CC BY
72
Канарейкин В.И. Капагвукт К!
кандидат технических наук, доцент кафедры «Инфокоммуникационные
технологии и наноэлектроника» ФГБОУ ВО «Башкирский государственный университет», Россия, г. Уфа
Важдаев К.В. Уazhdaвv K.У.
кандидат технических наук, доцент кафедры «Инфокоммуникационные
технологии и наноэлектроника» ФГБОУ ВО «Башкирский государственный университет», Россия, г. Уфа
УДК 621.3.018.1
УСТРОЙСТВА ФАЗОВОГО СДВИГА ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ И МАШИН
Цифровая обработка сигналов играет огромную роль в развитии и модернизации промышленности и новых технологий практически во всех областях науки и техники. В промышленности основной упор делается на развитие информационно-измерительных систем (ИИС) как неотъемлемую часть автоматизации и модернизации технологических процессов. ИИС состоят из устройств первичной (датчики) и вторичной (усилители, делители напряжения, фазометры и т. д.) обработки сигналов, АЦП.
Статья посвящена проблеме построения вторичного измерительного преобразователя - преобразователя фазового сдвига (фазовращатели и калибраторы фазы). В статье приводятся описание, принцип действия и результат теоретического и экспериментального исследования преобразователей фазового сдвига. Использование преобразователей фазового сдвига позволяет повысить точность, помехозащищенность информационно-измерительных систем. Предложен способ построения гибридного преобразователя фазового сдвига на основе функциональных ЦАП со сплайновой аппроксимацией.
Разработано техническое решение для реализации гибридного функционального ЦАП с кусочно-полиномиальной аппроксимацией п-го порядка. При увеличении порядка полинома п точность приближения синусной и косинусной зависимостей увеличивается в 10 раз, при увеличении количества интервалов аппроксимации точность увеличивается не менее чем в 2 раза. Оптимальным является применение сплайна 3-го порядка с количеством интервалов аппроксимации от трех и выше. Получен патент на изобретение № 2408136 МПК Н03М 1/66.
Спроектированный экспериментальный образец имеет технические характеристики: рабочий диапазон напряжений -15...+15 В; диапазон рабочих частот от 100 до 100 кГц, разрешающая способность 0,1°; диапазон основной погрешности измерения и регулирования угла фазового сдвига не более 0,2°; время установления выходного сигнала не более 1 мс.
Исследования показали возможность создания высокоточных преобразователей фазового сдвига для вторичной обработки сигнала от датчика. При этом для различных датчиков возможно выпустить целый кластер преобразователей фазового сдвига, перекрывающий широкий диапазон частот (низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные преобразователи фазового сдвига).
Ключевые слова: информационные измерительные системы, обработка аналоговых и цифровых сигналов физических величин, первичные и вторичные измерительные преобразователи, преобразователи фазового сдвига.
DEVICES OF PHASE SHIFT FOR INFORMATION MEASURING SYSTEMS AND MACHINES
Digital signal processing plays an important role in the development and modernization of industry and new technologies in almost all fields of science and technology. In industry, the focus is on the development of information-measuring systems (IMS) as an integral part of the automation and modernization processes. IMS consists of primary devices (sensors) and the secondary signal processing system (amplifiers, voltage dividers and phase meters, etc), the ADC.
Article is devoted a problem of creation of the secondary measuring transducer - the phase shift converter unit (phase transformers and phase calibrators). The article describes the principle of operation and the results of theoretical and experimental study of phase shifting transformers. Usage of transducer units of phase shift allows to raise accuracy, noise immunity of information-measuring systems. The method of creation of the hybrid transducer unit of phase shift on the basis of the functional digital-to-analog coders with spline approximation is offered.
Technical solution is developed for the implementation of the hybrid functional DAC with piecewise polynomial approximation of the n-th order. With an increase in the order of accuracy of the approximation polynomial n sine and cosine dependency increases 10 times, increasing the number of slots increases the accuracy of approximation of not less than 2 times. It is optimal to use the spline 3rd-order approximation to the number of intervals between three and above. The patent for invention number was given.
The designed experimental sample has technical characteristics: operating range of voltages -15 ... +15V; a range of operational frequencies from 100 to 100 kHz, resolution capability 0,1°; a range of the intrinsic error of measurement and regulation of a corner of phase shift no more than 0,2°; transient time of a signal output no more than 1 msec.
Researches showed the possibility of creation of high-precision transducers of phase shift for secondary handling of a signal from the sensor. Moreover, for various different sensors it is possible to produce a phase shift transducers cluster spanning a broad range of frequencies (LF, RF, microwave phase shift transducers).
