автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Синтез функций преобразования измерительных приборов для контроля давления по заданному пределу приведенной погрешности

На правах рукописи

Данилов Николай Анатольевич

003053Т28

Синтез функций преобразования измерительных приборов для контроля давления по заданному пределу приведенной погрешности.

Специальность 05.11.13 «Приборы и методы контроля природной среды веществ, материалов и изделий»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2007 г.

003053728

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» (ГУАП)

Научный руководитель - калдидат технических наук, старший научный сотрудник Килимник Вячеслав Александрович

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Катков Модест Сергеевич

- кандидат технических наук, доцент Белов Александр Викторович

Ведущая организация - Федеральное государственное унитарное предприятие «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева».

Защита состоится

"22" Т^^' 2007 г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д212.233.01 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский университет аэрокосмического приборостроения» по адресу 190000, Санкт-Петербург, ул. Б.Морская, 67, ГУАП.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУАП.

Автореферат разослал " " 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Д.К. Шелест.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Методы разработки прецизионных приборов контроля и измерения давления с допускаемой приведенной погрешностью менее ±0.1% являются предметом пристального изучения производителей контрольно-измерительных приборов. Спрос на подобные приборы растет с каждым годом в связи с развитием промышленного производства и расширением сферы услуг в нашей стране. В полной мере это относится к исследовательской и практической деятельности, основанной на использовании приборов измерения давления для учета газообразных и жидких энергоносителей, измерения глубины погружения технических и биологических объектов, проведения водолазных работ, контроля расхода газовоздушных смесей при работе аппаратов искусственной вентиляции легких и т.п.. Диапазон измеряемых давлений составляет от единиц кПа до десятков МПа.

С развитием полупроводниковой электроники в области промышленного производства приборов измерения значительную часть занимают тензоре-зистивные диффузионные первичные измерительные преобразователи (ПИП) давления. Это обусловлено развитой технологией производства чувствительных элементов (ЧЭ) ПИП - кремниевых кристаллов с внедренными в них (методами ионной имплантации) кремниевыми тензорезисторами, соединенными в мостовую схему тончайшими алюминиевыми проводниками. Такие ПИП (кремний на кремнии) способны удовлетворительно преобразовывать измеряемый параметр в температурном диапазоне от -60°С до +125°С, характеризуются высокой чувствительностью, имеют малый гистерезис, доступны широкому кругу потребителей в связи с относительно низкой стоимостью. Но в процессе промышленного производства статические характеристики, определяющие нелинейность по давлению и температурный дрейф, каждого ПИП становятся уникальными.

Существующие методы разработки контрольно-измерительных приборов давления (КИПД) базируются на трех принципах обработки измерительного сигнала ПИП давления: аналоговая обработка, цифровая обработка и смешанная аналого-цифровая обработка. Работы Мирского Г.Я.(1984), Гутни-кова В.С.(1990), Харта Х.(1999), Классена К.Б.(2002), Дж. Фрайдеиа (2005), показывают, что в настоящий момент в данной области науки и техники преобладают алгоритмы смешанной (аналоговая - первичная, цифровая - вторичная) обработки измерительного сигнала ПИП давления.

С развитием серийного производства средств обработки измерительной информации (микропроцессоров), позволивших отечественным исследователям предложить схемотехнические решения и алгоритмические методы обработки данных для линеаризации функции преобразования (ФП) измерительного прибора (ГОСТ 8.009-84, п.2.1.1, 2003), проблема была частично решена (С.Ю. Иванов, В.К. Суходолец, С.П. Качалов, Т.Е. Карталова, 1990). Однако, отсутствие элементов преобразования аналогового сигнала в цифровой с высокой степенью верности, неопределенная методика синтеза ФП прибора, неопределенная методика получения градуировочной характеристики

прибора, не позволили наладить выпуск КИПД с приведенной погрешностью не более ±0.1 % в условиях серийного производства.

Таким образом, решение проблемы синтеза функций преобразования КИПД с заданной приведенной погрешностью измерения является актуальной задачей по повышению качества КИПД в условиях серийного промышленного производства.

Цель диссертационной работы: обеспечение заданной приведенной погрешности контрольно-измерительных приборов давления на основе тензо-резистивных диффузионных ПИП с различными параметрами нелинейности и температурной чувствительности, в условиях серийного производства.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие основные задачи :

провести анализ существующего алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных и неинформативных измерительных сигналов в КИПД;

разработать математическую модель тензорезистивного диффузионного ПИП давления;

разработать методику синтеза систематизированного набора функций преобразования для каждого КИПД по его уникальной градуировочной характеристике;

разработать методику определения наименее сложной функции преобразования для каждого КИПД;

разработать промежуточный ИП, позволяющий обрабатывать измерительный сигнал ПИП по наименее сложной функции преобразования для обеспечения заданной приведенной погрешности измерения;

разработать алгоритмическое и программно-техническое обеспечение получения градуировочных характеристик партии КИПД в условиях серийного производства.

Методы исследования. Теоретические методы решения поставленных задач основаны на применении методик системотехники (А.Д.Холл, 1975), теории точности (В.Я. Розенберг, 1975), теории измерений (Я. Пиотровский, 1989) и регрессионного анализа (H.H. Калиткин, 1978), (Н.С. Бахвалов и др. 1987). Экспериментальные методы исследования заключались в разработке рабочих макетов приборов, с проведением испытаний на точность и надежность в рабочем диапазоне температур и давлений при наличии внешних воздействующих факторов: статического давления, атмосферного давления, тепловых ударов.

В качестве платформы для построения программного обеспечения (ПО) системы групповой градуировки контрольно-измерительных приборов давления использовалась коммерческая версия ОС Windows2000 Professional (Win2k) версии 501 сборка 2195 корпорации Microsoft.

Интерфейс пользователя и способы обмена данными ПО разработаны в средах Visual Studio 6.0 и Visual Studio 2005 с применением библиотеки MFC (Microsoft Foundamentation Classes).

Алгоритмы, реализующие процедуры вычисления параметров функции преобразования контрольно-измерительных приборов давления, выполнены в среде MATLAB и,используются в ПО системы градуировки посредством технологии COM (Component Object Model - модель многокомпонентных объектов).

Научная новизна

1. Разработана методика одновременного определения градуировочных характеристик партии измерительных приборов давления, с применением разработанного алгоритмического и программно-технического обеспечения.

2. Разработан метод синтеза регрессионных ФП для каждого прибора на основании его градуировочной характеристики, определенной при воздействии на прибор образцовых значений давления и заданных значений температуры.

3. Определен показатель сложности ФП, на основе весовой конкатенации степеней регрессионных полиномов ФП. С учетом показателя сложности производится систематизация функций преобразования измерительного прибора, с целью обеспечения направленного поиска наименее сложной ФП.

4. Сформулирована задача поиска наименее сложной регрессионной ФП из систематизированного набора ФП по заданному пределу приведенной погрешности.

5. Решена задача направленного поиска наименее сложной регрессионной ФП по заданному пределу приведенной погрешности при соблюдении условия минимизации среднеквадратической ошибки отклонения найденной ФП от линейной ФП.

Практическая значимость работы

1. Разработанное алгоритмическое и программно-техническое обеспечение позволяет повысить качество измерительных приборов для контроля давления при серийном промышленном производстве.

2. Проведены экспериментальные исследования статических характеристик тензорезистивных диффузионных ПИП давления после операций сборки с использованием разработанных технических средств. :

3. Разработанные технические средства могут применяться совместно с ПИП давления других конструкций для построения измерительных приборов.

4. Разработанное программное обеспечение позволяет уменьшить время определения градуировочных характеристик измерительных приборов.

5. Разработанный промежуточный измерительный преобразователь позволяет осуществлять сбор данных на операции определения градуировочной характеристики прибора, а также выполняет обработку измерительных сигналов ПИП по заданной ФП при измерении давления.

Апробация работы и реализация результатов

Основные научные и практические результаты работы докладывались и обсуждались на Седьмой, Восьмой, Девятой научных сессиях аспирантов ГУАП (Санкт-Петербург 2004-2006 гг.). Исследования были поддержаны грантом: грант правительства Санкт-Петербурга для студентов и аспирантов вузов и академических институтов 2004 г. «Проблема цифровой коррекции погрешностей некомпенсированных тензопреобразователей». Результаты диссертационной работы использованы при выполнении следующих НИР: НИР-187 «Контроллер интеллектуального преобразователя давления», НИР-217 «Разработка методики и аппаратно-программных средств для автоматизированного рабочего места калибровки преобразователя дифференциального давления», НИР-887-2 «Разработка технических средств рабочего места функционального контроля микропроцессорных преобразователей абсолютного и избыточного давлений». Результаты работы по НИРам 187, 217, 887-2 внедрены в ЗАО «Тимос» в области производства интеллектуальных датчиков давления с заданным пределом приведенной погрешности не более ±0.1%.

Внедрение результатов диссертации подтверждено соответствующими актами, копии которых даны в приложениях к диссертации.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, зарегистрировано программное обеспечение рабочего места градуировки и настройки КИПД в отраслевом фонде алгоритмов и программ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 97 наименований, приложений. Диссертация изложена на 121 странице, содержит 52 рисунка и 1 таблицу.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Определение показателя сложности регрессионной функции преобразования измерительного прибора, основанного на конкатенации степеней аппроксимирующих полиномов.

