Самодиагностика в интеллектуальных преобразователях физических величин Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИЗМЕРЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

УДК 681.518.54; 681.586.773 DOI 10.21685/2307-5538-2019-1-5

П. Г. Михайлов, А. В. Соколов, А. У. Аналиева, А. П. Михайлов, Е. Д. Фадеев

САМОДИАГНОСТИКА В ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

P. G. Mikhailov, A. V. Sokolov, A. U. Analieva, A. P. Mikhailov, E. D. Fadeev

SELF DIAGNOSTICS IN INTELLECTUAL CONVERTERS

OF PHYSICAL VALUES

Аннотация. Актуальность и цели. Исследована возможность диагностики и контроля преобразователей физических величин (ПФВ) как на уровне элементов и узлов, так и всего преобразователя. Материалы и методы. Выполнено математическое моделирование тензорезистивного чувствительного элемента (ЧЭ) с мостовой схемой преобразования. Предложены критерии исправности тензорезистивных преобразователей давления. Результаты. Приведены расчетные соотношения для определения критериев исправности и допусков на их численные значения. Получены статистические оценки методической и случайной составляющих погрешностей критериев исправности тензорези-стивной мостовой схемы. Предложена модульная концепция производства и контроля элементов, узлов и самих интеллектуальных ПФВ на основе применения функционально и конструктивно законченных ЧЭ, измерительных модулей (ИМ) и электронных преобразователей (ЭП), изготавливаемых на передовых предприятиях в России и за рубежом. Приведены схема процедуры сквозной диагностики модульного ПФВ, а также конструкции ЧЭ и ИМ интеллектуальных преобразователей давления. Выводы. Применение предложенных программно-аппаратных методов диагностики и контроля элементов, блоков и самих модульных датчиков позволяет создавать интеллектуальные ПФВ, обладающие высокой надежностью, широкими функциональными возможностями и простотой технической реализации.

Abstract. Background. The possibility of diagnostics and control of physical quantity converters (PFV), both at the level of elements and nodes, as well as the entire converter, is investigated. Materials and methods. Mathematical modeling of a tensor-resistive sensitive element (SE) with a bridge conversion circuit was performed. Criteria of serviceability of strain-resistant pressure transducers are proposed. Results. The calculated ratios for determining the criteria for serviceability and tolerances on their numerical values are given. Statistical estimates of the methodological and random components of the errors of the serviceability criteria of a tensor-resistive bridge circuit are obtained. A modular concept of production and control of elements, components, and the intelligent PFV itself was proposed based on the use of functionally and structurally complete SE, measurement modules (MM) and electronic transducers (ET) manufactured at advanced enterprises in Russia and abroad. The scheme of the procedure for end-to-end diagnostics of modular PFV as well as the design of SE and MM of intelli-

© Михайлов П. Г., Соколов А. В., Аналиева А. У., Михайлов А. П., Фадеев Е. Д., 2019

gent pressure transducers are presented. Conclusions. The use of the proposed software and hardware methods for diagnosing and monitoring elements, blocks and the modular sensors themselves allows creating intelligent PFV with high reliability, wide functionality and ease of technical implementation.

Ключевые слова: физическая величина, преобразователь, мостовая схема, измерительный модуль, чувствительный элемент, электронный преобразователь.

Keywords: physical quantity, transducer, bridge circuit, measuring module, sensitive element, electronic transducer.

Так называемые «интеллектуальные датчики» или электронные ПФВ, сообщения о которых постоянно появляются в Интернете и в статьях [1, 2], содержат в качестве основного узла встроенное вычислительное устройство (ВУ), которое позволяет решать задачу автоматизации диагностики отдельных узлов и элементов ПФВ. В то же время в области средств измерения давления остается нерешенной проблема полной диагностики всего ПФВ в целом, включая его ЧЭ, ИМ и ЭП.

Рассмотрим один из возможных методов проведения самодиагностики ЧЭ датчиков давления с интегральными тензорезисторами и встроенным ВУ в виде микроконтроллера или микропроцессора (рис. 1) [3].