Key words: information measurement systems, processing of analogue and digital signals of physical quantities, primary and secondary measuring transducers, transducers of phase shift.
Современные технологии автоматизации играют все более возрастающую роль во всех сферах жизнедеятельности людей (наука, техника, образование, медицина, промышленность и др.). С каждым годом ужесточаются требования к техническим характеристикам и уровню автоматизации элементов и устройств, из которых создаются информационно-измерительные системы обработки аналоговых сигналов физических величин. Главная цель обработки физических сигналов заключается в необходимости получения содержащейся в них информации. Эта информация обычно присутствует в амплитуде сигнала (абсолютной или относительной), в частоте или спектральном составе, в фазе или относительных временных зависимостях нескольких сигналов.
Информационно-измерительные системы состоят из устройств первичной (датчики) и вторичной (усилители, делители напряжения, фазометры и т. д.) обработки сигналов, АЦП (рис. 1) [4, 5]. Каждый элемент этой цепочки является отдельной темой для разговора. Нами рассмотрена проблема построения вторичного измерительного преобра-
зователя - преобразователя фазового сдвига (фазовращатели и калибраторы фазы).
Проблема регулирования электрического фазового сдвига является весьма актуальной [4]. В нашей стране промышленностью выпускается только один калибратор фазы - Ф1-4 с дискретностью регулирования 10° (см. табл. 1), что является недостатком при применении его в качестве высокоточного преобразователя фазового сдвига в системах управления с высокой разрешающей способностью по углу фазового сдвига (УФС). Согласно приложению об аккредитации № 065 от 24.12.2008 ФГУП ВНИИМ им. Менделеева рабочие эталоны и калибраторы фазы 0-го разряда имеют погрешность измерения 0,002-0,02°, 1-го разряда 0,01-0,2°, 2-го разряда 0,03-0,9°.
Именно проблема высокоточного регулирования фазового сдвига в широком диапазоне частот сдерживает область применения фазового регулирования. Большинство устройств и приборов применяют частотное регулирование и управление, но возникает проблема помехозащищенности при изменении частоты.
В качестве решения проблемы предлагается использовать синусно-косинусные фазовращатели. Принцип работы синусно-косинусных фазовращателей может быть описан соотношением [1-4]:
ивЫх = и сов^я- ус/ ътф = и е](р. Это уравнение описывается структурной схемой, представленной на рисунке 2.
ОБРАБОТКА АНАЛОГОВЫХ И ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ
Рис. 1. Схема обработки сигналов в информационно-измерительных системах
Рис. 2. Структурная схема синусно-косинусного фазовращателя: КУ - квадратурное устройство, квадратурный фазовый модулятор (QPSK) [3]; эталонный sinф и cosф - устройства, обеспечивающие высокоточное воспроизведение зависимостей sinф и cosф (функциональные ЦАП [1, 2, 4]); ФП - синусно-косинусные функциональные преобразователи; £ - сумматор
Таблица 1
Фазометры, калибраторы фазы и их основные метрологические характеристики
Тип фазометра Диапазон частот (Гц) Диапазон измеряемого УФС (град.) Основн. погрешн. измерения (град.) при соотн. уровней 1:1 Разреш. способность (град.)
Ф1-4 20 - 107 0-360 ±0,03 °(20 Гц-10 кГц); ±0,05 °(10 кГц-1 МГц); ±0,1°(1-10 МГц и 5-20 Гц) 10° (5 Гц-2 МГц) 30°(2-10 МГц)
Fluke 5500А 0,01 - 2,0 106 0... + 179,99° ± 0,15 -
Окончание таблицы 1
Тип фазометра Диапазон частот (Гц) Диапазон измеряемого УФС (град.) Основн. погрешн. измерения (град.) при соотн. уровней 1:1 Разреш. способность (град.)
