Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 - Анализ современного состояния исследований и разработок вторичных преобразователей для тензометрических датчиков давления
1.1 Предпосылки появления цифровых вторичных преобразователей для тензометрических датчиков давления
1.2 Методы снижения погрешностей тензорезистивных датчиков давления
1.3 Цифровая обработка измерительных сигналов тензометрических датчиков давления
1.4 Развитие цифровых вторичных преобразователей датчиков 31
1.5 Задачи разработки цифровых вторичных преобразователей датчиков давления
1.6 Цель и задачи исследования 41
1.7 Выводы по главе 42
Глава 2 - Вторичные преобразователи для тензометрических датчиков давления - класс измерительно-вычислительных устройств
2.1 Методика модельно-управляемого проектирования вторичных преобразователей тензометрических датчиков давления
2.2 Алгоритмы коррекции погрешностей тензометрических датчиков давления
2.3 Параметры дополнительных измерительных каналов датчиков давления
2.4 Имитационная модель вторичного преобразователя датчика давления
2.5 Автоматическая коррекция температурной погрешности тока питания тензомоста
2.6 Выводы по главе 82
Глава 3 — Практические аспекты построения вторичных преобразователей тензометрических датчиков давления
3.1 Структуры вторичных преобразователей тензометрических датчиков давления
3.2 Анализ вычислительной сложности алгоритмов аппроксимации
3.3 Методика проектирования и документирования встроенного вторичных преобразователей датчиков давления
3.4 Операционная.среда алгоритма коррекции погрешностей 103
3.5 Методика автоматизированной настройки вторичных преобразователей
3.6 Исследование погрешностей вторичных преобразователей 109
тензометрических датчиков давления
3.7 Выводы по главе 115
Глава 4 - Практическая реализация и внедрение цифровых вторичных преобразователей для тензометрических датчиков давления
4.1 Цифровой вторичный преобразователь полупроводникового; тензометрического датчика абсолютного давления
4.2 Цифровой вторичный преобразователь полупроводникового тензометрического датчика разности давлений
4.3 Применение методики модельно-управляемого проектиро- вания в разработке цифрового вторичного преобразователя тензометрического датчика разности давлений
4.4 Встроенное программное обеспечение цифрового вторичного преобразователя
4.5 Выводы по главе 137
Заключение 138
Литература
- Методы снижения погрешностей тензорезистивных датчиков давления
- Алгоритмы коррекции погрешностей тензометрических датчиков давления
- Методика проектирования и документирования встроенного вторичных преобразователей датчиков давления
- Цифровой вторичный преобразователь полупроводникового тензометрического датчика разности давлений
Введение к работе
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
ХХ 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. Мокров, 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 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 измерительной информации.
Основные задачи исследования:
-
Разработать методику модельно-управляемого проектирования цифровых вторичных преобразователей тензометрических датчиков.
-
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.
-
Разработать имитационную модель с целью построения конечного автомата, необходимого для проектирования встроенного программного обеспечения цифрового вторичного преобразователя.
-
Провести анализ алгоритмов аппроксимации с целью определения времени выполнения вычислительных процедур цифровыми вторичными преобразователями.
-
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:
-
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.
-
Предложен способ определения структуры и синтеза алгоритма работы цифрового вторичного преобразователя тензометрического датчика давления, отличающийся комплексным исследованием структуры и алгоритма имитационным моделированием.
-
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:
-
Разработана инженерная методика модельно-управляемого проектирования цифровых вторичных преобразователей тензометрических датчиков давления, позволяющая снизить длительность разработки и повысить технические характеристики цифровых вторичных преобразователей.
-
Разработана имитационная модель структуры и алгоритма работы цифрового вторичного преобразователя, позволяющая синтезировать конечный автомат, необходимый для проектирования встроенного программного обеспечения.
-
Разработана инженерная методика расчета чувствительности измерительного канала температуры, необходимой для коррекции температурной погрешности тензометрического датчика давления.
-
Разработана инженерная методика расчета границы неисключенной температурной погрешности тензометрических датчиков давления, достижимой цифровой обработкой измерительных сигналов.
-
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.
