ДЕРЖАВНИЙ КОМІТЕТ УКРАЇНИ З ПИТАНЬ ТЕХНІЧНОГО

РЕГУЛЮВАННЯ ТА СПОЖИВЧОЇ ПОЛІТИКИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР “ІНСТИТУТ МЕТРОЛОГІЇ”

Потильчак Олексій Петрович

УДК 681.2: 531.784.089

МЕТОДИ ПІДВИЩЕННЯ ТОЧНОСТІ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНИХ

ЗАСОБІВ ВИМІРЮВАЛЬНОЇ ТЕХНІКИ

05.11.15 – Метрологія та метрологічне забезпечення

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2007

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Черепащук Григорій Олександрович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”, доцент кафедри авіаційних приладів та вимірювань

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий

співробітник

Большаков Володимир Борисович, Національний науковий центр “Інститут метрології”, директор Наукового центру “Витратометрія та механічні вимірювання”.

доктор технічних наук, професор

Літвіх Віктор Вікторович,

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, професор кафедри автоматизації експериментальних досліджень.

Провідна установа: Державне підприємство “Науково-дослідний

інститут метрології вимірювальних і управляючих систем” (ДП НДІ “Система”) Держспоживстандарту України.

Захист дисертації відбудеться “6” вересня 2007 р. о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.827.01 при Національному науковому центрі “Інститут метрології” за адресою 61002, Харків, вул. Мироносицька, 42.

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці ННЦ “Інститут метрології”.

Автореферат розісланий “20” ____07____ 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

к.т.н., доцент І.Ф. Демянков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Тензорезисторні засоби вимірювальної техніки (ЗВТ) широко використовуються в даний час для вимірювання механічних величин, таких як сила, маса, деформація, тиск. Підвищення точності тензорезисторних ЗВТ має велике значення відразу в декількох аспектах:

- при комерційних зважуваннях вантажів підвищення точності та швидкодії вагів дає очевидний економічний ефект;

- підвищення точності тензорезисторних ЗВТ, які використовуються при проведенні статичних і динамічних випробувань конструкцій, підвищує безпеку їх експлуатації, що особливо важливо для пасажирських транспортних засобів;

- підвищення точності вимірювання внутрішньої напруги деталей машин, механізмів і технологічного устаткування збільшує достовірність діагностування їх стану і, як наслідок, підвищує вірогідність запобігання аварійним ситуаціям;

- підвищення точності технологічних вимірювань маси в різних галузях промисловості приводить до підвищення якості продукції, що випускається.

Задача підвищення точності тензорезисторних ЗВТ є окремим випадком загальної проблеми підвищення точності вимірювань. Великий внесок до розробки методів підвищення точності вимірювань внесли російські та українські вчені Т.М. Алієв, В.А. Вікторов, Л.І. Волгін, Е.І. Гітіс, М.А. Земельман, П.В. Новицький, П.П. Орнатський, Ю.М. Туз, Е.М. Бромберг, К.Л. Куликовський та ін.

Аналіз робіт цих вчених показав, що існує два підходи до підвищення точності ЗВТ. Перший підхід полягає в запобіганні виникненню похибок. На ньому базуються конструктивно-технологічні та захисно-запобіжні методи підвищення точності, їх можливості в даний час в значній мірі вичерпані. Другий підхід базується на принципі інваріантності академіка Б.М. Петрова і представлений найбільш перспективними методами підвищення точності вимірювань, котрі передбачають введення в ЗВТ структурної, часової або структурно-часової надмірності, що дозволяє отримати інформацію не тільки про вимірювану величину, але й про похибки, що допускаються при вимірюваннях, і тим самим виключити ці похибки з результату вимірювання. Такі методи отримали назву структурних або структурно-алгоритмічних.

Вказані методи підвищення точності знайшли широке застосування в тензорезисторних ЗВТ. Так, для температурної компенсації використовується метод додаткових вимірювань, який базується на вимірюванні з допомогою додаткового вимірювального каналу температури навколишнього середовища і введенні поправки в результат вимірювання. Також для підвищення точності вимірювання механічних величин застосовуються тестові методи, що полягають в перетворенні спеціальних тестів, функціонально пов'язаних з вимірюваною величиною, і обробці результатів перетворень по заданому алгоритму, та методи статистичної обробки.

Проте, в області вимірювання механічних величин існує ряд недостатньо розроблених на сьогодні проблем, до яких відносяться:

- контроль працездатності та діагностування тензомостів в штатному режимі функціювання ЗВТ з метою виявлення як функціональних, так і метрологічних відказів;

- компенсація впливу на тензорезисторні ЗВТ зовнішніх діючих факторів (ЗДФ), що змінюються у часі, зокрема, температурної похибки в нестаціонарних теплових полях;

- компенсація впливу на тензорезисторні ЗВТ низькочастотних динамічних завад при вимірюванні сталих величин в динамічних умовах.

