CC BY
45
УДК [681.586.785:681.581.3] :006
С. В. Кононенко, М. В. Жарков, А. В. Рогов, В. С. Коротин, В. А. Попов
МОНИТОРИНГ ДАННЫХ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО МАГНИТОСТРИКЦИОННОГО УРОВНЕМЕРА ДЛЯ СУДОВЫ1Х СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
Одним из решающих факторов повышения инновационной привлекательности магнито-стрикционных устройств автоматики является их интеллектуализация.
Это позволяет не только обеспечить более высокие метрологические и эксплуатационные характеристики магнитострикционных преобразователей, но и реализовать дополнительные функциональные возможности.
В Астраханском государственном техническом университете на базе многофункционального магнитострикционного преобразователя разработан интеллектуальный уровнемер, который определяет не только положение объекта управления, но и его перемещение, скорость, ускорение, а также температуру среды, в которой он работает.
Структурная схема многофункционального магнитострикционного уровнемера, реализованная на принципе логометрического преобразования, изображена на рис. 1. Магнитострикци-онный волновод 1 с обоих концов закреплен в демпферы 2. Вдоль волновода перемещается подвижный магнит 3, жестко связанный с объектом управления. Опорный магнит 4 закреплен в конце волновода 1, на другом конце находится катушка считывания 5.
Рис. 1. Структурная схема многофункционального магнитострикционного уровнемера
для судовых систем управления
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 аналогоцифрового 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 1850.
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 применена 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 Ых измерительного интервала ^х:
где /о - частота счетных импульсов внутреннего счетчика микроконтроллера 9; х - измеряемые перемещения; и - скорость ультразвука в волноводе; а0 - температурный коэффициент задержки ультразвукового импульса в волноводе; А0 - отклонение температуры от нормальной.
После прохождения второго импульса микропроцессор формирует код Ы- опорного интервала іь:
Результатом преобразования перемещения в цифровой код является логометрическое преобразование, произведенное микроконтроллером 9:
Одновременно микроконтроллер выбирает код опорного интервала , вычисляет отклонение кода &ЫЬ , обусловленное изменением температуры окружающей среды, и определяет температуру согласно выражению
X
хх = /о ■ іX = /о-(1+а0-А0), и
(1)
^ = /о ■ і- = /о - (1 + а0 ■ А0).
(2)
(3)
А0 = М- = нь - ньо
а0 а0
где ЫЬ0 - цифровой код опорного расстояния при нормальной температуре. Значения ЫЬ0 и а@ и ©0 записываются в память микроконтроллера.
іоо
Чувствительность канала измерения температуры определяется выбором волновода с большим а@ и частотой /3 счетных импульсов.
Обработка ранее накопленных данных (с 04.12.07 по 04.12.08 г.) в программах, описанных в [1], позволила найти угол отклонения при построении зависимости расстояния от температуры (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость расстояния от температуры (с 04.12.07 по 04.12.08 г.)
Нами было разработано программное обеспечение (ПО), использующее полученные результаты для определения температуры в зависимости от пришедшего с уровнемера значения расстояния. Ниже представлен алгоритм работы программы и его описание (рис. 3). При написании ПО использовался язык программирования С##. Программа рассчитана на запуск на IBM-совместимых компьютерах, под управлением операционными системами семейства Microsoft Windows 98 или более поздними. Для корректной работы ПО необходимы:
- компонент для работы с СОМ-портами (mscomm32.осх);
— 4 Мб свободной оперативной памяти;
- 32 Кб свободного места на диске;
— дополнительное свободное место на диске для файла с полученными данными (размер зависит от длительности работы программы).
Возможны другие требования, зависящие от конфигурации компьютера и операционной системы, на которой работает ПО, получающие информацию об измеряемых параметрах (расстояние и температура) в виде цифровых сигналов с СОМ-порта (интерфейс RS-232).
Описание алгоритма
1. Начало: на данном этапе происходит подготовка внешнего вида программы к работе. Если файл для записи принятых данных не существует, то он создаётся.
2. Инициализация - процесс настройки, открытия СОМ-порта.
3. Выход - обработка нажатия на кнопку «Закрыть». При нажатии на эту кнопку программа завершает работу.
Рис. 3. Алгоритм работы программы
4. Задание размера массива для обработки (рис. 4) (на этом и следующих рисунках смотри данные в овале).
Рис. 4. К описанию алгоритма
5. Чтение данных с порта, накопление данных. Для расчетов выбирается количество значений, равное заданному в п. 4.
6. Вычисление средних значений расстояния.
7. Вычисление значения температуры, дисперсии (рис. 5).
Рис. 5. К описанию алгоритма
8. Запись в файл. Происходит запись полученных данных в файл. При этом файл обновляется немедленно, т. е. для просмотра записанных данных нет необходимости останавливать работу программы.
9. Обновление значений на экране. По мере поступления и обработки данных в окне программы в реальном времени отображаются значения, полученные с порта и вычисленные. Время обновления задается в файле конфигурации (рис. 6).
Рис. 6. К описанию алгоритма
Кабель, по которому поступают данные в компьютер, подключается в СОМ-порт.
Файл, в который осуществляется запись данных, может иметь любой формат, что позволяет использовать полученные данные в других приложениях, например MathCAD, Microsoft Excel и др.
В файл записываются как рассчитанные, так и полученные с датчика температуры данные. Таким образом, разработанное ПО позволяет с достаточной точностью рассчитывать температуру окружающей среды по имеющимся данным о расстоянии. Точность вычислений может повышаться периодически, по мере накопления данных в массиве, создаваемом ПО. Полученные результаты доказывают интеллектуальность разработанной системы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Методы учета систематической ошибки в работе многофункционального магнитострикционного датчика / М. В. Жарков, А. В. Рогов, В. С. Коротин, В. А. Попов // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. -2008. - № 2 (43). - С. 164-167.
Статья поступила в редакцию 4.02.2009
DATA MONITORING OF INTELLECTUAL MAGNITOSTRICTION LEVEL GAUGE FOR SHIP CONTROL SYSTEMS
S. V. Kononenko, M. V. Zharkov, A. V. Rogov, B. S. Korotin, V. A. Popov
Principles of construction (on the basis of the magnitostriction converter) of a multipurpose intellectual level gauge for ship control systems are considered in the paper. The developed software allows with sufficient accuracy to calculate the ambient temperature according to the available data about the distance. The accuracy of calculations can periodically increase - in the process of data accumulation in a file created by the software. The received results prove intellectuality of the developed system.
Key words: intellectual level gauge, magnitostriction converter, ship control systems.