-
Предложена последовательность этапов проектирования встроенного программного обеспечения цифровых вторичных преобразователей, связанная с использованием автоматного программирования, позволяющая уменьшить трудоемкость разработки встроенного программного обеспечения.
-
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:
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований функции влияния температуры на измерительный сигнал давления.
-
Способ определения структуры и синтеза алгоритма работы цифрового вторичного преобразователя, позволяющий получить минимальное значение температурной погрешности, отличающийся комплексным исследованием структуры и алгоритма имитационным моделированием.
-
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.), XXIХ 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.), XXХ 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.
Методы снижения погрешностей тензорезистивных датчиков давления
Датчики давления работают в тяжелых условиях эксплуатации [116], к которым относится в том числе широкий температурный диапазон. Температура является главным источником дополнительной погрешности измерения давления. ТП тензорезистивных датчиков давления имеет сложную физическую природу [37, 38] и обусловлена различными физическими процессами, протекающими в них при воздействии тепла или холода. Воздействие температуры может быть как квазистатическим, так и динамическим. ТП можно классифицировать по характеру теплового воздействия, причинам возникновения, виду изменений в выходном сигнале.
По характеру теплового воздействия ТП может быть вызвана квазистатическим изменением температуры и динамическим изменением температуры (импульсный или циклический термоудар). По причинам воз никновения ТП может быть обусловлена: величиной и изменением ТКС, различием температурных коэффициентов линейного расширения материалов , температурным старением материалов, остаточными деформациями структурных элементов датчика, собственным тепловыделением, возникновением термоэлектрических напряжений, наличием температурного градиента — постоянного или переменного, температурным расширением среды внутри корпуса датчика.
Классификация методов снижения погрешностей датчиков представлена в монографии [58]. Методы.автоматической коррекции погрешностей разделяются на методы, основанные на информации о величине ВВФ и на методы, основанные на информации о погрешности.
Методы, основанные на информации о величине ВВФ.; представляют собой различные вариации метода вспомогательных измерений. Они основаны на использовании дополнительных ЧЭ; измеряющих текущее значение отдельных ВВФ и вычислении действительного значения давления пс алгоритмам, опирающимся на математические модели влияния ВВФ на сигналы ЧЭ давления. Примеры применения таких методов приведены в работах [31, 44, 108].
Методы, основанные на информации о погрешности, предназначены для уменьшения погрешности нелинейности датчиков давления с использованием информации о характере нелинейности градуировочной характеристики датчиков. Такие методы основываются на использовании полиномиальной или сплайн-аппроксимации градуировочных характеристик [24, 44] или на аналоговой компенсации нелинейности [28].
- Метод образцовых сигналов [58] можно использовать «... для измерительных устройств, измеряющих величины, образцовые меры которых можно реализовать в рабочих условиях эксплуатации измерительных устройств. Для датчиков некоторых величин (температуры, давления, скорости и др.) метод образцовых сигналов, следовательно, вряд ли применим практически ...».
Конструктивные методы повышения точности датчиков заключаются в [37] оптимизации конструкции (например, расположении тензорезисторов в зонах максимальных деформаций под давлением и в зонах минимального влияния температуры), выполняемой на основе имитационного моделирования датчика (примеры представлены в работах [86, 87]).
Схемотехнические методы уменьшения погрешностей ТДД, применяемые в настоящее время, базируются на включении дополнительных резисторов параллельно или последовательно плечам и диагоналям тензомо-ста так, чтобы скомпенсировать влияние температуры на сигнал тензомо-ста. К таким методам относится уравнивание ТКС всех четырех плеч моста путем использования параллельной термокоррекции [112], последовательной и параллельной термокоррекции мостовых схем с использованием начальных сопротивлений и относительных температурных характеристик тензорезисторов, аппроксимируемых полиномами второго порядка по трем точкам [113], количественная оценка компенсационных элементов [129]; компенсация температурных уходов полупроводниковой мостовой схемы с использованием термистора [57] и т.д. [128 и др.].
Датчики, оснащенные аналоговыми вторичными преобразователями с аналоговым выходным сигналом, уходят в прошлое [22]. Примеры применения цифровой обработки измерительной информации изложены в работах [42, 44, 108, 130, 138].
