Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ способов коррекции погрешностей ёмкостных датчиков 12
1.1 Измерительные цепи ёмкостных датчиков 12
1.2 Систематизация способов коррекции погрешностей 19
1.3 Сравнительный анализ аналоговых и цифровых способов коррекции погрешностей датчиков
1.4 Основные результаты и выводы по главе 1 31
2 Анализ экспериментальных градуировочных характеристик емкостных датчиков давления
2.1 Анализ влияния нелинейности характеристики чувствительного элемента датчика на погрешность измерения давления.
2.2 Дополнительные аддитивная и мультипликативная погрешности измерения давления при изменении температуры окружающей среды .
2.3 Анализ влияния изменения температуры окружающей среды на линейность характеристики чувствительного элемента датчика.
2.4 Основные результаты и выводы по главе 2 - 56
3 Разработка способов цифровой коррекции погрешностей ёмкостных датчиков давления
3.1 Способ коррекции нелинейности функции преобразования датчика 57
3.2 Способ коррекции дополнительной температурной аддитивной и мультипликативной погрешностей датчика
3.3 Методика расчёта поправочных коэффициентов для цифровой коррекции погрешностей ёмкостного датчика
34 Основные результаты и выводы по главе 3 90
Практическая реализация и внедрение цифровых вторичных преобразователей для ёмкостных датчиков давления
4.1 Макетные образцы ёмкостного датчика давления 91
4.2 Опытные образцы ёмкостного датчика давления 95
4.3 Опытные образцы унифицированного модуля для преобразования 97 сигналов ёмкостных датчиков
4.4 Экспериментальные образцы высокотемпературного ёмкостного 99 датчика давления
4.5 Основные результаты и выводы по главе 4 105 Основные результаты и выводы по работе 106
Заключение 108
Перечень принятых сокращений 109
Список литературы
- Систематизация способов коррекции погрешностей
- Дополнительные аддитивная и мультипликативная погрешности измерения давления при изменении температуры окружающей среды
- Способ коррекции дополнительной температурной аддитивной и мультипликативной погрешностей датчика
- Опытные образцы унифицированного модуля для преобразования 97 сигналов ёмкостных датчиков
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из важнейших проблем датчиковой аппаратуры является обеспечение временной стабильности. Со временем, в результате неизбежных процессов старения материалов, датчики изменяют свои характеристики, в частности, искажается градуировочная характеристика датчика и появляется дополнительная погрешность, обусловленная нестабильностью чувствительного элемента (ЧЭ).
Основной проблемой при разработке ёмкостных датчиков является относительная сложность преобразования ёмкости в активный электрический сигнал, легко поддающийся измерению. Абсолютные значения ёмкости и их приращения не превышают единиц пикофа-рад, существенно влияние температуры на значения ёмкости ЧЭ. Ранее разработанные преобразователи для ёмкостных датчиков отличаются сложностью схемотехнических решений и, как следствие, ограниченной точностью.
Вторичные преобразователи для ёмкостных ЧЭ постоянно совершенствуются. Разработкой и выпуском специализированных интегральных микросхем для обработки сигналов ёмкостных датчиков занимаются такие известные зарубежные фирмы, как «Analog Devices» (США), «Xemics» (Швейцария), «Freescale Semiconductors» (США), «Acam-Messelectronic GMBH» (Германия).
Примерно с 2006 г. особое место заняли цифровые преобразователи ёмкости в код, основанные на принципе сигма-дельта модуляции с разрешающей способностью до 24 разрядов.
В развитие теории построения вторичных преобразователей для ёмкостных датчиков внесли существенный вклад такие известные учёные, как Е. С. Левшина, А. М. Туричин, П. В. Новицкий, В. П. Арбузов, Д. В. Лебедев, В. Ю. Кнеллер, П. П. Чураков, Э. К. Шахов, С. Л. Эпштейн и др.
