автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Вторичные преобразователи для тензометрических датчиков давления

На правах рукописи

ш

КАТКОВ Алексей Николаевич

ВТОРИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ

Специальность 05.11.01 - Приборы и методы измерения (электрические и магнитные величины)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 С ОКТ 2011

ПЕНЗА 2011

4857957

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Чувыкпн Борис Викторович. Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Цыпин Борис Вульфович;

Защита диссертации состоится «_» ноября 2011 г., в 14 часов,

на заседании диссертационного совета Д 212.186.02 в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет», с авторефератом - на сайтах университета www.pnzgu.ru и ВАК.

Автореферат разослан «_» октября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук,

кандидат технических наук, доцент Когелыиан Лев Григорьевич.

Ведущая организация - ФГУП ФНПЦ ПО «Старт»

им. М. В. Проценко (г. Заречный).

профессор

Светлов А. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Необходимость измерения неэлектрических (механических, тепловых, химических, оптических, акустических) величин стала причиной разработки широкого спектра датчиков физических величин. Датчики физических величин являются первичными поставщиками информации о значениях различных физических величин и неотъемлемыми компонентами различных информационно-измерительных систем - систем управления, контроля, измерения, телеметрии. Фактически, датчики находятся на границе осведомленности человека о значениях параметров технических процессов.

В настоящее время датчики давления выпускаются большим количеством отечественных и зарубежных фирм: Метран, МИДА, НИИФИ, Endress&Houser, Honeywell, Yokogawa, Omegadune, Druck, Fisher-Rosemount и др. Развитие датчиков идет непрерывно; на ближайшие 40 лет прогнозируется повсеместное внедрение датчиков.

Отечественная школа датчикостроения зародилась в середине XX в. Она представлена такими учеными, как А. М. Туричин, Д. И. Агейкин, П. В. Новицкий, П. П. Орнатский, Ф. Е. Темников, М. А. Земельман, Т. М. Алиев, Б. С. Сотсков, К. Б. Карандеев, М. П. Цапенко, В. М. Шляндин, Э. К. Шахов, Е. П. Осадчий, Е. А. Мокрое, Е. А. Ломтев, и рядом других. Ими была разработана теория проектирования датчиков для измерения неэлектрических величин и опубликовано несколько фундаментальных монографий, отражающих состояние развития датчико-преобразующей аппаратуры.

Прогресс в области элементной базы и средствах реализации вычислительных алгоритмов сделал возможным применение цифровых методов обработки измерительной информации непосредственно в самих датчиках, что привело к появлению нового класса измерительно-вычислительных устройств - цифровых вторичных преобразователей для тензометрических датчиков давления. В настоящее время вопросы разработки методики проектирования цифровых вторичных преобразователей, построения их структур, определения требований к измерительному каналу температуры и теоретических пределов достижимых погрешностей, моделирования и реализации структур и алгоритмов коррекции погрешностей, проектирования встроенного программного обеспечения, коррекции одной из составляющих температурной погрешности датчика - температурной погрешности тока пи-

тания тензомоста, методики автоматизированной настройки цифровых вторичных преобразователей не являются достаточно проработанными, что обуславливает актуальность диссертационной работы.

Целью данной работы является совершенствование цифровых вторичных преобразователей тензометрических датчиков давления структурно-алгоритмическими методами путем использования возможностей цифровой обработки измерительной информации.

Основные задачи исследования:

1. Разработать методику модельно-управляемого проектирования цифровых вторичных преобразователей тензометрических датчиков.

2. Исследовать связь между характеристиками измерительных каналов давления и температуры в составе цифровых вторичных преобразователей с целью определения чувствительности измерительного канала температуры и температурной погрешности датчиков давления, достижимой цифровой обработкой измерительных сигналов.

3. Разработать имитационную модель с целью построения конечного автомата, необходимого для проектирования встроенного программного обеспечения цифрового вторичного преобразователя.

4. Провести анализ алгоритмов аппроксимации с целью определения времени выполнения вычислительных процедур цифровыми вторичными преобразователями.

5. Исследовать возможность коррекции одной из составляющих температурной погрешности датчика давления - температурной погрешности тока питания тензомоста - структурно-алгоритмическим способом.

Методы исследования. При решении поставленных задач применялись методы математического моделирования, стендовые испытания, схемотехническое моделирование, численные методы аппроксимации.

Научная новизна работы:

1. Определены эмпирическая зависимость чувствительности измерительного канала температуры от максимума производной функции влияния температуры на измерительный сигнал тензометрическо-го чувствительного элемента давления и зависимость неустранимой температурной погрешности датчика давления от погрешности измерения температуры чувствительного элемента

2. Предложен способ определения структуры и синтеза алгоритма работы цифрового вторичного преобразователя тензометрического датчика давления, отличающийся комплексным исследованием структуры и алгоритма имитационным моделированием.

3. Разработан структурно-алгоритмический способ автоматической коррекции одной из составляющих температурной погрешности датчика - температурной погрешности тока питания тензомоста - отличающийся использованием цифроаналоговой обратной связи в структуре цифрового вторичного преобразователя.

Практическая ценность работы:

1. Разработана инженерная методика модельно-управляемого проектирования цифровых вторичных преобразователей тензометрических датчиков давления, позволяющая снизить длительность разработки и повысить технические характеристики цифровых вторичных преобразователей.

2. Разработана имитационная модель структуры и алгоритма работы цифрового вторичного преобразователя, позволяющая синтезировать конечный автомат, необходимый для проектирования встроенного программного обеспечения.