Описан метод термокоррекции сигнала датчика без дополнительного термоэлемента [31], который можно применять, когда ИФВ достаточно инерционна во времени. Повышение точности измерений усреднением результатов многократных измерений [54] ограничено систематической составляющей погрешности и фликкер-шумом. Систематическая составляющая не может быть снижена статистическими методами. Случайная составляющая погрешности измерений определяется собственными шумами полупроводниковых приборов и других элементов электронной схемы, старением элементов, а также помехами от внешних или внутренних ис точников. Основными компонентами случайной составляющей являются тепловой шум, фликкер-шум, узкополосные помехи от сети с частотой 50 Гц и от цифровой части системы. Для снижения случайной составляющей погрешности можно применять цифровую фильтрацию с помощью медианного фильтра, фильтра скользящего среднего или фильтра Калмана, преимущества использования которого описаны в работе [93]. Результаты экспериментального исследования закона распределения шума в интеллектуальных датчиках давления приведены, в [90]. Однако-при работе с цифровыми фильтрами необходимо учитывать влияние конечной разрядности представления данных [117], так как при квантовании коэффициентов цифровых фильтров- снижается скорость сходимости и устойчивость их алгоритмов работы. Эффекты конечной разрядности наиболее ярко проявляются при квантовании коэффициентов цифровых- фильтров с использованием конечного числа разрядов и в-изменении положения-полюсов и нулей на комплексной плоскости, кроме того, изменяются фазовая и частотная характеристики фильтров. БИХ-фильтры чувствительны к квантованию1 коэффициентов даже при низких порядках. Ошибки округлений могут привести к искажениям на выходе фильтра при работе с малыми сигналами. КИХ-фильтры теряют устойчивость при высоких порядках. В адаптивных КИХ-фильтрах эффекты квантования приводят к неверному расчету выхода фильтра при округлении коэффициентов и к потере устойчивости или снижению скорости сходимости.
В работах [29, 140] кратко описаны ЦВП тензометрических датчиков давления «МЕТРАН», построенные на микроконтроллерах РІС. Особенность этих ЦВП - хранение коэффициентов аппроксимирующих кривых в микросхеме ПЗУ, расположенной на плате ЧЭ давления; что делает ЦВП взаимозаменяемыми. В работе [91] изложен процесс калибровки ЦВП тензометрических датчиков давления.
Алгоритмы коррекции погрешностей тензометрических датчиков давления
В качестве опорного резистора целесообразно использовать резистор С2-29В [93], TKG которых составляет для группы «Д» ±5 10 %: для диапазона температур от +20 до +70 С и ±55ло &/с для диапазона температур от -60 до +20 С и для группы «С» ±\5-10 6/с для диапазона температур от +20 до +120 С и ±55- ""Х- для диапазона температур от -60 до +20= Є. Также в качестве опорного резистора можно»использовать намоточный резистор из манганиновой проволоки, ТКС которой составляет, зависимости марки, от-2- "Х, до+25 "Ус [119].
Алгоритм компенсации. ТИ стабилизатора тока заключается в изменении напряжения на входе стабилизатора (изменении значения в регистрах ЦАИа) в зависимости от разности опорного и-полученного кодов тока. Опорный: код тока соответствует требуемому значению тока и хранится в энергонезависимой памяти микроконтроллера; Длительность одного; шага подбора значения в регистрах, ЦАИа; складывается, из времени задержки ЦАИа, времени реакции стабилизатора тока и времени выполнения аналог го-цифрового преобразования: Время реакции стабилизатора,тока зависит от примененных: операционных усилителей; поэтому» целесообразно, ис? пользовать .быстродействующие ОУ к в общемслучае необходимо предусматривать во встроенном ПО паузу, по длительности равную сумме времени задержки ЦАИа и времени реакции.стабилизатора тока. Значение в-регистрах ЦАИа подбирается до тех пор, пока. полученный код тока не сравняется с опорным кодом тока. Изменение кода в регистрах ЦАИа ведет к изменению напряжения на входе стабилизатора тока, которое меняет ток питания моста, в зависимости от сопротивления токозадающего резистора. Изменение тока влечет за собой изменение напряжения на опорном резисторе.и соответственно изменение кода тока. Имеем:
Для обеспечения эффективной компенсации температурной погрешности тока питания моста нужно, чтобы изменение кода ЦАПа на единицу приводило к изменению кода АЦП на величину, не меньшую единицы. Для этого требуется выполнение условия RT Ron . Если оно не выполняется, следует задать допуск в несколько единиц на разность опорного и полученного кодов тока.