Вместе с тем задачи повышения точности и температурной стабильности ёмкостных датчиков остаются актуальными.
Применение современной микроэлектронной базы и, в особенности цифровых процессоров, позволяет добиться существенного улучшения технических характеристик ёмкостных датчиков путём линеаризации функции преобразования и автоматической компенсации температурной погрешности.
Цель работы состоит в совершенствовании вторичных преобразователей для ёмкостных датчиков давления путём уменьшения погрешностей измерения в широком диапазоне температур и линеаризации градуировочной характеристики цифровыми методами.
Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи:
исследование характеристик ёмкостных датчиков давления, выбор и обоснование способов аппроксимации функции преобразования датчика давления и коррекции дополнительной температурной погрешности;
исследование способов цифровой коррекции нелинейности функции преобразования датчика давления и дополнительной температурной погрешности;
разработка алгоритмов цифровой автоматической коррекции погрешностей ёмкостных датчиков давления и их практическая реализация;
разработка и внедрение вторичных преобразователей для ёмкостных датчиков давления, обеспечивающих коррекцию нелинейности функции преобразования датчика и компенсацию дополнительной температурной погрешности.
Методы исследований базируются на положениях теории погрешностей, теории математической статистики, методах математического анализа, численных методах, математическом моделировании в средах MathCAD и MATLAB.
Основные теоретические положения и результаты моделирования подтверждены экспериментальными исследованиями и внедрением разработанных преобразователей в ракетно-космической и авиационной технике.
Научная новизна состоит в следующем:
-
Выбран и обоснован способ аппроксимации функции преобразования ёмкостного датчика давления кубическим сплайном.
-
Обоснован и использован метод вспомогательных измерений для автоматической цифровой коррекции дополнительной температурной погрешности ёмкостных датчиков давления.
-
Разработан алгоритм цифровой автоматической коррекции погрешности нелинейности функции преобразования ёмкостных датчиков давления.
-
Разработан алгоритм цифровой автоматической коррекции дополнительной температурной погрешности ёмкостных датчиков давления.
-
Разработаны методики расчета поправочных коэффициентов для цифровой коррекции нелинейности функции преобразования, используемые в процессе настройки датчиков при их производстве.
Практическая значимость. Основные теоретические положения диссертации использованы при разработке цифровых вторичных преобразователей, используемых в ёмкостных датчиках давления. За счёт применения автоматической цифровой коррекции снижены основная погрешность ёмкостных датчиков давления, обусловленная нелинейностью функции преобразования, и дополнительная температурная погрешность. Разработаны и реализованы в виде программного обеспечения методики расчета поправочных коэффициентов для цифровой коррекции нелинейности функции преобразования и дополнительной температурной погрешности, используемые в процессе настройки датчиков при их производстве.
На защиту выносятся:
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований нелинейности функции преобразования ёмкостных датчиков давления и обоснование аппроксимации функции преобразования кубическим сплайном.
-
Способ автоматической цифровой коррекции нелинейности функции преобразования датчика, основанный на аппроксимации функции преобразования кубическим сплайном.
-
Способ автоматической цифровой коррекции дополнительной температурной погрешности ёмкостных датчиков давления с использованием метода вспомогательных измерений.
-
Алгоритм цифровой автоматической коррекции погрешности нелинейности функции преобразования ёмкостных датчиков давления.
-
Алгоритм цифровой автоматической коррекции дополнительной температурной погрешности ёмкостных датчиков давления.
-
Результаты разработки и внедрения вторичных преобразователей для ёмкостных датчиков давления с автоматической цифровой коррекцией нелинейности функции преобразования и дополнительной температурной погрешности.
Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований получили практическое воплощение в разработанных в ОАО «НИИФИ» цифровых ёмкостных датчиках давления ДДА, ДСЕ 121, ДСЕ 122, ДАЕ 002 - в ходе выполнения работ по договорам с ОАО «ОКБ Сухого», ФГУП «НПО им. С. А. Лавочкина» и работ, выполняемых по «Федеральной космической программе России на 2006-2015 гг.» и Федеральной целевой программе «Развитие оборонно-промышленного комплекса России на 2007-2015 гг.».