2. Систематизация регрессионных функций преобразования прибора по показателю сложности. ! i

3. Постановка и решение задачи определения регрессионной функции преобразования с наименьшей сложностью (из систематизированного набора) по заданному пределу приведенной погрешности.

4. Алгоритмическое и программно-техническое обеспечение процесса обработки измерительных сигналов ПИП информативных и неинформативных внешних воздействующих факторов в процессе определения градуировочных характеристик партии измерительных приборов, с целью синтеза индивидуальной наименее сложной регрессионной функций преобразования каждого прибора.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулированы цель и задачи исследования, изложено краткое содержание основных разделов работы.

В первой главе дается анализ современного состояния проблемы, рассматривается конструкция и технология сборки первичного измерительного преобразователя давления. Показано, что уникальность статических характеристик (имеющих сильную температурную зависимость) каждого ПИП давления, является следствием не только процесса производства тензорезистивных диффузионных чувствительных элементов, но и последующих операций сборки ПИП.

На некоторых отечественных предприятиях, разрабатывавших и выпускавших КИПД, велись работы по синтезу ФП для КИПД. Синтез ФП производился с использованием методов регрессионного анализа и полиномиальной аппроксимации, но аппроксимирующие полиномы имеют разное количество членов и отличаются степенями аппроксимации. КИПД с регрессионными ФП обеспечивали измерение давления с приведенной погрешность на уровне ±0.1%. Например, сотрудники Ленинградского НПО «Электронмаш» в 1990 г. предложили использовать ФП для КИПД с ПИП давления на основе ЧЭ «кремний на сапфире» в температурном диапазоне от -50°С до +80"С и номинальными значениями давлений от единиц кПа до десятков МПа (ГОСТ22520-85), которая формально выражает измеренное значение давления следующим образом:

Р = /Ц + А, • (7, + А2 ■ и? + А, • и?;

А = °01 + ' и2 + ац ■ + ' VI, где Р- измеряемое давление, £/,-напряжение измерительного сигнала ПИП давления, и,- напряжение измерительного сигнала ПИП температуры, л-,,-коэффициенты ФП; сотрудники Московского ТЦ «МИЭТ» в 2001 году предложили использовать ФП, для КИПД с ПИП давления на основе ЧЭ «кремний на кремнии» в температурном диапазоне от -10°С до +70°С и номинальными значениями давлений от единиц кПа до десятков МПа, которая формально выражает измеренное значение давления таким образом:

Р = А9 + А1-и1 + А2-и,2;

и, наконец, сотрудники Ульяновского ЗАО «Мидаус» совместно с сотрудниками Московского энергетического института в 2005 г. определили ФП, для КИПД с ПИП давления на основе ЧЭ «кремний на сапфире», в температурном диапазоне от -40°С до +80°С и номинальными значениями давлений от единиц кПа до десятков МПа, которая формально выражает измеренное значение давления так:

■р = Ко + а!0 ■ + а,0 • и\) + (ат +ап-и2 + а2Г [/;) • С/, + а02 • С/,2.

Вид ФП определяют посредством проведения экспериментов по регистрации статических характеристик ПИП давления. Считается, что технологический разброс при производстве ПИП давления полностью описывается ко-

эффициентами ФП. Однако, как показали исследования, проведенные автором в результате выполнения работы, установлено, что ПИП давления имеют индивидуальные математические модели. Следовательно, и функции преобразования контрольно-измерительных приборов будут иметь различный вид. Например, для некоторых ПИП давлений 10 кПа и 16 кПа было установлено, что функция температуры Д, удовлетворительно описывается полиномом четвертого порядка, Л, - полиномом первого порядка, в то время как старшая степень при иР имеет значение равное единице для заданного предела приведенной погрешности измерений ±0.1%, рассчитанной в точках градуировки. Следуя формальному описанию, такую ФП можно представить как: Р = (а00 + а10 • иг + а.20 • £/| + а,0 • + а4 0 ■ £/|)+(во, + а,, ■ иг) ■ .

Между тем, с появлением новой элементной базы, включающей в себя высоколинейные и многоразрядные АЦП, предварительные усилители аналоговых сигналов высокой верности, быстродействующие микроконтроллеры (МК), гальванически развязанные источники питания, появилась возможность разработать измерительный преобразователь (ИП) выходного сигнала ПИП давления, ПИП температуры, ПИП крена и др. Поскольку функцию преобразования измерительного прибора определяют параметры ПИП давления, которые могут отличаться в силу технологического разброса при производстве, то новый подход к определению наименее сложной индивидуальной функции преобразования, при работе с конкретным ПИП, позволяет минимизировать приведенную погрешность измерения давления на уровне не более ±0.1%, даже при высокой нелинейности по измеряемому параметру, а также вследствие воздействия внешних воздействующих факторов (крен, атмосферное давление, статическое давление).

Приводится анализ элементов структуры существующих измерительных приборов давления, а также анализ методов обработки измерительных сигналов различных ПИП. Показано, что предпочтительным методом обработки является смешанная (аналого-цифровая) обработка измерительных сигналов ПИП. В таком виде обработки существует определенная последовательность применения аналоговой и цифровой обработки информации: первичная обработка, как правило, является аналоговой, вторичная обработка, почти всегда, цифровая. Дается обзор: методов возбуждения ПИП, методов съема измерительного сигнала, основных видов аналого-цифровых преобразователей и интерфейсов приборов измерения и контроля давления.

Во второй главе по результатам анализа методологии обработки информации статических характеристик ПИП, а также на основе полученных экспериментально статических характеристик ПИП давления определяется математическая модель ПИП с наиболее значимыми факторами:

и р = Г(Р,Т) + к + г, (1)

где иР - напряжение на выходе ПИП, Р- преобразуемое давление, т-температура, к -факторы, зависящие от конструкции ПИП, г - неучтенные факторы.

Рис.1. Нелинейность по давлению и температурный дрейф выходного измерительного сигнала ПИП давления

Характер зависимости выходного напряжения от задаваемого давления, а также анализ конечных разностей до 4 порядка включительно позволяет сделать вывод о том, что кривая давления может быть аппроксимирована полиномом от первого до третьего порядка. Зависимость от температуры выражается в смещении кривых давления, изменении крутизны этих кривых (причем неравномерно), и нелинейности (у некоторых экземпляров ПИП давления). Таким образом, смещение кривых, изменение их крутизны, а также коэффициенты при степенях выше первой можно аналогичным образом описать полиномами различного порядка, которые будут являться функциями температуры. В аналитическом виде математическую модель регрессии (ММР) ПИП давления можно записать следующим образом:

+к + 1, (2)

: Л'-О ;

где иР- аппроксимированное значение напряжения на выходе ПИП, Л, ...Лл.('/')-коэффициента! математической модели регрессии как функции температуры при разных степенях давления, Р - преобразуемое значение давления, Г),, - максимальная степень аппроксимации по аргументу функции полинома - давлению.

Целесообразность аппроксимации каждого коэффициента ММР (2) можно обосновать, анализируя наборы коэффициентов ММР для зависимостей выходного напряжения от задаваемого давления при разных температурах.

■40

i тур» Г, Цельсия

Рис. 2. Коэффициенты Л13(Т)...Л2(Т) в зависимости температуры

Зависимости представленные на рис.1 и рис.2 имеют производные на всей конечной области определения, и, следовательно, в силу первой теоремы Вейерштрасса существует такой полином Р(х), для которого выполняется равенство:

| P(x)-f(x)\<s, (3)

где f(x) - приближаемая функция, е - сколь угодно малое положительное число.

Коэффициенты J„(T)...AN(T)выражения (4) также могут быть представлены полиномами различных степеней. Аналитическое выражение для набора функций А„(Т)...АК(Т) можно описать так:

1ЦЛГ)

Л(Г)= (4)

к=о

где DT{N)- значение степени аппроксимации, как функция порядкового номера коэффициента ММР (2) по аргументу функции - температуре, Т- значение температуры, адr,o.aJv,i>-.<I,vA<f)" коэффициенты аппроксимации функций ЛЯ(Т).

В итоге выражения (2) и (4) являются синтезированной математической регрессионной моделью второго рода тензорезистивного диффузионного ПИП давления. Для построения такой модели необходимо организовать табличное представление функции (2). В процессе градуировки это табличное представление заполняется значениями напряжений ПИП давления и ПИП температуры. Табличное представление также является регрессионной матрицей для ММР функции (2) и градуировочной характеристикой КИПД.

Если математическая модель ПИП давления определяется выражением (1), то функция преобразования есть обратная функция математической модели. Для КИПД давления ФП определяется выражением:

Р = Р'\ир{Т) + к) + г, (5)

где Р - значение измеряемого давления, иР - напряжение на выходе ПИП,г - температура, - функция преобразования. ФП прибора определяется ПИП давления и существенно зависит от температуры. Температура влияет на выходной сигнал ПИП как мультипликативная и аддитивная помехи. Кроме температуры на выходной сигнал влияют факторы к, определяемые конструкцией ПИП: крен, атмосферное давление и статическое давление. Их влияние можно интерпретировать как аддитивную помеху, действующую на величину II,,.

