автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Метод и средство контроля силы натяжения провода с развертывающим частотным преобразованием

V 5 ^

- «г

На правах рукописи

БОГДАНОВ Николай Григорьевич

УДК 531.781.92 (088.8)

МЕТОД И СРЕДСТВО КОНТРОЛЯ СИЛЫ НАТЯЖЕНИЯ ПРОВОДА С РАЗВЕРТЫВАЮЩИМ ЧАСТОТНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ

Специальность: 05.11.13— Приборы и методы контроля природной

среды, веществ, материалов к изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Орел 1998

Работа выполнена в Военном институте правительственной связи

Научный руководитель: —• доктор технических наук,

профессор ИВАНОВ Б". Р.

Официальные оппоненты: — доктор технических наук,

профессор ЗАГОРСКИЙ Я. Т.,

— кандидат технических наук, доцент ЕСИПОВ В. Н.

Ведущая организация: — завод «Эталон» (Орлрйский я>ишод.)

Защита состоится 30 декабря 1998 г. в 14.00 часов па заседании диссертационного Совета К 064.75.03 при Орловском государственном техническом университете по адресу: 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 40, ауд. 705.

Автореферат разослан 30 ноября 1998 г. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адрссч Совета университета: 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Орловского го сударственного технического университета.

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат технических наук, доцент

СУЗДАЛЬЦЕВ А. И

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Цифровые приборы с частотными датчиками механических величин используют для контроля давления, линейных размеров и механических напряжений в машиностроении, при оценке напряженности магнитных полей, а также при исследованиях динамических параметров в области виброметрии. Перспективность широкого применения таких устройств обусловлена простотой высокоточного измерения и обработки частотных сигналов, удобством изменения масштаба преобразования, отсутствием искажений при коммутации и передаче частотных сигналов по каналам связи, высокой помехоустойчивостью и возможностью непосредственного ввода получаемой информации в ЭВМ.

Общий принцип частотного преобразования неэлектрических величин заключается в использовании автоколебательной системы с частотно-зависимой от контролируемого параметра цепью. Для контроля силы натяжения применяют струнные преобразователи, устанавливаемые в цепях обратной связи автогенераторов, частота которых определяется силой натяжения и физико-механическими параметрами струнных датчиков. При этом наблюдается явное несоответствие между высокой точностью измерения частотных сигналов (погрешность цифровых частотомеров не превышает КГ4 - 10"6 %) и низкой стабильностью и нелинейностью модуляционной характеристики струнных преобразователей силы натяжения в частоту, снижающих, в итоге, качество контролирующих приборов и систем.

Проблеме совершенствования струнных генераторов посвящено большое количество работ Гутникова B.C., Кнорринга В.Г., Цодикова Ю.М., и других отечественных и зарубежных ученых. Основное внима*-ние в научной литературе уделено вопросам линеаризации характеристики преобразования в относительно узком диапазоне частот, когда девиация частоты 4f не превышает ±10 % от средней частоты колебаний. При этом датчики с гармоническим выходным сигналом, работающие в диапазоне частот ог 0,01 до 10 кГц, характеризуются погрешностью преобразования около 1 %, и не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к современным системам контроля и управления.

Сложность построения высокоточных аналоговых струнных преобразователей обусловлена как нелинейной зависимостью частоты колебаний/от силы натяжения Fu, приводящей к нелинейности коэффи-

циента преобразования Л"пр:

/ ~ ^ ПР '

гак и влиянием на значение/реактивных параметров схемы генератора н нестабильности применяемых радиокомпонентов.

Вследствие этого известные способы совершенствования генераторных датчиков, основанные на компенсации активного сопротивления струнных преобразователей и стабилизации характеристик активных элементов, не позволяют повысить точность контроля силы натяжения Г:и в широком динамическом диапазоне.

Проблема расширения рабочего диапазона и повышения достоверности результатов контроля силы натяжения требует разработки новых способов преобразования и рассмотрения комплекса вопросов, связанных с формированием частотно-модулированного возбуждающего сигнала стабильной амплитуды и формы, линеаризацией характеристики преобразования, автоматической компенсацией активного сопротивления объекта контроля, выделением, цифровым измерением и индикацией контролируемого параметра. Кроме того, в процессе совершенствования датчиков силы натяжения требуется учитывать их взаимосвязь с другими функциональными узлами, обеспечивая оптимизацию параметров и улучшение свойств приборов контроля в целом.

Целью диссертационной работы является разработка метода преобразования и структурных схем построения цифровых приборов контроля силы натяжения с широким динамическим диапазоном и автоматической компенсацией активного сопротивления провода.

К основным задачам исследований относятся:

- разработка способа широкодиапазонного контроля силы натяжения провода с авто компенсацией его активного сопротивления;

- разработка структурной схемы цифрового прибора с развертывающим частотным преобразованием для контроля силы натяжения провода;

- моделирование и анализ динамических характеристик струнного преобразователя силы натяжения при развёртке частоты импульсов возбуждающего сигнала;

- оценка динамических погрешностей преобразователей при воздействии возбуждающем сигнала с линейно-изменяющейся частотой;

- разработка схемотехники основных функциональных узлов преобразователей силы натяжения в частоту на микромощных усилителях и цифровых КМОП-элементах;

- анализ и оптимизация параметров цифровых и аналоговых функциональных узлов по точности и энергопотреблению;

- выработка рекомендаций по использованию развертывающих частотных преобразователей в многоканальных системах контроля.

