CC BY
46
Аналиева А.У., Ахметов Б. С., Харитонов П.Т.
Пензенский государственный университет
Институт информационных и телекоммуникационных технологий КазНТУ им. К.И. Сатпаева
ИНФОРМАЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ ВЧ - РЕЗОНАТОРНЫХ ДАТЧИКОВ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Контрольмеханических величин во время переходных и динамических процессов в энергонасыщенных системах связан с проблемой обеспечения высокой информационной способности и надежности датчико-вой аппаратуры.
Информационная способность датчиковой аппаратурыможет быть представлена в единицах достоверной информации (бит/с) , получаемой на выходе датчиковой аппаратуры. Например при ежесекундном опросе
состояния электромагнитного клапана пользователь получает на выходе вторичной аппаратуры соответствующее действительности одно из двух его возможных значений «открыт» или «закрыт», то информационная способность этого варианта датчиковойаппаратуры равна 1 бит/с. В общем виде информационная способность Датчиковой аппаратуры может быть представлена в следующем виде: J=(5 • t)-1, где 5 -относительная погрешность датчика в абсолютных единицах, а t - минимальный интервал опроса датчика в составе конкретной датчиковой аппаратуры, при котором датчик способен контролировать значение измеряемого параметра с погрешностью5и. Если при снижении интервала опроса, например до одной десятой секунды достоверность контроля сохраняется, а при меньшем интервале опроса - теряется, то максимальная информационная способность данного варианта датчиковой аппаратуры равен 10 бит/с. Общеизвестно, что относительная погрешность датчика в значительной степени зависит от режима измерения, в частности от времени усреднения выходных сигналов датчика. Например, струнные датчики давления при их индивидуальной тарировке, обладают относительной погрешностью в режиме измерения статических давлений на уровне 10-4, а при ежесекундном интервале опроса датчика относительная погрешность возрастает до 10-3, в итоге максимальная информационная способность этих датчиков не превышает значения J=1000.
На рассмотренном примере наглядно видно основныепреимущества ВЧ резонаторных датчиков (далее по тексту ВЧД) в аспекте обеспечения высокой информационной способности. В этих датчиках основным информативным параметром является достаточно высокая резонансная частота брвыходного высокоуровневого сигнала, выбираемая в пределах от 107 Гц до 1010 Гц [1, 2]. При реальной нагруженной добротности ОнВЧ резонатора в пределах нескольких сотен,интервалбиоднократного измерения резонансной частоты можетбыть выбран по компромиссному условию:бД Он / бр . Например при Он =250 и бр = 2,5-107 имеем би = 10-5 , а погрешность дискретизации 5д составит 0,4%.Если известно, что значение относительной погрешностиэтого датчика не превышает 5и =1%, получим суммарную относительную погрешность с учетом погрешности дискретизации5= (5И + 5д)0,5 =0,012, информационная способность этого ВЧД составит J=(5 • t)-1 = (0,012*10-5)-1 =8,33-106 .За счет столь высоких значений информационной способности ВЧД, недостижимыхмногими другими видами датчиков, возможен контроль переходных процессов в преимущество ВЧД.Высокоуровневый выходной высокочастотный сигнал ВЧД некритичен к мощным импульс-нымпомехам, может напрямую передаваться по эфиру на вторичную аппаратуру, оснащенную широкополосным радиоприемным устройством. Кроме того, в ряде примененийвозможно введение в структуру ВЧД инвертора энергии контролируемого объекта в электрическую энергию для питания электрических цепей ВЧД. Например,для питания датчиков контроля давления в шинах автотранспортных средств вполне возможно использовать преобразователь механических деформаций шин в электрический заряд, аналогичный известному устройству [3].
Упрощенная структурная схема измерительного канала с использованием ВЧД показана на рис. 1.
ВЧД содержит элемент 1, воспринимающий измеряемую входную величину А и воздействующий на параметры высокочастотного резонатора2, от которых зависят егорезонансная частота бри нагруженная добротность Он.Поскольку высокочастотный резонатор 2 включен в частотозадающую цепь автогенератора 3, на его выходе формируется высокоуровневый частотный сигнал бр, который через буферный усилитель 4 подается в передающую антенну. Для питания всех активных элементов ВЧД в его структуре предусмотрен источник питания 5.
Излучаемый передающей антенной ВЧД сигнал брс приемнойантенны вторичной аппаратуры (ВА) подается на вход приемника б,выход которого подключен к счетному входу цифрового частотомера 7.