Опытные образцы цифровых ёмкостных датчиков давления ДДА используются в составе системы контроля параметров шасси (СКПШ) изделия ОАО «ОКБ Сухого» при испытаниях в штатном режиме.
Опытные образцы цифровых ёмкостных датчиков абсолютного давления ДАЕ 002 предназначены для работы в составе телеметрической системы исследовательских спутников «Спектр-УФ» и «Луна-Ресурс» (ФГУП «НПО им. С. А. Лавочкина») при их эксплуатации в открытом космическом пространстве в течение всего жизненного цикла спутников.
Экспериментальные образцы вторичного преобразователя для ёмкостных датчиков давления ДСЕ 122 использовались в ОАО «НИИФИ» при отработке и испытаниях высокотемпературных датчиков давления.
Теоретические результаты работы внедрены в учебный процесс преподавания дисциплин «Датчиковая аппаратура» и «Интеллектуальные средства измерения» на кафедре «Информационно-измерительная техника» в Пензенском государственном университете, а также использованы студентами при выполнении курсовых и дипломных проектов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях: «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (г. Пенза, 2008), «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации "Измерения-2008"» (г. Пенза, 2008), «Проблемы и перспективы развития двигателе-строения» (г. Самара, 2009); на всероссийских научно-технических конференциях: «Проектирование инженерных и научных приложений в среде MATLAB» (г. Санкт-Петербург, 2007), «Перспективные системы и задачи управления» (г. Таганрог, 2008), «Инновационные технологии в экономике, информатике и медицине» (г. Пенза, 2008);
на отраслевой научно-технической конференции «Информационно-управляющие и измерительные системы-2007», (г. Королёв, 2007); на конференциях «Датчики и системы» в ОАО «НИИФИ» (г. Пенза, 2006, 2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе две работы в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объём диссертации составляет 170 листов, включая три приложения на 58 листах. Список литературы состоит из 55 наименований.
Систематизация способов коррекции погрешностей
Емкостные датчики обладают, высокой точностью и довольно низкой стоимостью. Однако разработчики, решившие использовать емкостные датчики в своей конструкции, вынуждены предусмотреть сначала преобразование емкости в напряжение, а затем преобразование этого напряжения в цифровой сигнал с помощью прецизионного1 АЦП. Сложные конструкции, временные затраты на- разработку прототипа я тестирование системы зачастую вынуждают инженеров использовать другие типы датчиков. В итоге система может оказаться более дорогостоящей, менее точной, или и то и другое сразу.
Хотя емкостные датчики часто применяются в различных устройствах, существует много вариантов их подключения, сопряженных с определенными проблемами с точки зрения схем формирования сигнала. Достаточно широкий обзор по способам преобразования и преобразователям для ёмкостных датчиков приведен в статье [29]. Однако существует новый подход -преобразование емкости в код с помощью сигма-дельта модулятора, который обычно является частью прецизионного АЦП. Сигма-дельта модулятор может работать в качестве средства прямого преобразования емкости в цифровой код. Но прежде чем более подробно рассматривать. устройство преобразователя емкости в цифровой код, необходимо уяснить, где применяются емкостные датчики.
Емкостные датчики изменяют свою емкость в зависимости от изменения какой-либо физической величины. Область их применения неуклонно расширяется - от наиболее дорогих и прецизионных промышленных и медицинских систем до простых и дешевых бытовых устройств. Емкостные датчики применяются в устройствах измерения влажности, давления и положения. Также на принципе измерения емкости основаны бесконтактные переключатели, датчики приближения, датчики отпечатков пальцев, измерители уровня жидкости, измерители свойств материалов, качества нефтепродуктов и разнообразные датчики положения [18,49].
