Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ особенностей обработки сигналов в трансформаторных растровых измерителях перемещения
1.1 Принцип действия и особенности конструкции датчиков 11
1.2 Особенности обработки выходных сигналов датчиков 20
1.3 Анализ факторов, влияющих на работу измерителей перемещения 22
1.4 Основные результаты и выводы 28
2 Выбор и обоснование требований к вторичным преобразователям трансформаторных растровых измерителей перемещения
2.1 Разработка имитационной модели трансформаторного растрового измерителя перемещения
2.2 Анализ влияния параметров отдельных узлов на погрешности измерения перемещения
2.3 Анализ влияния частичных отказов на работу измерителей перемещения
2.4 Основные результаты и выводы 50
3 Разработка способов повышения метрологической надежности и точности трансформаторных растровых измерителей перемещения
3.1 Способы уменьшения влияния частичных отказов датчика 52
3.2 Способы повышения точности измерения 61
3.3 Основные результаты и выводы 78
4 Практическая реализация и внедрение вторичных преобразователей для трансформаторных растровых измерителей перемещения
4.1 Лабораторный макет вторичного преобразователя 80
4.2 Макетные образцы вторичного преобразователя 91
4.3 Вторичный преобразователь для универсального измерителя перемещений
4.4 Основные результаты и выводы "
Основные результаты и выводы по работе 102
Заключение 104
Перечень принятых сокращений 105
Список литературы 106
- Особенности обработки выходных сигналов датчиков
- Анализ влияния параметров отдельных узлов на погрешности измерения перемещения
- Способы повышения точности измерения
- Макетные образцы вторичного преобразователя
Введение к работе
Уровень качества современных информационно-измерительных и управляющих систем в значительной степени определяется используемыми в них датчиками [18]. Не случайно мировой рынок всех сенсорных устройств (датчиков) оценивается в 15-30 миллиардов евро / год. Текущий рост продаж датчиков составляет 14% в год [53]. Особенно актуально расширение применения датчиков и построенных на их основе систем контроля, измерений, диагностики и управления в таких наукоемких областях техники, как атомная энергетика, авиация, ракетно-космическая техника, вооружение и военная техника (ВВТ).
Необходимость поддержания высокой надежности и безаварийности сложных образцов ВВТ вынуждает разработчиков увеличивать число контролируемых параметров и, как следствие, применять большое количество разнообразных датчиков физических величин. Роль датчиков является определяющей в любой измерительной системе, от их характеристик все в большей мере зависят работоспособность, надежность и боевая эффективность различных видов оружия и современной техники. Межвидовая комплексная целевая программа «Датчики ВВТ» на 2006-2015 гг. является базовой для межведомственного применения рядов унифицированных интеллектуальных датчиков, преобразователей физических величин и компонентов датчиков [29].
Современная и перспективная ракетно-космическая техника требует качественно иной цифровой, интеллектуальной датчиковой аппаратуры, строящейся на новых физических принципах измерений, новых конструкционных, функциональных материалах с использованием критических приборостроительных технологий, новых электронных аналоговых и цифровых компонентов. В Федеральной космической программе России на 2006-2015 гг. проблемам и задачам датчикостроения уделено повышенное внимание [21].
Актуальной задачей при отработке новых типов изделий ракетно-космической и военной техники, создании систем автоматики и контроля технологических процессов в металлургии, химической промышленности и других областях народного хозяйства является измерение линейных и угловых перемещений. Важное место в общей номенклатуре первичных преобразователей перемещений занимают электромагнитные, а именно взаимоиндуктивные (трансформаторные) датчики перемещений [13]. Они отличаются такими достоинствами, как высокая надёжность в жёстких условиях эксплуатации, относительно малый вес, широкий диапазон измеряемых перемещений, линейность функции преобразования, отсутствие гальванической связи между цепями питания и измерительными цепями, достаточно высокая точность измерений, простота в изготовлении и эксплуатации [28].