3. Разработана инженерная методика расчета чувствительности измерительного канала температуры, необходимой для коррекции температурной погрешности тензометрического датчика давления.

4. Разработана инженерная методика расчета границы неисклю-ченной температурной погрешности тензометрических датчиков давления, достижимой цифровой обработкой измерительных сигналов.

5. Решена задача снижения трудоемкости настройки цифровых вторичных преобразователей тензометрических датчиков давления за счет использования инженерной методики настройки, основанной на реализации алгоритмов вычисления коэффициентов аппроксимирующих кривых во встроенном программном обеспечении цифровых вторичных преобразователей. Методика внедрена в опытное производство тензометрических датчиков давления.

6. Предложена последовательность этапов проектирования встроенного программного обеспечения цифровых вторичных преобразователей, связанная с использованием автоматного программирования, позволяющая уменьшить трудоемкость разработки встроенного программного обеспечения.

7. Разработаны, апробированы и внедрены в опытное производство алгоритмы коррекции нелинейности и температурной погрешности тензометрических датчиков давления цифровыми вторичными преобразователями. Проведены испытания опытных образцов тензометрических датчиков давления, получены значения основной приведенной погрешности порядка 0,1 % и температурной погрешности порядка 0,002-0,005 %/°С.

На защиту выносятся:

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований функции влияния температуры на измерительный сигнал давления.

2. Способ определения структуры и синтеза алгоритма работы цифрового вторичного преобразователя, позволяющий получить минимальное значение температурной погрешности, отличающийся комплексным исследованием структуры и алгоритма имитационным моделированием.

3. Структурно-алгоритмический способ автоматической коррекции одной из составляющих температурной погрешности датчика -температурной погрешности тока питания тензомоста - отличающийся использованием цифроаналоговой обратной связи в структуре цифрового вторичного преобразователя.

Реализация работы и внедрение результатов. На основе проведенных теоретических исследований и разработок внедрены в опытное производство датчики давления ДРЭ-001 и ДРЭ-003, алгоритмы коррекции нелинейности и температурной погрешности тензометрических датчиков давления и методика автоматизированной настройки цифровых вторичных преобразователей датчиков давления. Результаты использовались при выполнении ОКР «Возрождение» и ОКР «МКС-Эксплуатация» в ОАО «НИИ физических измерений» (г. Пенза).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XXVIII Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Датчики и Системы-2009» (г. Пенза, 2009 г.), Международной научной конференции «Компьютерные науки и информационные технологии-2009» (г. Саратов, 2009 г.), Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах-2009» (г. Пенза, 2009 г.), XXIX Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и спе-

циалистов «Датчики и Системы-2010» (г. Пенза, 2010 г.), Международной научно-технической конференции «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации» (г. Пенза, 2010 г.), Отраслевой научно-технический конференции приборостроительных организаций Роскосмоса «Информационно-измерительные и управляющие системы-2010» (г. Королев, 2010 г.), XXX Межрегиональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Датчики и Системы-2011» (г. Пенза, 2011 г.), Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах-2011» (г. Пенза, 2011 г.), Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Компьютерные и информационные технологии в науке, инженерии и управлении-2011» (г. Таганрог, 2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 печатных работ, в том числе 4 работы в журналах из перечня ВАК, а также получено 3 свидетельства о регистрации программного обеспечения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, содержащего 140 наименований, 5 приложений. Изложена на 181 странице машинописного текста, содержит 85 рисунков, 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цель и задачи исследования, изложены положения, выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическая ценность диссертационной работы.

В первой главе проведен анализ современного состояния исследований и разработок цифровых вторичных преобразователей тензометрических датчиков давления.

Проведен анализ литературы, рассмотрены методы снижения погрешностей тензометрических датчиков давления (ТДЦ), показан процесс развития измерительной техники по двум направлениям: интеллектуализации и внедрению распределенных систем.

Рассмотрено развитие и назначение интеллектуальных датчиков и беспроводных сенсорных сетей, выделены проблемы их проектирования и потребность в инструментальном средстве разработки. Показа-

ны предпосылки появления цифровых вторичных преобразователей (ЦВП) и отличия цифровых преобразователей от аналоговых. Перечислены задачи, возникающие при разработке ЦВП. Приведена структура ЦВП (рис. 1), которая содержит преобразователь электрической аналоговой величины в цифровой код (АЦП), блок цифровой обработки измерительных сигналов (ЦОС), блок хранения параметров математической модели измерительных сигналов (ММ) и цифровой интерфейс (ЦИ). На рис. 1 обозначено: ИФВ - измеряемая физическая величина, ЧЭ - чувствительный элемент.

Датчик Цифровой вторичный преобразователь

Рис. 1. Структура интеллектуального датчика

Во второй главе рассмотрены элементы теории проектирования цифровых вторичных преобразователей для тензометрических датчиков давления.

Предложена методика модельно-управляемого проектирования ЦВП датчиков, представлен алгоритм модельно-управляемого проектирования (рис. 2).

Особенности методики заключаются во встраивании модели внутрь датчика и в наличии обратной связи в алгоритме проектирования. Результаты моделирования и анализа погрешностей служат основанием для модификации модели измерительных сигналов (ИС) чувствительного элемента с последующими доработками структурно-функциональной модели (СФМ), структурно-временной диаграммы (СВД), принципиальной схемы и встроенного программного обеспечения (ВПО).

Модель измерительных сигнала ЧЭ

Алгоритм коррекции погрешностей ЧЭ

С'- ;

Анализ качества технического решения

Запись функции преобразования

Анализ

Аналитическое представление структуры

.¿г..

