Введение к работе
Актуальность темы. Цифровые приборы с частотными датчиками механических величин используют для контроля давления, линейных размеров и механических напряжений в машиностроении, при оценке напряженности магнитных полей, а также при исследованиях динамических параметров в области виброметрии. Перспективность широкого применения таких устройств обусловлена простотой высокоточного измерения и обработки частотных сигналов, удобством изменения масштаба преобразования, отсутствием искажений при коммутации и передаче частотных сигналов по каналам связи, высокой помехоустойчивостью и возможностью непосредственного ввода получаемой информации в ЭВМ.
Общий принцип частотного преобразования неэлектрических величин заключается в использовании автоколебательной системы с частотно-зависимой от контролируемого параметра цепью. Для контроля силы натяжения применяют струнные преобразователи, устанавливаемые в цепях обратной связи автогенераторов, частота которых определяется силой натяжения и физико-механическими параметрами струнных датчиков. При этом наблюдается явное несоответствие между высокой точностью измерения частотных сигналов (погрешность цифровых частотомеров не превышает 10*4- 10"6 %) и низкой стабильностью и нелинейностью модуляционной характеристики струнных преобразователей силы натяжения в частоту, снижающих, в итоге, качество контролирующих приборов и систем.
Проблеме совершенствования струнных генераторов посвящено большое количество работ Гутникова B.C., Кнорринга В.Г., Цодикова Ю.М., и других отечественных и зарубежных ученых. Основное внимав ниє в научной литературе уделено вопросам линеаризации характеристики преобразования в относительно узком диапазоне частот, когда девиация частоты 4/^не превышает +10 % от средней частоты колебаний. При этом датчики с гармоническим выходным сигналом, работающие в диапазоне частот от 0,01 до 10 кГц, характеризуются погрешностью преобразования около 1 %, и не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к современным системам контроля и управления.
Сложность построения высокоточных аналоговых струнных преобразователей обусловлена как нелинейной зависимостью частоты колебаний/от силы натяжения Fn, приводящей к нелинейности коэффи-
циента преобразования AVip-"
так и влиянием на значение/реактивных параметров схемы генератора и нестабильности применяемых радиокомпонентов.
Вследствие этого известные способы совершенствования генераторных датчиков, основанные на компенсации активного сопротивления струнных преобразователей и стабилизации характеристик активных элементов, не позволяют повысить точность контроля силы натяжения F\\ в широком динамическом диапазоне.
Проблема расширения рабочего диапазона и повышения достоверности результатов контроля силы натяжения требует разработки новых способов преобразования и рассмотрения комплекса вопросов, связанных с формированием частотно-модулированного возбуждающего сигнала стабильной амплитуды и формы, линеаризацией характеристики преобразования, автоматической компенсацией активного сопротивления объекта контроля, выделением, цифровым измерением и индикацией контролируемого параметра. Кроме того, в процессе совершенствования датчиков силы натяжения требуется учитывать их взаимосвязь с другими функциональными узлами, обеспечивая оптимизацию параметров и улучшение свойств приборов контроля в целом.
Целью диссертационной работы является разработка метода преобразования и структурных схем построения цифровых приборов контроля силы натяжения с широким динамическим диапазоном и автоматической компенсацией активного сопротивления провода.
К основным задачам исследований относятся:
разработка способа широкодиапазонного контроля силы натяжения провода с авто компенсацией его активного сопротивления;
разработка структурной схемы цифрового прибора с развертывающим частотным преобразованием для контроля силы натяжения провода;
моделирование и анализ динамических характеристик струнного преобразователя силы натяжения при развёртке частоты импульсов возбуждающего сигнала;
оценка динамических погрешностей преобразователей при воздействии возбуждающем сигнала с линейно-изменяющейся частотой;
разработка схемотехники основных функциональных узлов преобразователей силы натяжения в частоту на микромощных усилителях и цифровых КМОП-элементах;
анализ и оптимизация параметров цифровых и аналоговых функциональных узлов по точности и энергопотреблению;
- выработка рекомендаций по использованию развертывающих
частотных преобразователей в многоканальных системах контроля.
Методы исследовании. При решении диссертационных задач использовались методы математического и схемотехнического моделирования с применением ПЭВМ, теория устойчивости, теория функций комплексного переменного, теория погрешности, спектральное разложение сигналов и преобразование Лапласа.
