Применение информационных технологий для повышения метрологической надежности измерителей перемещений

Цыпин В.Б. ПРИМЕНЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

При использовании трансформаторных растровых датчиков перемещения в бортовой аппаратуре возможно появление отказов типа обрыва электрической цепи или недопустимого возрастания уровня сигналов, вызванного изменением зазора между статором и ротором датчика. Применение адаптивного к видам отказов алгоритма обработки сигналов позволяет получить в случае одиночного частичного отказа погрешность измерения, не превышающую двух единиц младшего разряда.

В ракетно-космической и военной технике широкое применение для измерения линейных и угловых перемещений нашли трансформаторные растровые датчики, благодаря отсутствию дополнительной погрешности в диапазоне температур от минус 60 до 200о С [1]. Стрессовые механические воздействия могут приводить к появлению частичных отказов типа обрыва электрической цепи или недопустимого возрастания уровня сигналов, вызванного изменением зазора между статором и ротором датчика. В случае применения датчиков в бортовой аппаратуре важно не только своевременно обнаружить появление отказа, но и сохранить способность проводить измерения с гарантированной точностью.

Работа трансформаторных растровых датчиков основана на сопряжении двух растровых решеток, ориентированных под определенным углом друг к другу. Одна из решеток образована неподвижным зубчатым ферромагнитным основанием (статором), а вторая - подвижным зубчатым ферромагнитным элементом (ротором). В пазах основания уложены секции обмоток считывания и возбуждения.

Магнитный поток, развиваемый секциями обмоток возбуждения, замыкается между статором и ротором через зубцовый зазор, пересекает обмотки считывания и наводит в них ЭДС, значение которой пропорционально магнитной проводимости участков магнитной цепи, образованной основанием, подвижным элементом и воздушным зазором между их зубцами. Магнитная проводимость зависит от площади взаимного перекрытия зубцов ротора и статора. При изменении взаимного расположения зубцов образуется комбинационное растровое сопряжение, что приводит к изменению напряжения на обмотках считывания, то есть появляется амплитудная модуляция выходных сигналов, частота которой зависит от скорости изменения взаимного расположения зубцов основания и подвижного элемента (рисунок 1а) [2]. Период Т изменения амплитуды

напряжения соответствует одному шагу зубцового сопряжения.

В датчике с четырьмя обмотками считывания огибающие напряжений их, из и и4 на обмотках считы-

вания сдвинуты на И периода. Точки равенства напряжений разделяют период Т на восемь участков квантования Кх, К2, ...., Кэ (рисунок 1б). Участки отличаются друг от друга соотношением значений амплитуд напряжений. Например, на участке Кз (на рисунке 1б заштрихован) их> и2> и4> и з.

а)

б)

Рисунок 1

Во вторичном преобразователе используется амплитудно-логический метод обработки сигналов датчика. Для измерения перемещения осуществляется "опознание" участков Кх, К2, ..., Кэ внутри периода изменения амплитуд выходных сигналов. При переходе на соседний участок выходной код вторичного преобразователя изменяется на единицу младшего разряда, соответствующую перемещению Пх. В известных преобразователях для опознания участков используется минимально необходимое число узлов сравнения амплитуд сигналов на обмотках считывания, равное четырем [2].

Исследования показали, что при этом влияние частичных отказов в цепях напряжений их, и2, из и и4 неодинаково. Кроме того, при появлении любого отказа происходит нарастание погрешности по мере изменения измеряемого перемещения, то есть аппаратура становится не пригодной к эксплуатации.

Устранение данного эффекта может быть достигнуто введением некоторой избыточности. Два дополнительных узла сравнения позволяют провести попарное сопоставления всех напряжений. В таблице приведены соотношения амплитуд сигналов, соответствующие выходные коды узлов сравнения и десятичный эквивалент (д.э.) позиционного двоичного выходного кода узлов сравнения для двух видов отказов.

Анализ таблицы позволяет наметить пути повышения метрологической надежности измерителей перемещений. При неисправностях одного характера I «обрыв» или «недопустимое возрастание уровня сигналов»!! выходные коды узлов сравнения в строках таблицы не повторяются. Отсюда следует, что если определить характер неисправности путем самодиагностирования измерителя, то правильное определение номера участка квантования возможно при обнаружении одного из позиционных кодов, характерных для соответствующей строки таблицы.