В настоящее время в ракетно-космической и, особенно, в авиационной технике для измерения перемещений широко используются трансформаторные датчики различных конструктивных [30, 25] исполнений, что снижает их серийноспособность, повышает цену, требует различных вторичных преобразователей (ВП). Используемые датчики имеют ряд недостатков, например, сельсины сложны в изготовлении, не удовлетворяют возросшим требованиям по точности и массогабаритным показателям; потенциометрические датчики, вследствие наличия скользящего электрического контакта, имеют ограниченный ресурс и низкую виброустойчивость; диапазон измерения бесконтактных трансформаторных и токовихревых датчиков линейных перемещений зависит от их массогабаритных показателей. Кроме того, все вышеперечисленные датчики имеют ограниченный диапазон рабочих температур и достаточно высокую
температурную погрешность 0,01% на 1 С [33].
Совершенствования характеристик трансформаторных датчиков перемещений удалось добиться при использовании в их конструкции
растровых комбинационных сопряжений [1]. Трансформаторные растровые
датчики, перемещения (ТРДП) работоспособны при температурах
окружающей среды от - 60 С до + 200 С, обладают высокой стабильностью,
точностью измерений, надежностью и малыми габаритными размерами, не зависящими от диапазона измерения [34].
Разработкой и выпуском датчиков занимаются такие известные зарубежные фирмы, как «Philips», «National Semiconductor», «Texas Instraments», «Klixon», «Honeywell»; отечественные фирмы «НИИ физических измерений», «Метран», «Элемер», «Рэлсиб» и ряд других. Большой вклад в развитие теории и практики построения датчиков физических величин, вторичных преобразователей и методов обработки электрических сигналов в них внесли работы коллективов отечественных ученых, возглавлявшихся Д.. И. Агейкиным, B.C. Гутниковым, Н.Е. Конюховым, К.Л. Кулаковским, Е.А. Ломтевым, А.И. Мартышиным, Е.А. Мокровым, Е.П. Осадчим, А.В. Фремке, Э.К. Шаховым, В.М. Шляндиным и их учениками.
Впервые применение принципа растра в трансформаторных датчиках предложено в 80х годах прошлого века в Самарском аэрокосмическом университете (в то время Куйбышевский авиационный институт) Николаем Евгеньевичем Конюховым и его сотрудниками [1, 2]. Там же разработана теория проектирования ТРДП [15, 16, 32]. Трансформаторные растровые датчики- линейных и угловых перемещений освоены промышленностью и выпускаются для нужд ракетно-космической техники и ВВТ Федеральным государственным предприятием «НИИ физических измерений» [14].
Однако принципы построения вторичных преобразователей для ТРДП, заложенные в 80х годах прошлого века [15] остаются практически неизменными. Вместе с тем развитее микроэлектронной базы и в особенности цифровых сигнальных процессоров [47, 54, 49] позволяет добиться существенного улучшения технических характеристик измерителей
перемещения.
Целью работы является совершенствование измерителей перемещения на основе трансформаторных растровых датчиков за счет использования современных информационных технологий во вторичных преобразователях.
Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи:
Особенности обработки выходных сигналов датчиков
Во вторичных преобразователях ТРДП используется амплитудно-логический способ обработки сигналов [15]. Временные диаграммы огибающих напряжений щ, щ, щ и щ на четырех обмотках считывания датчика представлены на рисунке 1.10. Участки квантования отличаются друг от друга соотношением значений амплитуд напряжений на обмотках считывания. Например, на участке Кз (на рисунке 1.10 заштрихован) иі щ щ и\.
Во вторичном преобразователе (рисунок 1.11) обмотка возбуждения ТРДП запитывается от источника синусоидального тока ИСТ. В [15] предлагается использовать ток пилообразной формы для упрощения обработки сигналов. Однако длина линии связи от датчика до ВП на практике может составлять несколько сот метров. Распределенные емкость, индуктивность и активное сопротивление линии связи вызывают значительное искажение сигналов такой формы в отличие от сигналов синусоидальной формы. Поэтому в дальнейшем будет рассматриваться работа ВП только с синусоидальными сигналами.
Напряжения щ, гі2, щ и щ с обмоток считывания ТРДП подаются в амплитудно-логическое устройство АЛУ на входы узлов сравнения УСь УС2, УСз, УС4. УС] сравнивает напряжения щ и щ, УС2 — щи г/2, УСз — г/2 и щ, УС4 — щ и щ. Опрос узлов сравнения проводится в моменты максимумов напряжения несущей частоты. По результатам сравнения осуществляется "опознание" участков квантования К\, Кг, ..., Kg внутри периода Г изменения амплитуд выходных сигналов. В таблице 1.1 в зависимости от номера участка квантования приведены соотношения амплитуд сигналов (признак участка квантования), соответствующие выходные коды узлов сравнения 1, 2, 3, 4 и десятичный эквивалент позиционного двоичного кода (веса разрядов приняты 8-4-2-1) для удобства анализа.