Fluke 5520А 10 - 30103 0... + 179,99° ± 0,07 -
КФМ-02 45 - 55 0 - 360 0,1 -
НФ-3М 10-3- 102 0-360 ± 1,8 -
Ф2-1 20 - 105 0-160 0-130>20 ± 2 + 1% от пред. шкалы 0,5
Ф2-3 75103- 0-360 0,1 + 1 % от пред. 0,1
Ф2-4 20 - 107 -180-+180 0,7-1,5 0,04
Ф2-6 10 - 108 0 - 360 ±1,0 0,5
Ф2-7 75103- -180-+180 2-3 0,5
Ф2-8 108- 109 0 - 360 ±1,0 + 1% от пред. 0,2
Ф2-9 105- 107 0 - 360 ±1 (< 1 МГц) ± ((2-2,5) (>1 МГц)) 0,3
Ф2-13 20 - 106 0 ±180 ± 0,5 (20 Гц - 200 кГц) ± 1,0 (200 кГц - 1 МГц) 0,2
Ф2-28 5 - 5105 0 - 360 при ^=0,1-10 В: ±0,2° (5200 Гц), ±0,3 °(200-105 Гц), ±4 10-4 F °(105-5 105 Гц), где F - частота сигнала в кГц при U =10-100 мВ: ±4° вх 0,01
Ф2-34 0,5 - 5106 0 - 360 ±(0,1-0,5)° (0,5-20 Гц); ±0,1 ° (20 Гц - 100 кГц); ±(0,1- 0,6)° (100 кГц - 5 МГц) 0,01
Структурная схема функционального ЦАП со ставлена на рисунке 3. Здесь ИОН - источник опор-сплайновой аппроксимацией п-го порядка пред- ного напряжения, КП - кодопреобразователь.
Рис. 3. Структурная схема функционального ЦАП со сплайновой аппроксимацией n-го порядка
Синусная и косинусная зависимости 3-го порядка реализуются следующими соотношениями [1, 2]:
i 2 3 Я
ки - a0i + аих + a2ix + a3ix « eos—jc,
kii = К + Kx + biixl + КхЪ ~ sin ^
где i - количество отрезков, на которые разбивается интервал сплайновой аппроксимации.
Разработано техническое решение для реализации гибридного функционального ЦАП с кусочно-полиномиальной аппроксимацией «-го порядка. При увеличении порядка полинома п точность приближения синусной и косинусной зависимостей увеличивается в 10 раз, при увеличении количества интервалов аппроксимации точность увеличивается не менее чем в 2 раза. Оптимальным является применение сплайна 3-го порядка с количеством интервалов аппроксимации от трех и выше. Получен патент на изобретение № 2408136 МПК Н03М 1/66. Функциональный ЦАП. Исследования функциональных ЦАП по составленной математической модели позволили определить максимальные значения методических погрешностей синусно-косинусного преобразователя фазовых сдвигов, которые составили: при одном интервале аппроксимации - по амплитуде SU =1,5%, по УФС Аф=0,15°;при двух интервалах аппроксимации - по амплитуде SUebx=0,1 %, по УФС Аф=0,025°; при трех интервалах аппроксимации -по амплитуде SUebx=0,02%, по УФС Аф=0,003°; при четырех интервалах аппроксимации - по амплитуде SU =0,007%, по УФС Аф=0,0007°
вьх ' ' ' '
Экспериментальные погрешности преобразователя фазовых сдвигов на основе функциональных ЦАП составили: при одном интервале аппроксимации - по амплитуде SUb=1,5%, по УФС Аф=0,2°; при двух интервалах аппроксимации - по амплитуде SUbbX=0,15 %, по УФС Аф=0,06°; при трех интервалах аппроксимации - по амплитуде SU =0,06%, по УФС Аф=0,05°; при четырех интервалах аппроксимации - по амплитуде SUebx=0,04%, по УФС Аф=0,04° [1]. Экспериментальные и теоретические исследования погрешностей преобразователя фазового сдвига на функциональных ЦАП показали, что качественное распределение погрешностей имеет одинаковый характер и свидетельствует об адекватности разработанных моделей. Таким образом, теоретические и экспериментальные исследования разработанного метода построения преобразователя фазового сдвига показали возможность создания высокоточных преобразователей фазового сдвига для вторичной обработки сигнала от датчика. При
этом для различных датчиков с различной требуемой точностью возможно выпустить целый кластер преобразователей фазового сдвига, перекрывающий широкий диапазон частот (низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные преобразователи фазового сдвига).
Список литературы
1. Газизов А.А. Экспериментальное исследование функционального ЦАП [Текст] / А.А. Газизов, В.И. Канарейкин, А.Д. Максутов, В.М. Сапельни-ков // Датчики и системы. - 2009. - № 5. - С. 58-60.
2. Сапельников В.М. Повышение точности измерения коэффициента мощности [Текст] / В.М. Сапельников, В.И. Канарейкин, С.С. Клименко // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2010. - № 3. - С. 23-25.
3. Сапельников В.М. Широкополосное квадратурное устройство для калибраторов фазы [Текст] / В.М. Сапельников, В.И. Канарейкин // Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий: сборник научных трудов II Всероссийской научно-технической конференции в 2 т. Т. 2 / Редкол.: В. А. Шабанов и др. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2009. - С. 157-160.