Научная новизна работы заключается в следующем:
обоснована перспективность применения развертки частоты возбуждающего сигнала импульсной формы для расширения рабочего диапазона цифровых приборов контроля силы натяжения провода;
доказана целесообразность использования астатического уравновешивания для автоматической компенсации влияния активного сопротивления провода на результаты контроля силы натяжения;
проведена оценка динамических погрешностей струнных преобразователей, обусловленных разверткой частоты возбуждающего сигнала, и показана возможность их компенсации при двухтактном способе контроля с изменением наклона развертки;
предложен новый способ преобразования силы натяжения в частоту, обеспечивающий высокую достоверность результатов контроля в широком динамическом диапазоне;
разработана и исследована новая структура построения цифрового прибора контроля силы натяжения проводов малого диаметра, обеспечивающая высокую точность преобразования;
предложена и исследована численным методом на ЭВМ новая модель широкодиапазонного струнного преобразователя, учитывающая влияние спектра частот возбуждающего сигнала импульсной формы на резонансные свойства механической системы;
- показана возможность повышения точности цифрового из
мерения выходной частоты струнных преобразователей в окрестности
резонанса, обеспечиваемая за счет изменения скорости развертки часто
ты возбуждающего сигнала, удвоения частоты счетных импульсов и
применения регулируемой задержки цикла измерения;
- разработаны и оптимизированы по параметрам "точность - быстродействие - энергопотребление" схемы основных функциональных узлов приборов контроля силы натяжения с развертывающим частотным преобразованием, которые могут быть использованы в многоканальных автоматизированных системах контроля.
Практическая ценность работы заключается в том, что на основе проведенных исследований разработаны и внедрены в производство: цифровой прибор контроля силы натяжения вольфрамовых проводов микронного диаметра, используемый в технологическом процессе изготовления датчиков рентгеновского излучения, и цифровой веберметр на основе струнного преобразования, применяемый для контроля напряженности магнитного поля. Разработаны и экспериментально исследованы принципиальные схемы высокостабильных и универсальных функциональных узлов частотных преобразователей силы натяжения, реализованные на микромошных операционных усилителях и КМОП логических элементах, характеризующиеся минимальным энергопотреблением. Предложена и внедрена методика градуировки устройств контроля силы натяжения проводов малого диаметра.
Реализация и внедрение результатов исследований.
Полученные в диссертационной работе результаты внедрены на производственном объединении "Научприбор" (г. Орел), АО "Протон" (г. Орел) и использованы при выполнении плановых НИР и в учебном процессе. Акты внедрения прилагаются к материалам диссертации.
Апробация и публикации результатов работы.
Основное содержание диссертационных исследований изложено в докладах на 6-й Всероссийской научно-технической конференции "Современное телевидение" (Москва, 1997 г.), на международной научно-технической конференции "Нейронные, реляторные и непрерывнологи-ческие сети и модели (Ульяновск, 1998) и на 10-й научно-технической конференции "Научно-технические проблемы создания и совершенствования автоматизированной системы связи" (Санкт-Петербург, 1998).
По результатам работы опубликовано 9 статей в периодической печати и получено решение о выдаче патента на способ и устройство контроля силы натяжения провода.
Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержание которых изложено на 137 страницах, содержит 37 рисунков, список литературы из 69 наименований и приложение на 11 листах.
На защиту выносятся следующие положення:
-
способ контроля силы натяжения провода, обеспечивающий расширение в 10 и более раз диапазона контроля за счет формирования возбуждающих импульсов тока с линейной разверткой частоты, подаваемых на магнитоэлектрический преобразователь, выделения и цифрового измерения резонансной частоты вынужденных колебаний провода;
-
структурная схема цифрового прибора контроля силы натяжения с автоматической компенсацией активного сопротивления провода и линеаризованной характеристикой преобразования, обеспечиваемой посредством измерения средней частоты колебаний в полосе пропускания струнного преобразователя;
-
методика повышения точности цифрового измерения резонансной частоты преобразователей силы натяжения провода, заключающаяся в дискретном изменении скорости развертки частоты возбуждающего сигнала в полосе пропускания струнного преобразователя, удвоении частоты его выходных колебании и задержке начала цикла измерения обратно пропорционально резонансной частоте.