Вирішення цих проблем дозволить підвищити точність та ефективність тензорезисторних ЗВТ механічних величин.

Зв`язок теми дисертації з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано відповідно до положень державної науково-технічної програми №7 “Перспективні інформаційні технології, пристрої комплексної автоматизації, системи звязку” ДКНТПП України (Постанова Верховної Ради України 2705-XII від 16.10.92 р. “Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки”).

Метою роботи є розробка методів підвищення точності тензорезисторних ЗВТ, їх дослідження та практична реалізація.

Відповідно до мети були поставлені та розвязані наступні задачі:

1.

2.

3.

4.

5.

Об'єктом дослідження є процеси вимірювання механічних величин за допомогою тензорезисторних ЗВТ.

Предметом дослідження є моделі, методи та технічні засоби, призначені для підвищення точності тензорезисторних ЗВТ.

Методи дослідження. Розвязання задач дослідження виконано із застосуванням методів математичного моделювання, елементів теорії імовірностей, методів статистичної обробки інформації, зокрема методу найменших квадратів та динамічного усереднення результатів вимірювань.

Дослідження впливу зовнішніх факторів на ефективність застосування запропонованих методів підвищення точності, а також визначення невиключених систематичних похибок ЗВТ виконувалось за допомогою математичного моделювання в системі Matlab. Розробка методики визначення критичного значення діагностичного показника для методу діагностування відшарування тензорезистора здійснювалась із застосуванням елементів теорії імовірностей. Апроксимація експериментально отриманих температурних характеристик тензодатчика була виконана за допомогою методу найменших квадратів. Для підвищення стійкості алгоритму температурної компенсації по відношенню до випадкових змін виміряного значення та стрибків вимірюваної величини використаний метод динамічного усереднення результатів вимірювань.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Вперше для компенсації впливу низькочастотних завад при зважуванні вантажів крановими вагами запропоновано метод, який полягає у вимірюванні лінійних прискорень вагів і обчисленні по отриманим результатам і виміряним значенням маси вантажу оцінки її дійсного значення, що дозволило підвищити точність та швидкодію кранових вагів під час зважування в динамічних умовах.

2. Удосконалено діагностичне забезпечення тензомостів, завдяки розробці методу діагностування відшарування тензорезистора, який дозволив здійснювати контроль чутливості тензомоста в штатному режимі функціювання ЗВТ окремо від решти функціональних вузлів.

3. Дістав подальшого розвитку метод температурної компенсації тензорезисторних ЗВТ, який базується на вимірюванні температури з допомогою додаткового вимірювального каналу та внесенні поправки у виміряне значення, завдяки розробці способу компенсації температурної похибки, який відрізняється тим, що для розрахунку поправки використовуються усталені значення вимірюваної величини та температури, та дозволяє зменшити динамічну складову температурної похибки та час встановлення показів під час вимірювання в умовах нестаціонарних теплових полів.

Практичне значення отриманих результатів. Запропоновані та досліджені в дисертаційній роботі методи підвищення точності тензорезисторних ЗВТ використані у ряді вимірювальних приладів і систем, що випускаються НВФ “Інженерне бюро Авіаційного інституту”:

1. Метод діагностування відшарування тензорезистора використаний у вимірювальних системах 16ВНП7М, які впроваджені в АНТК ім. О.К. Антонова, м. Київ, а також у ваговимірювальних системах ВІПС-1500, які впроваджені в ДП “Смоли”, м. Дніпродзержинськ. Застосування запропонованого методу дозволило виключити можливість використання непрацездатних тензодатчиків під час динамічних випробувань конструкцій літака з допомогою систем 16ВНП7М, а також під час вимірювання маси та дозування технологічних компонентів з допомогою систем ВІПС-1500.

2. Спосіб компенсації температурної похибки в умовах нестаціонарних теплових полів використаний у кранових вагах ВКМ, а також у ваговимірювальних системах ВІПС-1500, які впроваджені в ДП “Смоли”, м. Дніпродзержинськ. Використання запропонованого способу дозволило підвищити точність вимірювання маси та дозування технологічних компонентів з допомогою систем ВІПС-1500, а також точність зважування вантажів з допомогою кранових вагів ВКМ під час роботи вказаних пристроїв в нестаціонарних теплових полях.