Методы исследований. При решении диссертационных задач использовались методы математического и схемотехнического моделирования с применением ПЭВМ, теория устойчивости, теория функций комплексного переменного, теория погрешности, спектральное разложение сигналов и преобразование Лапласа.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- обоснована перспективность применения развертки частоты возбуждающего сигнала импульсной формы для расширения рабочего диапазона цифровых приборов контроля силы натяжения провода;

- доказана целесообразность использования астатического уравновешивания для автоматической компенсации влияния активного сопротивления провода на результаты контроля силы натяжения;

- проведена оценка динамических погрешностей струнных преобразователей, обусловленных разверткой частоты возбуждающего сигнала, и показана возможность их компенсации при двухтактном способе контроля с изменением наклона развертки;

- предложен новый способ преобразования силы натяжения в частоту, обеспечивающий высокую достоверность результатов контроля в широком динамическом диапазоне;

- разработана и исследована новая структура построения цифрового прибора контроля силы натяжения проводов малого диаметра, обеспечивающая высокую точность преобразования;

- предложена и исследована численным методом на ЭВМ новая модель широкодиапазонного струнного преобразователя, учитывающая влияние спектра частот возбуждающего сигнала импульсной формы на резонансные свойства механической системы;

- показана возможность повышения точности цифрового измерения выходной частоты струнных преобразователей в окрестности резонанса, обеспечиваемая за счет изменения скорости развертки частоты возбуждающего сигнала, удвоения частоты счетных импульсов и применения регулируемой задержки цикла измерения;

- разработаны и оптимизированы по параметрам "точность - быстродействие - энергопотребление" схемы основных функциональных узлов приборов контроля силы натяжения с развертывающим частотным преобразованием, которые могут быть использованы в многоканальных автоматизированных системах контроля.

Практическая ценность работы заключается в том, что на основе проведенных исследований разработаны и внедрены в производство: цифровой прибор контроля силы натяжения вольфрамовых проводов микронного диаметра, используемый в технологическом процессе изготовления датчиков рентгеновского излучения, и цифровой веберметр на основе струнного преобразования, применяемый для контроля напряженности магнитного поля. Разработаны и экспериментально исследованы принципиальные схемы высокостабильных и универсальных функциональных узлов частотных преобразователей силы натяжения, реализованные на микромощных операционных усилителях и КМОП логических элементах, характеризующиеся минимальным энергопотреблением. Предложена и внедрена методика градуировки устройств контроля силы натяжения проводов малого диаметра.

Реализация н внедрение результатов исследований.

Полученные в диссертационной работе результаты внедрены на производственном объединении "Научприбор" (г. Орел), АО "Протон" (г. Орел) и использованы при выполнении плановых НИР и в учебном процессе. Акты внедрения прилагаются к материалам диссертации.

Апробация и публикации результатов работы.

Основное содержание диссертационных исследований изложено в докладах на 6-й Всероссийской научно-технической конференции "Современное телевидение" (Москва, 1997 г.), на международной научно-технической конференции "Нейронные, реляторные и непрерывнологи-ческие сети и модели (Ульяновск, 1998) и на 10-й научно-технической конференции "Научно-технические проблемы создания и совершенствования автоматизированной системы связи" (Санкт-Петербург, 1998).

По результатам работы опубликовано 9 статей в периодической печати и получено решение о выдаче патента на способ и устройство контроля силы натяжения провода.

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержание которых изложено на 137 страницах, содержит 37 рисунков, список литературы из 69 наименований и приложение на 11 листах.

На защиту выносятся следующие положения:

1) способ контроля силы натяжения провода, обеспечивающий расширение в 10 и более раз диапазона контроля за счет формирования возбуждающих импульсов тока с линейной разверткой частоты, подаваемых на магнитоэлектрический преобразователь, выделения и цифрового измерения резонансной частоты вынужденных колебаний провода;

2) структурная схема цифрового прибора контроля силы натяжения с автоматической компенсацией активного сопротивления провода и линеаризованной характеристикой преобразования, обеспечиваемой посредством измерения средней частоты колебаний в полосе пропускания струнного преобразователя;

3) методика повышения точности цифрового измерения резонансной частоты преобразователей силы натяжения провода, заключающаяся в дискретном изменении скорости развертки частоты возбуждающего сигнала в полосе пропускания струнного преобразователя, удвоении частоты его выходных колебании и задержке начала цикла измерения обратно пропорционально резонансной частоте.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, сформулированы цель и задачи, решаемые в диссертации, показаны направления исследований, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен аналитический обзор существующих методов и средств неразрушающего контроля силы натяжения с тензо-метрическим и частотным преобразованием, и рассмотрены возможные способы улучшения их технических характеристик.

Основные трудности при построении струнных преобразователей связаны с расширением диапазона контроля, приводящим к возрастанию нелинейности преобразования; повышением точности измерения выходного сигнала при наличии промышленных помех; снижением температурной и временной нестабильности преобразователей.

Данное положение обусловлено техническим противоречием, присущим самому принципу частотного преобразования, заключающегося в том, что увеличение девиации выходной частоты А/ приводит к уменьшению стабильности и точности преобразования.

При сравнении способов построения частотных преобразователей силы натяжения установлено, что наиболее перспективным является использование струнного преобразования с магнитоэлектрическим возбуждением, в котором функцию колебательного звена выполняет контролируемый провод, что позволяет исключить погрешность первичного механического преобразования силы в деформацию.

