CC BY
60
Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль
ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ И УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ
УДК 681.518.3
М. А. Фролов, О. А. Фролова, Р. Ш. Мусаев, А. В. Салмин
ПОВЫШЕНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ УПРАВЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
M. A. Frolov, O. A. Frolova, R. Sh. Musaev, A. V. Salmin
METROLOGICAL CHARACTERISTICS INCREASING OF INFORMATION MEASUREMENT CONTROL SYSTEM OF A PROPULSION SYSTEM
Аннотация. Представлена структура информационно-измерительной управляющей системы двигательной установки в виде блок-схемы, рассмотрены ее элементы, в частности, измерительная часть с емкостными датчиками давления. Представлена конструкция емкостного датчика давления. Получена функция преобразования выходного сигнала «емкость - код» от изменения давления измеряемой среды, позволяющая сократить время проектирования емкостного датчика давления информационноизмерительной управляющей системы двигательной установки. Разработана методика расчета метрологических характеристик емкостных датчиков давления с цифровым выходом, позволяющая дать предварительную оценку основной и дополнительной погрешностей, используя расчетную градуировочную характеристику. Представлены результаты предварительных испытаний пяти образцов емкостных датчиков давления в условиях эксплуатации информационно-измерительной управляющей системы, которые позволили подтвердить заявленные метрологические характеристики исследуемой системы.
Abstract. The structure of information measurement control system of a propulsion system is shown in the form of the block-scheme, its parts has been considered, particularly measurement part of capacitive pressure sensor. The construction of capacitive pressure sensor is shown and transformation function of output signal «capacity - code» from measurement of pressure of measured environment, which allow to decrease time designing for of capacitive pressure sensor as part of information measurement control system of a propulsion system, has been received. The calculation technique of metrological characteristics for capacitive pressure sensors with a digital output, which can give a tentative estimation of basic and additional error with using of the calculated graduation characteristics, has been developed. The results of preliminary tests of five samples of capacitive pressure sensors in operating conditions of information measurement control system, which allowed to confirm the declared metrological characteristics of investigated system, are shown.
11
2015л№3(13)
Ключевые слова: информационно-измерительная система, емкостный датчик давления, двигательная установка, метрологические характеристики, методика, математическая модель.
Key words: information measurement system, capacitive pressure sensors, propulsion system, metrological characteristics, technique, mathematical model.
Современное развитие ракетно-космической техники (РКТ), вооружения, военной техники, авиации, двигателестроения, изделий для атомной энергетики и т.п. во многом зависит от технического уровня информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС), качество и технико-экономические показатели которых определяются применяемой в них датчико-преобразующей аппаратурой (ДПА). В специальной технике ДПА эксплуатируется при воздействии большого количества воздействующих факторов: ударов, вибраций, линейных ускорений, акустического шума, широкого диапазона воздействующих температур. При создании сложных комплексов в настоящее время широко используются датчики давления.
Особенностью структурного построения ИИУС двигательных установок РКТ является их разделение на измерительную, вычислительную и исполнительную части. Измерительная часть включает в датчики различных физических величин средства неразрушающего контроля, многофункциональные измерительные модули (рис. 1).
Рис. 1. Блок-схема ИИУС двигательной установки
Используемые в измерительной части ИИУС емкостные датчики давления (ЕДД) выполняют следующие функции: преобразование входного сигнала в сигнал требуемого вида с воспроизводимой функциональной связью между ними; преобразование полученного сигнала в форму, обеспечивающую помехозащищенную передачу к устройству обработки данных по каналу связи; избирательную регистрацию и предварительную обработку выходного сигнала; подавление существенных для решения данной задачи помех (возмущающих воздействий); реагирование на изменяющиеся условия в точках контроля; обеспечение и контроль исправности.
Согласно требованиям, предъявляемым к ИИУС двигательной установки, датчики давления с цифровым выходом должны обеспечивать формирование и передачу параметров измеряемого давления в виде цифрового последовательного кода по интерфейсу 1-Wire с основной и дополнительной погрешностями измерения абсолютного давления в широком диапазоне (0-34,3 МПа), не превышающими ±0,15 и ±1,5 % соответственно.