3. Метод компенсації впливу на тензорезисторні ЗВТ низькочастотних динамічних завад використаний у кранових вагах ВКМ, що дозволило підвищити їх точність та швидкодію під час зважування в умовах розгойдування вантажу.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є закінченим, виконаним самостійно науковим дослідженням. Внесок автора в роботи із співавторами: в [1] – проведено аналіз функціональних і метрологічних відказів тензомостів, запропоновано алгоритм контролю параметрів тензомоста; в [2] – запропоновано метод усунення нестабільності показів кранових вагів, який базується на вимірюванні лінійних прискорень вагів та обчисленні по виміряним значенням маси вантажу та лінійних прискорень оцінки дійсного значення маси вантажу; в [3] – запропоновано спосіб температурної компенсації тензорезисторних ЗВТ в умовах нестаціонарних теплових полів; в [4] – запропоновано методику визначення критичного значення діагностичного показника при контролі чутливості тензомостів; в [5] – розроблено функціональну схему інтелектуального тензометричного вимірювального перетворювача; в [6] – запропоновано використання методу екстраполяції до усталеного значення для компенсації впливу ЗДФ, що змінюються у часі; в [7] – запропоновано метод діагностування відшарування тензорезистора; в [8] – розроблено додаткові схеми комутації, які дозволяють виявити відшарування тензорезистора; в [9] – запропоновано методику отримання температурних характеристик тензодатчика; в [10] – розроблено структурну схему пристрою для зважування на кранах в динамічних умовах.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались на таких науково-технічних конференціях: Науково-технічній конференції молодих вчених факультету СУЛА “Системи управління-2001” (Харків, 2001); 9-й Міжнародній науково-технічній конференції “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах” (Хмельницький, 2002); 5-й Міжнародній науково-технічній конференції “Фізичні та компютерні технології в народному господарстві” (Харків, 2002); Міжнародних науково-технічних конференціях “Інтегровані компютерні технології в машинобудуванні” ІКТМ 2003, 2004, 2005 (Харків, 2003, 2004, 2005); 4-й Міжнародній науково-технічній конференції “Метрологія та вимірювальна техніка” (Харків, 2004); 15-му Науковому симпозіумі “Метрологія та метрологічне забезпечення 2005” (Созополь, Болгарія, 2005); Міжнародних науково-технічних конференціях “Датчики, прилади та системи” ДПС 2005, 2006 (Ялта, 2005, 2006).

Публікації. Основні наукові результати дисертаційної роботи опубліковані в 4 статтях у фахових наукових журналах, 3 статтях в збірниках наукових праць, 3 деклараційних патентах України на корисну модель, 5 тезах доповідей.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаної літератури та двох додатків. Повний обсяг дисертації становить 160 сторінок, з них 45 рисунків по тексту і 1 рисунок на окремій сторінці, 6 таблиць по тексту, 2 додатки на 15 сторінках, список літератури зі 100 найменувань на 9 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, зазначений звязок роботи з науковими програмами та темами, сформульовані мета і задачі досліджень, наукова новизна і практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі проведено аналіз похибок сучасних тензорезисторних ЗВТ та існуючих методів підвищення їх точності. За результатами аналізу було отримано значення основної відносної похибки типового сучасного тензорезисторного ЗВТ, яке склало 0,06 %. Також розглянуто похибки, що виникають в реальних умовах експлуатації ЗВТ і значно перевищують основну похибку. Дослідження існуючих методів зниження таких похибок дозволило виявити три напрями, котрі потребують розробки нових та вдосконалення існуючих методів підвищення точності:

1.

2.

3.

Другий розділ присвячено розробці та дослідженню методу діагностування тензомостів. Проведено аналіз можливих функціональних і метрологічних відказів тензомостів для схеми повного моста з чотирма активними тензорезисторами. В результаті аналізу виявлений відказ, який неможливо ідентифікувати з допомогою прямих діагностичних показників: відшарування тензорезистора, що призводить до зменшення чутливості тензомоста.

З метою ідентифікації цього відказу розроблено метод діагностування, який базується на почерговому заміщенні кожного з напівмостів тензомоста зразковим напівмостом, конструктивно розміщеним в блоці вимірювання і обробки інформації ЗВТ (рис. 1). Вихідна напруга тензомоста в ідеальному випадку (при рівності номінальних опорів всіх тензорезисторів, а також їх тензочутливостей) дорівнює . Заміщення одного з напівмостів здійснюється шляхом підключення до входу нормуючого перетворювача виходу зразкового напівмоста замість відповідного виводу вимірювальної діагоналі тензомоста. Таким чином, можна отримати дві тестові напруги та , котрі, за умови відсутності відшарування, дорівнюють одна одній: .