Благодаря широким функциональным возможностям, высокой помехоустойчивости, надежности и простоте реализации на интегральных микросхемах, частотные преобразователи широко используются для контроля механических и температурных параметров. Однако применение таких устройств для контроля силы натяжения провода в широком диапазоне затруднено нелинейностью характеристики и изменением чувствительности струнного преобразования. Применение проводов с высоким сопротивлением, разбросом длины, диаметра и силы натяжения усложняет реализацию аппаратуры контроля, требует дополнительных по стабилизации частоты /н используемых автогенераторов.

На основании сравнительного анализа схемотехники струнных датчиков с гармоническим выходным сигналом установлено, что для повышения точности и линейности преобразования целесообразно разделение функций возбуждения, усиления и преобразования.

В генераторных датчиках все эти операции выполняет обычно один активный элемент, нестабильность параметров которого существенно влияет на технические характеристики устройства в целом. Особое значение имеет средняя крутизна активного элемента, работающего в С-режиме, значение которой в совокупности зависит от разброса И-параметров, нестабильности режима работы по постоянному току и амплитуды выходных колебаний. Для упрощения схем генераторных датчиков, повышения надежности и стабильности их параметров целесообразно использовать КМОП логические микросхемы К561, КР1554 и т.п. серий с широким диапазоном напряжения питания и большим быстродействием. Применение таких микросхем позволяет устранить амплитудную модуляцию возбуждающего сигнала при развертке его частоты, упростить процесс ввода информации в ПЭВМ в цифровых системах управления и облегчить согласование датчиков с устройствами передачи информации в многоканальных системах контроля.

Особенности схемотехники струнных преобразователей зависят от формы и вида возбуждающего сигнала, контролируемого диапазона силы натяжения, структуры построения, требуемой надежности и т.п.

Вследствие этого для создания широкодиапазонных приборов контроля необходимы теоретические и экспериментальные исследования, результаты которых представлены в последующих главах диссертации.

Во второй главе исследованы способы и структуры построения устройств контроля силы натяжения. Проведено моделирование колебательных систем при воздействии токовых сигналов импульсной формы с линейной разверткой частоты, оценено влияние динамических параметров на достоверность результатов контроля. Предложен и проанализирован новый способ контроля силы натяжения с развертывающим частотным преобразователем и устройство для его реализации.

В известных устройствах контроля флуктуация диаметра провода и его активного сопротивления приводит к соответствующему изменению фазового сдвига в цепи обратной связи струнного автогенератора. В результате меняется частота автоколебаний и, соответственно, искажаются результаты контроля силы натяжения, что требует применения точного уравновешивания мостовой схемы. Однако эффективность применения этого метода для компенсации активного сопротивления провода ограничена влиянием остаточной погрешности некомпенсации Унк ^ (0,5 - 1) %, что при контроле высокоомных проводов малого диаметра не позволяет практически выделить сам факт появления резонанса в струнном преобразователе, и приводит к возникновению низкочастотных автоколебаний с частотой, определяемой постоянной времени усилителя. Для устранения влияния активного сопротивления провода на точность контроля силы натяжения предложено использовать импульсное астатическое уравновешивание.

Проведено уточнение эквивалентной схемы струнного преобразователя и выполнен анализ его динамических параметров при воздействии возбуждающего сигнала импульсной формы с разверткой частоты. В результате проведенного моделирования на ПЭВМ установлено, что возбуждение широкодиапазонного струнного преобразователя происхо-. дит на п гармониках возбуждающего тока, определяемых из формулы:

1

2тг Те

где V/ = Л - скорость развертки частоты, кГц/с; Т = (0,5 - 1) с - длительность цикла развертки.

Полученные в результате моделирования графики возбуждающего тока 1(1) и выходного напряжения колебательной системы показаны на рисунке 1.

1.2

—^^ Н * г

¡0)

. 0.92651

1.2

Ш) О

и И Р

20

40

60

80

100

шат

20

40

100 .100.

Рисунок 1 - Графики возбуждающего и выходного сигналов широкодиапазонного струнного преобразователя

Кроме того установлено, что амплитуда выходного сигнала в параметрических струнных преобразователях, запитываемых от источника импульсов тока с линейной разверткой частоты, мало зависит от добротности колебательной системы, а определяется скоростью развертки возбуждающего сигнала. Это позволяет регулировать число выходных колебаний изменением скорости развертки возбуждающего тока.

В "результате проведенного анализа установлено, что изменение скорости развертки частоты возбуждающего сигнала приводит к смещению резонансной частоты эквивалентного контура, и при большой скорее I я развертки на АЧХ контура наблюдаются осцилляции, связанные с наложением частот вынужденных и резонансных колебаний.

Применение разработанного способа позволяет более чем на порядок повысить производительность контроля, поскольку время измере-

ния (0,5 - 1 с) определяется циклом развертки частоты и ограничено практически скоростью считывания информации с индикатора.

В структурной схеме прибора контроля силы натяжения, показанной на рисунке 2, выполняется автоматическая компенсация активного сопротивления провода и измеряется средняя частота /р резонансных колебаний, превышающих по амплитуде пороговый уровень напряжения, устанавливаемый выше амплитуды колебаний струны на третьей гармонике. При астатическом уравновешивании активного сопротивления провода устраняется влияние его нестабильности на результат преобразования, который в этом случае практически не зависит от амплитуды формируемых колебаний, а определяется только их частотой.