Рисунок 1 - Упрощенная структурная схема измерительного канала сиспользованием ВЧД
Интервал счета би, генерируемый формирователем 8, задает время усреднения частоты^ частотомером 7 и в результате на его выходахимеет место цифровой код ^частоты £р , значение которой жестко связано со значением измеряемойвеличины А.Код ^присутствует на информационныхвходах Их блока памяти 9.На группу И2 информационных входов блока памяти 9 поступает цифровой код N текущего времени с выходов формирователя 10. Управление работой структурных элементов ВА обеспечено микропроцессорным блоком 11, задающим тот или иной режимы работыВА. Возможны следующие варианты работы ВА:
контроль переходных процессов с записью «образа» переходного процесса в память 9; контроль значений измеряемого параметра А с привязкой к астрономическому времени; контроль «выбегов» значений измеряемого параметра А за пороговые значения с привязкой этих «выбегов» кастрономическому или текущему времени;
прием и обработка информации с нескольких ВЧД с частотным или адресным разделением каналов; другие варианты работы ВА.
Результаты контроля и измерения могут индицироваться и выводиться на электронный или бумажный носители с помощью устройства 12 вывода информации.
Примером практического использования ВЧД для контроля переходных процессов может служить датчик перемещений с высокочастотнымвыходом [4], используемый для контроля динамики срабатывания предохранительных клапанов трубопроводной арматуры. При общем времени переходного процесса в десятые доли секунды обеспечен контроль хода рабочего органа предохранительного клапана с интерваломбиоднократного измерения равным 2-10-5 секунды. Полный «образ» переходного процесса при этом заносится в несколько тысяч ячеек памяти 9, что создает условия для детального анализа динамики срабатывания предохранительного клапана.
Конкурентными преимуществами ВЧД являются высокотехнологичная конструкция с минимальным количеством элементов, снижающих конструктивную и информационную надежность. На рисунке 2 показан вариант ВЧД силы для весоизмерительных систем. Датчик содержит две конструкционные детали - основание и упругий элемент в виде цилиндрического колпака - между которыми размещена диэлектрическая пластина с о спиральным высокочастотным резонатором и электронным блоком.
Рисунок 2 - Вариант ВЧД силы для весоизмерительных систем
В основании ВЧД (справа) предусмотрен электрический разьем для подачи питания и подключения передающей антенны. Упругий элемент (слева) снабжен силовоспринимающим винтовым штоком для соединения с объектом контроля. Диэлектрическая пластина на рисунок 2видна со стороны электронного
блока, содержащего высокочастотный автогенератор, частотный датчик температуры и напряжения питания. На рисунок 3 слева виден высокочастотный спиральныйLC резонатор, на диэлектрической пластине. Справа на рисунок 3 показано фото ВЧД силы в сборе.
стабилизатор
размешенный
Рисунок 3 - ВЧД силы в сборе (справа) и высокочастотный спиральный LC резонатор датчика (слева)
При начальной частоте на выходе ВЧД силы около 21 МГц порог чувствительности датчика составляет около 0,05 Н при коэффициенте преобразования силы в частоту на уровне 37 кГц / Н.
Введение в структуру ВЧД микропроцессорного модуля, работающего по известным алгоритмам [5...10] позволит снизить суммарную погрешность измерения значением 0,25% при широкодиапазонном воздействии дестабилизирующих факторов.
Современные возможности нанотехнологий открывают перспективу разработки и массового производства унифицированных, в том числе «интеллектуальных» ВЧД давления, силовых воздействий, линейноугловых перемещений, линейных и виброколебаний свыходным ВЧ-ЧМ сигналом, со встроенным частотноцифровым преобразователем (ЧЦП) и с прямой радиопередачей выходного сигнала на вторичную аппаратуру.
На рисунке 4 показан обобщенная структура ВЧД с ЧЦП и встроенным частотным датчиком температу-
ры .
Рисунок 4 - Обобщенная структура ВЧД с ЧЦП и встроенным частотным датчиком температуры
На входе ВЧД любая механическая величина (ускорение, перемещение, сила, давление и др), которая обозначена объектом измерения 1, преобразуется в изменение зазора между высокопроводящим экраном и плоскоспиральнымЬС резонатором 2. Резонансная частота ГрЬС резонатора 2 является функцией значения измеряемого физического параметра F и задает частоту автоколебаний высокочастотного генератора 3. Таким образом, идёт преобразование механического параметра в электрический (частоту fр). Далее частота £рс выхода автогенератора подается на вход микропроцессорного модуля 4, в котором производится цифровое измерение текущих значенийдвух частот f^ fT, последняя их которых несет информацию о собственнойтемпературе LC резонатора 2, что уменьшает погрешность при измерении входного параметра. Микропроцессорный модуль формирует для каждого значения частот fрИ fT, своиад-реса ячеек запоминающего устройства (ЗУ), в которые при тарировке датчика занесены с выходов образцового измерителя параметра F соответствующие этим значениям частот прямые коды измеряемой величины. Извлеченное из соответствующей ячейки ЗУ 5 значение измеряемого параметра выдается в модулятор 6 дляпреобразования в форму, удобную для модуляции несущей частоты приемопередатчика 7 и передачи на вторичную аппаратуру с помощью антенны 8. Приемопередатчик 7 способен также принимать команды управления Су со вторичной аппаратуры и транслировать эти команды в микропроцессорный модуль 4. По этим командам модуль 4 изменяет программу передачи информации в формате, заданном соответствующей командой.
