авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Исследование и разработка прецизионных математических моделей преобразования и алгоритмов вычислений значений давления

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

УДОД Евгений Васильевич

Исследование и разработка прецизионных математических моделей преобразования и алгоритмов вычислений значений давления

Специальность: 05.13.18 – Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертация на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Таганрог – 2007

Работа выполнена в Технологическом институте Южного федерального университета в г. Таганроге.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Пьявченко Олег Николаевич.

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор

Чернышов Юрий Олегович

кандидат технических наук

Богуш Михаил Валерьевич

Ведущая организация: Ростовский филиал всесоюзного научно-исследовательского института автоматизированных систем

г. Ростов-на-Дону

Защита диссертации состоится «09» ноября 2007г. в 1420 на заседании диссертационного совета Д.212.208.22 при Южном федеральном университете по адресу г. Таганрог 347928, Таганрог, пер. Некрасовский, 44, ауд. Д–406.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке ЮФУ по адресу Пушкинская, 148, г. Ростов-на-Дону.

Автореферат разослан «04 » октября 2007 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д.212.208.22,

доктор технических наук, профессор Целых А.Н.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Современное промышленное производство, транспортировка и добыча нефти и газа, воздушный, морской и наземный транспорт, системы метеопрогноза, пищевая промышленность, предприятия водоканала, ракетно-космическая отрасль, атомная энергетика в массовых количествах используют датчики давления. С помощью датчиков давления получают информацию о работе узлов и агрегатов двигателей, турбин, компрессоров, измеряют глубину водоемов и давление в скважинах, выполняют автоматическое регулирование в технологических установках на насосных станциях, контролируют расход энергоносителей в узлах учета. Следует отметить, что мировой объём продаж датчиков давления в 2002 году составил более 50 миллиардов долларов США.

Среди отечественных разработчиков и производителей датчиков давления можно отметить: ПГ "Метран", НИИФИ г. Пенза, ЗАО "Манометр", Ульяновское предприятие "Микроэлектронные нормализаторы и системы", ОАО "Аэроприбор-Восход", НКТБ "Пьезоприбор", ООО "Пьезоэлектрик" и ряд других. Наиболее известными зарубежными фирмами, разрабатывающими и производящими такие изделия, являются: Fisher-Rosemount, Siemens, Foxboro, Yokogawa, Honeywell, Motorola, Druck, Wika, Green Sensors и другие. Большой вклад в развитие аппаратного и математического обеспечения датчиков давления внесли: Мокров А.Е., Панич А.Е., Багдатьев Е.Е. Гориш А.В., Бутов В.И., Семенов Л.А., Слива Е.С., В.А. Васильев, Jacob Fraden, Clark S.K., Tufte O.N., Kurtz A.D. и другие.

Одной из наиболее важных проблем при разработке датчиков давления является решение задачи компенсации дополнительной погрешности, возникающей из-за влияния температуры, связанной со снижением чувствительности измерительного преобразователя при повышении температуры, вызванного в основном уменьшением сопротивления полупроводниковых резисторов, образующих тензомост. Например, изменение температуры в диапазоне от минус 40 С до 80 С, может привести к изменению выходного напряжения чувствительного элемента на 36%.





При построении чувствительного элемента и аналоговых схем датчика давления возможно снижение температурной погрешности примерно в 10 раз в результате применения конструктивных, схемных и конструктивно-схемных методов компенсации температурной погрешности. Возможность осуществлять математические операции в микроконтроллере, встроенном в интеллектуальный датчик давления (ИДД), открыла пути дальнейшего снижения температурной погрешности за счёт применения полиномиальной аппроксимации пространственной функции преобразования (ПФП).

Но применение цифровой обработки сигналов в датчике давления, привело к возникновению задержки выдачи сигнала на время ввода-вывода и обработки информации. В связи с этим, другим важным вопросом при проектировании современных датчиков давления является снижение влияния этой задержки на своевременное обнаружение предаварийных ситуаций. Для этих целей может служить прогнозирования состояние контролируемой переменной как минимум на время ввода-вывода и обработки информации.