+ипнт

1 - генератор развертки, 2 - управляемый генератор импульсов, 3 - преобразователь напряжения в ток, 4 - струнный преобразователь, 5 - компенсирующий резистор, 6 - сумматор, 7 - интегратор, 8 - усилитель, 9 - источник опорного напряжения, 10 - компаратор, 11 - таймер, 12 - счетчик импульсов

Рисунок 2 - Структурная схема устройства контроля

К достоинствам разработанного цифрового прибора контроля силы натяжения провода относятся простота технической реализации на КМОП логических элементах и микромощных усилителях, обеспечивающих высокую надежность и малое энергопотребление схемы.

В третьей главе проведены анализ и оптимизация характеристик устройства контроля силы натяжения. Проведена оценка точности автоматической компенсации влияния активного сопротивления провода и

цифрового измерения резонансной частоты струнных преобразователей, рассмотрены вопросы линеаризации характеристики преобразования цифровых приборов контроля и методика их градуировки.

В связи с широким диапазоном изменения активного сопротивления высокоомных вольфрамовых проводов малого диаметра, в десятки раз превышающим динамическое сопротивление провода на резонансной частоте, необходимо уменьшать погрешность некомпенсации до уровня унк = (Ю~3 - 10"4) %. С учетом этого, в приборе контроля силы натяжения использовано импульсное астатическое уравновешивание активного сопротивления провода с применением интегратора в цепи обратной связи устройства, схема которого приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Схема импульсного астатического уравновешивания

Такое техническое решение позволяет повысить устойчивость схемы автокомпенсации и обеспечить минимальное время (30 - 50) мс возврата в исходное состояние в случаях пропадания контакта между проводом и токоподводами. В этой схеме обеспечено высокая точность компенсации активного сопротивления провода ЯА ± ДЯА, и ее передаточная функция схемы для ошибки слежения определяется выражением:

Щр)= 1 1

\ + (КА+Ы1А)2рТи/Кос \ + рТ:

экв

где Тц = ЯС - постоянная времени интегрирования.

Для повышения разрешающей способности приборов контроля с частотным преобразованием, предложено уменьшать крутизну развертки частоты импульсов возбуждающего тока в полосе пропускания коле-

бательного контура и удваивать частоту счетных импульсов. При этом наряду с уменьшением до уровня десятых долей процента инструментальных погрешностей достигается снижение методической погрешности преобразования, обусловленной влиянием скорости развертки на "снос" резонансной частоты струнного преобразователя.

Основной причиной нелинейности преобразования является зависимость результатов цифровых измерений от добротности механической колебательной системы, разброс и нестабильность которой приводит к изменению времени развертки частоты в полосе пропускания контура. Для линеаризации характеристики преобразования и снижения динамической погрешности предложено начинать цикл измерения 7изм с задержкой 7зд относительно момента равенства амплитуды колебаний на выходе струнного преобразователя пороговому уровню, чем обеспечивается симметричность интервала измерения относительно резонансной частоты преобразователя (рисунок 4).

и,

вых

Рисунок 4 - Симметрирование интервала измерения частоты

На первом интервале Т\ частота вынужденных колебаний изменяется в диапазоне от (/р - А/\) до /р со скоростью развертки ¡у, поэтому число счетных импульсов^ определяется выражением:

Ъ = ){Гр — А/1 + У^ = (/;> - Аи )г, +У/т]г/2.

о

На втором участке Т2 цифрового интегрирования резонансной частоты в диапазоне от /Р до (/р + Л/1) формируется код

тР

= |(л + У^=/;,Г2 + Г, Т22/2. г,

При выборе порога сравнения ?/Пор = Г/мах /л/2 интервал измерения резонансной частоты 7щм - Т\ + Тг определяется добротностью О или полосой пропускания контура, поэтому получаемый результат

Тр

К = ^ = ^шл/Ло = ЩУД * ВД,

о

пропорционален контролируемой силе натяжения что позволяет улучшить линейность характеристики цифровых приборов контроля.

В универсальных приборах контроля силы натяжения провода предложено использовать перепрограммируемое цифровое запоминающее устройство, в которое записываются результаты градуировки прибора при разных значениях силы натяжения в рабочем диапазоне и различном диаметре <1 и длине € контролируемого провода (рисунок 5). Это позволяет линеаризовать характеристику преобразования и обеспечить универсальность приборов контроля силы натяжения провода.

с! I

Рисунок 5 - Структурная схед!а цифровой части прибора контроля Гц

Приведена методика градуировки приборов контроля силы натяжения проводов малого диаметра (10 - 100 мкм) и устройство для ее выполнения, обеспечивающие снижение среднеквадратической погрешности градуировки широкодиапазонных контролирующих устройств.

В четвертой главе представлены результаты практических исследований по расширению функциональных возможностей приборов контроля с развертывающим частотным преобразованием и улучшению их основных технических параметров.

На основе предложенного способа контроля с развертывающим частотным преобразованием разработана структурная схема устройства, обеспечивающая стабилизацию силы натяжения обмоточных проводов, использование которой позволяет уменьшить вероятность обрыва проводов малого диаметра и снизить процент брака при производстве современных электромагнитных изделий в промышленных условиях.