Три величины — код тока питания моста, код напряжения в верхней точке моста и код в регистрах ЦАПа - делают возможной самодиагностику состояния-цепи питания моста, что актуально в датчиках, где ЧЭ отделен от блока электроники кабельной перемычкой. Становится возможным диагностировать обрыв цепи питания моста, короткое замыкание питающей диагонали моста и перегрузку стабилизатора тока. Обрыв цепи питания моста диагностируется по низкому коду тока, меньше 10 единиц. Короткое замыкание питающей диагонали определяется по низкой разности кодов напряжения в верхней точке моста и тока. Перегрузка стабилизатора тока диагностируется достижением максимального кода в регистрах ЦАПа - на входе стабилизатора задано максимальное напряжение, а ток питания моста не достиг требуемого значения.
Управление стабилизатором тока и самодиагностика стабилизатора тока реализуются в ВПО ЦВП ТДД. Граф переходов КА, управляющего током и выполняющего самодиагностику, приведен на рисунке 2.29.
При подаче питания КА переходит в состояние 1 - Инициализация, в котором выполняется настройка микроконтроллера и инициализация переменных. Из состояния 1 КА переходит в состояние 2 — Проверка тока, в котором опрашиваются каналы АЦП, подключенные к опорному резистору и верхней точке моста, и вычисляется разности полученного и опорного кодов и кодов напряжения в верхней точке моста и тока. Если полученный код тока близок к нулю, в канал передается сообщение «Обрыв цепи питания моста» и КА переходит в состояние 6. Если разность кодов напряжения в верхней точке моста и тока соответствует низкому значению сопротивления питающей диагонали моста, в канал передается сообщение «Короткое замыкание питающей диагонали моста» и КА переходит в состояние 6. Если разность полученного и опорного кодов тока в допуске, КА переходит в состояние 4, если разность кодов не в допуске, КА переходит в состояние 3 — Подстройка тока. В состоянии 3 к коду ЦАПа прибавляется величина кА, где к— п/щ, выдерживается пауза, равная суммарной длительности задержки ЦАПа и реакции стабилизатора тока, измеряется код тока питания моста и вновь вычисляется разность кодов. При этом для Ron = RT к = 1, а знак величины кА определяет, повышен или понижен будет код ЦАПа, позволяя таким образом в В ПО1 обойтись одним суммированием без дополнительных ветвлений. Если будет достигнут (или превышен) максимальный код в регистрах ЦАПа, в канал передается сообщение «Перегрузка стабилизатора тока». Если разность кодов вошла в допуск, КА переходит в,состояние 4 - Сбор данных, в котором выполняется измерение давления и температуры, коррекция погрешностей и нормализация сигнала. Из состояния 4 КА переходит в состояние 5 - «Передача данных», в котором в канал передается сообщение с кодом давления. Из состояния 5 КА переходит в состояние 2 - Проверка тока. В состояние 6 -Остановка - КА может перейти по выполнении любого из трех условий,из состояний 2 и 3. В состоянии 6 выключаются ЦАПы, АЦП, UART и внутренний тактовый генератор. На этом функционирование КА и цифрового датчика прекращается. Сообщения кодируются цифровыми кодами, передаваемыми по цифровому каналу связи. Диаграмма Насси-Шнайдермана [13] состояний проверки и подстройки тока показана на рисунке 2.30. Д в допуске
Методика проектирования и документирования встроенного вторичных преобразователей датчиков давления
Таким образом, достаточно реализовать АКП в отдельном модуле и подключать его для компиляции с различными модулями операционных сред, содержащих специфические функции работы с различными аппаратными узлами. Такое разделение позволяет отделить вопросы разработки математической модели ЧЭ и алгоритма коррекции погрешностей от вопросов реализации работы с аппаратной частью. К последним относятся вопросы обмена по цифровому интерфейсу, внешнего управления настройкой, обработки прерываний и энергосбережения в датчике.