Дешифратор позиционного выходного кода узлов сравнения ДПК фиксирует моменты изменения кода. При переходе на соседний участок квантования пропорциональный перемещению код, записанный в реверсивный счетчик PC, изменяется на единицу. То есть в целом измеритель перемещений работает по принципу сигма-дельта АЦП.
С целью определения требований к вторичному преобразователю, необходимых для проектирования и реализации в нем современных достижений информационно-измерительной техники и микроэлектроники, требуется выявить и провести анализ факторов, влияющих на основные метрологические и технические характеристики измерителей перемещений. Все факторы, влияющие на работу и метрологические характеристики измерителей перемещений на базе ТРДП можно разделить на 3 группы: - первая группа факторов связана с конструкцией и технологией изготовления собственно датчиков; - вторая группа факторов обусловлена условиями эксплуатации измерителей перемещений; - третью группу составляют факторы, связанные со способом обработки выходных сигналов датчиков и характеристиками узлов ВП.
К первой группе следует отнести не идентичность магнитной цепи обмоток возбуждения, обусловленную особенностями конструкции датчика, не идентичность обмоток считывания, неоднородность магнитных свойств используемых материалов и отклонения в пределах допуска на изготовление геометрических размеров деталей датчика [44]. Достаточно отметить, что в новом поколении ТРДП размеры зубцов магнитной системы уменьшены до 0,3 мм при допуске на изготовление + 15%, а радиальный зазор между зубцами статора и ротора составляет 0,005 мм.
Не останавливаясь отдельно на влиянии каждого из факторов, так как это выходит за рамки поставленных в работе задач, рассмотрим только их последствия, которые необходимо учитывать при проектировании ВП. Это разный уровень напряжения несущей частоты и глубины модуляции в обмотках считывания и изменение их в зависимости от взаимного расположения статора и ротора в пределах одного оборота, отклонение фазовых сдвигов огибающих напряжений от идеального значения, рассчитываемого как 2%1п (п — количество обмоток считывания).
В качестве примера в таблице 1.2 и на рисунке 1.12 приведены результаты экспериментальных исследований макетного образца датчика угловых перемещений ПУИ 065, проведенные совместно с автором в ФГУП «НИИ физических измерений».
Измерители перемещений на основе ТРДП предназначены для использования в тяжелых условиях эксплуатации [7, 9]. В процессе работы измерители перемещения, особенно датчики, могут подвергаться воздействию высоких температур, высокой влажности, вибрациям, ускорениям и ударам. В случае применения в бортовой аппаратуре они относятся к группе невосстанавливаемой, необслуживаемой и неремонтируемой техники [8]. В этих условиях возможно изменение магнитных свойств материалов и появление перекосов ротора относительно статора, приводящих к недопустимому изменению уровня и/или глубины модуляции напряжений на обмотках считывания. Возможно также появление частичных отказов типа обрыва одной или нескольких обмоток считывания.
Во вторичном преобразователе влияние на работу измерителя перемещения оказывают коэффициенты передачи, смещения по постоянному току, шумы и сдвиги фаз в каналах напряжений щ, щ, Щ и щ, способ
Под частичным отказом понимается отказ, до устранения которого остается возможность частичного использования изделия. Полный отказ — отказ, до устранения которого использование изделия по назначению становится невозможным [35]. организации сравнения напряжений, разрешающая способность узлов сравнения, задание момента их опроса и способа обработки выходного позиционного кода.
Сравнительный анализ уровня критически важных технологии США и России, представленный в виде диаграммы на рисунке 1.13 [20] позволяет сделать вывод о том, что наиболее заметно отставание в уровне развития технологий «Механическая обработка» и «Информационные системы». Это отставание естественно сказывается и на уровне развития датчиковой аппаратуры и в тоже время указывает на главные пути ее совершенствования. Развитие технологии «Механическая обработка» требует больших капиталовложений. Ее сдерживают существующие экономические условия.