Для контроля магнитных параметров радиоэлементов, медицинской физиотерапевтической аппаратуры, предназначенной для лечения больных воздействием магнитного поля, и других измерительных преобразователей, основанных на использовании электромагнитных явлений, разработана структурная схема цифрового струнного веберметра с усовершенствованной схемой обработки сигнала, позволяющего значительно упростить контроль напряженности магнитных полей.

Для повышения качества многоканальных систем контроля предложено использовать один генераторный преобразователь с поочередной коммутацией параметрических £С-преобразователей. В системах с последовательным опросом каналов целесообразно использование развертывающего частотного преобразования, реализуемого применением N пассивных /„С-контуров в качестве первичных преобразователей, настроенных на разную резонансную частоту колебаний /рь /рт, ..., /ры в заданной полосе пропускания канала связи. При подаче на N таких ЬС-контуров импульсов линейно-изменяющейся частоты /у =/иач + * от генератора с большим выходным сопротивлением происходит возрастание амплитуды колебания 11щ в окрестности резонансной частоты каждого контура, зависящей от контролируемого параметра. Это лает возможность формировать последовательный во времени частотно-модулированный сигнал, характеризующий девиацию частоты в каждом первичном 1С-преобразователе.

К достоинствам разработанных схем устройств контроля относятся высокая надежность и простота технической реализации.

В результате проведенных исследований изготовлено устройство контроля силы натяжения провода, которое внедрено в технологический . процесс изготовления 320-канального преобразователя рентгеновского излучения, выпускаемого предприятием "Научприбор". Разработанный

цифровой струнный веберметр с развертывающим частотным преобразованием внедрен в АО "Протон" для модернизации технологической установки контроля параметров микросхем в электромагнитном поле. Кроме того, результаты проведенных теоретических исследований используются в учебном процессе и при выполнении плановой НИР по повышению эффективности средств цифровой связи.

В приложении к диссертации приведено описание принципиальной схемы устройства для контроля силы натяжения провода, представлены акты внедрения и справка об использовании результатов диссертационной работы в учебном процессе.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, можно сформулировать следующим образом.

1. Расширение рабочего диапазона приборов контроля силы натяжения проводов более, чем на порядок, по сравнению с известными .струнными преобразователями механических величин достигается за счет применения предложенного способа, основанного на развертке частоты возбуждающего сигнала и цифровом измерении резонансной частоты с астатическим уравновешиванием активного сопротивления провода.

2. Повышение разрешающей способности и быстродействия приборов контроля с развертывающим частотным преобразованием обеспечивается дискретным изменением скорости развертки в полосе пропускания струнного преобразователя и удвоением частоты вынужденных колебаний.

3. Повышение достоверности результатов контроля силы натяжения проводов малого диаметра достигается применением астатического уравновешивания активного сопротивления, реализуемого путем включения в цепь обратной связи интегрирующего звена с постоянной времени, превышающей период частоты резонансных колебаний.

4. Использование контролируемого провода в качестве упругого элемента магнитоэлектрического преобразователя позволяет исключить влияние механических составляющих погрешности на точность контроля силы натяжения.

5. Компенсация динамических погрешностей преобразования в приборах с разверткой частоты возбуждающего сигнала достигается

двухтактным измерением частоты резонансных колебаний с изменением направления развертки и усреднением результатов.

6. Использование в качестве возбуждающего сигнала прямоугольных импульсов тока позволяет исключить (ослабить) влияние выходного сопротивления формирователя возбуждающего сигнала на добротность избирательных систем, и тем самым повысить чувствительность приборов контроля силы натяжения.

7. Расширение диапазона контроля с линеаризацией функции преобразования и представлением результатов измерений в размерности контролируемой величины достигается за счет цифровой аппроксимации характеристики преобразования, реализуемой на перепрограммируемых цифровых запоминающих устройствах при минимальных аппаратурных затратах.

8. Применение предложенной методики поверки широкодиапазонных приборов контроля позволяет улучшить метрологические характеристики контролирующих устройств и обеспечить высокую достоверность и точность контроля силы натяжения проводов малого диаметра.

9. Расширение функциональных возможностей и областей применения приборов контроля с развертывающим частотным преобразованием обеспечивается при их построении по предложенной универсальной структурной схеме.

10.Минимизация аппаратурных затрат обеспечивается при реализации устройств на современных КМОП логических интегральных микросхемах и микромощной элементной базе.

11.Основные теоретические положения диссертации практически подтверждены разработкой и использованием в производственных условиях приборов контроля силы натяжения и напряженности магнитного поля.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Богданов Н.Г., Иванов Б.Р. Способ контроля силы натяжения провода и устройство для его осуществления. Решение на выдачу патента по заявке на изобретение № 98111798 от 24.09.1998 г.

2. Алексеенков А.Е., Богданов Н.Г. Применение нелинейного преобразования для контроля частотных модуляторов.//Модели физических и технических объектов и процессов: Труды международной научно-технической конференции "Нейронные, реляторные и непрерывно-

логические сети и модели", Т.З /Под ред. Л.И. Волгина- Ульяновск: УлГТУ, 1998. С. 84-85.

3. Алексеенков А.Е., Богданов Н.Г. Способ контроля частотных модуляторов.//Труды X научно-технической конференции "Научно-технические проблемы создания и совершенствования единой автоматизированной системы связи РФ",- С.-П.: СПВВИУС, 1998.-е. 42.