Обычно от разработчика, пытающегося применить емкостный датчик, требуется реализовать недорогое, точное устройство, к входу которого подключается измеряемая емкость. В общем виде измерение емкости производится за счет подачи на электроды емкостного датчика тестовые сигнала. Изменения емкости датчика преобразуются в изменения напряжения, тока, частоты или длительности импульсов. Существует несколько типовых методов измерения емкости [29].
Прямой метод подразумевает заряд конденсатора от источника тока в течение определенного времени и затем измерение напряжения на конденсаторе [43]. Этот метод требует наличия прецизионного источника очень маленького тока и высокоимпедансного входа измерения напряжения.
Второй метод подразумевает использование измеряемой емкости в качестве времязадающей в RC-генераторе с последующим измерением постоянной времени, частоты или периода [17]. Этот метод прост, но обычно не обеспечивает высокой точности.
Еще один подход заключается в измерении импеданса конденсатора на переменном токе. Источник синусоидального сигнала подключается к конденсатору, при этом измеряется напряжение и ток через конденсатор. При использовании четырехпроводного логометрического подключения (при котором измеряется соотношение импедансов) и синхронного демодулятора можно получить наиболее точный результат [52]. Однако такая схема очень сложна и состоит из многих компонентов.
Наиболее распространенный метод измерения емкости прецизионного датчика с малой величиной емкости заключается в применении зарядового усилителя, который преобразует соотношение измеряемой и опорной емкостей в сигнал напряжения (рис. 1.1) [51]. Такая схема поставляется в виде специализированных микросхем и подходит для некоторых систем при больших объемах производства
Во всех описанных методиках емкость сначала преобразуется в напряжение, которое затем преобразуется в цифровой код. При помощи прецизионного аналого-цифрового преобразователя. В большинстве систем необходимо преобразование сигнала в цифровую форму. Имеется одно существенное преимущество представления сигнала в цифровой форме, даже если требуется аналоговый сигнал в виде напряжения или тока в токовой петле. Это преимущество заключается в том, что линеаризацию сигнала датчика, температурную компенсацию и калибровку гораздо легче выполнять в цифровом виде, нежели в аналоговом.
Очень важный аспект при проектировании схем с прецизионными емкостными датчиками - это способ подключения датчика к схеме. Часто бывает, что разрабатываемое устройство должно иметь весьма ограниченные размеры, и схема обработки должна быть достаточно компактной для удовлетворения этим требованиям. Иногда необходимо, чтобы датчик был подключен к вторичному преобразователю достаточно длинным кабелем. Помехи, действующие на этот кабель, могут существенно исказить сигнал с датчика, ёмкость которого зачастую составляет единицы пикофарад. Более того, если расстояние от датчика до устройства обработки сигнала слишком велико, то методы измерений, чувствительные к емкости соединительного кабеля или к токам утечки, могут оказаться совершенно неприемлемыми.
Хорошо проработанная технология сигма-дельта преобразования уже многие годы применяется в АЦП с высокой разрешающей способностью (рисунок 1.2). В обычном сигма-дельта АЦП происходит переключение конденсаторов фиксированной величины (CW, Сш) и за счет этого достигается уравнивание заряда между меняющимся сигналом на аналоговом входе (У,„) и постоянным сигналом источника опорного напряжения (Vref). Компаратор определяет знак напряжения на выходе интегратора, полученный в каждом такте тактового генератора, задающего частоту модуляции. Как правило, частота тактового генератора составляет порядка десятков килогерц. Цепь обратной связи работает таким образом, что сигнал на выходе интегратора возрастал, если выход компаратора в логическом «нуле», и убывал, если в логической «единице». Изменения на выходе интегратора детектируются компаратором, который за счёт изменения полярности напряжения на конденсаторах CREF И Cm пытается удержать значение напряжения на выходе интегратора на уровне нуля вольт. Поток логических «единиц» и «нулей» поступает на вход цифрового фильтра, который представляет их в виде цифрового кода. Примеры сигналов, вырабатываемых сигма-дельта модулятором, представлены на рисунке 1.3 [54].