Рис. 1. Схема підключення зразкового напівмоста.

При повному відшаруванні одного з тензорезисторів вихідна напруга тензомоста дорівнює , а значення тестових напруг становлять , . Значення різниці тестових напруг дорівнює . Таким чином, задавши деяке критичне значення , можна реалізувати алгоритм контролю чутливості тензомоста, що складається з наступних операцій: почергове заміщення напівмостів тензомоста зразковим напівмостом; вимірювання значень тестових напруг; обчислення абсолютного значення різниці тестових напруг; порівняння отриманого значення з критичним; видача сигналу про наявність або відсутність відказу.

Досліджено вплив параметрів реальних тензорезисторів на результат діагностування. Встановлено, що вплив відхилення початкових опорів тензорезисторів значно більший за вплив відхилення їх тензочутливостей. Запропоновано спосіб балансування зразкового напівмоста, що дозволяє усунути вплив відхилення опорів тензорезисторів від номінального значення. Таким чином, основним чинником, що впливає на результат діагностування, визнано часовий дрейф опорів тензорезисторів, котрий характеризується такими нормованими параметрами як середнє значення годинної повзучості і середньоквадратичне відхилення годинної повзучості . Наприклад, для тензорезисторів типу КФ5 ці параметри мають значення , . Вплив часового дрейфу опорів тензорезисторів полягає в зміщенні нуля залежності від значення вимірюваної величини. З допомогою компютерного моделювання було визначено, що при значеннях часового дрейфу , нуль залежності зміщується на величину, що відповідає повному діапазону вихідної напруги тензомоста.

Далі була розроблена методика визначення критичного значення різниці тестових напруг , яка базується на умові максимальної достовірності контролю, що вимагає визначення оптимальних значень імовірностей помилок першого та другого роду та відповідно. З цією метою були отримані залежності вказаних імовірностей від значення (рис. 2).

а) б)

Рис. 2. Залежності імовірностей помилок першого (а) та другого (б) роду

від значення .

При визначенні цих залежностей в якості імовірностей помилок приймались імовірності часового дрейфу опорів тензорезисторів типу КФ5, при якому має місце граничний випадок , а значення обчислювались за виразами (1) та (2):

,(1),(2)

де - напруга живлення тензомоста;

, , , - номінальні опори тензорезисторів;

- залежності часового дрейфу опорів тензорезисторів від імовірності помилки першого роду;

- залежності часового дрейфу опорів тензорезисторів від імовірності помилки другого роду;

- приріст опорів тензорезисторів, зумовлений зміною вимірюваної величини, який відповідає максимальному значенню діапазону вимірювання;

- приріст опорів тензорезисторів, зумовлений зміною вимірюваної величини, який відповідає 0,1 від максимального значення діапазону вимірювання.

Після отримання наведених залежностей було знайдено оптимальне значення , керуючись умовою мінімуму втрат якості контролю, що визначаються наступним чином: , де - “штраф” за помилку першого роду; - “штраф” за помилку другого роду. При значеннях “штрафів” , оптимальне критичне значення діагностичного показника складає , при імовірностях помилок першого та другого роду , . Також було досліджено можливість застосування розробленого методу для таких схем тензомостів, як повний міст з двома активними тензорезисторами та напівміст з двома активними тензорезисторами.

Достовірність отриманих результатів підтверджено експериментальними дослідженнями, що полягали в фізичному моделюванні процесу діагностування тензомоста по запропонованому методу. Здійснено практичну реалізацію запропонованого методу, розроблені функціональні схеми реалізації методу для чотирьох- та шестипроводних схем підключення тензомоста з чотирма активними тензорезисторами.

Третій розділ присвячено розробці та дослідженню способу компенсації температурної похибки тензорезисторних ЗВТ в умовах нестаціонарних теплових полів. Запропоновано використання для компенсації температурної похибки способу, який базується на визначенні температурних характеристик тензодатчика, котрі являють собою залежності виміряних значень від температури тензодатчика при декількох зразкових значеннях вимірюваної величини на вході тензодатчика, рівномірно розподілених по діапазону вимірювання. Отримані експериментальним шляхом температурні характеристики апроксимуються поліномами другого порядку за методом найменших квадратів. Оцінка дійсного значення вимірюваної величини здійснюється з використанням лінійної інтерполяції двох температурних характеристик та , між якими знаходиться точка (, ), за виразом

. (3)

Потрібна кількість температурних характеристик тензодатчика при відомій нелінійності статичної характеристики перетворення (СХП) ЗВТ і заданій припустимій похибці інтерполяції визначається за наступним виразом:

,

де - припустима похибка інтерполяції;

- коефіцієнт, що характеризує нелінійність СХП.