4. Богданов Н.Г. Автоматизированная система контроля и наблюдения за технологическими процессами.//Труды X научно-технической конференции "Научно-технические проблемы создания и совершенствования единой автоматизированной системы связи РФ".-С.-П.: СПВВИУС, 1998.-е. 55-56.

5. Богданов Н.Г., Иванов Б.Р. Особенности применения функциональных преобразователей при контроле силы натяжения проводов малого диаметра.//Модели физических и технических объектов и процессов: Труды международной научно-технической конференции "Нейронные, реляторные и непрерывнологические сети и модели", Т.З /Под ред. Л.И. Волгина,- Ульяновск: УлГТУ, 1998. С. 81-83.

6. Богданов Н.Г., Орлик C.B., Тележко A.JI. Анализ функции неопределенности многочастотного сигнала при многоканальной модуляции.//6-я научно-техническая конференция "Современное телевидение". Тезисы докладов,- М.: НТО РЭС, IEEE, 1997,- С. 59.

7. Богданов Н.Г. Особенности применения функциональных преобразователей для контроля частотных модуляторов.//Труды X научно-технической конференции "Научно-технические проблемы создания и совершенствования единой автоматизированной системы связи РФ",- С.-П.: СПВВИУС, 1998.- с. 47-48.

8. Богданов Н.Г. Способ контроля силы натяжения провода.//Сборник научных трудов ученых Орловской области. Вып. 4. Т. 1-Орел: ОрелГТУ, 1998,- С. 468 - 473.

9. Богданов Н.Г. Экспресс-контроль силы натяжения провода.// Заводская лаборатория. 1998. № 11. С. 35-39.

10. Богданов Н.Г. Функциональный преобразователь для контроля напряженности электромагнитного поля.//Модели физических и технических объектов и процессов: Труды международной научно-технической конференции "Нейронные, реляторные и непрерывнологические сети и модели", Т.З /Под ред. Л.И. Волгина.- Ульяновск: УлГТУ, 1998.-С. 79-80.



военный институт правительственной связи

На правах рукописи

богданов николай григорьевич

метод и средство контроля силы натяжения провода с развертывающим частотным преобразованием

Специальность 05.11.13 —

"Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий".

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Иванов Б.Р.

Орел - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение........................................................................ 4

Глава 1 Аналитический обзор методов и средств неразрушаю-

щего контроля силы натяжения............................ 10

1.1 Сравнительный анализ способов и структур построения измерительных преобразователей силы натяжения..................................................................... 10

1.2 Особенности построения объекта контроля - многопроволочной ионизационной камеры........................ 24

1.3 Сравнение характеристик устройств формирования возбуждающего сигнала......................................... 30

1.4 Особенности обработки частотных сигналов и представления результатов контроля силы натяжения........ 37

Выводы...................................................................... 40

Глава 2 Разработка способа и структурной схемы устройства контроля силы натяжения с развертывающим частотным преобразованием............................................ 41

2.1 Оценка возможности расширения диапазона контроля силы натяжения.................................................... 41

2.2 Моделирование характеристик колебательных систем с линейной разверткой частоты возбуждающего сигнала................................................................... 43

2.3 Уточнение модели преобразователя при воздействии импульсов прямоугольной формы............................ 53

2.4 Разработка способа широкодиапазонного контроля силы натяжения....................................................... 58

2.5 Особенности реализации развертывающего способа контроля силы натяжения....................................... 65

Выводы...................................................................... 71

Глава 3 Анализ и оптимизация характеристик устройства контроля силы натяжения........................................... 72

3.1 Оценка точности автоматической компенсации влияния активного сопротивления провода...................... 72

3.2 Оценка точности цифрового измерения резонансной частоты струнных преобразователей........................ 77

3.3 Особенности линеаризации характеристики преобразования цифровых приборов контроля силы натяжения.................................................................... 85

3.4 Методика градуировки частотных преобразователей силы натяжения проводов малого диаметра............... 91

Выводы...................................................................... 97

Глава 4 Расширение функциональных возможностей приборов контроля с развертывающим частотным преобразованием.................................................................. 99

4.1 Особенности контроля напряженности магнитного поля...................................................................... 99

4.2 Совершенствование многоканальной системы контроля параметров окружающей среды........................... 104

4.3 Применение развертывающего частотного преобразования для контроля силы натяжения обмоточных проводов................................................................. 111

Выводы...................................................................... 117

Заключение..................................................................... 118

Список использованных источников.................................... 121

Приложение 1.................................................................. 127

Приложение 2.................................................................. 135

Приложение 3.................................................................. 136

Приложение 4.................................................................. 137

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Цифровые приборы с частотными датчиками механических величин используют для контроля давления, линейных размеров и механических напряжений в машиностроении, при оценке напряженности магнитных полей, а также при исследованиях динамических параметров в области виброметрии. Перспективность широкого применения таких устройств обусловлена простотой высокоточного измерения и обработки частотных сигналов, удобством изменения масштаба преобразования, отсутствием искажений при коммутации и передаче частотных сигналов по каналам связи, высокой помехоустойчивостью и возможностью непосредственного ввода получаемой информации в ЭВМ.

