резонаторных преобразователей на примере струнных преобразователей линейно-угловых перемещений, что позволило разработать обобщенные алгоритмы коррекции основных и дополнительных погрешностей;

5. Предложен и реализован метод расчёта резонансных частот конструкции механических резонаторных преобразователей. Рассмотрены причины возникновения и проведено исследование дополнительной погрешности преобразователей от воздействия вибрации. Предложены методы виброизоляции и произведён расчёт параметров виброизоляторов для применения механических резонаторных преобразователей в цеховых условиях;

6. Экспериментально доказана возможность применения мультимедийного ПК для создания информационно-измерительной системы, реализующей ввод и анализ сигналов механических резонаторных преобразователей;

7. Реализована ИИС на базе ПК, позволяющая применять механические резонаторные преобразователи в условиях, отличающихся от нормальных;

8. Разработано программное обеспечение для измерения частоты сигнала и автоматической коррекции основных и дополнительных погрешностей механических резонаторных преобразователей;

9. Права на программный код реализации алгоритмов анализа измерительной информации защищены свидетельством официальной регистрации программ для ЭВМ № 2007610617 «Частотно-цифровая измерительная система FM-1»;

1. Бабаков И. М. Теория колебаний. — М.: Наука, 1968. 560 с.

2. Бидерман В. J1. Теория механических колебаний: Учебник для вузов. -М.: Высш. школа, 1980.-408 е., ил.

3. Бриндли К. Измерительные преобразователи: Справочное пособие: Пер. с англ. — М.: Энергоатомиздат, 1991. — 144 е.: ил.

4. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т. /Ред. В. Н. Челомей (пред). Т. 3. Колебания машин, конструкций и их элементов/ Под ред. Ф. М. Диментберга и К. С. Колесникова. 1980. 544 с, ил.

5. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т. /Ред. совет: В. Н. Челомей (пред). — М.: Машиностроение, 1981.- Т. 6. Защита от вибрации и ударов / Под ред. К. В. Фролова. 1981, 456 е., ил.

6. Вибрационная защита и надёжность приборов, машин и механизмов / Сборник статей под ред. С. В. Елисеева, Иркутск, 1972

7. В. Н. Сретенский. Метрологическое обеспечение электронной техники. Учебное пособие, Москва, изд. МИЭМ, 1986, 106 с.

8. В. П. Дьяконов, И. В. Абраменкова Mathcad 8 PRO в математике, физике и Internet, М.: «Нолидж», 2000., 512 е., ил.

9. Гитис Э. И., Пискулов Е. А. Аналого-цифровые преобразователи: Учеб. пособие для вузов. М.: Энергоиздат, 1981. - 360 е., ил.

10. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Высшая школа, 2003.-523с.Дьяконов В. П. MATHCAD 8/2000: специальный справочник

11. Демидов С. П. Теория упругости: Учебник для вузов. — М.: Высш. Школа, 1979. 432 е., ил.

12. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке: Методы обработки данных. Пер. с англ. -М.: Мир, 1980. 610 е., ил.

13. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке: Методы планирования эксперимента. Пер. с англ. -М.: Мир, 1981. 520 е., ил.

14. Е. А. Карцев. Измерительные преобразователи. (Основы расчёта и конструирования). Учебное пособие. Москва, изд. МИЭМ, 1986, 160 с.

15. Е. А. Карцев. Физические основы преобразования неэлектрических величин в электрические. Учебное пособие — Московский государственный институт электроники и математики (Технический университет). М., 2005. 160 с.

16. Енохович А. С. Справочник по физике и технике: Учеб. пособие для учащихся. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Просвещение, 1983. -255с., ил.

17. Земельман М. А. Автоматическая коррекция погрешностей измерительных устройств. М., Издательство стандартов, 1972.

18. Ивович В. А., Онищенко В. Я. Защита от вибрации в машиностроении.-М.: Машиностроение, 1990.— 271 е., ил.

19. Ильинский В. С. Защита РЭА и прецизионного оборудования от динамических воздействий. М.: Радио и связь, 1982. - 295 е., ил.