При співвідношення (3) спрощується і приймає наступний вид:

. (4)

де - верхня границя діапазону вимірювання ЗВТ.

Таким чином температурна похибка може бути зведена до значення, зумовленого похибкою вимірювання температури. Для сучасних тензорезисторних ЗВТ, в яких застосовуються датчики температури з максимальним значенням абсолютної похибки 0,5 оС, значення відносної невиключеної температурної похибки складає 0,055%.

При зміні температури оточуючого середовища в часі, тобто під час роботи ЗВТ в нестаціонарних теплових полях (наприклад, під час зважування з допомогою бункерної ваговимірювальної системи високотемпературних рідин в хімічній промисловості, під час роботи кранових вагів в ливарному цеху і т. д.), виникає динамічна складова температурної похибки, котра зумовлена різною тепловою інерційністю тензодатчика і датчика температури. З допомогою компютерного моделювання температурної компенсації по виразу (4) було оцінене значення динамічної складової температурної похибки, котра спричинена стрибкоподібною зміною температури оточуючого середовища з +20 оС до +40 оС (рис. 3). Виміряні значення температури та вимірюваної величини при цьому змінюються у часі наступним чином:

,

,

де , - значення температури оточуючого середовища та виміряне значення вимірюваної величини до стрибка;

- значення температури оточуючого середовища після стрибка;

- усталене виміряне значення вимірюваної величини;

, - температурні сталі часу датчика температури і тензодатчика.

Також були оцінені максимальні значення динамічної складової температурної похибки для різних усталених значень температури та відношень температурних сталих часу тензодатчика і датчика температури (рис. 4).

Рис. 3. Динамічна складова Рис. 4. Залежності максимальних

температурної похибки. значень від при різних .

Таким чином, при використанні традиційної температурної компенсації в нестаціонарних умовах температурна похибка ЗВТ складається з похибки інтерполяції , невиключеної температурної похибки і динамічної складової температурної похибки . З рис. 4 видно, що при , оС динамічна складова температурної похибки 2,4%. Згідно з критерієм незначної похибки =0,055% несуттєва в порівнянні з , а , як показано вище, може бути зведена до несуттєвого значення за рахунок збільшення кількості температурних характеристик тензодатчика, котрі використовуються при обчисленні оцінки дійсного значення вимірюваної величини. Отже, при використанні традиційної температурної компенсації в нестаціонарних умовах 2,4%.

Для усунення динамічної складової температурної похибки запропоновано використання методу екстраполяції до усталеного значення. На основі цього методу розроблено алгоритм компенсації впливу температури, що змінюється у часі, котрий складається з таких операцій:

1.

,

,

де , , , - виміряні через інтервал часу значення вимірюваної величини та температури оточуючого середовища відповідно.

2.

3.

.

Проведено компютерне моделювання роботи запропонованого алгоритму при , оС, виявлено невиключену систематичну похибку, котра зумовлена неточністю визначення температурних сталих часу датчиків (рис. 5).

Рис. 5. Невиключена систематична похибка, зумовлена неточністю визначення температурних сталих часу датчиків.

З рис. 5 видно, що при похибках визначення температурних сталих часу максимальне значення невиключеної систематичної похибки складає =0,106 %. Час встановлення показів зменшено з до . Також було досліджено роботу алгоритму при лінійному та експоненціальному законах зміни температури, зроблено висновок про його ефективність і в цих випадках.

Таким чином, температурна похибка тензорезисторного ЗВТ, за умови застосування запропонованого способу температурної компенсації, може бути визначена, як

=0,13%,

де - коефіцієнт, що визначається прийнятою довірчою імовірністю (для - ).

Отже, температурна похибка зменшена в порівнянні з традиційною температурною компенсацією з 2,4% до 0,13%.

Роботу алгоритму досліджено при синусоїдальному та стрибкоподібному законах зміни вимірюваної величини, зроблено висновок про велику чутливість алгоритму до зміни вимірюваної величини. Для усунення цього недоліку запропоновано застосування динамічного усереднення оцінки дійсного значення вимірюваної величини.

Достовірність отриманих результатів підтверджено експериментальними дослідженнями, що полягали в випробуваннях кранових вагів ВКМ-3, в яких реалізовано алгоритм температурної компенсації на базі запропонованого способу, при їх роботі в умовах температури навколишнього середовища, що змінюється у часі. Під час випробувань імітувалась стрибкоподібна зміна температури навколишнього середовища. За результатами випробувань було зафіксовано зменшення максимального значення приведеної динамічної похибки з 2% до 0,17 %, в порівнянні з традиційним алгоритмом температурної компенсації, та зменшення часу встановлення показів з 135 с до 75 с.