Модель вычислительного

процесса <>

Требования к вычислительным

__________________I_______________

Структурно-функциональная модель

Построение

сфм и сад

ВйВШШг! конфигурации ШМЗСШЙОШИЙ ШШШ

Структурно-временизя диаграмма

Схема электрическая структурная 51 -Г>

Схема электрическая функциональная Э2 Л}^

V

.С] Р^Ш Щ] Ш'ШО ьн й я ЭЗ. перечень элементов ПЭЗ

Реализация СФМ и СВД

Рис. 2. Алгоритм модельно-управляемого проектирования ЦВП

Проведен анализ алгоритмов коррекции погрешностей ТДЦ и предложен алгоритм коррекции погрешностей тензометрических датчиков знакопеременной разности давлений. Описаны метод вспомогательных измерений и структура, выполняющая процедуру коррекции погрешностей. Проведены экспериментальные исследования функций влияния температуры на ИС давления на 50 образцах полупроводниковых ТДЦ различных диапазонов измерений и конструкций. По полученным экспериментальным данным построена обобщенная функция влияния температуры на ИС давления:

с

ДАтр =к

а + ЫпЫ[0 +

0,

где N¡0 - код АЦП температуры; А Ыр - изменение кода АЦП давления от температуры; коэффициент к может быть как положительным, так и отрицательным. Функция влияния температуры на ИС давления представляет собой частный случай обобщенной функции влияния внешнего воздействующего фактора (ВВФ) на ИС измеряемой физической величины (рис. 3).

8длифв1

№ Л/ввФ2

Л/ввф1

Рис. 3. Обобщенная функция влияния ВВФ на ИС ИФВ

На рис. 3 обозначено: О - допуск на неисключенную погрешность; Лввф - код АЦП ВВФ; ДЛ^фв - изменение кода АЦП ИФВ, вызванное ВВФ; 5ЛЩВф/, 0дЛ-ИФШ - разности кодов АЦП ВВФ и изменений кодов АЦП ИФВ; а, - угол наклона участка графика к оси абсцисс. Численные значения представленных на рис. 3 параметров индивидуальны для каждого экземпляра датчика и определяются эмпирически.

Графическое представление обобщенной функции влияния и экспериментальные данные позволили вывести эмпирическую формулу для теоретического определения нижней границы чувствительности измерительного канала (Ж) ВВФ, достаточной для коррекции вносимой этим ВВФ дополнительной погрешности:

шах

¿ВВФ ="

'ВВФ^ -ЛГВВФ

ф,)

ед

^[^ВВФшах ~ ^ВВФтт] ' [ед.ИЗМ.ВВФ где Уввф - значение ВВФ в его единицах измерения.

Эта формула описывает зависимость чувствительности ИК ВВФ от максимума производной функции влияния ВВФ на ИС ИФВ, в частности, зависимость чувствительности ИК температуры от максимума производной функции влияния температуры на ИС тензометриче-ского ЧЭ давления. В исследованных в экспериментах датчиках чувствительность ИК температуры значительно превышала минимально необходимую. Кроме того, ЧЭ температуры, так же как и ЧЭ какого-либо другого ВВФ, в общем случае свойственна ненулевая погреш-

ность нелинейности, поэтому дня оценки теоретического предела минимальной дополнительной погрешности, достижимой цифровой обработкой ИС, была выведена формула, основанная на зависимости неустранимой дополнительной погрешности датчика давления от погрешности измерения значения ВВФ:

^ nun /

max|tgay|-100%

[%],7=1,2,.

1-

"ИФВтах

-м

ИФВшт

)

■т^к

ч ЙЛВВФ/)

где а - среднеквадратическое отклонение функции преобразования измерительного канала ВВФ от линии регрессии.

Разработана имитационная модель ЦВП датчика давления. Модель имитирует аппаратную и программную составляющие ЦВП в среде 8нпиПпк^а(еПо\у. Аппаратная составляющая моделируется средствами 8нтш1шк (рис. 4), программная - средствами Модель представляет собой инструмент для построения конечного автомата ЦВП, т.е. для определения схемы связей, множества состояний, функции переходов и функции выходов конечного автомата, а также для построения и исследования структуры ЦВП датчика.

Давление

Температура

Цифровой вход

<Х>—

р

t U(P)

Uref

Ucm U(t)

G

Start Conv Np

U(P) Nt

U(t) End Conv

Измерительный канал

АЦП

Start

Np Conv

Eout

Nt Interf

Contr

End Dig_Out

Conv

Tl_ctear

Digjn Rl_clear

Uref

Tl

Ucm

Rl e

П

Eout

ивых

Аналоговый интерфейс

Dig_Out

Устройство ЦОС

Interf „ Contr D'9-0ut

-кХ>

Цифровой выход

Digjn

"П clear

Digjn

Цифровой интерфейс

Рис. 4. Имитационная модель аппаратной составляющей ЦВП датчика давления

Исследовано влияние температуры на стабилизатор тока питания тензомоста (ТМ), реализованный операционным усилителем с рези-стивными обратными связями. Обнаружена ТП тока питания моста величиной до ±4,5 %, представляющая собой одну из составляющих ТП датчика. Причиной возникновения ТП тока питания моста является нарушение баланса резистивных обратных связей стабилизатора тока при воздействии температуры. Предложен структурно-алгоритмический способ коррекции этой составляющей ТП, заключающийся в построении обратной связи (рис. 5) и пространственно-временном разделении коррекции ТП тока питания моста и ТП датчика давления. На рис. 5 обозначено: ЦАП - цифроаналоговый преобразователь; ИОН - источник опорного напряжения; ЦП - цифровой процессор; СТ - стабилизатор тока; Ят - термонезависимый опорный резистор; МК - микроконтроллер.