Линейность ФП зависит от вида функции . Если ФП есть обратная функция ММ датчика преобразователя (1), то ММР (2) можно преобразовать так чтобы она описывала функцию . Для этого область определения и область значений функции (4) следует поменять местами:

Р = ^А'я(Т)-{ир+к)К +2, (6)

л'-о

где Р- аппроксимированное значение давления, л0 (Т),...,АЯ (Т)- коэффициенты (функции температуры) ФП при и,,, и Р- напряжение на выходе ПИП давления. Следует заметить, что абсолютное значение температуры при градуировке не важно. Важным является отсутствие тренда температуры при установке образцовых значений давления и регистрации выходного напряжения ПИП давления. Кроме этого, в выражение (5) можно подставить измерительный сип [ал ПИП температуры - напряжение, пропорциональное окружающей температуре. Поэтому функции 4:(Т)...Л'У(Т) можно представить следующим образом:

4(Г)= (7)

./-О

где ДГ(ЛГ)- значение степени аппроксимации, как функция порядкового номера коэффициента ММР (2), ит- напряжение первичного преобразователя температуры, 0,а'я11,...,а'ялт - коэффициенты аппроксимации функций А'К(Т). Перед проведением регрессии (5) из отображаемой величины ир необходимо исключить внешние воздействующие факторы к. Методы исключения могут быть разными, и в основном зависят; от конструкции первичного преобразователя. Влияние :Крсна можно исключить, используя ПИП ускорения, который чувствителен к крену в силу существования гравитационного поля Земли и ускорения свободного падения. Таким образом, получив градуировочную характеристику ПИП давления по величине крена, определяемой ПИП крена, можно исключить влияние крена на измерительный сигнал ПИП давления. Для ПИП дифференциального давления фактором к является статическое давление. Путем введения ПИП магистрального давления в прибор можно его учитывать и исключать из величины иР> наравне с исключением влияния крена. При градуировке прибора измерения и контроля абсолютного давления необходимо учитывать воздействие атмосферного давления, которое действует совместно с образцовым задаваемым давлением на ПИП абсолютного давления. Для этого величину атмо-

сферного давления следует алгебраически суммировать с величиной образцового давления и, таким образом, учитывать при определен™ градуировочной характеристики и ФП КИПД.

Влияние неучтенного фактора 2 проявляется в виде погрешности вычислений значения Р по регрессионной ФП (например, ограниченность разрядной сетки при цифровой обработке), незначительного изменения статических характеристик ПИП в следствии теплового удара и др.

Измеряемая (контролируемая) физическая величина давления Р должна быть определена с заданным пределом приведенной погрешности. Регрессионная ФП по которой вычисляется Р (6) обладает параметрами, которые позволяют с зада! гной точностью вычислять значение Р и выполнять приближение ФП к идеализированной линейной функции. Вид ФП определяется параметрами Ор и £>Г(Л'). Следовательно, инкрементируя Ог и £>, (ЛО, можно создать множество функций преобразования - тезаурус. Количество регрессионных ФП определяется максимально возможными степенями аппроксимирующих полиномов по давлению и температуре:

где NlV -количество ФП в тезаурусе, Ор -степень аппроксимирующего полинома по параметру иР, [От] - набор степеней аппроксимирующих полиномов по параметру ит. Следуя теоретическим соображениям регрессионного анализа максимальные значения степеней аппроксимации тах(Д.) и тах([£>г]) определяются количеством узловых точек градуировки по давлению ЫР и по температуре Л'г:

Но на практике, в силу физических свойств ПИП давления, максимальные значения степеней аппроксимации имеют значения: тах(£>,,) = 3,тах([Ог]) = 4. Учитывая это обстоятельство, количество регрессиошшх ФП составит 775. Каждая их них будет приближена к линейной функции с определенной погрешностью. При таком количестве функций преобразования возникает вопрос о способе их систематизации и выборе наилучшей функции.

Методика систематизации ФП основана на сопоставлении каждой ФП с числом, возрастающим с увеличением степеней аппроксимации величин ир и ит. С увеличением степеней увеличивается количество операций умножения и сложения, выполняемых ИП' при вычислении значения измеряемого параметра по ФП, а также объем памяти требуемый для хранения коэффициентов в устройстве вычисления. Так количество операций умножения можно рассчитать, используя выражение:

Объем памяти в байтах, занимаемый коэффициентами функции преобразования также определяется степенями аппроксимирующих полиномов:

Им= £(тах([£>г]) + 1уи,

(8)

шах(£)р) = Л'р -1, тах([Д.]) = ЛГг-1.

(9)

(10)

(П)

Учитывая значение степеней аппроксимации на параметры работы прибора, целесообразно ввести показатель сложности функции преобразования КИПД.

Показатель сложности формируется с учетом степеней аппроксимирующих полиномов. Показатели степеней аппроксимирующих полиномов суммируются с определенными весами. Минимальный вес у полинома Л„(Т) составляет величину равную единице. Максимальный вес имеет порядок аппроксимирующего полинома по величине Up, величина веса определяется числом 10"U,J7V"'. Формальное представление показателя сложности определяется следующим выражешгем:

таjiDp)

C = Dp-\fTM-D'^ ± £ DTj-W . (12)

В итоге показатель сложности ФП будет представлен числом, разряды которого будут соответствовать степеням полиномов аппроксимации: С = D,,DnDTiDTD.^. Систематизация ФП выполняется по возрастанию показателя сложности. Наиболее простой (с наименьшим показателем сложности равным 10000) является ФП вида: а'а + а!0 -UP, наиболее сложной (с показателем сложности равным 34444) является ФП вида: aw+am-L\ + ---+a'K-UT + iav+al\-UT+ ■Ur)-Ut,+... + (aa + a'n-Ur + ...+ aAyU,T')-Ul.

Наилучшая функция преобразования - это такая функция, которая при заданной приведенной погрешности определения давления в узлах градуировки обладает наименьшим показателем сложности. Постановку задачи определения наилучшей ФП КИПД можно описать следующим образом: заданы идеализированная ФП /•",,"' и тезаурус (систематизированный набор) функций преобразований М. Необходимо, сравнивая Г0Ч с F"1 е М , выбрать из множества (тезауруса) М функцию преобразования наиболее близкую к Fc' в смысле заданного критерия сравнения ут, так чтобы F~l обладала бы наименьшим показателем сложности:

V=mm С (Fq\F~1) (13)

Г"'бА/ у<Гт

В качестве заданного критерия сравнения используется линейность ФП в рабочем диапазоне температур и давлений. Количественно линейность выражается отклонением /" ' от /■:; ', следовательно, в качестве количественного критерия сравнения (меры линейности) возможно использовать предел приведенной погрешности измерения давления, рассчитанного по F'}, в рабочем диапазоне температур и давлений. Такой вид погрешности позволяет сравнивать между собой однотипные средства измерения независимо от их шкал. Приведенная погрешность измерения выражается в процентах и определяется следующим образом:

у = 100, (14)

где UR - действительное значение измеряемого параметра, и и - значение измеряемого параметра на выходе средства измерения, D - диапазон измерений, т.е. область значений величины, в пределах которых гарантированы допускаемые погрешности. Средства измерений, к которым можно отнести и рассматриваемый в данной работе прибор, обычно характеризуются приведенной погрешностью измерения.

Для определения наилучшей ФП необходимо задаться пределом приведенной погрешности ут для данного диапазона температур и давлений. Путем направленного перебора ФП, из предварительно систематизированного набора, по каждой из них вычисляется приведенная погрешность которая сравнивается с заданным пре-

делом. Условиями прекращения поиска служит выполнение условия \ушх\<у,. Существует еще один фактор остановки поиска наилучшей ФП. Он касается выполнения условий среднеквадратической аппроксимации ФП. Погрешность работы регрессионной ФП в точках градуировки уменьшается с увеличением показателя сложности ФП. Это связано с переходом от среднеквадратичной аппроксимации к лангран-жевой. Допускать такой переход нежелательно т.к. хорошее сглаживание данных градуировки будет обеспечено, если порядок аппроксимации значительно меньше количества узлов, т.е. при среднеквадратической аппроксимации.

Для выполнения условия среднеквадратической аппроксимации должно выполнятся неравенство:

•В? <ЛГр-2,

(15)

где МР- количество узловых точек давления, Иг - количество узловых точек температуры.

начало

I

хС 1=1

1>~

р, = ^У

II Р-'Р0 О •100

1

/Г =пих(Я,)

] ■ наилучшая ФП

т

конец

Рис.3. Алгоритм решения задачи направленного поиска наилучшей функции преобразования

Решение задачи поиска наилучшей ФП иллюстрируется алгоритмом на рис.3. Здесь {)- значения давления, вычисленные по функции преобразования Т7/1, Ра- образцовые значения давления, -приведенные погрешности, /Г* -предел приведенной погрешности, ут -заданный предел приведенной погрешности.

Количественно определение функции преобразования давления выражается коэффициентами ака,а'Я1,...,ахлт, которые вычисляются методом наименьших квадратов (МНК).

