Компьютерное моделирование сигналов чувствительного элемента датчика абсолютного давления Текст научной статьи по специальности «Физика»

ном и периодическом контроле; изменение разработанных инвариантов в процессе деформирования не зависит от амплитуды и интенсивности сигналов и определяется только стадией деформирования.

Проведённые исследования при моделировании на ПЭВМ, испытании образцов и диагностике конструкций показали хорошую информативность и устойчивость инвариантов на фоне механических и электронных шумов. Это объясняется возможностью разделения распределений шума и сигнала АЭ, специфическим характером распределений АЭ на стадиях деформирования.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Муравин Г.Б., Лезвинская В.В., Шип В.В. Акустическая эмиссия и критерии разрушения (Обзор) // Дефектоскопия. 1993. № 8. С. 5 -16.

2. Расщепляев Ю.С., Попов А.В. Метод инвариантов в задаче исследования потоков

акустической эмиссии // Дефектоскопия. 2000. №10. С. 79-82.

С.И. Клевцов, А.В. Пирский

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ДАТЧИКА АБСОЛЮТНОГО

ДАВЛЕНИЯ

Создание интеллектуальных датчиков физических величин связано с разработкой алгоритмического и программного обеспечения, проверка и отладка которого осуществляется в составе специальных испытательных стендов. Формирование измеряемого сигнала для реализации процедур проверки и отладки с помощью соответствующих физических установок на этапах разработки нецелесообразно, поскольку требует больших и необоснованных затрат. Наиболее эффективным в этом случае является использование вместо реального физического сигнала его имитации на уровне электрических сигналов чувствительного элемента (ЧЭ). Это позволит отойти от создания крупногабаритных аналогово-цифровых имитационных стендов, обеспечит гибкость в работе и снизит стоимость разработки в целом.

Для датчиков абсолютного давления необходимым является синхронная имитация сигналов, снимаемых с двух каналов ЧЭ, - давления и температуры, поскольку в интеллектуальном датчике корректировка температурного влияния на результат измерения абсолютного давления осуществляется автоматически в процессе обработки поступающих данных о текущих измеренных значениях давления и температуры [1].

Имитация заключается в предварительном компьютерном моделировании сигналов ЧЭ с учетом особенностей их обработки в микроконтроллере и последующей генерации полученных в результате моделирования дискретных представлений сигналов с помощью генератора произвольных сигналов, выходы которого подключены к аналоговой части интеллектуального датчика.

Компьютерное моделирование сигналов ЧЭ включает в себя:

■ построение на основе экспериментальных данных о результатах градуиро-вочных испытаний ЧЭ его функции преобразования;

■ определение согласованных между собой функциональных зависимостей изменения давления и температуры во времени, которые характерны для объекта размещения датчиков;

■ построение дискретных зависимостей изменения давления и температуры во времени с учетом длительности цикла обработки поступающих данных в микроконтроллере;

■ формирование дискретных представлений сигналов, снимаемых с каналов давления и температуры ЧЭ, на основе обработки дискретных временных зависимостей изменения давления и температуры с помощью функции преобразования ЧЭ.

Предложенная схема компьютерного моделирования была апробирована в процессе имитации сигналов чувствительных элементов датчика абсолютного давления. Функции преобразования ЧЭ формировались отдельно для каналов давления и температуры. При построении этой функции для канала давления учитывался нелинейный характер зависимости выходного сигнала ЧЭ от внешнего давления и влияние температуры на показания датчика. Поэтому для аппроксимации функции преобразования канала давления использовался полином вида [1]:

иР = С + Б1 • Р + Б2 • Р2, (1)

где коэффициенты С, Б1, Ю2 , в свою очередь, аналогичным образом зависят от температуры.

В связи с линейным характером изменения сигнала при повышении или понижении температуры в качестве математической модели сигнала, снимаемого с канала температуры, рассматривалась зависимость [2]

ит = у о + у1 • Т . (2)

Коэффициенты аппроксимации функциональных зависимостей (1) и (2) определялись с помощью метода наименьших квадратов, используя данные экспериментальных испытаний ЧЭ датчиков абсолютного давления.

С целью достижения высокой точности измерений без потерь в скорости обработки в микроконтроллере для формирования функции преобразования канала давления использовалась мультисегментная пространственная модель построения градуировочных характеристик датчиков [3, 4].

Исходными данными служили результаты испытаний при изменении давления в диапазоне от 0 до 10 кгс/см2 с шагом в 1 кгс/см2. Температура соответствовала одному из следующих значений: -40оС, -20оС, 0оС, 25 оС, 40оС, 60оС, 80оС. Зависимость нормированного выходного сигнала ЧЭ от температуры показана на рис. 1 (ось изменения температуры расположена перпендикулярно плоскости рисунка).

2.5г

I

V

Рис. 1. Изменение выходного сигнала канала давления ЧЭ от абсолютного давления при различных значениях температуры окружающей среды

Коэффициенты аппроксимации функций преобразования каналов давления и температуры были определены с использованием программы моделирования, реализованной в среде МЛТЬЛБ. Максимальная относительная погрешность аппроксимации функции преобразования канала давления не превысила величины 0,08% (рис. 2). Низкая погрешность подтверждает высокую степень совпадения модели с реальной функцией преобразования ЧЭ.