Рис. 5. Обратная связь для автоматической коррекции ТП тока питания тензомоста

В третьей главе рассмотрены практические вопросы построения цифровых вторичных преобразователей.

Описаны структуры ЦВП с цифровым выходом, цифровым и аналоговым выходами и структура ЦВП для интерфейса «токовая петля» 4-20 мА. Показаны структуры ИК давления (рис. 6,а) и температуры (рис. 6,6, в). ИК давления строится на тензомосте, питаемом стабилизатором тока или напряжения, выходной сигнал тензомоста усиливается операционным усилителем в К раз. Для коррекции ТП тензомоста в структуру ЦВП вводится Ж температуры, построенный на терморезисторе (рис. 6,в) либо на тензомосте (рис. 6,6). При питании моста напряжением ив терморезистор включается нижним плечом делителя

напряжений, при этом выходное напряжение делителя представляет собой ИС температуры. При питании моста током 1ц роль терморези-тора выполняет тензомост, сопротивление которого при воздействии температуры изменяется, и напряжение в верхней точке моста представляет собой ИС температуры. Следует отметить, что чувствительность ИК температуры, построенного на терморезисторе, как правило, значительно (в 2-3 раза) выше чувствительности ИК температуры,

построенного на использовании моста в качестве терморезистора.

- 1в

[Ш 1—*

^ /\ т %

* < тм у г*

^У 1 А*

а) б) с)

Рис. 6. Структуры ИК давления и температуры

С целью определения затрат времени на выполнение проведен анализ вычислительной сложности алгоритмов сплайн- и полиномиальной аппроксимации методами наименьших квадратов и неопределенных коэффициентов. Вычисление калибровочных коэффициентов длится менее 100 мс; реализовано в ВПО ЦВП датчиков.

Предложена методика автоматизированной настройки ЦВП датчиков, которая допускает одновременную настройку нескольких датчиков и за счет этого значительно снижает трудоемкость настройки. Предложена методика проектирования и документирования ВПО ЦВП тензометрических датчиков давления. В структуре ВПО ЦВП выделена операционная среда (ОС) алгоритма коррекции погрешностей. Следствиями выделения ОС являются возможности: обеспечения реконфигурации цифровой части и измерительного канала, обеспечения адаптивности структуры ЦВП, выполнения метрологической аттестации модуля ВПО, реализующего алгоритм коррекции погрешностей.

Проведен анализ погрешностей полупроводниковых тензорези-стивных ЧЭ давления, рассмотрены источники ТП, показан гистерезис функции влияния температуры на нулевой сигнал давления (рис. 7). Разность значений нулевого сигнала в нормальных условиях составля-

ет 1,85 %. При коррекции погрешностей цифровыми методами не устраняется влияние вариации, неповторяемости и гистерезиса ЧЭ.

.„„ * Код АЦП нулевого сигнала 1000...... —..................

600

0 +25 +70

Рис. 7. Пример гистерезиса функции влияния температуры на нулевой сигнал полупроводникового ЧЭ датчика разности давлений

В четвертой главе приведены примеры реализации цифровых вторичных преобразователей тензометрических датчиков давления.

Рассмотрены ЦВП датчика абсолютного давления ДА Э-103 и примененный алгоритм коррекции погрешностей. Показаны градуи-ровочные характеристики датчика при воздействии различных температур и результаты коррекции ТП (рис. 8).

4080у 3600

2680:

,Код АЦП давления

, Код давлений

£

120;

10

* "' Т" Давление, МПа 15 Г0..........."¿5

Давление, МПа го 25

Рис. 8. Температурные градуировки ДАЭ-103

Основная приведенная погрешность датчика ДАЭ-103 составляет 0,15 %, температурная погрешность 0,004 %/°С. Предел измерений датчика зависит от варианта исполнения ЧЭ, от 100 кПа до 100 МПа, диапазон температур -40...+80 °С.

Рассмотрены ЦВП датчика разности давлений ДРЭ-001, его функциональная схема и используемый алгоритм коррекции нелинейности и ТП. Основная приведенная погрешность датчика ДРЭ-001 составляет 0,10 %, температурная погрешность 0,002 %/°С. Предел измерений датчика зависит от варианта исполнения ЧЭ, от 10 кПа до 4 МПа, диапазон температур -40.. .+70 °С.

Приведен пример применения методики модельно-управляемого проектирования в разработке ЦВП датчика разности давлений ДРЭ-003. Показаны структурно-функциональная модель ЦВП датчика ДРЭ-003 (рис. 9) и его функция преобразования:

N,

от =Spline[(^-a(Nt)-Zm)m(Nt) + ZY{Y

где ЫоШ - код давления; гпу - код АЦП нулевого давления в нормальных условиях; Nр, - код АЦП давления (с дополнительной погрешностью, вносимой воздействием температуры); - код АЦП температуры; а(Ы() и ) - аппроксимирующие функции адди-

тивной и мультипликативной составляющих ТП. Значения коэффициентов аппроксимирующих функций определяются на этапе настройки ЦВП.

и,

R,

(43f)

К

yis" f Л/о,.

Вычисление коэффициентов

Ж

/I—N

W

ци

[2ну, N,

■ну, 'V(+4.+25,+40,

u.t

JT

N, RS-485

í>

Рис. 9. Структурно-функциональная модель ДРЭ-003

В качестве примера использования методики документирования ВПО описано ВПО ЦВП датчика ДРЭ-003. Основная приведенная погрешность датчика ДРЭ-003 составляет 0,12 %, температурная погрешность 0,005 %/°С. Диапазон измерений датчика - 0...15 кПа, диапазон температур +4...+40 °С. Датчики атгестовывались в промышленных камерах тепла-холода с точностью задания температуры 0,1 °С.