Внедрение операционной среды в ВПО ЦВП тензорезистивного датчика разности давлений ДРЭ-003 позволило снизить затраты времени на разработку ВПО за счет использования модуля, содержащего реализацию алгоритма коррекции температурной погрешности и нелинейности полупроводникового тензорезистивного датчика разности давлений, отлаженного ранее для датчика ДРЭ-001, и сосредоточиться на разработке модуля операционной среды, требования к которому задаются изменившимся аппаратным базисом. В частности, в ДРЭ-003 тактовая частота процессорного ядра в 10 раз превышает тактовую частоту процессорного ядра ДРЭ-001, однако же на реализации алгоритма это никоим образом не сказывается.
Важным следствием явного выделения операционной- среды из ВПО является возможность обеспечения динамической реконфигурации цифровой части и ИК датчика без изменений программного обеспечения и вытекающая отсюда возможность обеспечения адаптивности структуры ЦВП. Следует отметить, что в настоящее время адаптивность структуры ЦВП является малоизученной и требует дальнейших исследований.
Выделение операционной среды из ВПО позволяет использовать один и тот же алгоритм, реализованный унифицированным, метрологически аттестованным модулем ВПО, с различными реализациями аппаратного базиса.
Для коррекции нелинейности и ТП полупроводниковых ТДД применяется полиномиальная и сплайн-аппроксимация: При настройке ЦВП необходимо вычислять коэффициенты аппроксимирующих кривых. Зачастую эти коэффициенты вычисляются в некоторых системах компьютерной математики и записываются в энергонезависимую память датчиков. Вопрос вычисления коэффициентов практически не освещен в литературе, за исключением статей [29, 140], описывающих микропроцессорный преобразователь датчиков давления «МЕТРАН». В них коэффициенты аппроксимирующих кривых хранятся, в энергонезависимой памяти и передаются в микропроцессор вместе с цифровыми кодами давления и температуры. Существенным недостатком «внешнего» вычисления коэффициентов аппроксимирующих кривых является высокая трудоемкость, длительность, сложность и значительная вероятность совершения ошибок. Устранить эти недостатки возможно за счет реализации вычислений в самих ЦВП ТДД, что описано автором в [59, 77].
В процессе разработки ЦВП строится математическая модель сигналов и алгоритм коррекции нелинейности и температурной погрешности. Функции вычисления коэффициентов используемых алгоритмом1 аппроксимирующих кривых реализуются в ВПО ЦВП, как правило, в виде отдельного модуля.
Во время настройки необходимо определять зависимости сигналов. ТДД от давления и температуры. Параметры этих зависимостей являются входными данными для функций вычисления коэффициентов и хранятсяв энергонезависимой памяти датчиков. Главным вопросом становится разработка протокола обмена данными между датчиками и персональным компьютером.
Для одновременной настройки нескольких датчиков протокол на физическом уровне должен допускать многоточечную топологию, как, например, физический уровень интерфейса RSL485. Датчики, работают в-режиме ведомых, всеми операциями обмена-управляет ИК., На канальном; уровне все сообщения выделяются старт- и стоп-байтами. На сетевом уровне каждая команда и каждый ответ содержат байты-признаки команд и ответов и номера датчиков-получателей и отправителей, а также возможные параметры.