M

<7Z

Рис. 1. Функциональная схема электронного ПФВ:

R1-R4 - тензорезисторы; I0 - источник постоянного тока; Nx - цифровой код; ИУ - измерительный усилитель; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; ВУ - вычислительное устройство

Тензорезисторный преобразователь, построенный по мостовой схеме, где все четыре плеча являются активными тензорезисторами, обладает информационной избыточностью, которая используется для самодиагностики. На рис. 1 показана функциональная схема подключения тензорезисторного преобразователя к измерительному усилителю через коммутатор, управляемый сигналами от ВУ. Мостовая схема тензопреобразователя питается от источника тока 1о согласно схеме рис. 2,а. Можно показать, что напряжение на выходной диагонали моста равно

(R3 -AR3)-(R +R + AR, -AR2)-(R + AR,)(R3 + R4 + AR4 -AR3)

au = и - u2 =^-—--1--^^—^—4-—i0. (1)

1 1 2 (R1 + R2 + R3 + R4 + AR1 +AR4-AR2-AR3 ) 0

Соседние плечи тензомоста имеют приращения сопротивления AR¿ разных знаков. Можно считать, что приращение сопротивлений отдельных тензорезисторов мало отличается друг от друга. Это дает основание полагать, что AR¿ - AR¿_j << AR¿ . Опуская величины второго порядка малости в формуле (1), получаем

ли,

_ (я,я4 -я2я3)+ля3 (я,+я2)+ля, (я3+я4)

_ (Я, + Я2 + Я3 + Я4 )

(2)

Зафиксировав код Ди,, ВУ выдает импульс на переключение коммутатора. При этом мост переконфигурируется в соответствии со схемой рис. 2,6, при этом

ли2 _ и2 - и, _

(Я1Я4 -Я2Яз ) + ЛЯ2 (Я3 + Я4) + ЛЯ4 (Я, + Яз)

(Я, + Я2 + Яз + Я4) '

(3)

Оно также фиксируется соответствующим кодом. Отношение напряжений исходя из (2) и (3) будет

ли2 _ (Я,Я4 -Я2Я3)+ЛЯ2 (Я3+Я4)+ЛЯ4 (Я,+Я3) ли, _ (Я,Я4 - Я2Я3 )+ля3 (я, + я2 )+ля, (Я3+Я4) '

(4)

где величина Я,Я4 - Я2Я3 выражает начальный разбаланс моста. При выполнении тензорези-

сторного преобразователя по интегральной технологии, обеспечивающей минимальный разброс по номиналам тензорезисторов внутри мостовой схемы, эта величина мала, так что, начиная с некоторых ДЯ7 = К7Р, где Р - измеряемое давление, а К7 - коэффициент тензочувствительности 7-го тензорезистора (7 = ,, 2, 3, 4), можно считать, что Я,Я4 -Я2Я3 << ЛЯi (Як + ЯА+). Тогда

формула (4) будет независима от измеряемой величины (Р), что позволяет проводить самодиагностику, как без подачи давления (начальный этап), так и в процессе измерений, при этом давление не будет вносить помехи в результаты диагностических тестов.

Диагностическим параметром будет отношение двух напряжений:

С _

ли2 _ К2 (Я3+Я4)+К4 (Я, + Я3) ли, К3 (Я, + Я2) + К, (я3 + я4),

(5)

где К7 - коэффициент тензочувствительности - безразмерная величина, значение которого зависит от материала тензорезистора (К = ^5... 2,5 для металлов и сплавов и К = 25.. .80 в зависимости от уровня легирования для кремния) [4].

Рис. 2. Тензорезисторный преобразователь мостового типа с различным включением тензорезисторов:

а - прямое; б - реконфигурируемое

Отношение С можно принять в качестве критерия исправности тензопреобразователя. Оно не зависит от измеряемой величины - давления Р и от температуры, поскольку тензоре-зисторы выполнены на одной мембране из одного материала. При сравнении в процессе диа-

гностики полученного отношения С с величиной С', вычисленной при тарировке датчика, можно сделать выводы об исправности или неисправности тензопреобразователя.

Наличие шумов в измерительном усилителе и погрешностей преобразования в АЦП делает необходимым учесть эти факторы при определении поля допусков ±е на величину С, хранимую в виде константы в постоянной памяти ВУ. Поиск оптимальной ширины поля допуска может быть осуществлен на основе метода наибольшего правдоподобия, в котором минимизируется функционал [5]:

L = Z!2P2 J P ( X°Dl Vх + Z2! P í P

X о

(6)

где р\ - априорная вероятность исправного состояния, р2 - априорная вероятность неисправного состояния; Zl2, Z2l - цены пропуска дефекта и ложной тревоги (ошибки); р ^^ и

Xо

I - плотности распределения вероятностей пропуска дефекта и ложной тревоги; Х0 -

граничное значение контролируемого параметра, характерное тем, что при Х > Х0 прибор следует забраковывать; ёх - элементарное приращение контролируемой величины.