ГЩА-0,25-85-04-01-960

■ Рис.4. Предел приведенной погрешности от сложности функции преобразования

в диапазоне 0-250 кПа

На рис.4 приведена часть кривой, которая описывает зависимость приведенной погрешности в точках градуировки от сложности регрессионной ФП измерительного прибора давления с диапазоном измерения от 0 до 250 кПа. Из графика (рис.4) видно, что размаху приведенной погрешности менее 0.1% соответствует множество ФП. Но наилучшей будет ФП, которая определяется показателем сложности равным 20021. Следуя формальному

описанию такую функцию преобразования можно представить следующим образом:

Р = + а'10-иг) + (0^ + а^ ■ и2 + (¡;2-и, + 0^2 ■ £/!2, где />- измеряемое давление, С/,-выходное напряжение ПИП давления, и2-выходное напряжение ПИП температуры, а^—а,,-коэффициенты ФП На рис.5 приведена часть кривой, которая описывает зависимость приведенной погрешности в точках градуировки от сложности регрессионной ФП измерительного прибора давления с диапазоном измерения от 0 до 400 кПа. Из рис.5 видно, что размаху приведенной погрешности менее 0.1% соответствует множество ФП. Но наилучшей будет ФП, которая определяется показателем сложности равным 20022.

ГЩМ,4-85-05-01-962

Сложность функции преобразования

Рис.5. Предел приведенной погрешности от сложности функции1 преобразования в диапазоне 0-400 кПа

ПДН-0.0164540-00-957

Рис.6. Предел приведенной погрешности от сложности функции преобразования в диапазоне 0-16 кПа Следуя формальному описанию такую функцию преобразования можно представить следующим образом:

р=(<%)+"¡о • и2+4о ■ иЬ+(°01+ «11 +%2 ■ иЬ Щ + • и?. где Р- измеряемое давление, Ь\-выходное напряжение ПИП давления, и2-выходное напряжение ПИП температуры, «¡„.-аз,-коэффициенты ФП.

На рис.6 приведена часть кривой, которая описывает зависимость приведенной погрешности в точках градуировки от сложности регрессионной ФП измерительного прибора давления с диапазоном измерения от 0 до 16 кПа.

Из рис.6 видно, что размаху приведенной погрешности менее 0.1% соответствует множество ФП. Но наилучшей будет ФП, которая определяется показателем сложности равным 10013. Следуя формальному описанию такую функцию преобразования можно представить следующим образом:

■ Р = (»№ + ®10 •:и1 + <4> • и2 + °зо' и!) + + а'п ■ и2) • и1,

где Р- измеряемое давление, С/,-выходное напряжение ПИП давления, и2-выходное напряжение ПИП температуры, а'ш...а1 -коэффициенты ФП. Таким образом, для разных диапазонов давлений ФП имеют разный характер и разную сложность.

В результате проведения экспериментальных работ по определению временной стабильности показаний измерительных приборов давления было обнаружено, что статические характеристики ПИП давления могут изменяться. Изменение таких параметров как смещение нуля и крутизна происходят в результате воздействия тепловых ударов при градуировке и калибровке приборов. В

связи с этим была проведена проверка устойчивости ФП прибора при изменении параметров ПИП давления и ПИП температуры. Устойчивость ФП иллюстрирует рис.7.

Рис.7. Устойчивость ФП к изменению параметров статических характеристик ПИП давления и ПИП температуры Анализ графических зависимостей на рис.7 приводит к выводу: зависимость предела приведенной погрешности прибора от дрейфа смещения и дрейфа крутизны ПИП давления прямо-пропорциональная и линейная. Если измерительный сигнал ПИП давления меняется на 10%, то и выходной сигнал измерительного прибора меняется на 10%, при неизменном измерительном сигнале ПИП температуры. В наихудшем случае (при изменении крутизны ПИП давления на 10% и при изменении крутизны ПИП температуры на 10%) предел приведенной погрешности находится на уровне 17%. Таким образом, наилучшая ФП устойчива к изменению параметров ПИП давления и ПИП температуры.

Промежуточный измерительный преобразователь (ИП) прибора (РМГ29-99, 2002) строится с использованием современной элементной базы и включает: модуль первичной аналоговой обработки и оцифровки измерительных сигналов, модуль вторичной цифровой обработки и управления, блок гальванической развязки, модуль интерфейсов (цифрового и аналогового), модуль стабилизации напряжения питания.

Промежуточный ИП обеспечивает информацией систему градуировки о поведении ПИП давления, ПИП температуры, ПИП крена и др. при действии измеряемого параметра, температуры и других ВВФ. С помощью промежуточного ИП происходит сбор данных измеренных по внутренним шкалам напряжений. Промежуточный ИП имеет несколько шкал измерения напряжений: шкала для измерения напряжения на выходе ПИП давления, шкала для измерения напряжения на выходе ПИП температуры и др. Съем сигналов ПИП давления и ПИП температуры выполняется по схеме измерения соотношений с применени-

ем сигма-дельта АЦП. Функционирование промежуточного ИП обеспечивает алгоритм микропрограммы, содержащейся в энергонезависимой памяти микроконтроллера. ИП работает в двух режимах: режиме отладки для сбора данных при определении градулровочной характеристики прибора, и в рабочем режиме для выполнения функции измерения для контроля давления. Выходной сигнал промежуточного ИП в режиме отладки представлен в виде двоичного кода со значением напряжений измерительных сигналов. Выходной сигнал ИП в рабочем режиме представляет собой значение тока, который меняется линейно в зависимости от вычисленного значения давления. Также данные о давлении доступны через цифровой интерфейс по специальному запросу. Эти данные представлены в виде кода, величина которого линейно зависит от вычисленного значения давления.

Регистрация данных для анализа и построения регрессионной функции преобразования в режиме отладки, а также последующая обработка измерительных сигналов ПИП в рабочем режиме, происходит с использованием одной и той же схемы измерения и обработки -промежуточного ИП. Такой способ построения измерительного прибора методом объединения систем предварительного сбора данных и последующей обработки выходных сигналов ПИП позволяет значительно уменьшить вероятность появления субъективной ошибки измерения на этапе определения градуировочной характеристики. Разные схемы измерения на этапах градуировки и обработки измерительных сигналов по ФП приводят к появлению в измеренном результате на выходе прибора погрешности измерения, которая может быть систематической только в лучшем случае

В третьей главе рассматриваются вопросы практической реализации теоретических методов, разработанных во второй главе. Обосновывается выбор операционной системы и ЭВМ, для которой разработано программное обеспечение (ПО) градуировки множества приборов. Приводятся блок-схемы алгоритмов, разработанные для микроконтроллера - устройства вычисления и управления ИП. На рис.8 изображен снимок монитора ЭВМ при градуировке прибора избыточного давления номиналом 16 кПа. Графическое представление выходных параметров первичных преобразователей давления и температуры позволяет существенно повысить качество градуировки. Графические представления позволяют судить оператору градуировки о величине тренда выходных сигналов различных ПИП. Запись значений в регрессионные матрицы производится при условии отсутствия трендов и всплесков по каналам давления и температуры.

Регрессионная матрица (градуировочная таблица) отображается в представлении «Матрица градуировки» и при градуировке одного прибора выглядит, как показано на рис.9. Матрица страницы Ргшиге_МХ состоит из элементов ввода/редактирования значений задаваемого давления (Р1-Р6), значений задаваемой температуры (Т1-Т5), значений напряжения ПИП температуры (Метр), значений текущего атмосферного давления (РАш) и значений выходного напряжения ПИП давления.

^Программа »й&ачего 1«сы rptAyv^om

— * fr' . in "..'., ' V

Ея пди-а,016-к*2даа>г о.012545 d.OOSGSS raVfmi : т>■ - v -■ ГЪооАР rttXXr- ................

0ЫВ1S/ D.18E56i rnV/min

0.1S53t3 mVfmrn

X iilt/'J1.. V_Tllt=60.BI

Рис.8. Представления с отображаемыми параметрами используемые при градуировке

Ш

BSC,

trfi Wntt£ - "t:

щ ым

Ш Mwgjpitepj^A:

ltj Длеле»«

% пди-0,01б-а5+г-п0-007

Проснотр^кдапэма^атч

* ■

шш

Т]ТЕИ!' USrme Рада Кчй®

1. ООО Ml} 101.3J Э 01 ]-1.0000 П 1.0 О OODoSfTooo nOOiF'Ort'rd

} ' 00-,!i5. i щ.з^зпе .00 воoii'j; i ir.ciii'iu:jj:io:: e^cWh'.i '01.3?.1D1 j-].[inB001)tfJ.nOCODDljlrilll!LlJllLlfII,w!1rt !

^ 1 .QOOQOtiiOl .3J3011-1 0000iiij-l.DOаООООрЖшШ! BscJmsrd

1 .OCOOiiOoj-l.OOniMOS fe™№t i

■5JI0

P'" ■ 1 да-га

щ.згзо!