Рис. 2. График относительной погрешности моделирования функции преобразования канала давления

Максимальная относительная погрешность аппроксимации функции преобразования канала температуры менее 0,001 % (рис. 3).

Рис. 3. График относительной погрешности моделирования функции преобразования канала температуры

Высокая точность, достигаемая на этом этапе имитации сигналов ЧЭ, важна для последующих этапов, поскольку основной вклад в итоговую погрешность вносит погрешность аппроксимации функций преобразования.

Задаваемые при моделировании функциональные зависимости изменения давления и температуры во времени должны быть характерны для объекта размещения датчиков.

Для объяснения схемы преобразования физических сигналов давления и температуры в процессе моделирования в качестве возможных аналитических зависимостей, характеризующих эти сигналы на объекте, рассмотрим экспоненциальную и линейную формы соответственно:

Р(1) = Ро(1 - е-а1), (3)

ТЧ) = ат +рт • г. (4)

На основе аналитических выражений (3) и (4) формируется промежуточное дискретное представление сигналов Р(г) и Т(г). Для этого устанавливается единый для Р(г) и Т(г) шаг дискретизации по времени Дг, согласованный по величине с длительностью обработки данных в интеллектуальном датчике.

В моменты времени

гк = г0 +к-дг, к = о, 1, 2, ..., п ,

где г0 - начальный момент времени, фиксируются значения давления Р и температуры Т:

Р(гк) = Рк = Ро(1 - е"а1к),

(5)

Т(гк) = тк = ат + Рт*к .

Полученные дискретные отсчеты формируют дискетное представление об изменении физических сигналов давления и температуры во времени (рис. 4).

На основе дискретного представления физических сигналов давления и температуры с помощью построенных ранее функций преобразования формируются дискретные представления сигналов, снимаемых с каналов давления и температуры ЧЭ.

Рассмотрим упрощенный вариант аппроксимации функции преобразования в виде набора аппроксимирующих кривых - полиномов второй степени, определяющих зависимость выходного сигнала канала давления иР от давления Р при фиксированных значениях температуры Т.

В этом случае имитируемый выходной сигнал с канала давления формируется на основе представления сигнала давления в соответствии с (5) (рис. 3,а) с использованием функции преобразования вида (1).

Тогда для каждого Рк и Т значение снимаемого с канала давления ЧЭ сигнала определяется выражением

иРк = а1 + Ъ1Рк + скРк2, где а1, Ь1, с1 - коэффициенты аппроксимации, рассчитанные при Т=Т1.

Рис. 4. Формирование дискретных представлений физических сигналов давления и

температуры

В результате получаем дискретное представление сигнала канала давления: ирд (к, 1) = (а1 + Ъ1Рк + с1Рк2 )л(к, к +1,1), (6)

где

Рк = Р0

1 - е

-а-се11 —

и ]

•Д1

|(К,К +1,1) = (г|(1 - се1

1

Д1

Д1) -|(1 - се1

-1 +1 Д1

се1

1

Д1

- целая часть числа —, |(1 - 1к) = Д1

Д1)),

1, если 1 > 1К, 0, если 1 < 1К.

Схема преобразования и вид функции (6) представлены на рис. 5.

а

UJ

о

t

Рис. 5. Формирование дискретного представления электрического сигнала канала давления

Для канала температуры формирование дискретного представления сигнала осуществляется аналогичным образом. Шаг дискретизации А одинаков для канала давления и температуры.

Полученная в результате моделирования таблица связанных между собой значений сигналов каналов давления и температуры ЧЭ, рассчитанных в фиксированные моменты времени {1^)^=1, записывается в память двухканального цифрового генератора произвольных сигналов и используется для имитации сигналов ЧЭ при разработке и отладке алгоритмического и программного обеспечения интеллектуального датчика давления.

1. Клевцов С.И., Линьков В.С., Веретельников Ю.А., Кузьминов В.Г. Погрешности вычисления давления в интеллектуальном датчике при матрично-полиномиальной аппроксимации его градуировочной характеристики// Известия ТРТУ. 2004. №2.

2. Семенов Л.А., Сирая Т.Н. Методы построения градуировочных характеристик средств измерений. -М.: Изд-во стандартов, 1986.

3. Клевцов С.И., Удод Е.В. Пространственная плоскостная модель градуировочной характеристики интеллектуального датчика давления // Известия ТРТУ. 2005. №1.

4. Клевцов С.И., Клевцова А.Б. Мультисегментная пространственная модель градуировочной характеристики интеллектуального датчика //Материалы Международной научной конференции "Цифровые методы и технологии". Ч.4. Таганрог: ТРТУ. 2005.

МОДЕЛЬ МНОГОЗВЕННОГО ТРАКТА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЯМИ

Независимо от объекта управления система управления телекоммуникациями выполняет функции, которые определены международными стандартами ITU-T X.700, ISO 7498-4 и делят задачи системы управления на пять функциональных групп:

- управление конфигурацией сети и именованием;

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

В.П. Мочалов, А.А. Кульпинов, А.В.Бабич