Для определения допуска на возможное изменение С ранее рассчитанных выходных напряжений с диагонали моста с учетом погрешностей, приведенных ко входу ИУ и последующих преобразований, можно записать в виде

AU, = AU,0 + 8,.,

(7)

где будем полагать погрешности 5г- малыми величинами, некоррелированными между собой и распределенными по нормальному закону (Гаусса) с нулевым математическим ожиданием [6, 7].

Тогда плотность распределения вероятности отношения ^^2 для исправного тензопреобразо-

AU,

вателя составит

P(C ) =

л/2Л<

nG

-• exp

C - C

(8)

где а

Gi • G2

'au, •au2

C = AU2

au:

; g - среднеквадратическое отклонение (СКО) (g2 - диспер-

сия) распределения; о1 и о2 - СКО соответственно распределения массива данных Аи1 и Аи2.

Если хотя бы один из резисторов тензопреобразователя существенным образом изменит свою величину, то выходной сигнал, приведенный ко входу измерительного усилителя будет находиться в пределах

- Um / AU. (Um, k ' k

(9)

где ит - максимальный выходной сигнал усилителя; к - его коэффициент усиления.

Отношение выходных сигналов в двух тактах диагностики может изменяться от близкого к 1 (при исправном ИМ или ЧЭ ) до 2 (при обрыве одного из тензорезисторов). Численное значение плотности распределения вероятности при этом составит

р(С) = 1/2.

Приравнивая (8) и (10) и проводя преобразования, получим

C12 = C ± G

-2ln

V2n

(10)

(ii)

Из формулы (П) следует, что величина допуска £_с-

-21п

на возможные

изменения отношения С _

ли2

'ли,

определяется лишь средней геометрической величиной

отношения сигнал/шум в цепи преобразования сигнала тензопреобразователя. Поскольку шумы ИУ и погрешности АЦП обычно значительно превышают случайные погрешности тензопреобразователя, можно считать, что _ Ли2 _ Б - отношению сигнал/шум в цепи пре-

5, 62

образования [8].

Техническая реализация и производство интеллектуальных датчиков с элементами диагностики и контроля могут быть осуществлены с использованием концепции модульных конструкций, при которой датчик собирается из готовых, конструктивно и функционально законченных узлов: ЧЭ, ИМ (рис. 3) и модульного электронного блока.

Рис. 3. Полупроводниковые ЧЭ (а) и ИМ (б) преобразователей давления

Следует подчеркнуть, что ЧЭ и ИМ представляют собой функционально и конструктивно законченные изделия, которые изготавливаются известными на мировом рынке фирмами (Trafag, Епёвуео, Орлекс, МИЭТ) (рис. 4), имеющими высокотехнологичное оборудование и отработанные технологии [9].

Рис. 4. Зарубежные ИМ Ю0 % готовности: а - тонкопленочный ИМ фирмы «Trafag»; б - МРМ280-03^-0-Ы ИМ относительного давления, в - MDM290

Как показали отечественные и зарубежные источники, выпускаемые комплектующие ЧЭ и ИМ для ПФВ подвергаются диагностике и контролю на всех этапах технологического процесса изготовления [Ю-О].

На рис. 5 схематично показана графическая модель сквозной диагностики модульного ПФВ, включающая:

— контроль и диагностику ЧЭ с использованием модернизированной зондовой установки;

— установку ЧЭ в ИМ, проведение технологических тренировок и контроль диагностических параметров;

— диагностику и проведение тренировок электронного блока (ЭБ);

— установку ИМ и ИМ в корпус датчика и совместную настройку;

— проведение приемо-сдаточных испытаний с занесением в ОЗУ микроконтроллера ЭБ индивидуальных технических характеристик ПФВ.

