CC BY
45
УДК [681.586.785:681.581.3] :006
М. В. Жарков, А. В. Рогов, В. С. Коротин, В. А. Попов
МЕТОД УЧЕТА СИСТЕМАТИЧЕСКОЙ ОШИБКИ В РАБОТЕ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО МАГНИТОСТРИКЦИОННОГО ДАТЧИКА
Развитие информационных технологий привело в последние годы к скачкообразному повышению интеллектуальности систем автоматики и их элементов. В настоящее время уже можно говорить о становлении нового научного направления в общей теории управления - теории интеллектуальных систем управления [1].
К важнейшим особенностям современных систем автоматического управления следует отнести переход от централизованной структуры к распределенной, что влечет за собой расширение требований к метрологическим и функциональным возможностям первичных измерительных преобразователей систем управления и ставит задачу их проектирования с различной степенью интеграции схемных и системных функций.
В Астраханском государственном техническом университете на базе многофункционального магнитострикционного преобразователя положения (МПП) разработан интеллектуальный датчик [2], определяющий скорость, ускорение объекта управления, а также температуру среды, в которой он работает. С целью учета динамики погрешности датчика и накопления данных для введения в память процессора интеллектуального датчика разработана экспериментальная установка. Все измерения, выполненные с её помощью, сохраняются в памяти персонального компьютера в виде файлового массива. Накопление данных ведется с 2007 г.
Структурная схема установки изображена на рис. 1. Магнитострикционный волновод 1 с обоих концов закреплен в демпферы 2, 3. Опорный магнит 4 закреплен в конце волновода 1, на другом конце находится катушка считывания 5.
Волновод является нагрузкой для формирователя тока записи 6, вход которого связан с портом вывода микроконтроллера 9. С катушки считывания 5 сигнал усиливается усилителем считывания 7 и подается на вход быстродействующего аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 8, параллельный выход которого подается на порт ввода микроконтроллера 9.
Управление датчиком и обработка информации происходят в электронном блоке, расположенном в головной части датчика.
Электронный блок предназначен для формирования в волноводе импульса тока определенной амплитуды и длительности, измерения расстояния от магнита до катушки считывания и передачи данных в компьютер через интерфейс Я5232.
В состав электронного блока входят: формирователь тока записи 6, усилитель-формирователь сигнала с пороговым элементом 7, АЦП 8, управляющий контроллер 9 на базе однокристальной микро-ЭВМ типа АТmega8-16PI.
Усилитель сигнала собран на 2-х операционных усилителях типа К544УД2А, включенных по схеме усилителя переменного тока с однополярным питанием. Полоса пропускания усилителя от 5 до 250 кГц, коэффициент усиления 1 850.
Пороговый элемент собран на логическом ключе типа К561ЛА7. Порог срабатывания данного ключа 2,5 В. Кроме того, ключ не пропускает к управляющему контроллеру случайные сигналы, вызванные переходными процессами в момент передачи в волновод импульса тока.
Для связи устройства с компьютером выбран интерфейс Я8232. Для его реализации использована микросхема МАХ232, которая формирует стандартные сигналы для данного типа интерфейса.
Для получения информации о температуре окружающей среды в схему устройства введен цифровой датчик температуры Б818820.
Конструктивно электронный блок состоит из двух печатных плат, на одной из которых собрана электронная часть, а на другой - узел питания токового ключа.
Устройство работает следующим образом.
Микроконтроллер 9 формирует сигнал запуска формирователя тока записи 6 и одновременно запускает свой внутренний счетчик. Формирователь тока записи 6 выдает импульс тока в магнитострикционный волновод 1. Под подвижным 3 и опорным 4 магнитами возбуждаются две крутильные ультразвуковые волны, которые распространяются в обе стороны от магнитов 3 и 4 и гасятся в демпферах 2. В катушке считывания 5 индуцируются два импульса, которые усиливаются усилителем считывания 7. Усиленные сигналы поступают на вход быстродействующего АЦП 8, который тактируется микроконтроллером 9. После прохождения первого импульса микроконтроллер формирует цифровой код N. измерительного интервала tx :
где /0 - частота счетных импульсов внутреннего счетчика микроконтроллера 9; х - измеряемые перемещения; и - скорость ультразвука в волноводе; а0 - температурный коэффициент задержки ультразвукового импульса в волноводе; Д0 - отклонение температуры от нормальной.