С целью повышения метрологических характеристик измерительной части ИИУС двигательной установки был разработан посредством математического и имитационного моделирования [1, 2] и изготовлен на базе ОАО «НИИФИ» опытный образец ЕДД (рис. 2). Он имеет
12
Изменение. Мониторинг. Управление. Контроль
моноблочное исполнение, предусматривающее размещение в общем корпусе емкостного чувствительного элемента (ЧЭ) и электронного преобразователя (ЭП) с микропроцессорной обработкой, обеспечивающей автоматизированную функцию управления процессами измерений и обработку информации [3].
Рис. 2. Емкостный датчик давления: 1 - штуцер; 2 - мембрана; 3 - гермопереходник;
4 - подвижная обкладка конденсатора; 5 - неподвижная обкладка конденсатора; 6 - платы; 7 - вилка
В процессе разработки конструкции ЕДД была построена схема ЕДД ИИУС двигательной установки (рис. 3) на основе функционального объединения ЧЭ, состоящего из упругого элемента (УЭ) и емкостного преобразователя (ЕП) с тонкопленочной изоляцией электродов, и ЭП, состоящего из преобразователя емкости в код (ПЕК) и микроконтроллера (МК). В ЧЭ реализуется функция преобразования воздействующего измеряемого давления (Р) в прогиб упругого элемента (Жм). В емкостном преобразователе за счет изменения межэлектродного зазора (5) реализуется функция преобразования прогиба мембраны в изменение электрической емкости С. В ПЕК реализуется функция преобразования «емкость - код» в последовательный 24-разрядный двоичный код Kn. Микроконтроллер обеспечивает нормализацию параметров кода ПЕК в пределах требуемой шкалы выходного сигнала Кв, аппроксимацию градуировочной характеристики датчика с целью ее линеаризации и минимизации температурной погрешности.
P
ЧЭ ЭП
■ 1 г
II С = f(5 - Wм) -Ll> ! Г Kn = AQ K = fKn) 1 л “Г 1
J L
Kn
=>
Рис. 3. Структурная схема ЕДД для жестких условий эксплуатации
Согласно структурной схеме рис. 3 функция преобразования ЕДД равна
Кв = SP = S1SSSP, (1)
где S1, S2, S3, S4 - коэффициенты преобразования отдельных элементов: УЭ, ЕП, ПЕК и МК соответственно; Р - воздействующее давление.
Первым элементом структурной схемы, преобразующим давление в прогиб, является упругий элемент, выполненный в виде колпачковой мембраны переменной толщины. Максимальный прогиб плоской части мембраны в ее центре (Жм) определяется по формуле [1, 4, 5]
W = к 6(1 ~^2)PR~
VV м --
Eh0
1 +
R
M
KD
+ +1)
256
15400
(i -р2 Г
( ^ 2^
R
Г
Р
kEj
(2)
где kw - коэффициент, зависящий от справочного конструктивного параметра Р, определяющего прогиб мембраны; р - коэффициент Пуассона для стали; R,^ - радиус мембраны; Е - модуль упругости материала мембраны; h0 - толщина мембраны в центре; h - эквивалентная
13
2015л№3(13)
толщина плоской части мембраны; К - коэффициент, учитывающий удлинение цилиндрической части мембраны; D - цилиндрическая жесткость мембраны.
Второй элемент представляет собой емкостный преобразователь перемещения с постоянной опорной емкостью. На рис. 4 представлена уточненная расчетная схема ЧЭ ЕДД, где Ri - радиус колпачковой мембраны в точке на окружности мембраны; h0 - толщина мембраны в центре (Ri = 0); h4 - толщина цилиндрической части мембраны; гм - радиус посадочного цилиндра мембраны; RK3 - внешний радиус подвижного электрода; гнэ - внутренний радиус подвижного электрода, мм; 8 - межэлектродный зазор; 8м - толщина слоя металлизации; 8д - толщина защитного слоя диэлектрика; а - зазор между верхними обкладками электрода; S - площадь обкладки рабочей емкости; R.3 - радиус верхнего электрода; у - угол, формирующий ширину зазора верхнего электрода; а - угол, формирующий радиус подвижного электрода. Конструктивно рабочая емкость преобразователя выполнена в виде плоского конденсатора со слоем диэлектрика толщиной 5д, диэлектрической проницаемостью ед, рабочим зазором 8 и межэлектродной средой «ЧЭ - вакуум» с диэлектрической проницаемостью е и абсолютной диэлектрической проницаемостью ео.