г l-i.((ionпфоизгзЁп|-1. uoooсГп^сЦ-i.uuouaoc^-i.оогзггаоа ondn»«td

'mj. - i - м

_:■ ¡Г of!-.r< ¡й'»

Рис.9. Представление регрессионной матрицы градуировки

В силу существования эффекта гистерезиса ПИП давления применяется определенная методика регистрации данных. Съем данных начинают при нулевом давлении, и, постепенно увеличивая давление, от точки к точке, снимают данные о величине выходного напряжения в элементы ввода/редактирования, расположенных в строке, обозначенной Forward. Затем происходит постепенное уменьшение давление от точки к точке, а данные снимают в элементы ввода/редактирования, расположенных в строке обозначенной Backward .Таким образом, осуществляется прямой и обратный ход по давлению, позволяющие уменьшить явление гистерезиса ПИП давления при градуировке.

В четвертой главе приведены методы функционального контроля ИП контрольно-измерительных приборов давления и обосновывается проведение

функционального контроля каждого ИП. Рассматриваются результаты стендовых испытаний.

Стендовые испытания проводились на современном оборудовании, тип и характеристики которых приведены в диссертации. Методика проведения испытаний включает в себя съем показаний давления при трех заданных точках температуры. Величина образцового давления устанавливается с помощью прецизионных задатчиков давления (класс точности 0.02). Количество и величины устанавливаемых давлений соответствует количеству и величинам образцовых давлений, задаваемых при градуировке. Ряд температурных точек содержит следующие значения: -2°С, 20°С, 55°С.

На рис.10, приведены данные о приведенной погрешности во всем диапазоне температур и давления, полученные расчетным путем. Размах величины приведенной погрешности равен 0.06%. На рис.11, показаны данные приведенной погрешности, полученные в результате стендовых испытаний прибора. Анализ данных стендовых испытаний позволяет сделать вывод о том, что величина размаха приведенной погрешности не изменилась и осталась на уровне 0.06%, но характер распределения погрешности в области высоких температур несколько изменился. Причины изменения распределения погрешностей предстоит исследовать в дальнейшей работе.

ИДА-0.2 5-85-04-01-960 Ор -2 Оп=2 Ог,=2 Огг=2

10 20 30

Задаваемая температура Т, град. Цельсия

Рис.10.Теоретические данные о приведенной погрешности

Рис.11. Данные о приведенной погрешности по результатам стендовых испытаний

Представлены направления дальнейших исследований, к которым в первую очередь следует отнести решение задачи по удержанию значения приведенной погрешности в рамках заданной при тепловом ударе, а также увеличение межповерочного интервала для прецизионных измерительных приборов давления.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы по работе:

1. Разработан и обоснован показатель сложности регрессионных ФП измерительного прибора, основанный на весовой конкатенации степеней аппроксимирующих полиномов.

2. Разработан метод систематизации ФП измерительного прибора по показателю сложности.

3. Выполнена постановка и решена задача определения наилучшей ФП, обладающей наименьшей сложностью, по заданному пределу приведенной погреш-! ности.

4. Разработан промежуточный измерительный преобразователь, работающий в режиме сбора данных при определении градуировочной характеристики прибора, и режиме обработки измерительных сигналов ПИП при измерении давления.

5. Разработано алгоритмическое и программно-техническое обеспечение одновременного определения градуировочных характеристик партии приборов, а также синтеза индивидуальных наилучших ФП каждого измерительного прибора в партии.

6. Разработан контрольно-измерительный прибор давления (с функцией преобразования минимальной сложности), обладающий двумя выходными интерфей-

сами (цифровым и аналоговым работающими одновременно), с допускаемой приведенной погрешностью в пределах ±0.1%.

Основные публикации по теме диссертации:

1. Данилов H.A. «Система сбора данных адаптивная к параметрам исследуемого сигнала» // Седьмая научная сессия аспирантов ГУАП., СПб., апрель 2004 г.

2. Данилов H.A. «Проблема цифровой коррекции погрешностей некомпенсированных тензоггреобразователей» // Сб. трудов Девятой ассамблеи молодых ученых и специалистов, Санкт-Петербург, 2004 г.

3. Данилов H.A. «Модуль для оценки и корректировки показаний датчиков с выходным интерфейсом типа «токовая петля»»// Восьмая научная сессия аспирантов ГУАП., СПб., апрель 2005 г.

4. Данилов H.A. «Метод синтеза информационно-измерительных систем давления с использованием тензорезистивных полупроводниковых первичных преобразователей» // Девятая научная сессия аспирантов ГУАП., СПб., апрель 2006 г.

5. Данилов H.A. «Об одном способе коррекции показаний глубиномеров на основе первичных преобразователей давления» // Сб. трудов ВНПК «Морские физиологические и биотехнические системы двойного назначения», Ростов-на-Дону, 2005 г., с.31-32.

6. Сачков A.B., Килнмник В.А., Данилов H.A., Кочуров A.B. «Аппаратно-программный мультифункциональный мобильный комплекс» // Сб. трудов ВНПК «Морские физиологические и биотехнические сиегемы двойного назначения», Ростов-на-Дону, 2005 г.,с.65-67.

7. Данилов H.A. «Синтез функции преобразования измерительной системы давления с заданной точностью» // №2 «Вестник молодых ученых» серия «Технические науки»), -2004 г.

8. Данилов H.A. «Программное обеспечение рабочего места градуировки и настройки контрольно-измерительных приборов давления» / Инвентарный номер ВНТИЦ 50200602158,13 декабря 2006 г.

Формат 60x84 1\16 .Бумага офсетная. Печать офсетная. Тираж 100 экз. Заказ №30

Редакционно-издательский центр ГУАП 190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67

Список сокращений Введение

Глава 1. Анализ факторов влияющих на функцию преобразования контрольно-измерительных приборов давления.

1.1. Первичный измерительный преобразователь давления: конструкция и технология производства - факторы, влияющие на статические характеристики первичного измерительного преобразователя.

1.2. Анализ методов синтеза функций преобразования измерительных приборов давления

1.3. Анализ технического обеспечения определения градуировочных характеристик контрольно-измерительных приборов давления.

Выводы.

Глава 2. Метод синтеза регрессионных функций преобразования измерительных приборов давления с наименьшим показателем сложности.

2.1. Синтез математической модели первичного измерительного преобразователя давления на основе экспериментальных статических характеристик.

2.2. Синтез алгоритма формирования тезауруса функций преобразования измерительного прибора давления с применением методов интерполяции и регрессионного анализа

2.3. Показатель сложности функции преобразования, систематизация функций преобразования по показателю сложности

2.4. Постановка и решение задачи определения наилучшей функции преобразования измерительного прибора по заданному пределу приведенной погрешности

2.5. Синтез структурно-функциональной схемы промежуточного измерительного преобразователя прибора

2.6. Статистическая обработка данных первичного измерительного преобразователя давления и первичного измерительного преобразователя температуры при определении градуировочной характеристики и функции преобразования измерительного прибора давления

Выводы.

Глава 3. Алгоритмическое и программно-техническое обеспечение синтеза наилучших функций преобразования измерительных приборов давления по заданному пределу приведенной погрешности

3.1. Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения промежуточного измерительного преобразователя прибора

3.2. Разработка программного обеспечения системы одновременной градуировки партии измерительных приборов и определения наилучшей функции преобразования каждого прибора

Выводы

Глава 4. Обеспечение функционального контроля промежуточных измерительных преобразователей. Стендовые испытания приборов с приделом приведенной погрешности измерения 0.1%

4.1. Функциональный контроль промежуточного измерительного преобразователя прибора

4.2. Средства установки заданных параметров градуировки и проведения стендовых испытаний

4.3. Результаты стендовых испытаний приборов с наилучшей функцией преобразования

4.4. Нерешенные проблемы и дальнейшее развитие методов и идей 106 Выводы 108 Заключение 109 Список литературы 111 Приложение А 119 Приложение В 120 Приложение С

Список сокращений

КИПД - контрольно-измерительный прибор давления

ПИП - первичный измерительный преобразователь

ИП - измерительный преобразователь

ММ - математическая модель

ММР - математическая модель регрессии

МПИ - межповерочный интервал

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

ЦАП - цифро - аналоговый преобразователь

МК - микроконтроллер

ЭВМ - электронная вычислительная машина

ОС - операционная система

ВВФ - внешний влияющий фактор

ПИ - погрешность измерения

ППИ - приведенная погрешность измерения

СКО - среднеквадратичная ошибка

ТКС - температурный коэффициент сопротивления

СД - сигма дельта

ИОН - источник опорного напряжения

ИТУН - источник тока управляемый напряжением

ИТУТ - источник тока управляемый током

DFD - Data Flow Diagram (Диаграмма потоков данных)

СМГ - система множественной градуировки

ЦОС - цифровая обработка сигнала

ИМС - интегральная микросхема

НКУ - нормальные климатические условия

ФП - функция преобразования

Методы разработки прецизионных приборов контроля и измерения давления с пределом приведенной погрешности менее ±0.1% являются предметом пристального изучения производителей контрольно-измерительных приборов. Спрос на подобные приборы растет с каждым годом, в связи с развитием промышленного производства и расширением сферы услуг в нашей стране. В полной мере это относится к исследовательской и практической деятельности, основанной на использовании приборов измерения давления для учета газообразных и жидких энергоносителей, измерения глубины погружения технических и биологических объектов [87], проведения водолазных работ, контроля расхода газовоздушных смесей при работе аппаратов искусственной вентиляции легких и т.п. Диапазон измеряемых давлений составляет от единиц кПа до десятков МПа.