4. Сапельников В.М. Проблемы воспроизведения смещаемых во времени электрических сигналов и их метрологическое обеспечение [Текст] / В.М. Сапельников, С.А. Кравченко, М.К. Чмых. -Уфа: Изд-во Башкирск. гос. ун-та, 2000. - 196 с.
5. Уолт Кестер. Проектирование систем цифровой и смешанной обработки сигналов [Текст] / Кестер Уолт. - М.: Изд-во Техносфера, Analog Devices, Inc., 2010. - 328 с.
References
1. Gazizov A.A. Jeksperimental'noe issledovanie funkcional'nogo CAP [Tekst] / A.A. Gazizov, V.I. Kanarejkin, A.D. Maksutov, V.M. Sapel'nikov // Datchiki i sistemy. - 2009. - № 5. - S. 58-60.
2. Sapel'nikov V.M. Povyshenie tochnosti izmerenija kojefficienta moshhnosti [Tekst] / V.M. Sapel'nikov, V.I. Kanarejkin, S.C. Klimenko // Mehanizacija i jelektrifikacija sel'skogo hozjajstva. -2010. - № 3. - S. 23-25.
3. Sapel'nikov V.M. Shirokopolosnoe kvadra-turnoe ustrojstvo dlja kalibratorov fazy [Tekst] / V.M. Sapel'nikov, V.I. Kanarejkin // Jelektrotehnologii, jelektroprivod i jelektrooborudovanie predprijatij: sbornik nauchnyh trudov II Vserossijskoj nauchno-tehnicheskoj konferencii v 2 t. T. 2 / redkol.: V. A. Shabanov i dr. - Ufa: Izd-vo UGNTU, 2009. - S. 157160.
4. Sapel'nikov V.M. Problemy vosproizvedenija 5. Uolt Kester. Proektirovanie sistem cifrovoj i
smeshhaemyh vo vremeni jelektricheskih signalov smeshannoj obrabotki signalov [Tekst] / Kester Uolt.
i ih metrologicheskoe obespechenie [Tekst] / V.M. - M.: Izd-vo Tehnosfera, Analog Devices, Inc., 2010. -
Sapel'nikov, S.A. Kravchenko, M.K. Chmyh. - Ufa: 328 s. Izd-vo Bashkirsk. gos. un-ta, 2000. - 196 s.
Федосов А.В. Fedosov А. V.
кандидат технических наук, доцент кафедры «Промышленная безопасность и охрана труда» ФГБОУ ВО
«Уфимский государственный нефтяной технический университет», Россия, г. Уфа
Гайнуллина Л.А. GaynuШna L.A.
магистрант ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», Россия, г. Уфа
УДК 620.179.1:665.6
МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
Оценка состояния опасных производственных объектов занимает особое место в системе промышленной безопасности. На сегодняшний день экспертиза является ключевым элементом этой оценки. Экспертиза промышленной безопасности проводится для оценки состояния объекта, подтверждения соответствия требованиям, установленным законодательством в сфере промышленной безопасности, определения уровня риска возникновения аварии и угрозы для жизни и здоровья людей.
Сегодня ни одна экспертиза не проходит без методов неразрушающего контроля. Неразрушающий контроль - это оценка надежности, рабочей способности и параметров объекта или отдельных его элементов, не требующая выведения объекта из работы либо его демонтажа. Он является важнейшим элементом системы экспертизы промышленной безопасности, обеспечивающей техническую безопасность на опасном производственном объекте. Основной целью неразрушающего контроля является достоверное выявление дефектов путем анализа взаимодействия объекта контроля с полями разной природы (магнитными, электрическими, акустическими и пр.) и веществами. В зависимости от цели и предмета исследования выбирают подходящий метод неразрушающего контроля. Для этого эксперт должен знать о преимуществах и недостатках каждого и определить наилучший вариант, который подойдет выбранной им цели. Ведь каждый метод по-своему хорош и выгоден, но у каждого есть слабые стороны, так, например, с помощью капиллярного контроля выявляют поверхностные дефекты. Преимуществами данного метода перед другими остаются: хорошая выявляемость трещин, высокие чувствительность и разрешающая способность, но с помощью этого метода можно обнаружить только выходящие на поверхность дефекты и невозможно точно определить их глубину.
В данной статье рассмотрены три вида неразрушающего контроля и приборы, с помощью которых можно определить дефекты, представлена диаграмма сравнения статической выявляемости дефектов