Общий принцип частотного преобразования неэлектрических величин заключается в использовании автоколебательной системы с частотно-зависимой от контролируемого параметра цепью. Для контроля силы натяжения применяют струнные преобразователи, устанавливаемые в цепях обратной связи автогенераторов, частота которых определяется силой натяжения и физико-механическими параметрами струнных датчиков. При этом наблюдается явное несоответствие между высокой точностью измерения частотных сигналов (погрешность цифровых частотомеров не превышает и низкой стабильностью и нелинейностью модуляционной характеристики струнных преобразователей силы натяжения в частоту, снижающих, в итоге, качество контролирующих приборов и систем.

Проблеме совершенствования струнных генераторов посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных ученых, основное внимание в которых уделено вопросам линеаризации характеристики преобразования в узком диапазоне частот, когда девиация частоты А/ не превышает ±10 % от средней частоты колеба-

ний. При этом датчики с гармоническим выходным сигналом, работающие в диапазоне частот от 0,01 до 10 кГц, характеризуются погрешностью преобразования не менее 1 - 2 % и не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к современным автоматизированным системам контроля и управления.

Сложность построения высокоточных аналоговых струнных преобразователей обусловлена как нелинейной зависимостью частоты колебаний /х от силы натяжения приводящей к нелинейности коэффициента преобразования КПР-

так и влиянием на значение /х реактивных параметров схемы генератора и нестабильности применяемых радиокомпонентов.

Вследствие этого известные способы совершенствования генераторных датчиков, основанные на компенсации активного сопротивления струнных преобразователей и стабилизации характеристик активных элементов, не позволяют повысить точность контроля силы натяжения в широком динамическом диапазоне.

Одним из возможных путей улучшения точности и надежности генераторных датчиков является применение в качестве усилительных элементов цифровых КМОП микросхем, характеризующихся малым энергопотреблением и широким диапазоном питающего напряжения. Это позволяет упростить схемотехнику, облегчить процессы синхронизации, коммутации и опроса датчиков в многоканальных системах контроля и обеспечить непосредственный ввод информации в ЭВМ для последующей обработки данных.

Проблема расширения рабочего диапазона и повышения достоверности контроля силы натяжения требует разработки новых способов преобразования и рассмотрения комплекса вопросов, свя-

занных с формированием частотно-модулированного возбуждающего сигнала стабильной амплитуды и формы, линеаризацией характеристики преобразования, автоматической компенсацией активного сопротивления объекта контроля, выделением, цифровым измерением и индикацией контролируемого параметра, а также автоматизацией процесса контроля в условиях производства. Кроме того, в процессе совершенствования датчиков силы натяжения требуется учитывать их взаимосвязь с другими функциональными узлами, обеспечивая оптимизацию параметров и улучшение свойств приборов и систем контроля в целом.

Целью диссертационной работы является разработка метода преобразования и структурных схем построения высокоточных цифровых приборов контроля силы натяжения с широким динамическим диапазоном и автоматической компенсацией активного сопротивления провода, реализуемых на цифровых микросхемах.

К основным задачам исследований относятся:

- разработка способа контроля силы натяжения провода с астатическим уравновешиванием его активного сопротивления;

- разработка структурной схемы широкодиапазонного цифрового прибора с развертывающим частотным преобразованием для автоматизированного контроля силы натяжения провода;

- моделирование и анализ динамических характеристик струнного преобразователя силы натяжения при развертке частоты импульсов возбуждающего сигнала;

- оценка динамических погрешностей преобразователей при возбуждающем воздействии сигнала с линейно-изменяющейся частотой;

- разработка схемотехники основных функциональных узлов преобразователей силы натяжения в частоту на микромощных усилителях и цифровых КМОП-элементах;

- анализ и оптимизация параметров цифровых и аналоговых функциональных узлов по точности и энергопотреблению;

- выработка рекомендаций по использованию развертывающих частотных преобразователей в многоканальных контролирующих приборах и системах.

Методы исследований. При решении задач использовались методы математического и схемотехнического моделирования с применением ПЭВМ, теория устойчивости, теория функций комплексного переменного, теория погрешности, спектральное разложение сигналов и преобразование Лапласа.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- обоснована перспективность применения развертки частоты возбуждающего сигнала импульсцой формы для расширения рабочего диапазона датчиков контроля силы натяжения провода;

- доказана целесообразность применения астатического уравновешивания для автоматической компенсации влияния активного сопротивления провода на результаты контроля силы натяжения;

- проведена оценка динамических погрешностей струнных преобразователей, обусловленных разверткой частоты возбуждающего сигнала, и показана возможность их компенсации при двухтактном способе контроля с изменением наклона развертки;

- предложен новый способ преобразования силы натяжения в частоту, обеспечивающий высокую достоверность контроля в широком динамическом диапазоне;

- разработана и исследована новая структура построения цифрового прибора для контроля силы натяжения провода, обеспечивающая высокую точность преобразования;

- предложены и исследованы численным методом на ЭВМ новые модели струнного преобразователя, учитывающие влияние спектра частот возбуждающего сигнала импульсной формы;

- показана возможность повышения точности цифрового измерения выходной частоты струнных преобразователей в окрестности резонанса, обеспечиваемая за счет изменения скорости развертки частоты возбуждающего сигнала, удвоения частоты счетных импульсов и применения регулируемой задержки цикла измерения;

- разработаны и оптимизированы по параметрам "точность — быстродействие — энергопотребление" схемы основных функциональных узлов приборов частотного контроля силы натяжения, которые могут быть использованы в различных автоматизированных системах управления, обеспечивающих высокую скорость и избирательность приема информации от измерительных преобразователей.