Четвертий розділ присвячено розробці методу компенсації впливу низькочастотних динамічних завад під час вимірювання постійних величин в динамічних умовах. Поставлена задача розвязувалась на прикладі кранових вагів, котрі широко застосовуються в різних галузях промисловості для оперативного зважування вантажів. У випадку кранових вагів впливом низькочастотних динамічних завад зумовлена нестабільність показів, джерелом якої є динамічна похибка вимірювання маси вантажу, що спричинена розгойдуванням системи “ваги - вантаж” (рис. 6).

Виміряне значення маси вантажу змінюється у часі наступним чином:

, (5)

де - амплітудне значення кута відхилення системи “ваги – вантаж” від вертикалі;

- дійсне значення маси вантажу;

- коефіцієнт затухання;

- власна частота коливань системи “ваги – вантаж”;

- відстань між точкою підвісу та центром мас вантажу.

Рис. 6. Розгойдування системи Рис. 7. Залежність виміряного значення

“ваги - вантаж”. маси вантажу від часу.

1 – кранові ваги; 2 – вантаж.

З допомогою компютерного моделювання отримано графік виразу (5) при таких початкових умовах (рис. 7): кг, , , м.

З графіку видно, що максимальне відхилення виміряного значення маси вантажу від дійсного значення, зумовлене розгойдуванням системи “ваги - вантаж”, сягає 30%, а через 10 секунд зменшується лише до 5%. Проведений аналіз показав, що при частоті динамічної завади менше 2 Гц існуючі методи підвищення точності вимірювання механічних величин в динамічних умовах, наприклад, цифрова фільтрація, неефективні.

Для розвязання поставленої задачі запропоновано застосування методу, що базується на вимірюванні з допомогою мікромеханічних акселерометрів лінійних прискорень кранових вагів та обчисленні мікропроцесором по залежності (6) оцінки дійсного значення маси вантажу:

, (6)

де , , - лінійні прискорення кранових вагів по осям звязаної з вагами системи координат, виміряні мікромеханічними акселерометрами;

- відношення відстані від точки підвісу до центра мас вантажу до відстані від точки підвісу до центра мас вагів.

Коефіцієнт може змінюватись в процесі експлуатації кранових вагів, і при значному відхиленні значення , що використовується при обчисленнях, від дійсного значення оцінка дійсного значення маси вантажу, обчислена по виразу (6), буде неадекватною. Для усунення цього недоліку запропоновано алгоритм, в котрому реалізована зміна значення зі змінним кроком до тих пір, поки різниця двох обчислених по виразу (6) оцінок дійсного значення маси не стане меншою від заданого значення. На рис. 8 зображені залежності від часу оцінок дійсного значення маси безпосередньо по виразу (6) при , (а) та при використанні запропонованого алгоритму (б).

З рис. 8, б видно, що час встановлення показів при використанні запропонованого алгоритму складає 1,25 періоду завади, що, принаймні, в 1,6 раз менше, ніж при використанні цифрової фільтрації. Слід зазначити, що у випадку фіксованого значення час компенсації впливу низькочастотної динамічної завади обмежений знизу лише обчислювальними можливостями мікропроцесора кранових вагів.

а) б)

Рис. 8. Результати обчислення оцінки дійсного значення маси вантажу.

1 – залежності від часу виміряного значення маси вантажу; 2 – залежності від часу оцінки дійсного значення маси вантажу.

Був досліджений вплив на ефективність використання розробленого методу таких зовнішніх чинників, як прискорений поступовий рух системи “ваги – вантаж” під час розгойдування (так званий складний рух), повторне збудження коливань до повного затухання попередніх, похибка вимірювання лінійних прискорень акселерометрами. По результатам досліджень були зроблені наступні висновки:

1.

2.

3.

Достовірність отриманих результатів підтверджено експериментальними дослідженнями, що полягали в випробуваннях кранових вагів ВКМ-3, в яких реалізовано алгоритм компенсації впливу низькочастотних динамічних завад на базі розробленого методу, при їх роботі в умовах розгойдування вантажу. В результаті випробувань були отримані такі результати: час встановлення показів вагів – 3 с, значення відносної похибки, що зумовлена дією динамічної завади, склало 0,47%.

Згідно з РД 50–453–84, найбільше можливе значення відносної похибки тензорезисторного ЗВТ в реальних умовах експлуатації може бути обчислене за формулою:

,

де - основна відносна похибка тензорезисторного ЗВТ;

- температурна похибка тензорезисторного ЗВТ;

- динамічна похибка тензорезисторного ЗВТ, зумовлена дією низькочастотних динамічних завад.