Выделяются три группы команд: запросы значений сигналов, команды управления и запрос номера датчика. Запрос номера датчика а допускается только при подключении одного датчика. Остальные команды содержат номер датчика-получателя и предназначены для управления одним датчиком, из множества подключенных к линии связи. Группа запросов значений сигналов включает две команды - запрос кодов АЦП в режиме настройки а2 и запрос выходного кода в рабочем режиме о"]. Группа команд управления определяется специфическим набором параметров настраиваемых датчиков и, в общем случае, содержит команды обнуления начального сигнала Р, передачи данных в ПЗУ у, запроса данных из ПЗУ 8, задания номера датчика є, задания уставок к и задания режима работы -п. На каждую команду датчик-получатель отправляет ответ, содержащий номер датчика-отправителя и запрошенные значения. Форматы представления данных, коды команд и ответов устанавливаются по результатам разработки математической модели сигналов ЧЭ, алгоритма коррекции погрешностей и определения набора данных, хранимых в ПЗУ датчика. Также в протоколе оговаривается взаимодействие ПК и датчиков на сетевом уровне в виде однозначного задания количества и последовательности ответов на каждую возможную команду. Целесообразным представляется описание взаимодействия последовательностью символов греческого алфавита, кодирующих команды и ответы. Например, взаимодействие ПК и датчика при запросе кодов АЦП давления и температуры может быть представлено, например, так: о ргрз, здесь р2 и р3 - ответы на команду а2, содержащие коды АЦП давления и температуры.
При настройке несколько датчиков, функционирующих в режиме настройки, подключаются к ПК, на датчики подаются давления и температуры, программное обеспечение настройки ЦДД циклически опрашивает датчики и накапливает коды давления и температуры, после завершения градуирования ПО формирует наборы данных, передает их в ПЗУ датчиков и переводит датчики в рабочий режим. В рабочем режиме после включения датчики считывают данные из ПЗУ и формируют из них входные данные для функций вычисления коэффициентов аппроксимирующих кривых. Полученные коэффициенты используются для вычисления поправок, вносимых в результаты измерений. Одновременно настраиваются несколько датчиков, максимальное количество определяется примененным интерфейсом. Это позволяет значительно снизить длительность и трудоемкость настройки. Изложенная автоматизированная методика была применена при настройке ЦВП тензорезистивных датчиков разности давлений ДРЭ-003. Одновременно настраивались по четыре датчика.
Следует отметить, что данная методика применима для настройки ,не только цифровых датчиков давления, но и цифровых датчиков других физических величин. Функции вычисления коэффициентов аппроксимирующих кривых и двусторонний протокол обмена данными между одним ПК и многими датчиками в, совокупности представляют собой фундамент для построения автоматизированного рабочего места настройки цифровых датчиков.
Цифровой вторичный преобразователь полупроводникового тензометрического датчика разности давлений
Рассмотрим пример [72] применения изложенной в разделе 2.3 методики модельно-управляемого проектирования в разработке ЦВП датчика разности давлений ДРЭ-003, разработанного в ОАО «НИИФИ» в рамках ОКР «МКС-Эксплуатация» при непосредственном участии автора.
Датчик выполнен на полупроводниковом тензорезистивном ЧЭ пределом измерений 15 кПа, работающем в диапазоне температур +4..+40 С. Выходной сигнал датчика - напряжение в диапазоне +0,5..+5,5 В - временная мера на переходной период к цифровым каналам связи между датчиками и приемниками ИС.
Априорная информация - главный вклад в основную погрешность вносит нелинейность передаточной функции ЧЭ, в дополнительную погрешность - температура. Модель ИС ЧЭ отражает зависимость сигнала ЧЭ от разности давлений в нормальных условиях и при воздействии тем 123 ператур +4, +40 С; а также изменения начального сигнала (аддитивную составляющую ТП) и чувствительности (мультипликативную составляющую ТП) от температуры (рисунки 4.11, 4.12).
Для обеспечения высоких метрологических характеристик в результат измерения разности давлений необходимо внести поправки на температуру и нелинейность, поэтому в СФМ потребуется включить ЧЭ температуры. Температурные зависимости определяются в трех точках и аппроксимируются полиномом второй степени, причем для коррекции мультипликативной составляющей аппроксимируется зависимость, обратная температурной зависимости чувствительности. Градуировка в нормальных условиях определяется в девяти точках и аппроксимируется кубическим сплайном. ДНТТТ АКП представлена на рисунке 4.13.