В опытное производство датчиков давления внедрены алгоритмы коррекции нелинейности и температурной погрешности и методика автоматизированной настройки ЦВП датчиков давления. Результаты используются в опытном производстве датчиков давления ДРЭ-001 ДРЭ-003 в ОАО «НИИ физических измерений», г. Пенза.

В приложении приводятся документ о внедрении результатов работы, свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ, акт предварительных испытаний датчика ДРЭ-001 и дополнительные материалы по исследуемой теме - листинги функций, используемых Simulink-моделью, листинг программного модуля, реализующего вычисления.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Получена формула для оценки минимальной чувствительности измерительного канала температуры, необходимой для коррекции температурной погрешности тензометрических датчиков давления.

2. Получена формула для оценки нижней границы температурной погрешности датчиков, достижимой цифровыми методами обработки измерительных сигналов.

3. Решена задача аппроксимации характеристик ЧЭ давления, исследованы затраты времени на выполнение алгоритмов аппроксимации цифровыми вторичными преобразователями. Предложено и реализовано использование алгоритмов вычисления коэффициентов аппроксимирующих кривых в ВПО ЦВП датчиков давления, за счет чего снижена трудоемкость настройки ЦВП датчиков.

4. Предложена методика модельно-управляемого проектирования ЦВП датчиков давления. Разработана имитационная модель ЦВП датчика давления, необходимая для синтеза конечного автомата датчика.

5. Исследована зависимость тока питания тензомоста от температуры, выявлена температурная погрешность тока питания тензомоста, характер которой индивидуален для каждого экземпляра датчика. Разработан структурно-алгоритмический способ автоматической коррекции ТП тока питания тензомоста.

6. Предложена методика проектирования и документирования ВПО ЦВП датчиков давления.

7. Разработаны опытные образцы ЦВП датчиков давления ДРЭ-001, ДРЭ-003, в которых применены алгоритмы коррекции нелинейности и температурной погрешности, алгоритмы вычисления коэффициентов аппроксимирующих кривых; проведены предварительные испытания опытных образцов, подтвердившие класс точности датчиков 0,1 %, присвоена литера «О».

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Катков, А. Н. Цифровые датчики давления / А. Н. Катков,

B. Н. Новиков, Б. В. Чувыкин // Измерительная техника. - 2011. - № 4. -

C. 45-47.

2. Катков, А. Н. Оценка достижимой погрешности цифровых датчиков и необходимой чувствительности измерения влияющих факторов/А. Н. Катков // Известия СмолГУ. - 2011. - № 2. - С. 140-146.

3. Катков, А. Н. Методика модельно-управляемого проектирования цифровых датчиков / А. Н. Катков // Известия ЮФУ. Технические науки. - Таганрог : Изд-во ТТИ ЮФУ, 2011. - № 5 (118). - С. 94-99.

4. Катков, А. Н. Вопросы развития интеллектуальных датчиков и беспроводных сенсорных сетей / А. Н. Катков // Датчики и Системы. -2011.-№7.-С. 35-37.

Публикации в других изданиях

5. Катков, А. Н. Интеллектуализация измерительных систем. Состояние вопроса / А. Н. Катков, Э. К. Шахов // Информационно-измерительная техника : тр. ун-та. Межвуз. сб. науч. тр. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2008. - Вып. 33. - С. 37-41.

6. Катков, А. Н. Развитие цифровых датчиков давления в НИИФИ / А. Н. Катков // Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации : материалы междунар. науч. конф. (20-22 октября 2010 г.). -Пенза, 2010. -С. 135-137.

7. Катков, А. Н. Имитационная модель цифрового датчика давления / А. Н. Катков // Молодой ученый. - 2011. - № 6, Т. 1. - С. 58-66.

8. Катков, А. Н. Цифровые датчики давления / А. Н. Катков // Датчики и Системы : сб. докл. XXVIII науч.-тех. конф. (30-31 марта 2009 г., Пенза). - Пенза : ОАО «НИИФИ», 2009. - С. 52-53.

9. Катков, А. Н. Применение обратной связи с цифровым звеном и самодиагностика цифровых датчиков давления / А. Н. Катков// Проблемы автоматизации и управления в технических системах : тр. междунар. науч.-техн. конф. (г. Пенза, 20-23 октября 2009). - Пенза • Изд-во ПГУ, 2009. - С. 173-176.

10. Катков, А. Н. Сплайн-аппроксимация характеристик чувствительных элементов во встроенном программном обеспечении цифровых датчиков / А. Н. Катков // Вычислительные системы и технологии обработки информации : межвуз. сб. науч. тр. - Пенза • Изд-во ПГУ, 2010.-Вып. 9 (32).-С. 118-125.

11. Катков, А. Н. Анализ вычислительной сложности алгоритмов аппроксимации характеристик чувствительных элементов цифровых датчиков / А. Н. Катков // Сб. тез. докл. отраслевой науч.-техн. конф. приборостр. орг-й Роскосмоса «Информационно-измерительные и управляющие системы-2010» (г. Королев Моск. обл., 11-12.11.2010). -Королев, 2010. - С. 117-121.

12. Катков, А. Н. Алгоритмы коррекции погрешностей тензомег-рических датчиков давления цифровыми вторичными преобразователями / А. Н. Катков // Молодой ученый. - 2011. - № 8, Т. 1. - С. 58-60.