Такая технология изготовления и методика диагностики ПФВ позволяет [14, 15]:

- использовать принятый в высокотехнологичном производстве принцип разделения труда и кооперации;

- резко сократить время на разработку ПФВ путем использования стандартизированных ЧЭ и ИМ, встраиваемых в корпуса датчиков различной конфигурации;

- значительно сократить трудоемкость изготовления ПФВ за счет исключения операций настройки ЧЭ и ИМ;

- уменьшить себестоимость ПФВ и информационно-измерительных систем на их основе;

- снизить требования к квалификации сборщиков ПФВ;

- расширить номенклатуру ПФВ;

- обеспечить высокую временную стабильность;

- упростить стыковку первичных преобразователей с электроникой за счет унификации выходных сигналов ЧЭ и ИМ;

- повысить эксплуатационную надежность ПФВ за счет высокой, изначально гарантированной, надежности покупных ЧЭ и ИМ;

- провести оптимизацию конструктивного исполнения узлов ИМ для обеспечения автоматизированной сборки датчиков;

- повысить импортозамещение при производстве измерительных приборов в России.

Следует также отметить, что технологичность и трудоемкость контроля и диагностики

ЧЭ и ИМ напрямую зависят от их контролепригодности, признаки которой включают: простоту конструкции и наличие выводных коммутационных проводников или штырей; наличие контактных площадок достаточной площади, расположенных по периферии ЧЭ; возможность визуального контроля процесса контактирования зондов измерительного прибора и контактных площадок ЧЭ; достаточность получаемой диагностической информации, по которой можно судить о качестве контролируемых изделий и проч.

Так, в качестве примера, на рис. 6 приведена топология и конструкция контролепригод-ного микроэлектронного ЧЭ, контактные площадки которого находятся на периферии в утолщенной части ЧЭ, что позволяет осуществлять контроль и диагностику его различных электрофизических характеристик [16-18].

Чув ствите льный

Измерительный модуль

Электронный блок

Рис. 5. Графическая модель сквозной диагностики модульного ПФВ

Рис. 6. Полупроводниковый ЧЭ с профилированным упругим элементом, тензо- и терморезисторами:

а - топология; б - 3D-модель

Выводы

Таким образом, применение предложенных программно-аппаратных методов диагностики и контроля элементов, блоков и самих модульных датчиков позволяет создавать интеллектуальные ПФВ и их компоненты, обладающие высокой надежностью, широкими функциональными возможностями и простотой технической реализации.

Библиографический список

1. ГОСТ Р 51086-97 Датчики и преобразователи физических величин электронные. Термины и определения. - Москва, 1997.

2. ГОСТ Р 8.673-2009 ГСИ Датчики интеллектуальные и системы измерительные интеллектуальные. Основные термины и определения. - Москва, 2009.

3. Ожикенов, К. А. Технические измерения в технологии и производстве радиоэлектронной аппаратуры и измерительных систем : учеб. пособие / К. А. Ожикенов, П. Г. Михайлов, М. Ж. Айтимов. - Алматы : LEM, 2016. - 162 с.

4. Ваганов, В. И. Интегральные преобразователи / В. И. Ваганов. - Москва : Энергоато-миздат, 1983. - 136 с.

5. Биргер, И. А. Техническая диагностика / И. А. Биргер. - Москва : Машиностроение, 1978. - 240 с.

6. Вентцель, Е. С. Теория вероятностей / Е. С. Вентцель. - 10-е изд., стер. - Москва : Academia, 2005. - 576 с.

7. Cover, T. M. Elements of Information Theory / T. M. Cover. - John Wiley and Sons, 2006. -P. 254.

8. Belozubov, E. M. Problems and basic research directions in the field of thin-film nanoand microelectromechanical systems of pressure sensors / E. M. Belozubov, V. A. Vasil'ev, N. V. Gromkov // Automation and Remote Control. - 2010. - Vol. 72, № 11. - P. 345-352.

9. Проспекты и каталоги фирм: НТЦ МИЭТ, PCB Piesotronics, JNG, Sunstrand Data Control, DYTRAN, Hans List, Kistler Instrumente AG, Vibro-meter, Millard LTD, Motorolla JNC, AVL, Kulite, Erich Brosa.

10. Ozhikenov, K. A. Development of Technologies, Methods and Devices of the Functional Diagnostics of Microelectronic Sensors Parts and Components / K. A. Ozhikenov, P. G. Mikhailov // 13th Intenational Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering (APEIE). - 2016. - Vol. 1. - P. 84-90.

11. Лапшин, И. О. Контроль и диагностика чувствительных элементов микроэлектронных датчиков / И. О. Лапшин, П. Г. Михайлов, Г. В. Петрунин // Университетское образование : сб. материалов XIII Междунар. науч.-метод. конф. - Пенза : ПДЗ, 2009. -С. 498-499.