Таким образом, задача построения новых моделей вычислений значений давления с компенсацией погрешности из-за влияния температуры, позволяющих значительно повысить точность измерения давления, и задача исследования методов прогнозирования состояния контролируемой переменной с применением экстраполяции на основе полинома Лагранжа, является актуальной и востребованной.

Данная работа является развитием результатов исследований, проводимых на кафедре микропроцессорной техники ТТИ ЮФУ под руководством заведующего этой кафедрой д.т.н., профессора Пьявченко О.Н. в рамках научного направления «Программные и аппаратные средства систем сбора и обработки информации».

Цель диссертационной работы – исследование и разработка моделей вычислений значений давления с компенсацией температурной погрешности и алгоритмов на их основе с учётом особенностей, связанных с применением современной микроконтроллерной техники, а также исследование и разработка методов прогнозирования состояния контролируемого процесса для своевременного обнаружения предаварийной ситуации.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

  1. Анализ достоинств и недостатков аналоговых и интеллектуальных датчиков давления, составляющих суммарной погрешности интеллектуальных датчиков давления, и направлений дальнейшего функционального и метрологического развития интеллектуальных датчиков давления.
  2. Разработка новых математических моделей вычислений значений давления с компенсацией температурной погрешности чувствительного элемента, позволяющих снизить суммарную погрешность измерения давления.
  3. Сравнение результатов вычислений значений давления с использованием разработанных моделей с результатами определения давления без компенсации температурного воздействия.
  4. Оценка влияния размеров локальных пространственных элементов, используемых при аппроксимации пространственной функции преобразования датчика, на погрешность измерения давления.
  5. Разработка алгоритмов компенсации влияния температурной погрешности на точность определения давления с учётом ограничений, накладываемых применением современной микроконтроллерной техники.
  6. Исследование прогнозирования состояния контролируемого процесса, основанного на экстраполяции измеряемой переменной, построенной на основе полинома Лагранжа, позволяющего своевременно обнаруживать предаварийные ситуации.
  7. Оценка влияния погрешности исходных данных, используемых для прогноза состояния контролируемого процесса, на эффективность применения разработанных методов экстраполяции.
  8. Разработка программы для расчёта и масштабирования коэффициентов аппроксимации пространственной функции преобразования чувствительного элемента выбранного для компенсации температурной погрешности параболического полинома аппроксимации.
  9. Экспериментальные исследования разработанной модели вычислений значений давления с компенсацией температурной погрешности на лабораторном исследовательском стенде.

Методы исследования. Для теоретических и практических исследований использовались компьютерное моделирование, аналитические оценки, методы линейного программирования, численные методы, лабораторные испытания макета интеллектуального микропроцессорного преобразователя.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

  1. Разработана модель вычислений значений давления с компенсацией влияния температуры на точность определения давления, основанная на разбиении пространственной функции преобразования чувствительного элемента на области по давлению и температуре и её аппроксимации с использованием линейных пространственных элементов, позволяющая снизить суммарную погрешность измерения давления.
  2. Разработана модель вычислений значений давления с компенсацией температурной погрешности, основанная на разбиении пространственной функции преобразования чувствительного элемента на области по давлению и температуре и её аппроксимации пространственными параболическими элементами, позволяющая минимизировать влияние температуры на погрешность вычислений значений давления.
  3. Для выбора коэффициентов аппроксимации, необходимых при вычислении значений давления с компенсацией температурной погрешности разработаны методы определения области разбиения пространственной функции преобразования, которой принадлежат текущие значения сигналов каналов давления и температуры.
  4. Исследованы методы прогноза состояния контролируемого процесса, построенные на применении экстраполяции на основе полинома Лагранжа, и показана возможность их применения для своевременного обнаружения предаварийной ситуации.