13. Катков, А. Н. Анализ вычислительной сложности алгоритмов аппроксимации характеристик чувствительных элементов цифровых датчиков / А. Н. Катков // Информационно-измерительная техника: межвуз. сб. науч. тр. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. - Вып 36 -С. 166-177.

14. Катков, А. Н. Структуры цифровых вторичных преобразователей тензометрических датчиков давления / А. Н. Катков // Молодой ученый. -2011,- №8, Т. 1. - С. 63-64.

15. Катков, А. Н. Разработка встроенного программного обеспечения цифрового датчика разности давлений ДРЭ-001 / А. Н. Катков // Компьютерные науки и информационные технологии : материалы междунар. науч. конф. - Саратов : Изд-во Сарат. ун-та, 2009. -С. 108-111.

16. Катков, А. Н. Операционная среда для встроенного программного обеспечения цифровых датчиков / А. Н. Катков // Датчики и Системы : сб. докл. XXIX всерос. науч.-практ. конф. (30-31 марта 2010 г.). - Пенза : ОАО «НИИФИ», 2010. - С. 91-93.

17. Катков, А. Н. Автоматизированная методика настройки цифровых датчиков / А. Н. Катков // Проблемы автоматизации и управления в технических системах : тр. междунар. науч.-техн. конф. (г. Пенза, 19-22 апреля 2011) : в 2 т. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. -Т. 1.-С. 275-276.

18. Катков, А. Н. Проектирование и документирование встроенного программного обеспечения вторичных преобразователей тен-зометрических датчиков давления / А. Н. Катков // Молодой ученый.-2011.-№ 8, Т. 1. - С. 61-63.

19. Катков, А. Н. Особенности определения основной и температурной погрешности цифровых датчиков давления / А. Н. Катков // Информационно-измерительная техника : межвуз. сб. науч. тр. / под ред. д.т.н., проф. Е. А. Ломтева. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2010. - Вып. 35. -С. 41—48.

20. Катков, А. Н. Малогабаритный цифровой полупроводниковый датчик абсолютного давления / А. Н. Катков, В. Н. Новиков // Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации : материалы междунар. науч. конф. (г. Пенза, 20-22 октября 2010 г.). - Пенза, 2011. - С. 213-215.

21. Катков, А. Н. Встроенная программа цифрового датчика давления ДАЭ-103 / А. Н. Катков // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010613838.

22. Катков, А. Н. Встроенное программное обеспечение цифрового датчика разности давлений ДРЭ-001 / А. Н. Катков // Вычислительные системы и технологии обработки информации : межвуз. сб. науч. тр. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2010. - Вып. 9 (32). - С. 154-162.

23. Катков, А. Н. Встроенная программа цифрового датчика разности давлений ДРЭ-001 / А. Н. Катков // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010613840.

24. Катков, А. Н. Применение методики модельно-управляе-мого проектирования в разработке цифрового датчика разности давлений / А. Н. Катков // Датчики и Системы : сб. докл. XXX всерос. науч,-практ. конф. (30-31 марта 2011 г.). - Пенза: ОАО «НИИФИ» 2011 -С. 97-105.

25. Катков, А. Н. Встроенная программа цифрового датчика разности давлений ДРЭ-003 / А. Н. Катков // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010616392.

Научное издание

КАТКОВ Алексей Николаевич

ВТОРИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ

Специальность 05.11.01 - Приборы и методы измерения (электрические и магнитные величины)

Подписано в печать 30.09.11. Формат 60x84V16. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100. Заказ № 642.

Издательство ПТУ. 440026, Пенза, Красная, 40. Тел./факс: (8412) 56-47-33; e-mail: iic@pnzgu.ru

Список сокращений

Введение

Глава 1 - Анализ современного состояния исследований и разработок 13 вторичных преобразователей для тензометрических датчиков давления

1.1 Предпосылки появления цифровых вторичных преобразова- 13 телей для тензометрических датчиков давления

1.2 Методы снижения погрешностей тензорезистивных датчи- 21 ков давления

1.3 Цифровая обработка измерительных сигналов тензометри- 25 ческих датчиков давления

1.4 Развитие цифровых вторичных преобразователей датчиков

1.5 Задачи разработки цифровых вторичных преобразователей 39 датчиков давления

1.6 Цель и задачи исследования

1.7 Выводы по главе

Глава 2 - Вторичные преобразователи для тензометрических датчи- 43 ков давления - класс измерительно-вычислительных устройств

2.1 Методика модельно-управляемого проектирования вторич- 43 ных преобразователей тензометрических датчиков давления

2.2 Алгоритмы коррекции погрешностей тензометрических 50 датчиков давления

2.3 Параметры дополнительных измерительных каналов датчи- 54 ков давления

2.4 Имитационная модель вторичного преобразователя датчика 62 давления

2.5 Автоматическая коррекция температурной погрешности то- 75 ка питания тензомоста

2.6 Выводы по главе

Глава 3 - Практические аспекты построения вторичных преобразова- 83 телей тензометрических датчиков давления

3.1 Структуры вторичных преобразователей тензометрических 83 датчиков давления

3.2 Анализ вычислительной сложности алгоритмов аппрокси- 87 мации

3.3 Методика проектирования и документирования встроенного 98 ПО вторичных преобразователей датчиков давления

3.4 Операционная среда алгоритма коррекции погрешностей

3.5 Методика автоматизированной настройки вторичных пре- 106 образователей

3.6 Исследование погрешностей вторичных преобразователей 109 тензометрических датчиков давления