Изготовление электронных блоков и спиральных резонаторв ВЧД в виде микро-ЧИПов позволит обеспечить высокую надежность, улучшенные массогабаритные и точностные характеристики, а также приемлемую коммерческую стоимость «интеллектуальных» ВЧД для специального и гражданского назначения.
Следует отметить, что плоскоспиральный LC резонатор не является единственным вариантом построения надежных и помехоустойчивых ВЧД механических величин. В работах [1, 2] рассмотрены варианты применения ВЧД, построенных на основе объемных LC резонаторов. Известны датчики атмосферного давления и температуры [11], температуры агрессивных сред и жидких теплоносителей на основе высокочастотных резонаторов [12...14] для измерения в том числе сверхнизких температур. Кроме того, в этих вариантах ВЧД информативным параметром являебтся нагруженная добротность высокочатотного резонатора.
По разным данным годовой мировой объем производства датчиков только для автомобилеьной промышленности лежит в пределах от 30 млрд. до 80 млрд. штук в год. Мировой объем производства датчиков длявооружения и военной техникизначительно выше, причем именно в этих вариантах применения первостепенными являются высокие информационная способность и надежность ВЧД.
ВЫВОДЫ
Обеспечение высокой информационной способности является актуальной задачей датчиковой аппаратуры при контроле переходных и динамических процессов в энергонасыщенных системах.
Из многообразия вариантов построения датчиков параметров энергосистем предпочтительны ВЧД с точки зрения обеспечения высоких информационной способности, технологичности конструкциии надежности.
ВЧД позволяют с высокой достоверностью выполнять контроль переходных процессов в механических узлах энергонасыщенных объектов на фоне интенсивных электромагнитных помех.
Возможна реализация «интеллектуальных» ВЧД с микропроцеесорными ЧИПами и электронной памятью в структуре датчика.
Уникальное свойство ВЧД - возможность прямой радиопередачи высокочастотного сигнала - позволяет использовать эти датчики на подвижных органах энергонасыщенных систем без использования проводных линий связи.
ЛИТЕРАТУРА
1. Харитонов П.Т. Высокочастотные тензометры и частотно-цифровые преобразователи для систем управления и контроля параметровэнергетических установок. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Пенза. Пензенский приборостроительный завод., 1986, 213с, ДСП.
2. Харитонов П.Т., Осадчий Е.П. Высокочастотные датчики. Ж. «Приборы исистемы управления», Москва, 1985, №3, с. 12-15.
3. Харитонов П.Т.Инвертор энергии турбулентного потока в электрический заряд. Патент RU №.932257 от 10.03.2010 на ПМ .
4. Смородинов С.Н., Харитонов П.Т. Датчик перемещений с высокочастотным выходом. Патент RU №22969513 от 10.04.2007.
5. Харитонов П.Т., Барышников В.А. Устройство для приема информации, Авт. св. СССР №1014001, 1985.
6. Харитонов П.Т., Зверев К.С. Устройство для приема и обработки информации. Авт. св. СССР №1145807,1985.
7. Харитонов П.Т., Осадчий Е.П., Золотухин В.И. .Устройство для обработки сигналов с частотных
датчиков. Авт. св. СССР №1182507, 1985.
8. Харитонов П.Т., Джадаев А.М. Измерительное информационное устройство. Авт. св. СССР №1217146, 1985.
9. Харитонов П.Т. Измерительное информационное устройство. Авт. св. СССР №1314360, 1986.
10. Харитонов П.Т., Митрохин С. В. Измерительное информационное устройство. Авт. св. СССР №1342300, 1987.
11. Куренчанин В.В., Митрохин С.Н., Харитонов П.Т. Частотный датчик давления. Авт. св. СССР №1565213, 1990.
12. Харитонов П.Т.Датчик температуры. Авт. св. СССР №1135278, 1982.
13. Алексеев А.Н., Харитонов П.Т. Датчик температуры. Авт. св. СССР №1173881, 1985.
14. Алексеев А.Н., Спиричев Ю.А., Харитонов П.Т. Датчик температуры. Авт. св. СССР №1206631, 1985 .