Числові значення похибок тензорезисторних ЗВТ для випадків застосування відомих і запропонованих методів підвищення точності наведені в таблиці 1.

Таблиця 1

Порівняння похибок тензорезисторних ЗВТ при застосуванні відомих і запропонованих методів підвищення точності.

Похибка | Відомі методи

підвищення точності | Запропоновані методи підвищення точності

Основна , % | 0,06 | 0,06

Температурна , % | 2,4 | 0,13

Динамічна , % | 0,5 | 0,5

Сумарна , % | 3 | 0,7

Таким чином, найбільше можливе значення відносної похибки тензорезисторного ЗВТ в реальних умовах експлуатації, завдяки застосуванню запропонованих методів підвищення точності, зменшено з 3 % до 0,7 %. Також слід зауважити, що застосування запропонованого методу компенсації впливу низькочастотних динамічних завад хоч і не зменшує значення динамічної похибки в порівнянні з цифровою фільтрацією, але дає можливість зменшити час встановлення показів, принаймні, в 1,6 раз.

У додатках наведені акти впровадження результатів проведених досліджень і протокол повірки вимірювального блоку системи 16ВНП7М.

ВИСНОВКИ

Основні результати дисертаційної роботи полягають у наступному:

1. Проведено аналіз похибок сучасних тензорезисторних ЗВТ та існуючих методів підвищення точності. За результатами аналізу було отримано значення основної відносної похибки типового сучасного тензорезисторного ЗВТ, яке склало 0,06 %. Також розглянуто похибки, що виникають в реальних умовах експлуатації ЗВТ і значно перевищують основну похибку.

2. Дослідження існуючих методів зниження таких похибок дозволило виявити три напрями, котрі потребують розробки нових та вдосконалення існуючих методів підвищення точності:

-

-

-

3. Розроблено метод діагностування відшарування тензорезистора, який, на відміну від існуючих методів, дозволяє здійснювати контроль чутливості тензомоста в штатному режимі функціонування ЗВТ окремо від решти функціональних вузлів.

4. Досліджено вплив параметрів реальних тензорезисторів на результат діагностування, запропоновано спосіб балансування зразкового напівмоста, що дозволяє усунути вплив відхилення опорів тензорезисторів від номінального значення. Запропоновано методику визначення критичного значення діагностичного показника, яка базується на знаходженні мінімуму втрат якості контролю.

5. Достовірність отриманих результатів підтверджено експериментальними дослідженнями, що полягали в фізичному моделюванні процесу діагностування тензомоста по запропонованому методу.

6. Запропоновано використання способу компенсації температурної похибки тензорезисторних ЗВТ, який базується на визначенні температурних характеристик тензодатчика ЗВТ. Отримано співвідношення для розрахунку необхідного числа температурних характеристик, що визначаються, при відомій статичній характеристиці перетворення (СХП) ЗВТ і заданій допустимій похибці інтерполяції. В результаті дослідження роботи традиційного алгоритму температурної компенсації в нестаціонарних температурних умовах був зроблений висновок, що температурна похибка ЗВТ складається з похибки інтерполяції , невиключеної температурної похибки і динамічної складової температурної похибки . Складові і несуттєві в порівнянні з , отже ==2,4 %.

7. Для усунення динамічної складової температурної похибки запропоновано використання методу екстраполяції до усталеного значення, на основі якого розроблено спосіб компенсації впливу температури, що змінюється у часі. Температурна похибка ЗВТ при застосуванні запропонованого способу складається з невиключеної температурної похибки и невиключеної динамічної похибки , що зумовлена неточністю визначення температурних сталих часу датчиків. При похибках визначення температурних сталих часу значення склало 0,13%, час встановлення показів зменшено в 2 рази.

8. Достовірність отриманих результатів підтверджено експериментальними дослідженнями, що полягали в випробуваннях кранових вагів ВКМ-3, в яких реалізовано алгоритм температурної компенсації на базі запропонованого способу, при їх роботі в умовах температури навколишнього середовища, що змінюється у часі. За результатами випробувань було зафіксовано зменшення максимального значення приведеної температурної похибки з 2% до 0,17 %, в порівнянні з традиційним алгоритмом температурної компенсації, та зменшення часу встановлення показів з 135 с до 75 с.