3.7 Выводы по главе

Глава 4 - Практическая реализация и внедрение цифровых вторичных 116 преобразователей для тензометрических датчиков давления 4.1 Цифровой вторичный преобразователь полупроводникового; 116 тензометрического датчика абсолютного давления

4.2 Цифровой вторичный преобразователь полупроводникового 119 тензометрического датчика разности давлений

4.3 Применение методики модельно-управляемого проектиро- 123 вания в разработке цифрового вторичного преобразователя тензометрического датчика разности давлений

4.4 Встроенное программное обеспечение цифрового вторичного преобразователя

4.5 Выводы по главе

Состояние вопроса и актуальность темы

Необходимость измерения неэлектрических (механических, тепловых, химических, оптических, акустических) величин стала причиной разработки широкого спектра датчиков физических величин. Датчики физических величин являются первичными поставщиками информации о значениях различных физических величин и неотъемлемыми компонентами* различных информационно-измерительных систем - систем управления^ контроля, измерения, телеметрии. Фактически, датчики находятся на границе осведомленности человека о значениях параметров технических процессов.

В настоящее время датчики давления выпускаются большим количеством отечественных и зарубежных фирм: Метран, МИДА, НИИФИ, Endress&Houser, Trafag, Honeywell, Yokogawa, Omegadune, Druck, Fisher-Rosemount и др. Развитие и совершенствование датчиков непрерывно продолжается; наряду с механизацией и информатизацией на ближайшие '40 лет прогнозируется.третья промышленная1 революция - повсеместное внедрение датчиков.

Отечественная школа датчикостроения зародилась в середине XX в. Она представлена такими учеными, как A.M. Туричин, Д.И. Агейкин, П.В. Новицкий, П.П. Орнатский Ф.Е. Темников, М.А. Земельман, Т.М. Алиев, Б.С. Сотсков, К.Б. Карандеев, М.П. Цапенко, В.М. Шляндин, Э.К. Шахов, Е.П. Осадчий, Е.А. Мокров, Е.А. Ломтев и рядом других. Ими была разработана теория проектирования датчиков для измерения неэлектрических величин и опубликовано несколько фундаментальных монографий [21, 93, 110, 139], отражающих состояние развития датчико-преобразующей аппаратуры.

Прогресс в области элементной базы и средствах реализации вычислительных алгоритмов сделал возможным применение цифровых методов

• 7 обработки измерительной информации непосредственно в самих датчиках, что привело к появлению нового класса измерительно-вычислительных устройств - цифровых вторичных преобразователей для тензометрических датчиков давления. В настоящее время вопросы разработки методики* проектирования цифровых вторичных преобразователей, построения их структур, определения требований к измерительному каналу температуры и теоретических пределов достижимых погрешностей, моделирования и реализации структур и алгоритмов коррекции погрешностей, проектирования встроенного программного обеспечения, коррекции одной из составляющих температурной погрешности датчика — температурной погрешности тока питания тензомоста, методики автоматизированной настройки цифровых вторичных преобразователей не являются достаточно проработанными, что обуславливает актуальность диссертационной работы.

Целью данной работы является совершенствование цифровых вторичных преобразователей тензометрических датчиков давления структурно-алгоритмическими методами путем использования возможностей цифровой обработки измерительнойчинформации.

Основными задачами исследования, вытекающими из поставленной цели, являются следующие:

1. Разработать методику модельно-управляемого проектирования цифровых вторичных преобразователей тензометрических датчиков.

2. Исследовать связь между характеристиками измерительных каналов давления и температуры в составе цифровых вторичных преобразователей с целью определения чувствительности измерительного канала температуры и температурной погрешности датчиков давления, достижимой цифровой обработкой измерительных сигналов.

3. Разработать имитационную модель с целью построения конечного автомата, необходимого для проектирования встроенного программного обеспечения цифрового вторичного преобразователя.

4. Провести анализ алгоритмов аппроксимации с целью определения времени выполнения вычислительных процедур цифровыми вторичными преобразователями.

5. Исследовать возможность коррекции одной из составляющих температурной погрешности датчика давления - температурной погрешности тока питания тензомоста - структурно-алгоритмическим способом.

Научная новизна работы:

1. Определены эмпирическая зависимость чувствительности измерительного канала температуры от максимума производной функции влияния температуры на измерительный сигнал тензометрического чувствительного элемента давления и зависимость неустранимой температурной погрешности датчика давления от погрешности измерения температуры чувствительного элемента.

2. Предложен- способ определения структуры и синтеза алгоритма работы цифрового вторичного преобразователя тензометрического датчика давления, отличающийся комплексным исследованием структуры и алгоритма имитационным моделированием.

3. Разработан структурно-алгоритмический способ автоматической коррекции одной из составляющих температурной погрешности датчика -температурной погрешности тока питания тензомоста - отличающийся использованием цифро-аналоговой обратной связи в структуре цифрового вторичного преобразователя.

Практическая ценность работы:

1. Разработана инженерная методика модельно-управляемого проектирования цифровых вторичных преобразователей тензометрических 9 датчиков: давления, позволяющая снизить длительность разработки и повысить технические характеристики цифровых вторичных преобразователей.

2. Разработана имитационная модель структуры и алгоритма работы цифрового'вторичного преобразователя, позволяющая разрабатывать конечный автомат, необходимый , для проектирования встроенного программного обеспечения!

3. Разработана* инженерная' методика расчета чувствительности измерительного - канала- температуры, необходимой/ для коррекции? температурной погрешности тензометрического датчика давления:

4. Разработана инженерная-; методика« расчета границы, неисклю-ченной температурной погрешности; тензометрических датчиков - давления-достижимой цифровой обработкой измерительных сигналов.