С развитием полупроводниковой электроники в области промышленного производства приборов измерения значительную часть занимают тензорезистивные диффузионные первичные измерительные преобразователи (ПИП) давления. Это обусловлено развитой технологией производства чувствительных элементов ПИП - кремниевых кристаллов с внедренными в них (методами ионной имплантации) кремниевыми тензорезисторами, соединенными в мостовую схему тончайшими алюминиевыми проводниками. Такие ПИП способны удовлетворительно преобразовывать измеряемый параметр в температурном диапазоне от -60°С до +125°С, характеризуются высокой чувствительностью, имеют малый гистерезис, доступны широкому кругу потребителей в связи с относительно низкой стоимостью. Но в процессе промышленного производства статические характеристики, определяющие нелинейность по давлению и температурный дрейф, каждого ПИП становятся уникальными.

Существующие методы разработки контрольно-измерительных приборов давления (КИПД) базируются на трех принципах обработки измерительного сигнала ПИП: аналоговая обработка, цифровая обработка и смешанная аналого-цифровая обработка. Работы Мирского Г.Я.(1984), Гутникова В.С.(1990), Харта Х.(1999), Классена К.Б.(2002), Дж. Фрайдена (2005), показывают, что в настоящий момент в данной области науки и техники преобладают алгоритмы смешанной (аналоговая - первичная, цифровая - вторичная) обработки выходного сигнала.

С развитием серийного производства средств обработки измерительной информации (микропроцессоров), позволившего отечественным исследователям предложить схемотехнические решения и алгоритмические методы обработки данных для линеаризации функции преобразования (ФП) измерительного прибора (С.Ю. Иванов, В.К. Суходолец, С.П. Качалов, Т.Е. Карталова, 1990), проблема была частично решена. Однако, отсутствие элементов преобразования аналогового сигнала в цифровой с высокой степенью верности, неопределенная методика определения ФП прибора, неопределенная методика получения градуировочной характеристики прибора, не позволили наладить выпуск КИПД с приведенной погрешностью не более ±0.1% в условиях промышленного производства.

Таким образом, решение проблемы синтеза функций преобразования КИПД с заданным пределом приведенной погрешности измерения является актуальной задачей по повышению качества КИПД в условиях одновременной градуировки партии КИПД.

Цель диссертационной работы: обеспечение заданной приведенной погрешности контрольно-измерительных приборов давления на основе тензорезистивных диффузионных ПИП с различными параметрами нелинейности и температурной чувствительности, в условиях промышленного производства.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: провести анализ существующего алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных и неинформативных измерительных сигналов в КИПД разработать математическую модель тензорезистивного диффузионного ПИП давления разработать методику синтеза систематизированного набора функций преобразования для каждого КИПД по его уникальной градуировочной характеристике разработать методику определения наименее сложной функции преобразования для каждого КИПД. разработать ИП позволяющий обрабатывать измерительный сигнал ПИП по наименее сложной функции преобразования для обеспечения заданной приведенной погрешности измерения разработать алгоритмическое и программно-техническое обеспечение получения градуировочных характеристик партии КИПД.

Теоретические методы решения поставленных задач основаны на применении методик системотехники (А.Д.Холл, 1975), теории точности (В.Я. Розенберг, 1975), теории измерений (Я. Пиотровский, 1989) и регрессионного анализа (Н.Н. Калиткин, 1978), (Н.С. Бахвалов и др. 1987) . Экспериментальные методы исследования заключались в разработке рабочих макетов приборов, с проведением испытаний на точность и надежность в рабочем диапазоне температур и давлений при наличии внешних воздействующих факторов: статического давления, атмосферного давления, тепловых ударов.

Первая глава посвящена анализу современного состояния проблемы, здесь рассматривается конструкция и технология сборки первичного тензорезистивного диффузионного измерительного преобразователя давления. Показано, что уникальность статических характеристик (имеющих сильную температурную зависимость) каждого ПИП давления, является следствием не только процесса производства чувствительных элементов, но и технологии сборки ПИП давления. Дается обзор методов обработки измерительных сигналов. Значительное место уделено рассмотрению элементов существующих КИПД, позволяющих учесть особенности аналого-цифровой обработки измерительных сигналов КИПД. Показано что, регрессионная ФП КИПД не может однозначно определятся коэффициентами.

Во второй главе ставится задача поиска наилучшей ФП КИПД, разрабатывается математическая модель ПИП давления в общем виде. На основе статических характеристик ПИП математическая модель трансформируется в регрессионную математическую модель, которая является основой для алгоритма формирования тезауруса регрессионных функций преобразования КИПД. Сформированные ФП систематизируются по разработанному показателю сложности ФП. Показатель сложности организован на весовой конкатенации степеней аппроксимирующих полиномов, образующих регрессионную ФП КИПД. Производится сортировка ФП в тезаурусе по возрастанию сложности. На основе заданного предела приведенной погрешности производится поиск такой ФП, которая обеспечивает расчет значения давления, с использованием значений напряжений ПИП из градуировочной характеристики, с приведенной погрешностью равной или меньше заданного предела.

Разрабатывается структурная и функциональная схемы измерительного преобразователя КИПД, предназначенного для выполнения функций сбора данных при определении градуировочной характеристики КИПД в режиме градуировки, а также для обработки измерительных сигналов ПИП по ФП в режиме измерения и контроля давления.

В третьей главе разрабатывается алгоритмическое и программно-техническое обеспечения для определения градуировочных характеристик КИПД, а также для решения задачи синтеза наилучшей ФП по методике, разработанным во второй главе.

Четвертая глава посвящена методам функционального контроля ИП, результатам стендовых испытаний КИПД, построенных с использованием теоретических положений, разработанных во второй главе и алгоритмического и программно-технического обеспечений, разработанных в третьей главе. Приведены характеристики оборудования, которое обеспечивает процесс получения градуировочных характеристик КИПД. Рассматривается блок-схема алгоритма программы функционального контроля ИП КИПД.

В заключении работы приведена общая характеристика работы и основные выводы по результатам диссертации.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Показатель сложности регрессионной функции преобразования КИПД, основанный на конкатенации степеней аппроксимирующих полиномов.

2. Систематизация регрессионных функций преобразования КИПД по показателю сложности.

3. Постановка и решение задачи определения регрессионной функции преобразования с наименьшей сложностью (из систематизированного набора) по заданному пределу приведенной погрешности, при выполнении условий приближения ФП к линейной идеализированной функции в среднеквадратическом.

4. Алгоритмическое и программно-техническое обеспечение процесса обработки измерительных сигналов ПИП информативных и неинформативных внешних воздействующих факторов в процессе определения градуировочных характеристик множества КИПД, с целью синтеза индивидуальной наименее сложной регрессионной функций преобразования для каждого КИПД.

Выводы.

В четвертой главе рассмотрены проблемы функционального контроля измерительных преобразователей КИПД, дан обзор средствам градуировки и поверке КИПД. Приведены результаты стендовых испытаний для КИПД малых давлений. Рассмотрены вопросы дальнейшей работы. Получены следующие результаты:

1. Разработана методика и средства программирования памяти программ микроконтроллера измерительного преобразователя КИПД.

2. Разработана методика и средства тестирования функционирования программного обеспечения микроконтроллера измерительного преобразователя КИПД.

3. Приведены характеристики оборудования для получения градуировочных характеристик и проведения поверки КИПД.

4. Приведены результаты стендовых испытаний КИПД на предмет определения передела приведенной погрешности. Предел приведенной погрешности, полученный в результате проведения стендовых испытаний совпадает с пределом приведенной погрешности, полученным расчетным путем. Различия наблюдаются только в характере распределения погрешности в заданном диапазоне температур и давлений.

5. Названы нерешенные вопросы, намечены пути их решения.

Заключение. Основные результаты диссертационной работы

В работе рассмотрены принципы синтеза наилучших (наименее сложных) функций преобразования контрольно-измерительных приборов давления по заданному пределу приведенной погрешности. Получены следующие результаты:

1. Разработан и обоснован показатель сложности регрессионных ФП измерительного прибора, основанный на весовой конкатенации степеней аппроксимирующих полиномов.

2. Разработан метод систематизации ФП измерительного прибора по показателю сложности.

3. Выполнена постановка и решена задача определения наилучшей ФП, обладающей наименьшей сложностью, по заданному пределу приведенной погрешности.

4. Разработан промежуточный измерительный преобразователь, работающий в режиме сбора данных при определении градуировочной характеристики прибора, и режиме обработки измерительных сигналов ПИП при измерении давления.

5. Разработано алгоритмическое и программно-техническое обеспечение одновременного определения градуировочных характеристик партии приборов, а также синтеза индивидуальных наилучших ФП каждого измерительного прибора в партии.