Практическую ценность работы представляют:

  1. Алгоритмы вычислений значений давления в целочисленной арифметике с компенсацией температурной погрешности, построенные на основе разработанных моделей и предложенных методов.
  2. Программа расчёта и масштабирования коэффициентов аппроксимации для вычислений значений давления с использованием модели с компенсацией температурной погрешности на основе параболического пространственного элемента, разработанная под Windows® 9x/ME/2000/XP фирмы Microsoft Corporation, созданная в среде объектно-ориентированного программирования Borland® C++Builder® for Microsoft® Windows™ Version 10.0.2166.28377.
  3. Результаты макетирования интеллектуального микропроцессорного преобразователя, построенного на базе микроконтроллера TMS430F1611 и экспериментальные исследования вычислений значений давления в нём, которые послужили одним из основных аргументов в пользу целесообразности проведения дальнейших разработок по созданию подобных изделий.

Внедрение и использование результатов работы. Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы:

        1. В х/д между ТРТУ и ФГУП НИИ Физических измерений (г. Пенза), НИР 11714 «Разработка малогабаритного интеллектуального прецизионного датчика абсолютного давления», шифр «Паскаль».
        2. В х/д между ТРТУ и ФГУП НИИ Физических измерений (г. Пенза), НИР 11716 «Исследование возможности создания и разработка базовых технических решений интеллектуальных функциональных модулей преобразования и нормализации сигналов тензорезисторных и емкостных датчиков физических величин с возможностью подключения к цифровым полевым сетям», шифр «Датчик 2»
        3. В х/д между ТРТУ и ФГУП НИИ Физических измерений (г. Пенза), ОКР 11717 "Разработка интеллектуального микропроцессорного преобразователя для пьезорезисторных датчиков, шифр «Возрождение–Т».

Апробация основных теоретических и практических результатов работы проводилась на научных семинарах (с 2004 по 2007 гг., ТРТУ), международном научном практическом семинаре «Практика и перспективы развития партнёрства в сфере высшей школы» (Украина г. Донецк, 2005 г.), международной научной конференции «Статистические методы в естественных, гуманитарных и технических науках» (г. Таганрог, 2006 г.), международной научной конференции «Информационные технологии в современном мире» (г. Таганрог, 2006 г.), третьей международной молодёжной научно-технической конференции «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ–2007» (г. Севастополь 2007, г.).

Основные положения и результаты выносимые на защиту:

  1. Модель вычислений значений давления с компенсацией влияния температуры на точность определения давления, использующая аппроксимацию пространственной функции преобразования чувствительного элемента линейными пространственными элементами.
  2. Модель вычислений значений давления с компенсацией температурной погрешности, основанная на аппроксимации пространственной функции преобразования пространственными параболическими элементами.
  3. Методы определения области разбиения пространственной функции преобразования, которой принадлежат текущие значения сигналов каналов давления и температуры.
  4. Алгоритмы вычислений значений давления в целочисленной арифметике с компенсацией температурной погрешности, построенные на основе разработанных моделей и предложенных методов
  5. Результаты исследования методов прогноза состояния контролируемого процесса, построенных на применении формул экстраполяции на основе полинома Лагранжа, и возможность их применения для своевременного обнаружения предаварийной ситуации.

Личный вклад автора. Автору принадлежат следующие научные и практические результаты: модели пространственной функции преобразования чувствительного элемента, алгоритмы разбиения пространственной функции преобразования чувствительного элемента, методы определения области, которой принадлежат текущие значения сигналов каналов давления и температуры, алгоритм вычислений значений давления в целочисленной арифметике, программа для расчёта и масштабирования коэффициентов аппроксимации пространственной функции преобразования, результаты исследования применения формул экстраполяции на базе полинома Лагранжа, для прогнозирования состояния контролируемой переменной.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 8 статей и научных сообщений, 2 тезиса докладов на российских и международных научно-технических конференциях.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Работа содержит 139 стр., включая 43 рис., 14 табл., список использованных источников из 77 наименований, 86 стр. приложений и актов об использовании.

Краткое содержание работы

В введении проводится обоснование актуальности темы диссертационной работы, формируется цель работы, рассматривается круг задач, указываются методы исследований, определяется научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

В первой главе приведён анализ существующих датчиков давления, проанализирована схема формирования суммарной погрешности аналоговых датчиков давления, показанная на рис. 1.