Дополнительные аддитивная и мультипликативная погрешности измерения давления при изменении температуры окружающей среды
Ранее разработанные принципы линеаризации статической функции преобразования емкостных датчиков основаны на свойствах относительных или логометрических преобразований типа С0/Сх, (Сх-С0)/Схдля квазидифференциальных датчиков, либо (Сх1 -Сх2)/(Сх1 + Сх2) для дифференциальных [2, 27, 49]. Эффективность такой линеаризации определяется в основном возможностями технологии изготовления чувствительного элемента емкостного ПП, так как напрямую зависит от одинаковости геометрических размеров рабочей {Сх,Сх1,Сх2) и опорной (С0) емкостей.
Схемотехническая реализация подобных относительных преобразований достаточно громоздка и сложна, является источником дополнительных погрешностей и снижает общую точность датчика.
При построении аналого-цифровых преобразователей, основанных на времязадающих свойствах ёмкости, широко используются интегрирующие преобразователи «напряжение-частота» и сигма-дельта модуляторы [14].
В 2006 году появился ряд зарубежных публикаций [29] по использова нию подобных принципов в емкостных датчиках. Одновременно в НИИФИ началась проработка вариантов построения высокоточных датчиков давления с цифровым выходом. Первоначальная оценка показала высокую эффективность сигма-дельта- преобразования,1. которая в сочетании с переменной емкостью дает потенциальную точность прямого преобразования «емкость-код» в одну единицу 19-разрядного цифрового кода.
Современный подход к разработке прецизионных датчиковдавления и мировые тенденции развития в данной области привели к реализации цифрового емкостного датчика, в котором весь тракт преобразования, включая преобразование емкости и дальнейшие операции с измерительной информацией, осуществляются в цифровом виде в микроконтроллере, встроенном в датчик [3].
В настоящее время при непосредственном участии автора разработан и прошел испытания емкостный датчик избыточного давления с использовани ем сигма-дельта- модулятора в составе интегральной схемы AD7746. Максимальное значение выходного кода составляет 24 разряда. Эффективное количество разрядов «без дрожания» - 19. Потенциальная точность (разре шающая способность) датчика на основе сигма-дельта преобразования составляет 0,0005 % [12]. Блок-схема датчика представлена, на рисунке 3.1. Датчик состоит из чувствительного элемента и двух плат с электрически перепрограммируемым преобразователем «ёмкость-код» (ПЕК) AD7746 {Analog Devices, США) и микроконтроллером (МК) C8051F007 {Silicon Laboratories, США) [48].
ПЕК реализует преобразование значения измерительной ёмкости Сх в эквивалентный ей код методом дельта-сигма преобразования с последующей фильтрацией полученного результата. Настройка параметров ПЕК (коэффициент усиления, время; преобразования, уровень начального смещения выходного кода, частота внутреннего генератора и т.д.) осуществляется про граммно путём записи цифрового кода регулируемого параметра в соответствующие регистры микросхемы ПЕК по последовательному 2-проводному цифровому интерфейсу 12 С.
МК предназначен для программирования микросхемы ПЕК с использованием персонального компьютера через разъём по интерфейсу JTAG, аналого-цифрового преобразования выходного напряжения датчика температуры ДТ для управления термостатом и цифровой обработки полученной измерительной информации. Цифровая обработка включает в себя цифровую фильтрацию измерительного сигнала, корректировку аддитивной и мультипликативной составляющих температурной погрешности- датчика, линеаризацию его передаточной функции и нормирование диапазона выходного кода.
Анализ публикаций по проблеме линеаризации градуировочной характеристики цифровых датчиков показал, что данная задача фактически сводится к оптимальной аппроксимации реальной статической функции преобразования датчика как функции измеряемого воздействия [3], [32].