6. Разработан контрольно-измерительный прибор давления (с функцией преобразования минимальной сложности), обладающий двумя выходными интерфейсами (цифровым и аналоговым работающими одновременно), с допускаемой приведенной погрешностью в пределах ±0.1%.

Разработка теоретических положений синтеза наилучших функций преобразования КИПД по заданному пределу приведенной погрешности стала возможной благодаря комплексному использованию теоретических и экспериментальных методов исследования.

Разработанные методические положения и новые технические решения опробованы экспериментально. Экспериментальные исследования метрологически обеспечены и проводились на экспериментальной базе предприятия заказчика. Информационно-измерительные системы давления опробованы и прошли стендовые испытания.

Практическая и научная полезность результатов диссертационной работы.

Разработанные в диссертационной работе новые методы, алгоритмы, схемотехнические решения позволяют уменьшить издержки производства контрольно-измерительных приборов давления, улучшить параметры точности и стабильности их работы. Схемотехнические методы и алгоритмы могут быть использованы при проектировании контрольно-измерительных приборов других физических и технических величин, например, температуры, объемного или массового расхода и др.

Приведенные в работе результаты экспериментальных работ представляют практический интерес при синтезе новых и модернизации известных устройств и методов измерения давления, позволяют уточнить представление о протекающих процессах, сопутствующих процессам градуировки контрольно-измерительных приборов давления.

Основные научные и практические результаты работы докладывались и обсуждались на Седьмой, Восьмой, Девятой научных сессиях аспирантов ГУАП (Санкт-Петербург 2004-2006 гг.). Исследования были поддержаны грантом: грант правительства Санкт-Петербурга для студентов и аспирантов вузов и академических институтов 2004 г. «Проблема цифровой коррекции погрешностей некомпенсированных тензопреобразователей». Результаты диссертационной работы использованы при выполнении следующих НИР: НИР (ГР 01040000827) «Контроллер интеллектуального преобразователя давления», НИР (ГР 01200500740) «Разработка методики и аппаратно-программных средств для автоматизированного рабочего места калибровки преобразователя дифференциального давления», НИР (ГР 01200600819) «Разработка технических средств рабочего места функционального контроля микропроцессорных преобразователей абсолютного и избыточного давлений». Результаты работы по НИРам внедрены в ЗАО «Тимос» в области производства интеллектуальных датчиков давления с заданным пределом приведенной погрешности не более ±0.1%.

Внедрение результатов диссертации подтверждено соответствующими актами, копии которых даны в приложениях к диссертации.

1. Розенберг В.Я. Введение в теорию точности измерительных систем. М.: Советское радио, 1975. 304с.

2. Харт X. Введение в измерительную технику/ Пер. с нем. М.: Мир, 1999. 391с.

3. К.Б. Классен. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике/Пер. с англ. М.: Постмаркет, 2002. 352с.

4. Жорж Аш и др. Датчики измерительных систем / Пер. с франц. Т. 1-2. М.: Мир, 1992

5. Albert O'Grady. Transducer/sensor excitation and measurement techniques // Analog Dialogue 2000, №34-5.

6. Михаил Пушкарев. Нормализация сигналов мостовых чувствительных элементов // Компоненты и технологии, №2,2005. стр. 62-67.

7. Розенберг В.Я. Радиотехнические методы измерения параметров процессов и систем. М.: Издательство комитета стандартов, 1970. 308с.

8. Мирский Г .Я. Электронные измерения. М.: Радио и связь, 1986. 440с.

9. Дж. Бендат. А.Пирсол. Прикладной анализ случайных данных/ Пер. с англ. М.: Мир, 1989. 540 с.

10. Ю.Дж. Фрайден. Современные датчики. Справочник. М.: Техносфера, 2005. 592 с.

11. И.Холл А. Д. Опыт методологии для системотехники/ Пер. с англ. М.: Советское радио, 1975, 44 с.

12. Виглеб Г. Датчики. / Пер. с нем. М.: Мир, 1989. 196с.

13. Bernhard Konrad, Martin Ashauer. Demystifying Piezoresistive Pressure Sensors // Sensor Magazine, 1999 July.

14. Пиотровский Я. Теория измерений для инженеров/ Пер. с польск. М.: Мир, 1989,335с.

15. Дж. Себер. Линейный регрессионный анализ/ Пер. с англ. М:. Мир, 1980, 455с.

16. Гончаров В.А. Теория интерполирования и приближения функций. М. Изд. Технико-теоретической литературы, 1954, 327с.

17. Густав Олсон, Джангуидо Пиани. Цифровые системы автоматизации и управления/Пер. с англ. СПб.: Невский диалект, 2001, 556с.

18. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы М.: Наука, 1987, 630 с.

19. Калиткин Н.Н. Численные методы М.: Наука, 1978, 572с.

20. В.К. Суходолец, С.П. Качалов, Т.Е. Карталова, С.Ю. Иванов Общепромышленные датчики давления с микропроцессорной обработкой информации // Приборы и системы управления, № 11, 1990. стр. 21-23.

21. Локотков А. Интерфейсы последовательной передачи данных. Стандарты EIA RS-422/RS-485. // Современные технологии автоматизации, №3, 1997. стр. 48-58.

22. Таненбаум Э. Современные операционные системы. 2-е изд./ Пер. с англ. СПб: Питер, 2002 1040с.

23. Соммервилл И. Инженерия программного обеспечения.: Пер. с англ. -М.: Изд. дом «Вильяме», 2002. 624с.

24. В.М. Стучебников, О. Л. Николайчук и др. Двухпроводный интеллектуальный датчик избыточного давления // Датчики и системы №11,2005 стр.21-23.

25. Н. Дрейпер, Г. Смит. Прикладной регрессионный анализ Т. 1-2 / Пер. с англ. М: Финансы и статистика, 1986

26. Топильский В.Б. Схемотехника измерительных устройств М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006, 232 с.

27. Михотин В.Д., Сазонов В.В., Корчагин П.Н. Исследование влияния погрешности задания влияющих факторов на оценку коэффициентов регрессионной модели. // Датчики и системы №6 2002, стр.14-17.

28. Стучебников В.М., Мартынов Д.Б. Температурная коррекция тензопреобразователей давления на основе КНС. // Датчики и системы №10 2002, стр.21-26.

29. Стучебников В.М. О нормировании температурной погрешности тензорезистивных полупроводниковых датчиков //Датчики и системы №9 2004, стр. 15-19.

30. Мудров А.Е. Численные методы для ПЭВМ на языках Бейсик, Фортран и Паскаль. Томск: МП «РАСКО» 1991 272 с.

31. ЗЬГутников B.C. Тенденции развития электронных измерительных преобразователей для датчиков.//Приборы и системы управления. 1990, №10.с.32-35.

32. Russel Anderson. Understanding ratiometric conversions. // TI Application Report March 2004.

33. Буряченко А. Ранченко Г., Ульяшин С. Интеллектуальный датчик давления. // Электронные компоненты и системы №8 2004.

34. Кривченко И. Ламберт Е. AVR микроконтроллеры: семь ярких лет становления. Что дальше? Части 1,2 // №1, №2 Компоненты и технологии 2004.

35. Данилов Н.А. «Модуль для оценки и корректировки показаний датчиков с выходным интерфейсом типа «токовая петля»»// Восьмая научная сессия аспирантов ГУАП., СПб., апрель 2005 г.

36. MicroConverter Multichannel 24-/16-Bit ADCs with Embedded 62 kB Flash and Single-Cycle MCU: Specification / Analog Devices, Inc. 2005.

37. Контроллер интеллектуального преобразователя давления: отчет о НИР (заключ)/ СПбГУАП; рук. Килимник В.А. ГР 01040000827 СПб, 2004.-38с.

38. Брукс Ф. Мифический человеко-месяц или как создаются программные системы. Пер. с англ. - СПб.: Символ-Плюс, 2006 г. 304с

39. Кечиев J1.H. Пожидаев Е.Д. Защита электронных средств от воздействия статического электричества. М.: Издательский Дом «Технологии», 2005. 352с.

40. Дубейковский В.И. Практика функционального моделирования с AllFusion Process Modeler 4.1. Где? Зачем? Как? М.:ДИАЛОГ-МИФИ, 2004.- 464 с.

41. Черемных С.В. и др. Моделирование и анализ систем. IDEF-технологии: Практикум. М.: Финансы и статистика, 2003.

42. Temperature Compensation Methods for the Motorola X-ducer Pressure Sensor Element/ Motorola SEMICONDUCTOR Aplication Note, 1982.

43. Проектирование датчиков для измерения механических/ Е.П. Осадчий, А.И. Тихонов, В.И. Карпов и др.; под ред. Е.П. Осадчего. М.: Машиностроение, 1979.-480с.

44. П.В. Новицкий, И.А. Зограф. Оценка погрешностей результатов измерений. Л.: Энергоатомиздат.,1991 -304с .

45. В.Г. Кнорринг, М.Г. Марамзина. Метрология, стандартизация, сертификация. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та 2006. 240 с.

46. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника/ Пер. с нем.-М.: Мир, 1982,-512 с.

47. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. / Пер. с англ.-М.: Мир, 1998.-704 с.