Таблица

№ участка Десятичные выходные коды узлов сравнения

Без отказа При обрыве цепи При возрастании у ровня

их и2 из и4 их и2 из и4

Кх 4 8 0 4 8 52 59 56 22 зз 4 8

К2 60 4 56 60 6з 60 з0 4х 52

Кз 62 6 56 62 6з 62 з0 4з 52

К4 зх 7 57 з0 зх 6з зх хх 22

К5 х5 7 4х з0 х5 6з х5 хх э

Кб з з зз 2х хх 59 з з 0

К7 х х зз 24 хх 57 з х 0

Кэ з2 0 з2 52 4з 56 з2 зз з2

Например, при обрыве цепи обнаружение одного из позиционных кодов с десятичным эквивалентом 60, 4, 5 6 или 63 соответствует второму участку квантования. При недопустимом возрастании уровня сигнала

код с десятичным эквивалентом 56 соответствует первому или восьмому участкам квантования, а код 63 -четвертому или пятому. Таким образом, удается использовать «неправильные коды». При этом погрешность измерения не превосходит 2 Ах в пределах одного периода растра.

Накопления погрешности можно избежать, если перейти от счета изменений номера участков квантования к использованию адаптивного алгоритма, учитывающего код номера участка для формирования отсчета в пределах одного периода растрового сопряжения. Например, при недопустимом возрастании уровня напряжения их четвертый и пятый участки сольются, и погрешность достигнет значения двух единиц младшего разряда. После перехода на шестой участок будет введен код шести, и погрешность уменьшится до нормального значения в пределах одного шага квантования.

При переходе с участка Кэ на участок Кх и наоборот (в зависимости от направления изменения перемещения в сторону возрастания или в сторону убывания) значение последнего кода должно сохраняться, и далее на следующем периоде растрового сопряжения новые коды номера участков квантования суммируются (вычитаются) с сохраненным значением. Пропуск участка не приводит к накоплению погрешности. Результат корректируется введением кода номера нового участка квантования.

В случае неисправности в цепи напряжения их или из значение последнего кода сохраняется в случае увеличения перемещения при переходе с участка на участок К2 , а в случае уменьшения перемещения

при переходе с участка Кэ на участок К7 .

На рисунке 2 для сравнения представлены графики изменения погрешности на двадцати участках квантования в случае обрыва цепи напряжения из при традиционной обработке сигналов датчика (линия 1) и при изменении по сигналу ошибки логики обработки в соответствие с таблицей (линия 2).

№ участка квантования

Рисунок 2

Из рисунка 2 видно, что во втором случае накопления погрешности не происходит. Погрешность измерения возрастает только в два раза на участках Кб и Кэ, так как они «сливаются» соответственно с участками К5 и К7.

Алгоритм, реализующий рассмотренный способ повышения информационной надежности измерителей перемещения, представлен на рисунке 3. Работа алгоритма начинается с ввода предельно допустимых значений амплитуд напряжений и1г иг, из и и4 на обмотках считывания, ввода правил преобразования выходного позиционного кода узлов сравнения в трехразрядный двоичный код номера участка квантования в соответствии с таблицей и обнуления выходного кода перемещения

Цикл начинается с установки индекса кода перемещения і равным нулю. За тем вводятся коды амплитуд напряжений и позиционный код. По результатам допусковой оценки амплитуд напряжений иі, иг, из и и4 принимается решение об обнаружении или не обнаружении отказа. В последнем случае характеристика отказа выводится для пользователя. В зависимости от вида частичного отказа (выхода за пределы допуска только одного из напряжений) задается правило перевода позиционного кода в двоичный код N и признак (код) начала или окончания периода растра из таблицы.

Позиционный код преобразуется в двоичный код номера участка квантования N. Проводится анализ двоичного кода на принадлежность его крайним внутри периода растра участкам квантования. Если это не подтверждается, то двоичный код складывается с кодом перемещения Ni, полученным в предыдущем цикле работы алгоритма, и выводится для пользователя. Если это подтверждается, то дополнительно направление изменения перемещения - возрастание или убывание. В зависимости от результата полученное ранее значение Ni увеличивается или уменьшается на восемь единиц и выводится для пользователя. Значение индекса i увеличивается на единицу. Цикл завершается.

Предложенный алгоритм повышения метрологической надежности позволяет осуществлять измерение перемещения в случае возникновения частичных отказов в цепи одной из обмоток считывания датчика. Погрешность измерения при этом возрастает только до значения ±21х. Реализующий данный алгоритм измеритель перемещения может быть квалифицирован как интеллектуальный, так как осуществляется контроль и идентификация вида частичного отказа, и соответствующая адаптация обработки измерительной информации. Этот алгоритм реализован в макетных образцах вторичных преобразователей, где была подтверждена его корректность.

ЛИТЕРАТУРА

1. Трофимов А.Н. Унифицированный ряд высокотемпературных растровых электромеханических датчиков перемещений / А.Н. Трофимов, А.В. Блинов, А.А. Трофимов // Датчики и системы. - М., 2007. - №7.

2. Конюхов Н.Е. Электромагнитные датчики механических величин / Н.Е. Конюхов, Ф.М. Медников, М.Л. Нечаевский. - М.: Машиностроение, 1987.