После прохождения второго импульса микропроцессор формирует код Ыь опорного интервала іь:
Результатом преобразования перемещения в цифровой код является логометрическое преобразование, произведенное микроконтроллером 9:
Одновременно микроконтроллер выбирает код опорного интервала Ыь, вычисляет отклонение кода &ЫЬ, обусловленное изменением температуры окружающей среды, и определяет температуру согласно выражению
X
= /о • іX = /о -(1 + О0-Д0), и
(1)
(2)
(3)
(4)
а0 а0
где К10 - цифровой код опорного расстояния при нормальной температуре.
Значения ^0 , а0 и 00 записываются в память микроконтроллера.
Чувствительность канала измерения температуры определяется выбором волновода с большим а0 и частотой /0 счетных импульсов.
Следует отметить, что старение волновода вносит существенный вклад в увеличение ошибки измерений. Оценка характера изменения свойств материала волновода, а также учет полученной ошибки на основе сравнения накопленных данных позволяют поддерживать точность измерений датчика.
На основе экспериментальных данных (температура и соответствующее расстояние) за 12 месяцев 2007-2008 гг. [3] составлены таблицы и построены графики зависимости изменения расстояния ЛА^,, проходимого волной при определенной температуре. Из всего массива данных произведена выборка всех расстояний в интервале от -20 до +40 °С. По каждому значению температуры найдено среднее значение расстояния. Найдены изменения расстояния для каждого значения температуры, учитывая что -20 °С - начальное значение, т. е. Лх(-20 °С) = 0,0000.
Результаты обработки экспериментальных данных представлены на рис. 2.
14.0000
13.0000
12.0000 11,0000 10,0000
9.0000
8.0000 ^ 7,0000
6,0000 5,0000
4.0000
3.0000
2.0000 1,0000 0,0000
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40
°С
Рис. 2. Зависимость ЛЫЬ от температуры за 2007-2008 гг.
По полученным данным можно оценить ошибку измерений: она составляет 0,012 мм/°С, или 7 % в год.
Таким образом, наличие систематических данных в памяти контроллера, а также учет систематической ошибки, связанной со старением материала волновода, позволяют не только улучшить метрологические характеристики датчика, но и поддерживать точность измерений на высоком уровне.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Захаров В. Н. Интеллектуальные системы управления: основные понятия и определения // Изв. Академии наук. Теория и системы управления. - 1997. - № 3. - С. 183-145.
2. Пат. РФ на полезную модель № 68681. Многофункциональный магнитострикционный преобразователь / А. И. Надеев, М. А Надеев. 25.12.06.
3. Многофункциональный интеллектуальный магнитострикционный датчик / М. А. Надеев, М. В. Жарков, А. В. Рогов и др. // Датчики и системы. - 2008. - № 7. - С. 58-61.
Статья поступила в редакцию 24.09.2008
-2008 г. -2007 г.
THE METHOD OF ACCOUNTING OF A SYSTEMATIC ERROR IN THE OPERATION OF A MULTIFUNCTIONAL MAGNETOSTRICTIVE SENSOR
M. V. Zharkov, A. V. Rogov, V. S. Korotin, V. A. Popov
The method of accounting of a systematic error connected with material ageing of a wave-guide developed in Astrakhan State Technical University on the basis of a position magnetostrictive converter of a multifunctional intellectual magnetostrictive sensor is considered in the paper. The presence of regular data in the memory of a controller, and also accounting a systematic error allows not only to improve metrological characteristics of a sensor but also to support the accuracy of measurements at a high level.
Key words: systematic error, accounting, wave-guide, multifunctional intellectual magnetostrictive sensor, metrological characteristics, accuracy of measurements.