Опросить канал разности давлений, Np Опросить канал температуры, Nt Вычислить аддитивную поправку a=(ka1"Nt+ka2) Nt+ka3 Вычислить мультипликативную поправку m = (km1 Nt+km2) Nt+km3 Скорректировать температурную погрешность N=(Np-a-ZHy) m+ZHy Скорректировать нелинейность Nout = Spline(N) Рисунок 4.13 - ДНШ алгоритма коррекции погрешностей Вычисление одного значения выходного кода обходится в восемь умножений и десять сложений, не считая затрат на бинарный поиск участка сплайна; для реализации такого вычислительного процесса достаточно будет микроконтроллера архитектуры 8051. Получаются следующие СФМ и СВД (рисунки 2.5, 4.14):
Питание ИКУсиление ИС, аналого-цифровоепреобразованиеХранение параметров модели ИСЧЭПреобразование уровней логическихсигналов (KMOn/RS-485)Стабилизация напряжений питанияУстановка выходного напряженияГенерация тактовой частоты Управление конфигурацией ИК Коррекция нелинейности и температурной погрешности Вычисление коэффициентов аппроксимирующих кривых Интерпретация и выполнение команд Реализация внешней настройки
Исходя из СФМ и организации взаимодействия датчиков с системой сбора измерительной информации, получаются следующие структурная и функциональная схемы (рисунки 4.15, 4.16). В функциональную схему добавлены необходимые согласующие и управляющие элементы.
Структурно-функциональная модель, функция преобразования и анализ погрешностей ЦВП тензометрического датчика разности давлений ДРЭ-003 приведены в разделе 2.3. Было изготовлено восемь экземпляров опытных образцов спроектированного таким образом датчика. Основная погрешность составила величину около 0,1 %, ТП — около 0,2 %. В результате применения описанной методики при проектировании существенно сократилась длительность разработки датчика.
Аналоговые сигналы Uref, Esm, Uout представляют собой управляющие напряжения для узлов ЦВП, управляемых микроконтроллером, сигналы Udp, Ut - входные сигналы для АЦП. Цифровые сигналы DE, RE представляют собой управляющие сигналы для ЦИ, сигнал ТХ — цифровой выходной сигнал, сигнал RX - цифровой входной сигнал. УАПП является источником прерывания «Завершение приема байта».
Алгоритм работы подпрограммы ADC приведен на рисунке 3.11. Алгоритм работы подпрограммы DAC приведен на рисунке 4.20. ЦАПы в примененном МК 12-разрядные, тогда как шины данных и регистры периферийных устройств 8-разрядные, поэтому сначала код ЦАПа разделяется на две переменных, которые записываются в регистры в зависимости от указанного аргументом номера канала (0 или 1). ЦАПО задает напряжение смещения входного ОУ, ЦАПІ управляет стабилизатором выходного напряжения датчика. Коды в регистрах обоих ЦАПов устанавливаются подпрограммой DAC.
Алгоритм работы подпрограммы CalcCoefs приведен на рисунке 4.21. Она читает из ЭППЗУ значения параметров математической модели ИС ЧЭ (коды АЦП разности давлений и температур), готовит необходимые для вычислений переменные и вычисляет коэффициенты кубического сплайна, аппроксимирующего градуировочную характеристику в нормальных условиях, и коэффициенты двух полиномов второй степени, аппрок 131 симирующих изменение нулевого сигнала и чувствительности при воздействии температуры.
Алгоритм коррекции погрешностей реализован подпрограммой Linear (ДНШ приведена на рисунке 4.22). Подпрограмма Linear вычисляет поправки для коррекции аддитивной и мультипликативной составляющих ТП, корректирует ТП и нелинейность, после чего проверяет выходной код давления на вхождение в диапазон кодов ЦАПа. Выход кода давления из этого диапазона представляет собой нештатную ситуацию; вызванную неисправностью датчика или выходом значения давления из диапазона измерений.
Коррекция нелинейности реализована подпрограммой EvalSpline (рисунок 4.24), состоит из проверки вхождения аргумента в область определения сплайна и в вычислении значения сплайна при вхождении аргумента и в вычислении значения линейной функции, проходящей через первую и последнюю градуировочные точки, в случае выхода аргумента из области определения сплайна.
Похожие диссертации на Вторичные преобразователи для тензометрических датчиков давления