20. Карцев Е. А., Коротков В. П. Унифицированные струнные измерительные преобразователи. -М.: Машиностроение, 1981. 144 с.

21. Кондрашкова Г. А. Теоретическое и экспериментальное исследование струнных преобразователей для цифровых электроизмерительных приборов. Автореферат диссертации на соискание учёной степени канд. техн. наук. ЛИИ им. Калинина, 1963.

22. Кузнецов А. В. Методы математической физики: Учеб. пособие/ Яросл. гос. ун-т. Ярославль, 2004, 200 с.

23. Кузнецов В. А., Ялунина Г. В. Метрология (теоретические, прикладные и законодательные основы): Учеб. Пособие. М.: ИПК Издательство стандартов, 1998. - 336 с.

24. Кузнецов В. А., Ялунина Г. В. Общая метрология. М.:ИПК Издательство стандартов, 2001. - 272 с.

25. Кутателадзе С. С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие. — М.: Энргоатомиздат, 1990. — 367 е.: ил.

26. Левшина Е. С., Новицкий П. В. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи). Учеб. Пособие для вузов. — Л.: Энергоатомиздат. Ленингрю отд-ние, 1983. — 320 е., ил.

27. Львовский Е. Н. Статистические методы построения эмпирических формул: Учеб. Пособие. М.: Высш. Школа, 1982. - 224 е., ил.

28. Ляпунов В. Т. Резиновые виброизоляторы: Справочник / В. Т. Ляпунов, Э. Э. Лавендел, С. А. Шляпочников. Л.: Судостроение, 1988. -211 е., ил.

29. Магнус К. Колебания: введение в исследование колебательных систем. Пер. с нем. М.: Мир, 1982. - 304 е., ил.

30. Методы электрических измерений: Учебное пособие для вузов/ Л. Г. Журавин, М. А. Мариненко, Е. И. Семенов, Э. И. Цветков; под ред. Э. И. Цветкова. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. - 288 е.: ил.

31. Метрологические характеристики средств измерений. Ю. В. Скачко; М.: изд. МИЭМ, 1991, 43 с.

32. Метрологическое обеспечение ИИС. 4.1. Оценка нормируемых метрологических характеристик ИИС: Учеб. Пособие/ В. М. Лазарев; Моск. ин-т электронного машиностроения. М., 1990. 82 с.

33. Метрологическое обеспечение информационно-измерительных систем. 4.2: Учеб. Пособие/ В. М. Лазарев; Моск. ин-т электронного машиностроения. М., 1991. 78 с.

34. Милохин Н. Т. Частотные датчики систем автоконтроля и управления. М., «Энергия», 1968, 128 е., с ил.

35. Морз Ф. Колебания и звук. Гос. изд-во технико-теор. лит., 1959

36. Муттер В. М. Аналого-цифровые автоматические системы: Проектирование и расчет. Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1981. -199 е., ил.

37. Новицкий П. В., Зограф И. А. Оценка погрешностей результатов измерений. — Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1985. -248 е., ил.

38. Новицкий П. В. и др. Динамика погрешностей средств измерений/ П. В. Новицкий, И. А. Зограф, В. С. Лабунец.- Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990 — 192 е.: ил.

39. Новицкий П. В. Основы информационной теории измерительных устройств. Л., «Энергия», 1968 248 е., ил.

40. Новоселов О. Н., Фомин А. Ф. Основы теории и расчёта информационно-измерительных систем. М.: Машиностроение, 1980. — 280 е., ил.

41. Орнатский П. П. Автоматические измерения и приборы: Учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. Киев: Вища школа. Головное изд-во, 1980.-560 с.

42. П. В. Новицкий, В. Г. Кнорринг, В. С. Гутников. Цифровые приборы с частотными датчиками. Л., «Энергия», 1970. 424 с. с рис.

43. С. Голдман. Теория информации. М.: Изд-во иностранной литературы, 1957

44. Сергеев А. Г. Метрология: Учебник. М.: Логос, 2005. - 272 е.:ил.