Анализ влияния параметров отдельных узлов на погрешности измерения перемещения
Разработанная в разделе 2.1 SlMULINK-модрпь позволяет оценить влияние на результаты измерения параметров практически всех элементов измерителя перемещения на базе ТРДП. Для этого параметры блоков модели следует изменять в соответствие со значением фактора, влияние которого оценивается. И, наоборот, с использованием модели можно оценить диапазон изменения значений факторов, влияющих на результаты измерения, при котором сохраняются основные метрологические характеристики измерителя. Проведем такой анализ. Оценка максимально возможной скорости изменения перемещения.
Очевидно, что измеритель сохраняет свои метрологические характеристики до тех пор, пока на каждом участке квантования происходит не менее одного сравнения напряжений, снимаемых с обмоток считывания.
В модели (рисунок 2.1) частота/Q несущего колебания должна не менее чем в восемь раз превосходить частоту F модулирующих колебаний: /о 8F. В случае нарушения данного условия номер N шага растра, на котором появляется первая дополнительная погрешность измерения, можно определить из соотношения (N +1 )fo=%NF.
Из графиков видно, что погрешность измерения возрастает по мере увеличения перемещения. На четвертом участке квантования появляется пропуск одного шага, а на восьмом - второго. При этом погрешность измерения на пятом участке квантования может составлять в зависимости от взаимного положения ротора и статора ТРДП в момент начала измерения от полутора до двух Ахк, а на девятом - от двух с половиной до трех. При необходимости измерения перемещения, изменяющегося с высокой скоростью, можно предложить два способа предотвращения накопления погрешности по мере увеличения значения перемещения.
Во-первых, можно производить вычисление скорости изменения перемещения, и в случае превышения значения /таХэ определяемого выражением 2.2 вводить коррекцию показаний после N шагов квантования, где Л7" рассчитывается по формуле 2.3.
Во-вторых, можно перейти от счета числа участков квантования к использованию кода номера участка для формирования отсчета в пределах одного периода растрового сопряжения. При переходе с участка Kg на участок К) и наоборот (в зависимости от направления изменения перемещения в сторону возрастания или в сторону убывания) значение последнего кода должно сохраняться, и далее на следующем периоде растрового сопряжения новые коды номера участков квантования суммируются (вычитаются) с сохраненным значением. В этом случае пропуск участка не приводит к накоплению погрешности. Результат корректируется введением кода номера нового участка квантования. Погрешность измерения не превосходит значения, рассчитанного по формуле 2.4, в которой N определено из выражения 2.3.
Анализ влияния изменения глубины модуляции напряжений на обмотках считывания. Изменение глубины модуляции напряжений на обмотках считывания может явиться следствием как изменения магнитных свойств материала ротора и статора при старении или экстремальных температурных воздействиях, так и изменения взаимного расположения деталей ТРДП из-за ударов, вибраций, ускорения и т.п.
При моделировании производилось поочередное и совместное изменение амплитуды модулирующих сигналов относительно номинального значения в пределах десятикратного увеличения и уменьшения от 0,002 В до 0,2 В. Результаты моделирования показали, что погрешность измерения не выходит в этих условиях за пределы ± 2Агк. Это логично, так как не зависимо от глубины модуляции хотя бы одно сравнение напряжений на протяжении участка квантования реализуется, а за счет неравенства огибающих напряжений и\, И2, щ и щ происходит изменение протяженности участков квантования — одни участки расширяются, а другие сужаются.
Однако, на фоне шума, имитирующего зону нечувствительности узлов сравнения, изменение амплитуды модулирующих сигналов-возможно только в пределах пятикратного изменения. В дальнейшем появляются пропуски участков квантования, и наблюдается накопление погрешности по мере увеличения перемещения.
Таким образом, при проектировании ВП не следует уделять особого внимания поддержанию равного уровня глубины модуляции в каналах, хотя в ранее использованных преобразователях предусматривалась такая подстройка вторичного преобразователя путем подбора номинала резисторов, включенных последовательно с обмотками считывания. Для снижения влияния зоны нечувствительности узлов сравнения может быть использовано обычное предварительное усиление напряжений щ, щ, щ и щ.