Проработка возможных методов аппроксимащш экспериментальных данных, наиболее полно и точно аналитически описывающих характерные для ёмкостных ЧЭ гиперболические зависимости (рисунок 3.3) , определила выбор аппроксимации кубическим сплайном [4].
Способ коррекции дополнительной температурной аддитивной и мультипликативной погрешностей датчика
Рассмотренный способ линеаризации применим и к другим типам датчиков (теюорезистивным, индуктивным и т. д.), обладающим нелинейностью градуировочной характеристики [5]. При этом определяющими факторами в обеспечении высокой точности датчика будут являться стабильность (повторяемость) градуировочной характеристики ЧЭ датчика и класс точности градуировочного оборудования.
Способ коррекции дополнительной температурной аддитивной и мультипликативной погрешностей датчика
Реалгоация метода коррекции дополнительной температурной погрешности - более сложная комплексная задача, так как исходная градуировочная характеристика датчика является функций воздействующей температуры и измеряемого давления одновременно [3]. Из. анализа публикаций по данной проблеме [21, 37] наиболее перспективным и целесообразным с точки зрения использования в датчиках с микропроцессорной обработкой измерительной информации был выбран метод вспомогательных измерений [21]. Для этого необходимо наличие в составе датчика термозависимого элемента (датчика температуры, либо наличие сигнала, косвенно связанного с температурой ЧЭ). С этой целью в корпус ЧЭ был установлен бескорпусной диод, вольтам-перная характеристика которого функционально связана с температурой. Питание диода осуществляется стабилизированным напряжением. Напряжение на диоде оцифровывалось с помощью АЦП, входящем в состав преобразователя «ёмкость-код» и считывалось каждый раз микропроцессором одновременно с кодом NwpM.
Полученные в ходе экспериментальных испытаний датчиков градуиро-вочные характеристики при различных температурах во всём диапазоне рабочих температур заносятся в ЭВМ для обсчёта индивидуальных характеристик влияния температуры. В итоге вычисляются две функции:
Значения аргументов, входящих в выражения (3.8) и (3.9), получаются экспериментальным путём при настройке датчиков.
Полученные зависимости AN N,) и Ж(7/() по той же методике, что и градуировочная характеристика датчика при +25 С, аппроксимируются кубическим сплайном. Коэффициенты сплайна рассчитываются в среде MathCAD с использованием функций МАТЬАВ. Эти коэффициенты, а также значения JV, в заданных точках температуры, записываются в ПЗУ датчика, где во время его работы микропроцессор по заданной программе вычисляет текущие корректирующие значения AN0(NI) и M(N,). На их основе вводится поправка в значение кода NmpJNt), полученное в рабочих условиях. Выражение, согласно которому происходит ввод поправки на дополнительную температурную погрешность (коррекция дополнительной температурной погрешности) имеет вид:
Разработанные автором алгоритмы подпрограммы коррекции дополнительной температурной погрешности датчика и подпрограммы расчёта поправочных коэффициентов для микроконтроллера датчика приведены, соответственно, на рисунках 3.7 а и 3.7 б. Написанный автором текст подпрограмм цифровой коррекции погрешностей ёмкостного датчика давле ния на языке Си для микроконтроллеров типа C8051FOxx (ф. Silicon Labs, США) семейства MCS-51 приведён в приложении Б. Работа по этим алгоритмам понятна из предыдущего изложения и не нуждаются в дополнительных комментариях.
Алгоритм цифровой коррекции погрешностей, реализованный в программе для микропроцессора датчика, в общем виде представлен на рисунке 3.8.