Значение емкости изменяется пропорционально изменению межэлектродного зазора, вызванному прогибом мембраны верхних электродов со слоем диэлектрика толщиной 5д и диэлектрическими постоянными е. Следовательно, межэлектродный зазор емкости Ci изменяется прямо пропорционально прогибу мембраны (движение подвижной обкладки относительно неподвижной плоско-параллельное) и вычисляется [4, 5] как
Ci
nR„2 - 2 • ajR? - —— R2 [ ШХ - sin а 1 -
180°
ny
180°
- sin у
8-8,
■+-* - Wu
;д
где е0 - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, равная 8,85-10 12 Ф/м. Третий элемент реализует функцию преобразования «емкость - код» вида [6]
Kn = mC,■ + n ,
4
(3)
(4)
где m, n - коэффициенты пропорциональности, определяющие чувствительность преобразования и начальный уровень кода Кп.
Четвертый элемент реализует функцию преобразования выходного кода ПЕК в нормализованный последовательный двоичный выходной код датчика в пределах заданной шкалы, аппроксимацией градуировочной характеристики [7]:
14
Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль
к =
Кв + 1 ( P ) - KBI (Pt) кш +1( Pt +1) - Кш (Pt)
[Кп - Knt (Pt)] + Кш (Pt),
(5)
где KBt (Рг) - значение выходного кода датчика при давлении Pt, не превышающее 13,3 Па; Кш (Pj) - выходной код преобразователя ПЕК при измеряемом давлении Pt; t = 0.. .20 - номер точки градуирования; Р0 - абсолютное значение измеряемого давления.
Полученные выражения (2)-(5) составляют математическую модель ЕДД путем наложения уравнений связи и рассмотрения системы ограничений. Подставив в функцию (5) цифровые значения функции (4), получим нормализованный последовательный цифровой сигнал -двоичный код в интервале от 10 до 1000 (1010^1111101000) единиц в зависимости от значения измеряемого давления, и аппроксимацию градуировочной характеристики полиномом третьей степени, имеющей вид
С( P) = а0 + а1Р + а2Р2 + а3Р3, (6)
где а - коэффициент полинома; С - емкость.
Системный подход к анализу работы ЕДД позволяет рассмотреть его в виде объекта (рис. 5), на основной вход которого подается измеряемый параметр - давление (P), а на дополнительные входы - комплекс влияющих величин §2, §3, §4: температура, вибрации, уда-
ры, линейные ускорения соответственно.
Рис. 5. Схема воздействия комплекса влияющих величин на ЕДД ИИУС для жестких условий эксплуатации
C выхода ЕДД снимается информативный параметр - Кв, функционально связанный с измеряемым параметром и влияющими факторами. В результате была получена функция преобразования ЕДД [8]:
n Ok n Ok
Кв (P) = (k> p + *0) + Ф(Р) + Pi Of • (^ - St 0) + I Of • (S - ^0),
(7)
где------мультипликативная чувствительность датчика к t-й влияющей величине (коэффици-
ент влияния t-той воздействующей величины на коэффициент преобразования датчика); - аддитивная чувствительность датчика к t-й влияющей величине (коэффициент влияния
t-той воздействующей величины на начальный уровень выходного сигнала датчика); ф(Р) - функция нелинейности; Р - измеряемый параметр; k, k0 - коэффициенты преобразования ЕДД; b, b0 - смещение нуля ЕДД.
Слагаемое (k^P + b0) + ф(Р) представляет функцию преобразования, а отклонение этой функции от номинальной определяет основную погрешность датчика.
