Моделирование воздействия неоднородных нестационарных тепловых полей на датчики давления и перемещений

В табл. 2 представлены значения рекомендуемых сопротивлений обратной связи и коэффициентов усиления для требуемых токов от 100 до 500 мА и входного сигнала ±5В.

Т аблица 2

IH, мА ± 100 ± 250 ± 500

Rh, ^ 0 •I- 0 О 0-40 0-20

Roc, ^ 20 10 5

G 2,5 2 2

Roc*G 50 20 10

Результаты исследований показывают, что внутреннее (выходное) сопротивление генераторов Ri прямо пропорционально сопротивлению ROC. Поэтому для уменьшения относительной погрешности следует в разумных пределах увеличивать ROC. Оптимальным следует считать ROC=RH. Результаты температурных испытаний показывают, что после 2-3 циклов термотренировки, температурный дрейф уменьшается примерно в 2 раза. Скорее всего, это связано с повышением стабильности резисторов обратной связи типа С2-29, класса 0,1-0,2. Эти резисторы следует брать с запасом по мощности в 2-3 раза, т.к. от их стабильности зависят все метрологические характеристики генераторов тока. Температурный дрейф линейно зависит от температуры и от изменения входного сигнала.

Выводы:

1. Рассмотренные управляемые генераторы тока на базе инструментальных усилителей позволяют обеспечить достаточно высокие метрологические характеристики на уровне 14-15 двоичных разрядов в обычных условиях.

2. Относительная погрешность из-за влияния внутренних сопротивлений генераторов тока существенно уменьшается при увеличении резисторов обратной связи Roc. Внутреннее сопротивление генераторов тока может составлять ЮОМОм для токов 1-2шЛ и 1МОм для токов 100mA. При увеличении температуры до +850С внутреннее сопротивление Rj уменьшается примерно в 2-3 раза.

3. Температурная стабильность ГТ зависит от температурного дрейфа инструментального усилителя и ТКС резистора обратной связи ROC. В худшем случае относительная погрешность 5t<0.02%/10°C.

4. Временной дрейф ГТ незначительный, т.к. все схемы охвачены цепью отрицательной ОС. После 30-минутного прогрева временной дрейф генератора тока 250 шЛ составил 0,005%/час за 8 часов мониторинга.

5. Рассмотренные схемы удовлетворительно работают на индуктивную и емкостную нагрузку на частотах до 10кГц. Генератор тока 250mA испытывался с индуктивностью 20mH и ёмкостью 0,1 мкФ, возбуждения схемы не наблюдалось.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. ГутниковВ.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергоатомиздат, 1988.

2. Алексеенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых схем. -М.: Радио и Связь, 1985.

3. Burr-Brown/ Integrated Circuits/ Data Book/ Linear Product 1996/1997. 4.283 Printed in USA/

Е.А. Мокров, Д.В. Тихомиров, А.А. Трофимов

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НЕОДНОРОДНЫХ НЕ СТАЦИОНАРНЫХ ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ НА ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ

И ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Т ак как современные датчики физических величин (давления, температуры, перемещений, инерциальной информации и др.) представляют собой сложные многокомпонентные динамические системы, в которых протекают взаимосвязанные физические процессы различной природы (тепловые, механические, упругие и термоупругие, электрические, оптические и другие), становится актуальным исследование воздействия неоднородных нестационарных тепловых полей на датчиковую аппаратуру. Тепловые переходные процессы во многом определяют не только точность датчиков, но и такие важные характеристики как долговечность, надежность, время готовности и, в конечном итоге, эффективность их работы. Для ускорения разработки датчиковой аппаратуры необходимо уже на этапе проектирования, не прибегая к дорогостоящим натурным испытаниям, знать влияние реальных условий эксплуатации на выходные характеристики датчика. При использовании математического моделирования становится возможным комбинирование различных начальных условий эксплуатации, материалов и временных характеристик воздействия возмущающих факторов.

На базе научно-исследовательского института физических измерений (НИИФИ, г. Пенза) при помощи программных комплексов "Термоудар" и "DLP", разработанных в сотрудничестве с институтом проблем точной механики и управления (ИПТМУ РАН, г. Саратов), был проведен ряд исследований в области математического моделирования воздействия нестационарных температур на датчики давления и перемещений.

Первый объект исследований - датчик давления типа Вт212 [1,2,6,7]. Он предназначен для измерения статико-динамического давления жидких и газообразных сред (кислорода, азота, водорода) в ракетно-космической технике. Основной узел датчика -воспринимающий элемент, на мембране которого методом тонкопленочной технологии нанесены тензорезисторы, контактные площадки и другие элементы, являющиеся распределенными внутренними источниками тепла заданной мощности.