Сделанные выводы подтверждены в процессе лабораторных испытаний дифференциальной нелинейности датчиков угловых перемещений с шагом квантования 1 15 , проведенных в «НИИ физических измерений» совместно с автором. В процессе проведения исследований определялся угол поворота ротора датчика, при котором происходил переход с одного участка квантования на соседний.
Способы повышения точности измерения
В разделе 1 показано, что при существующем уровне технологии механической обработки резервы повышения точности и уменьшения шага квантования измерителей перемещения на основе ТРДП практически исчерпаны. Улучшение этих характеристик возможно за счет использования новых алгоритмов обработки информации во вторичном преобразователе. Для этих целей автором предложены два пути совершенствования ВП [42].
В первом варианте во вторичном преобразователе формируются напряжения, с помощью которых участки квантования разбиваются на более мелкие, что эквивалентно созданию дополнительной электронной сетки растра [41]. В целом же принцип сигма-дельта АЦП сохраняется.
Во втором варианте предложено для получения младших разрядов результата измерения дополнительно использовать измерение мгновенных значений огибающих напряжений на обмотках считывания с последующим расчетом по ним текущих значений фаз огибающих, пропорциональных перемещению. Рассмотрим эти варианты.
В первом варианте для получения дополнительных отсчетов перемещения внутри участков квантования необходимо сформировать напряжения, аналогичные снимаемым с обмоток считывания ТРДП, у которых значения начальных фаз огибающих находятся в интервале между значениями начальных фаз огибающих напряжений щ, U2, щ, щ. Для формирования таких напряжений может быть использовано аналоговое суммирование сигналов, снимаемых с двух соседних обмоток ТРДП.
Для правильной работы узлов сравнения требуется, чтобы амплитуда и коэффициент модуляции вновь сформированного напряжения щ были бы равны амплитудам и коэффициентам модуляции напряжений на обмотках считывания.
Для выделения вновь образованных участков необходимо дополнительно добавить четыре узла сравнения напряжений. При этом следует обратить внимание на то, что требования к точности поддержания уровня несущих колебаний и глубины модуляции напряжений возрастают в два раза. Точки равенства огибающих напряжений и\2 и ш, расположены выше и ниже точек равенства огибающих напряжений «і и щ и делят интервалы между максимумом огибающей и точкой равенства и\2 и щ и между минимумом огибающей и второй точкой равенства и\2 и щ пополам. Уменьшается также в два раза максимально возможная скорость изменения перемещения, так как на каждом участке квантования необходимо проведение дополнительных операций сравнения сигналов.
Обмотка возбуждения РТДП питается от источника синусоидального тока ИСТ. Напряжения щ, ii2, щи щ с обмоток считывания датчика подаются в амплитудно-логическое устройство АЛУ. В аналоговом сумматоре АС, выполненном на операционном усилителе с отрицательной обратной связью по напряжению, напряжения щи щ складываются. Выходное напряжение АС также подается на вход АЛУ. Резисторы R\ и R задают номинальные значения, соответственно, напряжения смещения нуля, подаваемого от источника напряжения смещения ИНС, и коэффициента модуляции. Подстроечные резисторы Rp\ и Rp2 служат для точной настройки соответственно, напряжения смещения нуля и коэффициента модуляции. Опрос узлов сравнения АЛУ проводится в моменты максимумов напряжения несущей частоты, задаваемые формирователем импульсов опроса ФИО. Дешифратор позиционного кода ДПК производит идентификацию участков квантования К\, К2, ..., Kg и фиксирует моменты изменения кода. При переходе на соседний участок квантования записанный в реверсивный счетчик PC код, пропорциональный перемещению, изменяется на единицу.
Дальнейшее повышение точности измерения перемещения требует формирования дополнительно полной электронной сетки напряжений. Для ТРДП с четырьмя обмотками считывания нужно сформировать напряжения U\2=u\+ii2 , u\4=u\+U4 , и2Ъ и2+иъ и 34 3 + 4. Таким образом, сдвиг фаз между огибающими сигналов двух соседних каналов (ранее имевшихся, снимаемых с обмоток считывания, и вновь сформированных) будет составлять 7i/4.
Кроме этого требуется сформировать хотя бы один сигнал со сдвигом фаз огибающей относительно уже имеющихся на 7т/8. Такой сигнал может быть получен, например, путем сложения напряжений и \ и и \ 2.