48. В.М. Gordon, R.P. Talambiras "Signal Conversion Apparatus", US Patent 3,108,266 filed in July 22, 1955, issued October 22, 1963.

49. Е.М. Deloranie, S. Van Mierlo, B. Derjavitch, "Communication System Utilizing Constant Amplitude Pulse of Opposite Polarities" US Patent 2,629,857, filed October 8, 1947 issued February 24, 1953.

50. F de Jager, "Delta Modulation: A Method of PCM Transmission Using the One Unit Code"// Phillips Research Reports Vol.7, 1952, pp.542-546.

51. H. Van de Weg, "Quantizing Noise of a Single Integration Delta Modulation System with N-Digit Code" // Phillips Research Reports Vol.8, 1953, pp.367-385.

52. C.C. Cutler. "Differential Quantization of Communication Signals", US Patent 2,605,361, filed June 29, 1950 issued July 29, 1952.

53. R.J. van de Plassche. "Sigma-Delta Modulator as an A/D Converter" // IEEE Transactions on Circuits and System, Vol. CAS-25, July 1978, pp.510-514.

54. E.B. Тихоненков, B.A. Мишин. «Схемная минимизация аддитивной температурной погрешности тензорезисторных датчиков давления с мостовой измерительной цепью». // Датчики и Системы №3, 2006 г. с.14-17.

55. Е. Lughofer, W. Groissbock. "Generating correlation and regression models from high dimensional measurement data advanced aspects, strategies and validation" // Technical Report FLLL-TR-0212.

56. Шевкопляс Б.В. Микропроцессорные структуры. Инженерные решения: Спарвочник.- 2-е изд. М.: Радио и связь, 1990. 512 с.

57. Коваленко А.Е., Гула В.В. Отказоустойчивые микропроцессорные системы. К.: Техника, 1986. 150 с.

58. Лебедев А.Н., Недосекин Д.Д., Стеклова Г.А., Чернявский Е.А. Методы цифрового моделирования и идентификации стационарных случайных процессов в информационно-измерительных системах. Л.: Энергоатомиздат, 1988. 64 с.

59. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергия, 1980, 248 с.

60. Бриндли К. Измерительные преобразователи: Справочное пособие. /Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1991, 144 с.

61. Гутников B.C. Фильтрация измерительных сигналов. JI.: Энергоатмоиздат, 1990, 192 с.

62. Датчики. Справочник./ Под ред. Готры З.Ю., Чайковского О.И., Львов.: Каменяр, 1995,312 с.

63. Туз Ю.М. Структурные методы повышения точности измерительных устройств. К.: ВИЩА ШКОЛА, 1976, 256 с.

64. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы: структуры и алгоритмы, системотехническое проектирование. М.: Энергоатомиздат, 1985,429 с.

65. Арутюнов П.А. Теория и применение алгоритмических измерений. М.: Энергоатомиздат, 1990, 256 с.

66. Техническая кибернетика. Устройства и элементы систем автоматического регулирования и управления. Книга 1. Измерительные устройства, преобразующие элементы и устройства / Под ред. В.В. Солодовникова, М.: Машиностроение, 1973, 680 с.

67. ГОСТ 22520-85. Датчики давления, разрежения и разности давлений с электрическими аналоговыми выходными сигналами ГСП. Общие технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1986. 20 с.

68. ГОСТ 8.596-2002. Метрологическое обеспечение измерительных систем. Основные положения. М.: Изд-во стандартов, 2003. 10 с.

69. ГОСТ 8.207-76. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения. Изд-во стандартов, 1976. 8 с.

70. ГОСТ 8.009-84. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений. Изд-во стандартов, 2003. 26 с.

71. ГОСТ 19781-90. Обеспечение систем обработки информации программное. Термины и определения. Изд-во стандартов, 1990. 22 с.

72. ГОСТ 26883-86. Внешние воздействующие факторы. Термины и определения. Изд-во стандартов, 1987. 11 с.

73. РМГ 29-99. Метрология. Термины и определения. Изд-во стандартов, 1999. 50 с.

74. Мешков А.В., Тихомиров Ю.В. Visual С++ и MFC/ Пер. с англ. СПб.:БХВ-Петербург, 2002, 1040 с.

75. Макконнел С. Совершенный код. Мастер-класс / Пер. с англ. СПб.: Питер, 2005. 896 с.

76. Рихтер Дж. Windows для профессионалов: создание эффективных Win32 приложений с учетом специфики 64-разрядной версии Windows. Пер. с англ. СПб.: Питер, 2001г. 752 с.

77. Бокс Дж., Дженкинс Г. Анализ временных рядов. Прогноз и управление. / Пер. с англ. М.: Мир, 1974, 406 с.

78. Гук М.Е. Шины PCI, USB и Fire Wire. Энциклопедия. СПб.: Питер, 2005 г, 540 с.

79. Айфичер Э.С., Джервис Б.У. Цифровая обработка сигналов: практический подход / Пер. с англ. М.: «Вильяме», 2004 г., 992 с.

80. Прикладная статистика. Классификация и снижение размерности /Под ред. Проф. С.А. Айвазяна, М: Финансы и статистика, 1989, 609 с.

81. Данилов Н.А. «Синтез функции преобразования измерительной системы давления с заданной точностью» // №2 «Вестник молодых ученых» серия «Технические науки»).-2004 г.

82. Данилов Н.А. «Программное обеспечение рабочего места градуировки и настройки контрольно-измерительных приборов давления» / Инвентарный номер ВНТИЦ 50200602158,13 декабря 2006 г.

83. Сачков А.В., Килимник В.А., Данилов Н.А., Кочуров А.В. «Аппаратно-программный мультифункциональный мобильный комплекс» // Сб. трудов ВНПК «Морские физиологические и биотехнические системы двойного назначения», Ростов-на-Дону, 2005 г.,с.65-67.

84. Данилов Н.А. «Система сбора данных адаптивная к параметрам исследуемого сигнала» // Седьмая научная сессия аспирантов ГУАП., СПб., апрель 2004 г.

85. Данилов Н.А. «Проблема цифровой коррекции погрешностей некомпенсированных тензопреобразователей» // Сб. трудов Девятой ассамблеи молодых ученых и специалистов, Санкт-Петербург, 2004 г.

86. Данилов Н.А. «Метод синтеза информационно-измерительных систем давления с использованием тензорезистивных полупроводниковых первичных преобразователей» // Девятая научная сессия аспирантов ГУАП., СПб., апрель 2006 г.

87. Данилов Н.А. «Об одном способе коррекции показаний глубиномеров на основе первичных преобразователей давления» // Сб. трудов ВНПК «Морские физиологические и биотехнические системы двойного назначения», Ростов-на-Дону, 2005 г., с.31-32.

88. Синтез функций преобразования приборов измерения и контроля давления по заданному пределу приведенной погрешности»

89. Структура измерительного преобразователя обработки сигналов первичных преобразователей давления и температуры, позволяющего получить приведенную погрешность измерения давления менее ±0,1% в рабочем диапазоне температур и давлений

90. Метод синтеза наилучшей функции преобразования контрольно-измерительных приборов давления, по заданному пределу приведенной погрешности.

91. Алгоритмическое и программно-техническое обеспечение одновременной градуировки партии контрольно-измерительных приборов давления.

92. Главный конструктор Ведущий специалист1. В.П.Минеев " В.А. Танасюк

93. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КООРДИНАЦИОННЫЙ ЦЕНТР ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

94. ОТРАСЛЕВОЙ ФОНД АЛГОРИТМОВ И ПРОГРАММ• » • • .'»*•*«'.' ■■ • • « ' • • ' » » ' • « ' ' ' }* , . » • • »»• ■ I ■■ ' ' ■ • ' * * ' ' ' '. ■ .' , . t t ■ " f* » • • . v.-. .•■•« .-• >:»:♦>- v.v.v. ■•-**• » » 4 • ' » I * « » • • • • I ■

95. СВИДЕТЕЛЬСТВО ОБ ОТРАСЛЕВОЙ РЕГИСТРАЦИИ РАЗРАБОТКИ-. № 7350

96. Настоящее свиДЬтельстЕЮ выдано на разработку: . ' . , '

97. Программное обеспечение рабочего места градуировки и настройки контрольно-измерительных приборов давления ^зарегистрированную в Отраслевом фонде алгоритмов и программ. Дата регистрации: 08 декабря 2006 года : " •":'•' "1. Автор: Данилов Н,А. •

98. Организация-разработчик: Санкт-Петербургский государственный v университет аэрокосмического-v> ' приборостроения1. Директор1. Руководитель ОФ,

99. Е.Г.Калинкевич А.И.Галкина:;1. Дата выдачи /1ЖШ?федеральное агентство по образованию

100. Госуда рствен н ы П коорди национ н ый центр информационных технологий199991, Москва, В-49 Ленинский пр., 6 Телефон: 123-90-22, доб. 2-00

101. Программное обеспечение рабочего места градуировки и настройки контрольно-измерительных приборов давления1. Автор: Данилов Н.А.

102. Организация-разработчик: Санкт-Петербургский государственный университетаэрокосмичсского приборостроения

103. Номер государственной регистрации: 50200602158 Дата регистрации: 13 декабря 2006 года