9. Для компенсації впливу на кранові ваги низькочастотних динамічних завад запропоновано метод, який полягає в вимірюванні лінійних прискорень кранових вагів і обчисленні по виміряним значенням маси вантажу та лінійних прискорень дійсного значення маси вантажу. Розроблено алгоритм обчислення дійсного значення маси вантажу, що враховує конструктивні особливості кранових вагів і забезпечує усунення нестабільності показів кранових вагів протягом часу, принаймні, в 1,6 разів меншого тривалості цифрової фільтрації аналогічної динамічної завади.

10. Досліджений вплив на роботу алгоритму таких факторів, як складний рух системи “ваги - вантаж”, повторне збудження коливань до затухання попередніх, похибка вимірювання лінійних прискорень вагів. Максимальне значення відносної невиключеної систематичної похибки, спричиненої похибкою вимірювання лінійних прискорень акселерометрами, склало 0,5%, при похибці вимірювання прискорень 2,5%.

11. Достовірність отриманих результатів підтверджено експериментальними дослідженнями, що полягали в випробуваннях кранових вагів ВКМ-3, в яких реалізовано алгоритм компенсації впливу низькочастотних динамічних завад на базі розробленого метода, при їх роботі в умовах розгойдування вантажу. В результаті випробувань були отримані такі результати: час встановлення показів вагів – 3 с, значення відносної похибки, зумовленої дією динамічної завади – 0,47%.

12. Визначено найбільше можливе значення відносної похибки тензорезисторного ЗВТ в реальних умовах експлуатації при застосуванні відомих і запропонованих методів підвищення точності. Завдяки застосуванню запропонованих методів підвищення точності, значення похибки зменшено з 3 % до 0,7 %.

13. Результати проведених досліджень впроваджено на слідуючих підприємствах: АНТК ім. О.К. Антонова, м. Київ; ДП “Смоли”, м. Дніпродзержинськ; ВАТ “Дніпровагонмаш”, м. Дніпродзержинськ; ТОВ “Інженерне бюро Авіаційного інституту”, м. Харків.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

АНОТАЦІЯ

Потильчак О.П. Методи підвищення точності тензорезисторних засобів вимірювальної техніки. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.15 – метрологія та метрологічне забезпечення. – Національний науковий центр “Інститут метрології”, Харків, 2007.

Дисертацію присвячено проблемам підвищення точності тензорезисторних ЗВТ.

Розроблено нові та вдосконалено існуючі методи підвищення точності тензорезисторних ЗВТ (метод діагностування відшарування тензорезистора, спосіб компенсації температурної похибки в умовах нестаціонарних теплових полів, метод компенсації впливу низькочастотних динамічних завад).

Досліджено вплив зовнішніх факторів на ефективність застосування розроблених методів підвищення точності. Визначено невиключені систематичні похибки ЗВТ при використанні розроблених методів підвищення точності. Проведено експериментальні дослідження та здійснено практичну реалізацію розроблених методів підвищення точності.

Ключові слова: тензорезисторний засіб вимірювальної техніки, метод підвищення точності, відшарування тензорезистора, температурна похибка, низькочастотна динамічна завада, час встановлення показів.

АННОТАЦИЯ

Потыльчак А.П. Методы повышения точности тензорезисторных средств измерительной техники. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.11.15 – метрология и метрологическое обеспечение. – Национальный научный центр “Институт метрологии”, Харьков, 2007.

Диссертация посвящена проблемам повышения точности тензорезисторных средств измерительной техники (СИТ).

Разработан метод диагностирования отслоения тензорезистора, который, в отличие от существующих методов, позволяет осуществлять контроль чувствительности тензомоста в штатном режиме функционирования СИТ отдельно от остальных функциональных узлов. Метод основан на поочередном замещении каждого из полумостов тензомоста образцовым полумостом. Исследовано влияние параметров реальных тензорезисторов на результат диагностирования, предложен способ балансировки образцового полумоста, позволяющий устранить влияние отклонения сопротивлений тензорезисторов от номинального значения. Выявлен фактор, влияние которого значительно превышает остальные – временной дрейф сопротивления тензорезисторов. Предложена методика определения критического значения диагностического показателя, основанная на нахождении минимума потерь качества контроля. По предложенной методике для тензомоста, построенного по схеме полного моста с четырьмя активными тензорезисторами типа КФ5, определено оптимальное значение диагностического показателя, которое составило от максимального выходного напряжения тензомоста, при значениях вероятностей ошибок первого и второго рода и соответственно. Исследована возможность применения разработанного метода для таких схем тензомостов как полный мост с четырьмя активными тензорезисторами, полный мост с двумя активными тензорезисторами и полумост с двумя активными тензорезисторами, а также для тензомостов с шестипроводной схемой подключения. Достоверность полученных результатов подтверждена экспериментальными исследованиями, которые заключались в физическом моделировании процесса диагностирования тензомоста