Полученные в результате применения данной методики значения дополнительной температурной погрешности не превысили ±0,4% на весь диапазон рабочих температур от минус 60 С до +60 С (+0,03%/10С). Таким образом, при использовании данной методики для коррекции дополнительной температурной погрешности её удалось снизить в 40 раз и достичь значений, которых добиться традиционными конструктивно-технолопгческими или схемотехническими методами аналоговой обработки сложно. ( Вход J
Методика была реализована автором в среде MathCAD с использованием функций MATLAB. Для расчета коэффициентов сплайна в среде MATLAB использовалась функция « csape » - интерполяция кубическим сплайном в кусочно-полиномиальной форме с различными граничными условиями.
Ниже представлена методика расчёта поправочных коэффициентов, реализованная в среде MathCAD, которая используется при настройке цифровых ёмкостных датчиков давления для коррекции их погрешностей. Значения основных переменных и констант в программе для MathCAD отличается от принятых в тексте диссертации. Соответствие между принятыми условными обозначениями, при необходимости, приведено в соответствующих пунктах методики.
1 Задание входных аргументов для расчёта коэффициентов «С» сплайна в среде MATLAB [20] для линеаризации градуировочной характеристики, где «у» - выходной линейный код датчика N6ax, соответствующий заданным точкам давления «Р»; «dot»- выходной нормированный код NnapM преобразователя AD11A6, соответствующий заданным точкам давления «Р». Значения «dot» получаются при градуировании датчика в ходе настройки.
Опытные образцы унифицированного модуля для преобразования 97 сигналов ёмкостных датчиков
МК предназначен для программирования микросхемы ПЕК с использованием персонального компьютера через разъём по интерфейсу JTAG, аналого-цифрового преобразования выходного напряжения датчика температуры ДТ для управления термостатом и цифровой обработки полученной измерительной информации. Цифровая обработка включает в себя цифровую фильтрацию измерительного сигнала, корректировку аддитивной и мультипликативной составляющих температурной погрешности датчика, линеаризацию передаточной функции датчика и нормирование диапазона выходного кода.
Линеаризация и нормирование передаточной характеристики датчика проводятся путём её описания кубическим сплайном, постоянные коэффициенты которого записываются в память МК.
Благодаря цифровой обработке измерительного сигнала с помощью МК удалось добиться значения дополнительной температурной погрешности не более +0,315 % во всём рабочем диапазоне температур датчика. Основная приведенная погрешность опытных образцов ДДА составляет не более ±0,12%, что было достигнуто за счёт более точной аппроксимации градуиро-вочной характеристики датчика, кубическим сплайном по сравнению с полиномиальной аппроксимацией.
Программа, методика и акт предварительных испытаний опытных образцов датчиков ДДА приведены в приложении А.
Опытные образцы датчиков ДДА применяются в составе системы контроля параметров шасси (СКШП) изделия ОАО «ОКБ Сухого» (копия акта внедрения приведена в Приложении В).
При отработке ёмкостных датчиков давления возникла потребность в создании унифицированного (универсального) модуля, способного работать с наиболее распространёнными типами ёмкостных датчиков и позволяющего программно подстраивать параметры его измерительного канала в зависимости от характеристик- подключаемого датчика. В ходе выполнения ОКР «Возрождение» (г/к №783-5702/09, дог. №633-09) в рамках «Федеральной космической программы (ФКП) на 2006-2015 гг.» автором был разработан унифицированный преобразователь МИФ 3 нормализации сигналов ёмкостных датчиков, способный работать не только с ЧЭ, состоящими из одной ёмкости, но и с квазидифференциальными. При этом начальная ёмкость датчика может быть в диапазоне 2...4 пФ, а е приращение - до 50 % от начальной ёмкости.
МИФ 3 состоит из ИМС AD7746, МК, модуля термостатирования и модуля интерфейса RS-485. Выходной сигнал представляется в виде цифрового последовательного 12-разрядного кода, передаваемого через 2-х проводной цифровой интерфейс RS-485.
В модуле также реализован температурный канал, позволяющий производить автоматическую цифровую температурную коррекцию сигналов ЧЭ по методикам, разработанным в ходе выполнения диссертационной работы. При этом ЧЭ может располагаться на кабельной перемычке.