Таким образом, шаг квантования измерителей перемещений может быть уменьшен уже в четыре раза относительно исходного. Однако аппаратурные затраты при этом значительно возрастают. Для формирования дополнительной электронной сетки напряжений требуется пять аналоговых сумматоров напряжений с подстройкой коэффициента передачи и смещения нуля. Для попарного сравнения всех напряжений требуется количество узлов сравнения, определяемое числом сочетаний из девяти по два, то есть 144 узла сравнения. Естественно, количество узлов сравнения можно минимизировать, но оно при этом окажется все равно достаточно большим.
Кроме того, требования к точности поддержания уровня несущих колебаний и глубины модуляции напряжений возрастут также в четыре раза. В четыре раза уменьшается максимально возможная скорость изменения перемещения.
Проведенный анализ позволяет сделать вывод о том, что рассмотренный способ повышения точности измерителей перемещений на , основе ТРДП рационально использовать для повышения точности только в два раза.
Во втором варианте требуется введение в состав ВП многоканального аналого-цифрового преобразователя, или использование микроконтроллера, оснащенного АЦП с коммутатором входных сигналов [17, 47, 54]. Может быть предложен следующий принцип определения младших разрядов результата измерения перемещения [23].
Макетные образцы вторичного преобразователя
В процессе разработки, настройки и испытания лабораторного макета ВП были выявлены недостатки разработанного ВП и возможные направления дальнейшего совершенствования аппаратуры.
Испытания выявили дифференциальную нелинейность датчика в пределах одного периода растрового сопряжения (см. таблицу 2.1 и рисунок 2.10). Причиной появления нелинейности является неравенство амплитуд и коэффициентов модуляции выходных сигналов датчиков и вариация их значений в пределах одного оборота датчика и от датчика к датчику, вызванные конструктивными особенностями ТРДП и технологией его изготовления (например, допуском на размеры элементов статора и ротора). Для устранения дифференциальной нелинейности принципиально необходима непрерывная подстройка ВП в процессе работы.
Использованию микроконтроллера для управления непрерывной подстройкой ВП препятствует его перегруженность, в частности, связанная с необходимостью непрерывно формировать сигналы управления ПАП. Вообще, применение ЦАП для формирования синусоидального сигнала оказалось явно неоправданным, так как занимается рабочее время МК и его порты ввода/вывода. Кроме того, для сглаживания сигналов необходимо применение фильтров достаточно высокого порядка. Это приводит к необходимости использования большого числа комплектующих элементов -резисторов и конденсаторов - и затрудняет поддержание необходимых фазовых соотношений между входными сигналами ВП и импульсами опроса узлов сравнения.
Метрологическая надежность измерителя перемещения требует дальнейшего повышения: отказ в цепи напряжения щ является полным, а погрешности измерения при отказе в цепях остальных напряжений на обмотках считывания ТРДВ высокими.
Ручная подстройка ВП под датчик достаточно трудоемка и практически не реализуема при замене датчика в случае его отказа у пользователя.
Указанные недостатки были устранены при разработке макетных образцов ВП в процессе выполнения очередного этапа хозяйственного договора № 5/06/11-07 ОКР «Возрождение ПТУ». Макетные образцы ВП, разработанные при участии автора в ПТУ, были изготовлены в НИИФИ с использованием конструктивов и технологии НИИ и получили индексы БО 14 СДАИ.411539.023 иБ014-01 СДАИ.411539.023.
Синусоидальное напряжение питания датчика с частотой 10 кГц формируется генератором синусоидального сигнала ГСС, построенным по схеме с двойным интегрированием. Подстройка частоты и амплитуды колебаний осуществляется путем принудительного изменения направления интегрирования и разряда конденсаторов по синхросигналам, вырабатываемым микропроцессором два раза за период. Благодаря этому обеспечивается высокая стабильность частоты и амплитуды генерируемого сигнала во всем диапазоне условий эксплуатации ВП.
Сигналы с четырех обмоток считывания ТРДП поступают, соответственно, на четыре канальных управляемых усилителя, выполненных на счетверенном операционном усилителе 1401УД2. Коэффициенты усиления и смещение нуля усилителей регулируются цифровыми управляемыми сопротивлениями, соответственно ЦУСі и ЦУС2, по сигналу микропроцессора. С входов усилителей сигналы поступают для попарного сравнения на входы шести узлов сравнения УС], ..., УСб и через коммутатор микропроцессора на боровой АЦП.