Практическая ценность работы заключается в том, что на основе проведенных исследований разработаны и внедрены цифровой прибор контроля силы натяжения вольфрамовых проводов микронного диаметра, используемый в технологическом процессе изготовления датчиков рентгеновского излучения, и цифровой веберметр, применяемый для контроля напряженности магнитного поля; разработаны принципиальные схемы высокостабильных и универсальных функциональных узлов частотных датчиков силы натяжения, реализованные на микромощных операционных усилителях и КМОП логических элементах, характеризующиеся минимальным энергопотреблением; показана целесообразность применения разработанных устройств с разверткой частоты возбуждающего сигнала в многоканальных приборах и системах автоматизированного контроля; предложена методика градуировки устройств широкодиапазонного контроля силы натяжения проводов малого диаметра.

Реализация и внедрение результатов исследований.

Результаты диссертационной работы внедрены на производственном объединении "Научприбор" (г. Орел), АО "Протон" (г. Орел) и использованы в учебном процессе.

Апробация и публикации результатов работы.

Основное содержание диссертационных исследований изложено в докладах на 6-й Всероссийской научно-технической конференции "Современное телевидение" (Москва, 1997 г.), на международной научно-технической конференции "Нейронные, реляторные и непрерывнологические сети и модели (Ульяновск, 1998) и на 10-й научно-технической конференции "Научно-технические проблемы создания и совершенствования единой автоматизированной системы связи РФ" (Санкт-Петербург, 1998). По результатам работы опубликовано 9 статей в периодической печати и получено решение о выдаче патента на способ и устройство контроля силы натяжения.

На защиту выносятся следующие положения:

1) способ контроля силы натяжения провода, обеспечивающий расширение в 10 и более раз диапазона контроля за счет формирования возбуждающих импульсов тока с линейной разверткой частоты, подаваемых на магнитоэлектрический преобразователь, и выделения резонансной частоты вынужденных колебаний провода;

2) структурная схема цифрового прибора контроля силы натяжения с автоматической компенсацией активного сопротивления провода и линеаризованной характеристикой преобразования, обеспечиваемой посредством измерения средней частоты колебаний в полосе пропускания струнного преобразователя;

3) методика повышения точности цифрового измерения резонансной частоты преобразователей силы натяжения провода, заключающаяся в дискретном изменении скорости развертки частоты возбуждающего сигнала в полосе пропускания, удвоении частоты выходных колебаний преобразователя и задержке начала цикла измерения обратно пропорционально резонансной частоте.

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ И СРЕДСТВ

НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ СИЛЫ НАТЯЖЕНИЯ

1.1 Сравнительный анализ способов и структур построения измерительных преобразователей силы натяжения

Для контроля прочностных свойств материалов и изделий используют различные механические преобразователи, разделяемые в зависимости от используемых физико-технических эффектов на упругие и частотные [1, 2]. При этом входные статические параметры — давление Р, сила механическое напряжение а и крутящий момент М — преобразуются либо в пропорциональную механическую деформацию упругого элемента (мембраны, стержня, сильфона, пружины), либо в частоту колебаний { подвижной механической системы с инерционным элементом.

Диапазон сосредоточенных сил, в измерении которых нуждаются различные отрасли современной науки и техники, чрезвычайно широк. При испытаниях машин и контроле технологических процес-

/ о

сов измеряемые усилия достигают значений ^мах = (Ю - 10 ) Н, а при научных исследованиях и в тонких технологиях необходим контроль очень малых усилий — порядка ^мш = Ю 12 Н. Таким образом, полный диапазон Вп измеряемых усилий простирается от 10"12 до 108 Н и составляет 1>п = ^мах/^мм = Ю2° [3].

Создание универсальных устройств контроля с таким диапазоном пока практически невозможно, что вызывает необходимость применения различных методов преобразования, так как лучшие из современных силоизмерительных устройств имеют рабочий диапазон порядка £>п ~ Ю4.

Для повышения чувствительности и достоверности контроля выполняют преобразование механических величин в электрические с измерением электрических параметров цифровыми способами.

Известные методы электрических измерений сосредоточенных сил разделяются на две группы: методы, основанные на измерении деформаций упругих элементов, подвергающихся воздействию сил, и методы, основанные на использовании преобразователей, естественной входной величиной которых является сила. Согласно схеме измерений первым методом, показанной на рисунке 1.1, на точность прибора оказывает влияние предварительное преобразование измеряемой величины (Т7 или М) в относительную деформацию А1/1 или механическое напряжение а упругого элемента. Преобразователями механических величин в электрические в этом случае служат тензо-резисторы (проволочные, полупроводниковые и др.), или используется свойство механических резонаторов изменять собственную частоту в зависимости от напряжения в контролируемом материале [3].

Рисунок 1.1- Структурная схема статического преобразователя

При реализации контроля вторым методом используют преобразователи перемещения (индуктивные, емкостные, фотоэлектрические и т.д.), причем для уменьшения погрешности нелинейности, увеличения точности преобразователя перемещения и упрощения измерительной цепи ограничивают абсолютное значение деформации Д£ в относительно узком диапазоне, составляющем 0,1-1 мм. Схема измерений, соответствующая второму методу, показана на рисунке 1.2.

Шит

Рисунок 1.2 — Структурная схема преобразователя с измерение