Второй объект исследований - датчик линейных перемещений (ДЛП) [5], предназначенный для бесконтактного преобразования статико-динамических линейных перемещений контролируемого объекта в разность фаз между двумя синусоидальными напряжениями. Датчик является составной частью системы С-085. В конструкции датчика реализована дифференциально-трансформаторная схема, в основу которой заложен чувствительный элемент, содержащий магнитопровод с разделенными цепями рабочей и компенсационных частей.

Была поставлена задача построения, аналитического и компьютерного исследования математических моделей рассматриваемых датчиков, работающих в условиях воздействия нестационарных неоднородных температурных полей измеряемой и окружающей сред. Также параллельно ставилась задача по построению и исследованию математической модели термоупругого напряженно-деформированного состояния мембраны воспринимающего элемента датчика давления.

На рис. 1-4 показана разбивка моделей датчиков на элементарные объемы. Элементарные объемы имеют теплофизические и геометрические характеристики и тепловые связи, соответствующие реальной конструкции. Для упрощения на элементарные объемы разбивается половина датчика, остальная часть полностью ей симметрична.

Рис. 1. Компоновка и конструктивные элементы датчика давления

На рис. 1,2 цифрами обозначены: 1-элемент воспринимающий с мембраной

Рис. 2. Тепловая модель датчика давления с разбиением на элементарные объемы

Аналогично разбивается на элементарные объемы и датчик линейных перемещений. На рисунках 3,4 цифрами обозначены: 1-корпус (соответствующие объемы на рисунке 4: 40-44); 2-сердечник (объемы 16-18); 3-дальняя от рабочего зазора разделительная пластина (объемы 22-24); 4-дальняя от рабочего зазора обмотка 4-х секционной катушки (объемы 25-27); 5-ближний к рабочему зазору фланец (объемы 4-6); 6-контактная плата (объемы 31-33); 7-экран (объемы 34-35); 8-гайка (объемы 36); 9-кабельная перемычка; 10-дальний от рабочего зазора фланец (объемы 28-30); 11-ближняя к рабочему зазору обмотка 4-х секционной катушки (объемы 7-9); 12-ближняя к рабочему зазору разделительная пластина (объемы 10-12); 13 - лента на подвижной части изделия (объект контроля); 14-плита для крепления датчика (объем 45); 15,16-средние обмотки 4-х секционной катушки (объемы 13-15), (объемы 19-21); 17-тепловоспринимающая пластина (объемы 1-3); 18-подвижная часть изделия; 19-крышка (объемы 37-39); 20-клей-отвердитель ВК-9 (объемы 46-50).

Рис. 3. Компоновка и конструктивные элементы бесконтактного датчика линейных

перемещений

Рис. 4. Тепловая модель датчика давления с разбиением на элементарные объемы

При работе в штатном режиме на датчик давления со стороны мембранной полости воздействует среда (Тср=-196°С) с высоким энергетическим уровнем температуры по сравнению с температурой датчика и давлением до 1250 МПа. Также присутствует воздействие окружающей среды с температурой около 50°С. Большая разность уровней температур и создает эффект термоудара, непосредственно приводящего на начальном этапе работы датчика к высокой погрешности (до 30%). На рис. 5 показана запись измерения давления кислорода на двигателе РД-180.

Запись процесса

Рис. 5

В случае датчика линейных перемещений, происходит воздействие окружающего теплового потока с характеристиками, указанными на рис. 6.

КВт/и’

1000.00 ------------------------------------

800.00

£00.00

400.00

200.00

0.00

ООО 0.40 0 00 1.20 1.60 2.00

Рис. 6. Зависимость мощности усредненного теплового потока от времени

В случае отсутствия термостатирования для уменьшения температурной погрешности необходимо обеспечивать тепловую защиту ДЛП от нестационарного воздействия теплового потока со стороны торцевой поверхности (плоскости чувствительности). В ходе разработки выяснилось, что подходящим материалом для изготовления теплозащиты является фторопласт. Необходимо было создать тепловоспринимающую пластину с такими конструктивными параметрами, которые бы обеспечивали требуемую защиту.