Исходя из составляющих основной погрешности датчика и используя принцип сложения случайных погрешностей, приведенная основная погрешность датчика имеет вид [7]
Го = Гос ± tqY (х) = Гос ± Wy2 + Г2 + Гв2 + Г02г
(8)
15
2015л№3(13)
Здесь Y(x) - случайная приведенная составляющая основной погрешности ЧЭ; Yoc, Yor -систематическая и случайная составляющие погрешности средств градуирования; tq - интервальный коэффициент (квантиль распределения погрешности), зависящий от вида закона распределения (характеризующегося эксцессом е) и величины доверительной вероятности Рд; YK - приведенная погрешность нелинейности; Yj. - приведенная погрешность гистерезиса (вариация); Yu - приведенная погрешность воспроизводимости.
Приведенная погрешность аппроксимации для аппроксимирующего полинома 3-й степени составила [7]
Y„ =
1
N\m-L-
i m
— У
L -1 ^
L 1 j = 1
Uj - a0 - а1 • Р - а2 • Р2 - а3Р3) -100%,
(9)
где N - нормирующее значение выходного сигнала; m - число точек градуировки; a0, j, 2, 3 - коэффициент полинома; L - степень аппроксимирующего полинома (L = 3); Uj - текущее значение выходного сигнала; Р - текущее значение входной величины.
Приведенная погрешность датчика от влияния воздействующих факторов имеет вид [8]
Y| = У(Ski + S01 )[M(|) - U ± tqYy, (10)
i=1
где Yy - приведенное значение случайной составляющей погрешности ЧЭ от влияния воздействующих факторов; YG - систематическая составляющая погрешности ЧЭ от влияния воздействующих факторов, выраженная через математическое ожидание M(^) и функции влияния влияющих величин на коэффициент преобразования Sk, определяемый по формуле Ski = (Эк/кн)/Э^-, и смещение нуля Soi.
Зная функции влияния, а также примененные конструктивные параметры, можно произвести предварительную оценку погрешности нелинейности (аппроксимации), используя функцию преобразования ЕДД.
Расчетные значения функции преобразования упругого элемента, определенные в соответствии с формулой (3), при заданных конструктивных параметрах (площадь обкладок конденсатора S = 27,1186 мм2, начальный межэлектродный зазор 50 = 0,03 мм, конструктивный параметр, определяющий прогиб мембраны от измеряемого давления, Q = 0,01 мм) приведены в табл. 1.
Таблица 1
Расчетные значения функции преобразования упругого элемента, совмещенного с емкостным преобразователем
Pi 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
C, пФ 8 8,276 8,571 8,889 9,231 9,6 10 10,435 10,909 11,429 12
Рассчитанная по формуле (9) приведенная погрешность аппроксимации Y,^ составляет: для полинома 1-й степени - 3,928 %; для полинома 2-й степени - 0,451 %; для полинома 3-й степени - 0,0307 %. Таким образом, ожидаемая основная погрешность ЧЭ, определенная по формуле (8), при условии аппроксимации функции преобразования полиномом 3-й степени составит Yo = 0,119 %.
В соответствии с формулой (8) с учетом структурной схемы датчика составляющей основной погрешности датчика является также основная погрешность ЭП, определяющаяся только погрешностью преобразователя «емкость - код», имеющей значение основной приведенной погрешности 0,1 %. Ожидаемая основная погрешность датчика при условии аппроксимации функции преобразования полиномом 3-й степени составит не более Yo = 0,15 %, что обеспечивает требования ИИУС двигательной установки.
Предельное значение неисключенной дополнительной погрешности ЧЭ в соответствии с ОСТ 92-4279-80 определяется по формуле
YEk = max[ Дси-У м (|и, Ри) + 1,96^ ] • 1^00,
(11)
где Дси - среднее значение систематической составляющей погрешности, обусловленной влияющей величиной; У м(|и,Ри) - функция влияния; DH - дисперсия выходного сигнала.
16
Изменение. Мониторинг. Управление. Контроль
При реализации ЧЭ функции влияния вида 0О + 0\t + 02t2 + 03tP + 04t2P, предусмотренной ОСТ 92-4279-80, предельное значение неисключенной дополнительной погрешности ЧЭ от температуры составит 0,074 %, что соответствует требованиям условий эксплуатации ИИУС.