 Схема формирования погрешности при-1

Рис. 1. Схема формирования погрешности при измерении давления аналоговым датчиком давления

На схеме аналоговый датчик представлен в виде многомодульной структуры, состоящей из чувствительного элемента (ЧЭ), прецизионного аналогового преобразователя (ПАП), и аналогового интерфейса выдачи сигнала (АИВС). Погрешность на выходе каждого модуля состоит из трансформации погрешности на входе данного модуля и собственной погрешности модуля (МОДУЛЯ). Трансформацию погрешности при прохождении каждого модуля, составляющего датчик давления, можно оценить с помощью коэффициента трансформации (KМОДУЛЯ). Основная погрешность (ОСН) аналоговых датчиков давления, как правило, лежит в диапазоне от 0,2% до 1%. Температурная погрешность (ТЕМП) чувствительного элемента может достигать 18% при калибровке датчика для температуры, соответствующей середине температурного диапазона. В аналоговых датчиках давления значение температурной погрешности лежит в диапазоне от 0,01% до 0,07% на 1 °С. При корректном построении модулей аналогового датчика давления и применении конструктивных, схемных и конструктивно-схемных методов погрешность измерения давления наиболее прецизионными аналоговыми датчиками давления (ОСН=0,2%) для температурного диапазона от минус 40 °С до 80 °С можно оценить выражением:

АДД=(ЧЭKПАП+ПАП)KАИВС+АИВС= ОСН+0,1ТЕМП>1,5%. (1)

Из формулы (1) следует, что даже при применении довольно сложных в реализации конструктивных, схемных и конструктивно–схемных методов компенсации температурной погрешности, температурная, а, следовательно, и суммарная погрешность измерения давления по-прежнему достаточно высока. Её дальнейшее снижение в аналоговых датчиках затруднительно, что означает необходимость поиска новых путей борьбы с влиянием температуры на точность измерения датчиков давления.

Дальнейшие возможности снижения температурной погрешности открывают интеллектуальные датчики давления, позволяющие применять математическую обработку сигналов во встроенном в них микроконтроллере. На рис. 2 показана схема формирования суммарной погрешности на выходе интеллектуального датчика давления.

 Схема формирования погрешности на-2

Рис. 2. Схема формирования погрешности на выходе интеллектуального датчика давления

На схеме интеллектуальный датчик давления представлен в виде многомодульной структуры, состоящей из чувствительного элемента (ЧЭ), прецизионного аналогового преобразователя (ПАП), аналого-цифрового преобразователя (АЦП), центрального микроконтроллера (ЦМП) и цифрового интерфейса выдачи сигнала (ЦИВС). Погрешность на выходе каждого модуля интеллектуального датчика давления состоит из суммы трансформирования погрешности на входе данного модуля и собственной погрешности модуля (МОДУЛЯ). Трансформирование погрешности при прохождении модуля, входящего в состав ИДД, можно оценить с помощью коэффициента трансформации (KМОДУЛЯ).

Основная погрешность (ОСН) ИДД, как правило, лежит в диапазоне от 0,05% до 1%. Температурная погрешность (ТЕМП) чувствительного элемента также как и в аналоговых датчиках давления может достигать 18%. В результате применения компенсации температурной погрешности в современных ИДД эта погрешность снижается, как правило, до уровня 0,09% на 10 °С.

При корректном проектировании модулей интеллектуального датчика давления и применении конструктивных, схемных и конструктивно-схемных методов компенсации температурной погрешности, а также методов использующих математические вычисления, погрешность измерения интеллектуальным датчиком давления можно оценить по формуле:

(2)

Из формул (1) и (2) можно сделать выводы, что хотя суммарная погрешность измерения давления ИДД значительно меньше аналогичной погрешности аналогового датчика. Однако погрешность из-за влияния температуры значительно превосходит основную погрешность датчика. Следовательно, необходимо дальнейшее развитие методов компенсации температурной погрешности.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.