45. Теплотехника: Учеб. пособие/ Хазен М. М., Матвеев Г. А., Грицевский М. Е., Казакевич Ф. П.; Под ред. Г. А. Матвеева. — М. Высшая школа, 1981.- 480 е., ил.

46. Упругие и демпфирующие свойства конструкционных металлических материалов. Головин С. А., Пушкар А., Левин Д. М. — М.: Металлургия, 1987. 190 с.

47. Федоров А. М. и др. Метрологическое обеспечение электронных средств измерений электрических величин: Справочная книга Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние. 1988. - 208 е.: ил. — стр 25 — 28.

48. Цейтлин Я. М., Скачко Ю. В., Капырин В. В. Модифицированные струнные преобразователи для измерения геометрических величин. — М.: Изд-во стандартов, 1989 г., 264 е., с ил.

49. Электрические измерения неэлектрических величин/ А. М. Турчинин, П. В. Новицкий, Е. С. Левшина и др. Под ред. П. В. Новицкого. -Л.: Энергия, 1977

50. Ю. В. Зеленев, А. А. Кирилин, Э. Б. Слободник, Е. Н. Талицкий Виброзащита радиоэлектронной аппаратуры полимерными компаундами/ Под ред. Ю. В. Зеленева. — М.: Радио и связь, 1984. 120 е., ил.

51. Музыченко Е. Программные анализаторы спектра // РХ 1998.- №6. с. 32. -1999 - № 1. с. 38.

52. Использование виртуальных инструментов Lab VIEW / Ф.П. Жарков, В.В. Каратьев, В.Ф. Никифоров и др. / Под ред. К.С. Демирчана и В.Г. Миронова. М.: Солон-Р, Радио и связь, 1999. - 268 с.

53. Яблонский. А.А. Курс теории колебаний: 5-е изд. СПб.: БХВ-Петербург, 2007. - 336 е.: ил.

54. Новопашенный Г.Н. Информационно-измерительные системы.- М.: Высшая школа, 1977. 208 с.

55. Земельман М.А. Коррекция погрешностей измерительных устройств методами вспомогательных измерений. «Измерительная техника», 1966, №11.

56. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М.: Мир, 1978.

57. Михайлов Е.В. Помехозащищенность информационно-измерительных систем. — М.: Энергия, 1975. — 104 с.

58. Суранов A. LabView 7. Справочник по функциям. М.: ДМК -пресс, 2005.

59. Федосов В. Цифровая обработка сигналов в LabView. М.: ДМК- пресс, 2007.

60. Батоврин В., Бессонов A. LabVIEW: практикум по основам измерительных технологий. М.: ДМК пресс, 2005.

61. Бутырин П., Васильковкая Т., Каратаев В. Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе LabVIEW 7. М.: ДМК пресс, 2004.

62. Джеффри Т. LabVIEW для всех. М.: ДМК пресс, 2005.

63. Трэвис Д., Кринг Д. LabVIEW для всех -3-е изд. М.: ДМК -пресс, 2005.

64. РД 50-453-84. Методические указания. Характеристики погрешности средств измерений в реальных условиях эксплуатации. Методы расчета.

65. ГОСТ 8.009-84. Государственная система обеспечения единства измерений. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений.

66. ГОСТ 8.207-76. Государственная система обеспечения единства измерений. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения.

67. ГОСТ Р 8.563-96. Государственная система обеспечения единства измерений. Методики выполнения измерений.

68. ГОСТ 8.438-81. Системы информационно-измерительные. Метрологическое обеспечение. Основные положения.

69. ГОСТ 28195-89 Оценка качества программных средств. Общие положения.

70. ГОСТ 28806-90 Качество программных средств. Термины и определения.

71. ГОСТ 34.603-92. Виды испытаний автоматизированных систем.

72. ГОСТ Р ИСО/МЭК 9126-93. Информационная технология. Оценка программной продукции. Характеристики качества и руководства по их применению.