Погрешность ЧЭ от воздействия влияния температуры определяется только погрешностью преобразователя «емкость - код», имеющей значения аддитивной и мультипликативной чувствительности к температуре, равные соответственно 6,5-\0-> и 6,5-10-4 \ / °С.
Используя методику оценки погрешности, получим приведенную случайную составляющую погрешности ЧЭ от влияния воздействующих факторов Yy = 0,0227. Систематическая составляющая погрешности ЧЭ от влияния воздействующих факторов Yc = (S& + Sot)-[M(t) - to] = 0,0263. Приведенная погрешность ЧЭ от влияния воздействующих факторов составит 7,08 %.
Учитывая расчетное значение приведенной погрешности ЧЭ (7,08 %), которое находится на уровне значения приведенной погрешности упругого элемента (6,47 %), можно с большой долей уверенности полагать, что предельное значение неисключенной дополнительной погрешности ЭП от температуры не превысит 0,\ %.
Полагая, что Y^ = 0,074 % и Y^ = 0,1 %, предельное значение неисключенной дополнительной погрешности ЧЭ от воздействия влияющей величины (температуры) составит Y^ = 0,124 % ,что соответствует требованиям эксплуатации ИИУС двигательной установки (не более 1,5 %).
Для подтверждения методики расчета метрологических характеристик ЕДД ИИУС были проведены предварительные испытания разработанных на базе ОАО «НИИФИ» пяти опытных образцов ЕДД (№ \-5). В табл. 2 представлены градуировочные характеристики ЕДД ИИУС № \ до и после воздействия давления перегрузки.
Таблица 2
Градуировочные характеристики ЕДД ИИУС № \ до и после воздействия давления перегрузки
Входной параметр, МПа Значение выходного сигнала Коэффициенты функции преобразования после перегрузки и основная погрешность Коэффициенты функции преобразования до перегрузки и основная погрешность
До испытаний на перегрузку После испытаний на перегрузку
0 \3 \6 а0 = \5,825 а\ = \64,46 а2 = -0,52634 а3 = 0,0750\7 То = 0,078 % а0 = \5,825 а\ = \64,46 а2 = -0,52634 а3 = 0,0750\7 То = 0,078 %
0,\2 208 2\2
0,24 406 409
0,36 603 605
0,48 80 \ 80 \
0,6 998 \000
В табл. 3 сведены значения составляющих дополнительной погрешности в условиях эксплуатации ЕДД № 1-5 по результатам предварительных испытаний.
Таблица 3
Результаты определения дополнительной погрешности в условиях эксплуатации пяти исполнений ЕДД ИИУС
Составляющие дополнительной погрешности в условиях эксплуатации ЕДД
№ \ № 2 № 3 № 4 № 5
Дополнительная погрешность от воздействия синусоидальной вибрации ув, % 0,202 0,2 0,203 0,202 0,\0\
Дополнительная погрешность от воздействия линейного ускорения ул, % 0,7 \\ 0,602 0,609 0,404 0,405
Дополнительная статическая погрешность от воздействия температуры yt, % 0,\83 0,30\ 0,283 0,382 0,225
Дополнительная статическая погрешность от воздействия акустического шума уа, % 0,\0\ 0,20 \ 0,\02 0,303 0,202
Дополнительная статическая погрешность от воздействия давления окружающей среды уд, % 0,\02 0,\0\ 0,205 0,202 0,\0\
Дополнительная погрешность датчика в условиях эксплуатации уэ, % 0,775 0,737 0,738 0,695 0,525
17
2015л№3(13)
Выходной цифровой нормализованный сигнал до и после воздействия рабочих давлений, давлений перегрузки, внешних воздействующих факторов в НКУ согласно приведенной схеме испытаний находился в диапазонах от 0 ± 10 до 1000 ± 10 в зависимости от градуировочной характеристики. По результатам испытаний ЕДД на воздействия температуры эксплуатации от минус 40 до 60 °С на участке градуировки от 0 до 0,6 МПа (рис. 6) была получена градуировочная характеристика до и после термокомпенсации.
Основная и дополнительная погрешности в условиях эксплуатации от воздействия температуры, синусоидальной вибрации, линейного ускорения, акустического шума составили ±0,15 и ±1,5 % соответственно, что в 2 раза меньше значений датчика аналога - ДДА производства ОАО «НИИФИ» (рис. 7).