В микропроцессоре рассчитываются глубина модуляции, максимальный уровень сигналов в каналах и производится их сравнение. По результатам сравнения вырабатываются управляющие воздействия на цифровые сопротивления в канальных усилителях так, что бы выровнять глубину модуляции регулированием сопротивления ЦУС] в цепи параллельной обратной связи по напряжению и максимальный уровень сигналов регулированием сопротивления ЦУС2, подключенным к источнику напряжения смещения нуля UCM.
За счет этих регулировок удалось уменьшить дифференциальную нелинейность измерителя перемещения, вызванную неидентичностью каналов ТРДП, в том числе вследствие воздействия на датчик ударов, ускорений, вибраций и высоких температур. Одновременно при регулировании осуществляется самодиагностика измерителя: если не удается обеспечить равенство глубин модуляции и максимальных значений сигналов, то измерение прекращается, и выдается сигнал неисправности с указанием номера канала и вида неисправности — обрыв или недопустимое увеличение глубины модуляции или уровня сигналов.
Аналогично обеспечивается автоматическая подстройка ВП под датчик, исключающая необходимость индивидуальной настройки ТРДП. Для подстройки после первого включения необходимо задать перемещение, соответствующее не менее чем десяти периодам растра. За это бремя автоматическая регулировка ЦУС должна обеспечить равенство глубин модуляции и максимальных уровней сигналов в каналах. После достижения равенства МК выдает через интерфейс RS 232 сигнал готовности к работе. После получения внешнего сигнала разрешения обнуляет показания перемещения. Если в процессе регулирования равенство не удается достичь, то по интерфейсу передается сигнал неисправности с указанием места и вида неисправности.
В макетных образцах ВП реализованы рекомендации, выработанные в разделе 3.1 для повышения метрологической надежности. Шесть узлов сравнения позволяют провести взаимное сопоставление амплитуд сигналов, снимаемых с обмоток считывания. Опрос узлов сравнения осуществляется микроконтроллером в моменты максимумов напряжения частоты 10 КГц.
С целью исключения влияния возможных фазовых сдвигов напряжений в линии связи датчика с ВП процессор осуществляет автоматическую подстройку момента сравнения под момент максимального значения напряжений. Каждое сравнение производится трижды с интервалом в 2 микросекунды вблизи момента максимума напряжения. Процессор по мажоритарному принципу определяет результат сравнения и вырабатывает информацию о том, какому из участков растровой шкалы соответствует положение датчика.
В соответствии с техническим заданием на работу питание ВП осуществляется напряжением постоянного тока (27 3) В, при этом допускается пульсация напряжения питания с амплитудой до 1,5 В частотой от 150 до 10000 Гц. С помощью стабилизаторов напряжений СИ], СН2, и СНз формируется напряжения +12 В и минус 12 В для-питания аналоговой части схем. Из напряжения +12 В формируется. напряжение +5 В для питания МК. В случае пропадания напряжения питания процессор запоминает последний результат измерения и может восстановить его и откорректировать в пределах одного шага зубцового сопряжения (восьми единиц младшего разряда), автоматически, если это предусмотрено- программой или по внешнему сигналу, подаваемому через интерфейс.
Программа работы МК построена на основе адаптивного алгоритма, изображенного на рисунке 3.4. Используется изменение правил преобразования выходного- позиционного кода узлов сравнения в зависимости от места и вида частичного отказа. За счет этого при всех видах одиночных частичных отказов погрешность измерения перемещения не превосходит двух единиц младшего разряда выходного кода, то есть 0,4 %.
Во втором варианте исполнения Б014-01 дополнительно используется 32 разрядный буквенно-цифровой индикатор. Вид и форма индицируемой информации программируются через интерфейс RS232 в зависимости от требований потребителя. Например, возможно изменение индикации размерности измеряемой величины: градусы, радианы, миллиметры; или размера одного шага, то есть масштаба, индикация числа шагов, номера зоны растровой решетки, индикация неисправностей при пропадании канальных сигналов, индикация максимального и минимального значений каждого из канальных сигналов и т.п.
Похожие диссертации на Вторичные преобразователи для измерителей перемещения на основе трансформаторных растровых датчиков