В ходе расчета моделей датчиков при воздействии неоднородных трехмерных нестационарных температурных полей используется приближенный численный метод [4],

представляющий собой модифицированный вариант метода "элементарных" балансов. Для составления тепловых балансов используются такие основные законы теплообмена, как закон сохранения энергии, закон Фурье, закон Ньютона, закон Стефана-Больцмана и другие. Использование основных законов и гипотез теплообмена приводит к непосредственному получению расчетных алгоритмов, минуя стадию составления дифференциальных уравнений. "Элементарными" геометрическими объемами, на которые разбиваются модели датчиков, могут быть параллелепипеды, цилиндрические, шаровые сегменты и другие канонические формы, определяемые конструктивными особенностями различных типов датчиков. Основной алгоритм расчета температурного поля, полученный на основе метода тепловых балансов и принятых допущений для рассматриваемого типа датчиков, состоящих из твердотельных элементарных объемов, имеет следующий вид [3,4]:

/ ,

Т(; +Д^ =

1 -Д

/м

X Чу +

У

j=1

ГГ Д;

Т + —

где Т(1), Т(; + Д0 - температуры i-го объема соответственно в настоящий и последующий моменты времени; ^ - теплоемкость; qiJ - термопроводимости между объемами у; qic - термопроводимость между ьм объемом и окружающей или измеряемой средой; Qi - мощность источников или стоков тепла; Д; - шаг расчета; М - количество объемов, имеющих тепловой контакт с ьм объемом; N - количество объемов; i =1,...,№

Величина суммарной тепловой проводимости, характеризующаяся входящими в (1) коэффициентами термопроводимости Яу , может быть представлена в виде

Чу = Чт + Як + Чи = ат*т + аКк + аи^и>

где Чт,Як,Чи - коэффициенты термопроводимости, учитывающие теплообмен в соответствии с теплопроводностью, конвекцией и излучением; а т, а к, аи - функции геометрических и теплофизических параметров элементарных объемов; - функ-

ции температур.

Т аким образом, предложенный способ расчета позволяет учитывать основные виды теплообмена, имеющие место в рассматриваемых классах датчиков. Формулы и соотношения, по которым рассчитываются эти коэффициенты, для основных случаев теплообмена в приборах и некоторых специальных случаев получены на основе законов тепломассообмена Фурье, Ньютона, Стефана-Больцмана, критериальных уравнений Нуссельта, Рейнольдса, Грасгофа, Прандля, теории подобия аэродинамических, электрических и тепловых процессов и экспериментальных исследований. К полученным разностным и другим соотношениям (1),(2) и формулам необходимо добавить начальные условия, и задача сведется к определению функций Т^) по всем элементарным объемам в каждый момент времени. Построенные и реализованные в программных комплексах алгоритмы, соотношения, формулы составляют основу математической модели тепловых процессов в сложных датчиках, приборах и устройствах и позволяют рассчитывать и проводить анализ в общем случае трехмерных, неоднородных, нестационарных температурных полей этих приборов и устройств в заданном числе расчетных точек. В конечном результате это позволяет решать задачи выбора оптимальных решений по конструкции датчиков.

По результатам исследований математической модели датчика и проведенных экспериментов было выявлено, что эффективность снижения теплообмена между мембраной и чувствительным элементом повышается за счет введения сужающих устройств

С

и изменения размеров сечения кольцевой проточки непосредственно перед мембраной чувствительного элемента, а также изменением топологии нанесения тензорезисторов. Найдена оптимальная модификация датчика, позволяющая снизить разброс температурных деформаций элементарных объемов воспринимающей мембраны. В ходе работ определены основные направления доработки конструкции датчика давления. В таблице приведены данные испытаний, проведенных на базе НИИФИ. Эксперименты проводились без подачи рабочего давления и явились оценочными. Необходимо отметить, что впоследствии результаты экспериментов и точность, с которой эти математические модели отражают тепловые процессы в реальных конструкциях датчиков, приборов и систем были подтверждены при испытаниях датчика в составе изделия на базе заказчика. Так при испытаниях нескольких датчиков давления Вт 212А.1-УТ, установленных на жидкостном ракетном двигателе РД-180 (НПО "Энергомаш"), расхождение экспериментальных данных с расчетными составило порядка 5%. Проведенные испытания показали лучшую устойчивость датчика к воздействию термоудара (-196°С), погрешность в начальный момент времени (до 100 с) снизилась с 30% до 1-2% (при использовании сужающих тепловставок и ряда других мер конструктивного характера).