Рис. 7. Графики основной и дополнительной погрешностей ЕДД на участке градуировки ЕДД от 0 до 0,6 МПа
18
Изменение. Мониторинг. Управление. Контроль
Разработанная конструкция ЕДД ИИУС двигательной установки и выведенная функция преобразования выходного сигнала, поступающего от датчика к модулю обработки и измерения информации, с учетом погрешности эксплуатации и влияния геометрических параметров чувствительного элемента датчика, позволили оценить влияние на ЕДД ИИУС воздействующих факторов: температуры, вибрации, ударов и линейных ускорений. Разработанная методика расчета метрологических характеристик ЕДД позволила сократить время проектирования ЕДД ИИУС в 1,5 раза и выработать технические решения, направленные на повышение метрологических характеристик ИИУС двигательной установки, за счет снижения основной (с ± 0,5 до ± 0,15 %) и дополнительной (с ±2,5 до ±1,5 %) погрешностей выходного сигнала ЕДД. Полученные результаты подтверждены предварительными испытаниями и тремя годами эксплуатации в составе ИИУС двигательной установки изделий РКТ.
Список литературы
1. Фролов, М. А. Математическая модель емкостного датчика абсолютного давления /
М. А. Фролов // Труды Международного симпозиума Надежность и качество. - 2014. -№ 2. - С. 213-216.
2. Фролов, М. А. Расчет чувствительного элемента датчика абсолютного давления методом конечных элементов / М. А. Фролов, Р. Ш. Мусаев // Датчики и системы. -2012. - № 9. - С. 32-33.
3. Свидетельство № 2014617805. Программа автоматизированного рабочего места оператора настройки емкостных датчиков давления / Фролов М. А., Федулеева М. В., Тужилкин О. В., Тихоненков В. А. - Заявка 2014615582 от 06.20.2014 ; опубл. 04.07.2014.
4. Тихоненков, В. А. Проектирование и технология производства металлопленочных датчиков механических величин в примерах и задачах : учеб. пособие /
В. А. Тихоненков, В. А. Мишин. - Ульяновск : УлГТУ, 2004. - 338 с.
5. Левшина, Е. С. Электрические измерения физических величин. Измерительные преобразователи / Е. С. Левшина, П. В. Новицкий. - Л. : Энергоатомиздат, 1983. - 240 с.
6. Сайт фирмы Analog Devices, Inc. - URL: www.analog.com (дата обращения: 11.06.2015).
7. Сайт фирмы Silicon Laboratories, Inc. - URL: www.silabs.com (дата обращения: 11.06.2015).
8. Тихоненков, В. А. Теория, расчет и основы проектирования датчиков механических величин / В. А. Тихоненков, А. И. Тихонов. - Ульяновск : УлГТУ, 2000. - 452 с.
Фролов Михаил Алексеевич аспирант, Пензенский государственный университет; начальник отдела, Научно-исследовательский институт физических измерений E-mail: [email protected] Frolov Mihail Alekseevich postgraduate student, Penza State University; head of department, Scientific-research Institute of physical measurements
Фролова Ольга Александровна инженер-технолог 1 категории, Научно-исследовательский институт физических измерений E-mail: [email protected] Frolova Olga Aleksandrovna process engineer 1 category, Scientific-research Institute of physical measurements
Мусаев Руслан Шабанович кандидат технических наук, начальник центра 3, Научно-исследовательский институт физических измерений E-mail: [email protected] Musaev Ruslan Shabanovich candidate of technical sciences, head of the center 3, Scientific-research Institute of physical measurements
19
2015л№3(13)
Салмин Александр Вячеславович
начальник отдела,
Научно-исследовательский институт физических измерений E-mail: [email protected]
Salmin Aleksandr Vyacheslavovich
head of department, Scientific-research Institute of physical measurements
УДК 681.518.3 Фролов, М. А.
Повышение метрологических характеристик информационно-измерительной управляющей системы двигательной установки / М. А. Фролов, О. А. Фролова, Р. Ш. Мусаев, А. В. Салмин // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2015. - № 3 (13). - С. 10-19.