Модуль МИФ 3 легко стыкуется с ПК через специальный адаптер (преобразователь интерфейса RS-485 - RS-232), который подключается к СОМ-порту ПК [14].
Особый интерес с практической точки зрения представляют ёмкостные датчики, соединяемые с преобразователем через кабельную перемычку. Это обусловлено широкими эксплуатационными возможностями и преимуществами ёмкостных ЧЭ перед другими типами первичных преобразователей. В первую очередь это широкий температурный диапазон, вибрационная стойкость, временная стабильность. И в этих случаях, как правило, электронный вторіяньїй преобразователь не совместим по эксплуатационным характеристикам с ЧЭ [13]. Поэтому моноблочное исполнение датчика недопустимо. В результате в ходе выполнения ОКР «Возрождение» в рамках «ФКП на 2006 2015 гг.» при участии автора бьш разработан высокотемпературный ёмкостный датчик давления ДСЕ 122.
Конструктивно ДСЕ 122 состоит из ЧЭ и вторичного преобразователя ВП, разработанного автором, соединенных между собой кабельной перемычкой длиной 1,5 м.
Датчик ДСЕ 122 обеспечивает измерение давления в диапазонах: 0-1; 0 - 2; 0 - 4; 0 - 5,6; 0 - 8; 0 - 11; 0 - 16; 0 - 22; 0 - 30; 0 - 45; 0 - 60; 0 - 90 МПа.
Вид выходного сигнала - нормированный цифровой 12-ти разрядный последовательный двоичный код, передаваемый по интерфейсу RS-485, функционально связанный линейной зависимостью с измеряемым давлением, находящийся в пределах от 500 до 3500 ед.
ЧЭ в зависимости от исполнения, предназначен для работы при температурах измеряемой среды от минус 196 до + 60 С и от минус 40 до + 150С. ВП предназначен для работы при температурах от минус 40 до + 60С.
Основная приведённая погрешность ДСЕ 122 находится в пределах от ±0,1% до ±0,15% в зависимости от диапазона измерений, дополнительная погрешность ДСЕ 122 в условиях эксплуатации - не более ± 1,0%, что подтверждено результатами соответствующих испытаний и положительными их результатами.
П состоит из двух модулей питания - МДМ5-2В1212МП и 142ЕН12. Модуль питания МДМ5-2В1212МП предназначен для питания стабилизированным гальванически развязанным напряжением аналоговой и цифровой части ВИП. В данном случае модуль питания необходим для выработки стабилизированного напряжения ±12 В. Регулируемый стабилизатор напряжения 142ЕН12 предназначен для получения напряжения +3 (В) для питания микропроцессора и микросхемы AD7746.
Перепрограммируемый преобразователь «ёмкость-код» (AD7746 ARUZ), реализует преобразование вида N, =К-[С0 -Cx]+N0 где Кеш: - выходной код, К - коэффициент, индивидуальный для каждого датчика, Сс -значение опорной емкости чувствительного элемента, сохраняющейся относительно постоянной в процессе измерения давления; Са - значение емкости чувствительного элемента, динамически изменяющейся при изменении давления.
Ниже приведена таблица 4.1 сравнительных характеристик ёмкостных датчиков, в которых применены разработанные вторичные преобразователи и способы коррекции нелинейности функции преобразования и температурной погрешности, с лучшими отечественными и зарубежными аналогами.
Результаты диссертационной работы внедрены в датчиках давления ДСЕ 121, ДСЕ 122, ДАЕ 002 и модуле МИФ 3, разработанных в ОАО «НИИФИ» при непосредственном участии автора, что подтверждено соответствующими актами о внедрении (копии актов внедрения приведены в Приложении А).
Похожие диссертации на Цифровые вторичные преобразователи для ёмкостных датчиков давления