5. Решена-, задача снижения трудоемкости?, настройки цифровых вторичных преобразователей;тензометрических:датчиков давления за счет использования разработанной; инженерной методикш настройки, основанной на реализации; алгоритмов- вычисления коэффициентов аппроксимирующих кривых; во встроенном программном обеспечении цифровых; вторичных преобразователей. Методика внедрена в опытное' производство тензометрических датчиков давления.

6. Предложена последовательность этапов проектирования-встроенного программного обеспечения цифровых вторичных преобразователей; связанная с использованием автоматного программирования,, позволяющая- уменьшить трудоемкость разработки встроенного программного обеспечения.

7. Разработаны, апробированы-и внедрены* в опытное производство алгоритмы коррекции нелинейности и температурной' погрешности тензометрических датчиков давления цифровыми вторичными преобразователями. Проведены испытания опытных образцов тензометрических датчиков давления, получены значения основной погрешности порядка 0,1 % и температурной погрешности порядка 0,002 - 0,005 %/°С.

На защиту выносятся:

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований функции влияния температуры на измерительный сигнал давления.

2. Способ определения структуры и синтеза алгоритма работы цифрового вторичного преобразователя, позволяющий получить минимальное значение температурной погрешности, отличающийся- комплексным исследованием структуры и алгоритма имитационным моделированием.

3. Структурно-алгоритмический способ автоматической коррекции одной из составляющих температурной погрешности датчика - температурной погрешности тока питания тензомоста — отличающийся использованием цифро-аналоговой обратной связи в структуре цифрового вторичного преобразователя.

Реализация работы и внедрение результатов:

На основе проведенных теоретических исследований и разработок внедрены в опытное производство датчики давления ДРЭ-001 и ДРЭ-003, алгоритмы коррекции нелинейности и температурной погрешности тензо-метрических датчиков давления и методика автоматизированной настройки ЦВП тензометрических датчиков давления. Результаты использовались при выполнении ОКР «Возрождение» и ОКР «МКС-Эксплуатация» в ОАО «НЕЙ физических измерений», г. Пенза.

Апробация работы:

По теме диссертации опубликовано 25 печатных работ, в том числе 4 работы в журналах их перечня ВАК. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

XXVIII Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых

11 и специалистов «Датчики и Системы-2009» (г. Пенза, 2009 г.), Международной научной конференции «Компьютерные науки и информационные технологии-2009» (г. Саратов, 2009 г.), Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления, в технических системах-2009» (г. Пенза, 2009 г.), XXIX Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Датчики* и Системы-2010» (г. Пенза, 2010 г.), Международной научно-технической конференции «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации» (г. Пенза, 2010 г.), Отраслевой научно-технический конференции приборостроительных организаций Роскосмоса «Информационно-измерительные и управляющие системы-2010» (г. Королев, 2010 г.), XXX Межрегиональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Датчики и Системы-2011» (г. Пенза, 2011 г.), Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах-2011» (г. Пенза, 2011 г.), Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Компьютерные и информационные технологии в науке, инженерии и управлении-2011» (г. Таганрог, 2011 г.).

Содержание работы:

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, 5 приложений, изложена на 181 листе, содержит 85 рисунков, 8 таблиц.

6 Выводы

6.1 Технические характеристики опытных образцов при проведении предварительных испытаний соответствуют требованиям ТЗ.

6.2 Программа предварительных испытаний СДАИ.406239.134 ПМ 2 выполнена в полном объеме.

6.3 По результатам предварительных испытаний 1 этапа (протокол № 95/15 от 12.02.2009 г.) конструкторской документации датчика разности давлений ДРЭ 001 СДАИ.406239.134 присвоена литера «О».

6.4 Объем и качество разработанной и представленной на предварительные испытания конструкторской документации достаточны для предъявления ее на согласование 2452 ВП МО.

6.3 Применяемые при проведении испытаний методики измерений и контроля параметров, стандартные и нестандартные средства измерений обеспечивают требуемую ТЗ точность измерений и контроля параметров.

7 Заключение

7.1 По результатам предварительных испытаний опытного образца датчика откорректировать конструкторскую документацию для предъявления ее на согласование 2452 ВП МО.

Федеральное агентство по образованию «Утверждаю»

Государственное образовательное ^учреждение высшего профессионального образования ^Пензенский фсу дарственный университет»(ПГУ)

Ул. Красная, д.40, г. Пенза, Россия, 440026; тел/факс: (841-2) 56-51-22; E-mail: cnit@pnzgu.ru; http://www.pnzgu.ru ОКПО 02069042, ОГРН 1025801440620, ИНН/ КПП 5837003736/583701001

СПРАВКА выдана Каткову Алексею Николаевичу в том, что его диссертационная работа «Вторичные преобразователи для тензометрических датчиков давления» выполнялась в рамках аналитической ведомственной целевой программы Министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011)»:

Мероприятие 2. Проведение фундаментальных исследований в области естественных, технических и гуманитарных наук. Научно-методическое обеспечение развития инфраструктуры вузовской науки. Наименование проекта: Проведение фундаментальных научных исследований свойств тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем при воздействии стационарных и нестационарных температур. Регистрационный номер: 2.1.2/10274.

Результаты научных исследований Каткова А.Н. использованы при написании отчётов в 2011 г.

Начальник научно-исследовательского отдела ПГУ, к. т. н., доцент

Руководитель НИР,

Зав. кафедрой «Приборостроение», д.т.н., профессор

А.П. Чепасов

В.А. Васильев

Пензенского университета

И. Волчихин 2011 г.