12. Михайлов, П. Г. Контроль и диагностика чувствительных элементов пьезоэлектрических датчиков / П. Г. Михайлов, И. О. Лапшин, В. П. Михайлова // Контроль. Диагностика. - 2010. - № 5.

13. Михайлов, П. Г. Методы и средства функциональной диагностики сенсорных элементов и структур микроэлектронных датчиков / П. Г. Михайлов, А. П. Михайлов // Датчики и системы. - 2005. - № 10. - С. 9-11.

14. Mikhajlov, P. G. Combined temperature and pressure sensors / P. G. Mikhajlov, Z. A. Bayasilova, M. K. Baktybayev // Materialy XIII Mezinarodni vedecko - prakticka

conference «Aktualni vymozenosti vedy - 2017», Volume 6: Technické vedy. Modernich informacnich technologii. Matematika. Geografie a geologie. - Praha : Education and Science. - 2017. - S. 43-47.

15. Михайлов, П. Г. Разработка датчиков физических величин с применением унифицированных чувствительных элементов и измерительных модулей / П. Г. Михайлов, А. В. Соколов, В. П. Маланин, Д. А. Сергеев // Проблемы автоматизации и управления в технических системах : сб. ст. Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2013. - С. 231-235.

16. Соколов, А. В. Чувствительные элементы и измерительные модули датчиков давления. Вопросы стандартизации и унификации / А. В. Соколов, М. А. Чернецов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2013. -№ 3. - С. 148-154.

17. Ожикенов, К. А. Узлы и компоненты микроэлектронных датчиков / К. А. Ожикенов, А. О. Касимов, А. У. Аналиева // Известия Южного федерального университета. Технические науки. - 2015. - № 3 (164). - С. 184-193.

18. Mikhajlov, P. G. Mathematical Modeling of Combined Sensor Information / P. G. Mikhaj-lov, Yu. N. Slesarev, V. A. Chulkov // Measuring Systems International Journal of Applied Engineering Research. - 2016. - Vol. 11, № 20. - P. 10332-10337.

Михайлов Петр Григорьевич

доктор технических наук, профессор, кафедра информационно-измерительных систем, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства (Россия, г. Пенза, ул. Германа Титова, 28) Е-mail: pit_mix@mail.ru

Mikhaylov Petr Grigor'evich

doctor of technical sciences, professor, sub-department of information-measuring systems, Penza State University of Architecture and Construction (28 Germana Titova street, Penza, Russia)

Соколов Александр Владимирович

главный специалист-эксперт инспекции Госстройнадзора по Пензенской области (Россия, г. Пенза, ул. Попова, 34а) Е-mail: sokoljv_av_avto@mail.ru

Sokolov Aleksandr Vladimirovich

chief specialist-inspector

of the State Construction Supervision

in the Penza region

(34а Popova street, Penza, Russia)

Аналиева Ажар Уразбаевна

преподаватель,

колледж при научно-образовательном комплексе, Казахстанский университет

инновационных и телекоммуникационных систем (Казахстан, г. Уральск, ул. М. Маметовой, 81) Е-mail: azhara_1980@mail.ru

Analieva Azhar Urazbaevna

teacher,

College at the scientific and educational complex,

Kazakhstan University of Innovative

and Telecommunication Systems

(81 M. Mametovoy street, Uralsk, Kazakhstan)

Михайлов Алексей Петрович

ведущий специалист,

ООО ПЛК Система

(Россия, г. Москва, ул. Циолковского, 4)

Е-mail: krendeleschik@gmail.com

Mikhaylov Aleksey Petrovich

leading specialist, LLC PLC System

(4 Tsiolkovsky street, Moscow, Russia)

Фадеев Евгений Дмитриевич

студент,

Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) Е-mail: mercenary.exe@gmail.com

Fadeev Evgeniy Dmitrievich

student,

Penza State University

(40 Krasnaya street, Penza, Russia)

.........................................................................................

Measuring. Monitoring. Management. Control

Образец цитирования:

Самодиагностика в интеллектуальных преобразователях физических величин / П. Г. Михайлов, А. В. Соколов, А. У. Аналиева, А. П. Михайлов, Е. Д. Фадеев // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2019. - № 1 (27). - С. 33-41. - БО! 10.21685/2307-5538-2019-1-5.