№ датчика Диапазон измерений, кг/см2 Температурный коэффициент сопротивления тензорезисторов, 1/ °С Погрешность при действии теплового потока на приемную полость Погрешность при действии теплового потока со стороны корпуса Погрешность при действии теплового потока на кабельную перемычку

060020 0 - 1250 (3,4 - 3,2)*10-5 0,5 < 0,1 <0,01

060021 0 - 28 (1,26 - 1,12)*10-5 1,1 < 0,1 <0,01

060023 0 - 28 (0,92 - 1,05)*10-5 0,11 < 0,1 <0,01

060025 0 - 28 (0,8 - 0,53)*10-5 0,17 < 0,1 <0,01

060022 0 - 28 (1,4 —1,29)*10-5 0,2 < 0,1 <0,01

При испытаниях датчика линейных перемещений также были подтверждены выбор материала и конструктивные параметры теплозащиты. Расхождение экспериментальных данных с расчетными составило порядка 8-10%. Результатом исследований явилось нахождение такого оптимального сочетания материалов и конструктивных особенностей датчика, при котором обеспечивается надежная теплозащита чувствительного элемента.

Итогом проведенных исследований является:

1. Построение и исследование аналитическими и численными методами связанных математических моделей датчиков давления и линейных перемещений с учетом температурных воздействий окружающей и измеряемой сред и динамических эффектов.

2. Разработка и реализация на базе современных вычислительных средств программных комплексов. Они позволяют на этапе проектирования проводить исследования нестационарных тепловых процессов в датчиках автоматизировано, не прибегая к серии дорогостоящих испытаний.

3. Получение практических результатов в виде модернизированных конструкций датчиков. Проведенные натурные испытания, как на базе НИИФИ, так и на базе заказчика (НПО "Энергомаш") подтвердили правильность расчетов математической модели датчиков и показали значительное улучшение выходных характеристик датчиков.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Мокров Е.А. Состояние и пути развития датчиков давления в информационно-измерительных системах ракетно-космических комплексов//Труды Международного симпозиума "Надежность и качество". -Пенза,2001. -С. 8.

2. Мокров Е.А. Направления развития металлопленочных тензорезистивных датчиков давле-ния//Труды Международного симпозиума "Надежность и качество". -Пенза,2001. -С. 180.

3. Джашитов В.Э., Панкратов В.М. Динамика температурно-возмущенных гироскопических приборов и систем. -Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1998. -236 с.

4. Джашитов В.Э., Панкратов В.М. Математические модели теплового дрейфа гироскопических датчиков инерциальных систем / Под общей редакций академика РАН В.Г. Пешехонова. -СПб.: ГНЦ РФ - ЦНИИ "Электроприбор", 2001. -150 с.

5. Трофимов А.А., Конаков Н.Д. Исследование по расширению диапазона измерения бесконтактных амплитудно-фазовых трансформатных датчиков линейных перемещений//ВНТК "Методы и средства измерения в системах контроля и управления". -Пенза,2001. -С.15.

6. Тихомиров Д.В. Некоторые аспекты снижения погрешности датчиков давления от воздействия нестационарных температур//Сборник тезисов докладов НТК молодых специалистов. -Королев, Московская область, 2002. -С.24.

7. Тихомиров Д.В., Рогонов А.А. Экспериментальное исследование температурных полей датчика давления Вт212 с помощью программного комплекса «Термоудар» //Труды международной конференции «Методы и средства измерения в системах контроля и управления». -Пенза,2002. -С.106.

С.А.Синютин

ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ В ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ДАТЧИКАХ

MICROCHIP PIC

Для построения интеллектуальных датчиков (ИД) в настоящее время, как правило, применяют RISC-микроконтроллеры с разрядностью 8 и 16 бит. Современные 8разрядные RISC-микроконтроллеры занимают промежуточную нишу по своим техническим характеристикам между классическими 8-разрядными микроконтроллерами и их 16-разрядными кузенами. Высокая производительность и меньшая, чем у 16-разрядных МК, цена превращают RISC-микроконтроллеры в мощный инструмент для построения эффективных многофункциональных контроллеров, используемых в самых разнообразных приложениях.

Первые микроконтроллеры компании MICROCHIP PIC16C5x появились в конце 80-х годов и благодаря своей высокой производительности и низкой стоимости составили серьёзную конкуренцию производимым в то время 8-разрядным МК с CISC-архитектурой. Основное достоинство PIC-контроллеров — их простота и эффективность. В основу концепции PIC, единую для всех выпускаемых семейств, была положена RISC-архитектура с системой простых однословных команд, применение встроенной памяти программ и данных и малое энергопотребление.

Система команд базового семейства PIC165x содержит только 33 команды. Как ни странно, и это сыграло свою роль в популяризации PIC-контроллеров. Все команды