Метрологический самоконтроль в интеллектуальном акустическом пьезоэлектрическом датчике

ЭЛЕКТРОНИКА, ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И РАДИОТЕХНИКА

УДК 53.089.68

А. Ю. Шаблицкий, В. К. Доля

МЕТРОЛОГИЧЕСКИЙ САМОКОНТРОЛЬ В ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОМ АКУСТИЧЕСКОМ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ДАТЧИКЕ1

Аннотация. Описывается новый метод осуществления метрологического самоконтроля в интеллектуальном акустическом пьезоэлектрическом датчике, а также технических средств, автоматически реализующих этот метод. Представлены результаты практических исследований, которые подтверждают возможность реализации описанного метода, а также применение его для мониторинга сложных объектов.

Ключевые слова: метрологический самоконтроль, интеллектуальный датчик, пьезоэлектрический акустический датчик, мониторинг сложных объектов.

Abstract. The article describes a new method of measurement of self-control in a smart acoustic piezoelectric sensors, as well as technical means to automatically implement this method. The authors present the results of practical studies that confirm both the feasibility of this method and its application for monitoring of complex objects.

Key words: metrological self-control, smart sensor, piezoelectric acoustic sensor, monitoring of complex objects.

Введение

Современное развитие науки и техники диктует постоянное ужесточение требований, предъявляемых к качеству измерения различных физических величин и, соответственно, к качеству первичных датчиков, осуществляющих преобразование измеряемой физической величины в электрический сигнал. Следовательно, контроль метрологической исправности датчика (согласно [1] метрологическая исправность датчика в процессе эксплуатации - это состояние датчика, при котором его погрешность в процессе эксплуатации в рабочих условиях находится в установленных пределах) в конкретных условиях эксплуатации является актуальной проблемой.

1. Выбор метода метрологического самоконтроля

В настоящее время мировые тенденции в решении указанной проблемы сконцентрированы в области проектирования и практического использования

1 Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2007-2013 годы».

интеллектуальных датчиков, которые в соответствии с ГОСТ Р 8.673-2009 ГСИ должны иметь функции адаптации, а также метрологического самоконтроля.

Под самоконтролем датчика понимается автоматическая проверка метрологической исправности датчика в процессе его эксплуатации с определением статуса результата измерений. Метрологический самоконтроль должен опираться на дополнительные данные, получаемые за счет пространственной (структурной), временной, информационной (функциональной) избыточности, имеющейся или сформированной в датчике.

Примером реализации метрологического диагностического самоконтроля интеллектуального пьезоэлектрического датчика на основе функциональной избыточности является интеллектуальный датчик с высокотемпературным пьезоэлектрическим микрофоном МПВ-03, входящий в состав измерительного акустического канала акустической подсистемы автоматизированной системы обнаружения течи теплоносителя (АСОТТ) на АЭС с РУРБМК.

В области ядерной энергетики, а также в других областях, в которых используется оборудование с длительным технологическим циклом, возрастает потребность в применении интеллектуальных датчиков, в частности акустических. Именно поэтому остро стоит задача разработки метода осуществления самоконтроля датчиков, а также технических средств, автоматически реализующих этот метод для акустических датчиков.

Рассмотрим способы получения дополнительных данных для осуществления метрологического самоконтроля датчиков [1].

Первый способ заключается во введении в конструкцию контролируемого датчика дополнительного измерительного преобразователя. Опираясь на данные, полученные от дополнительного преобразователя, вводят поправку в результат измерения основного датчика. В качестве примера можно рассмотреть пьезоэлектрический акустический датчик (микрофон), в конструкцию которого введен дополнительный преобразователь, например термопара. Так как параметры пьезокерамики значительно изменяются при воздействии температуры, то, опираясь на данные, полученные от термопары, производят их пересчет и вносят поправку в результат измерения микрофоном, если известны зависимости параметров от температуры. Данный метод обладает существенным недостатком - это сложность в исследовании и получении зависимости основной измеряемой величины от дополнительной измеряемой величины (например, зависимость чувствительности микрофона от температуры окружающей среды). Следует отметить, что сложность заключается в получении зависимости для всех однотипных датчиков, а не для каждого в отдельности.

Использование второго метода предполагает объединение в одной конструкции контролируемого измерительного преобразователя, а также дополнительного измерительного преобразователя или меры, которые характеризуются более высокой точностью. Метрологический самоконтроль с использованием мер может быть реализован при измерении ограниченного набора физических величин, например, температуры, длины, акустического давления. При данном методе дополнительный преобразователь, как правило, имеет более высокую точность, но в значительно более узком динамическом диапазоне. Например, в конструкцию уже упомянутого пьезоэлектрического микрофона вносится дополнительный пьезопреобразователь, который обла-

дает значительно большей чувствительностью при уровнях акустического давления в диапазоне от 90 до 110 дБ, при этом контролируемый микрофон работает в диапазоне от 70 дБ. Значения сигнала, измеренного более точным преобразователем в его динамическом диапазоне, считается эталонным, по этому значению происходит калибровка контролируемого датчика уже в его динамическом диапазоне. Данный способ также обладает существенным недостатком, так как в процессе эксплуатации датчика не всегда возможно наличие требуемых для калибровки сигналов, входящих в динамический диапазон более точного датчика. В таком случае самоконтроль датчика будет невозможен.

Для проверки метрологической исправности датчика (датчиков), входящего в состав измерительной системы, можно использовать дополнительные данные, полученные за счет структурной избыточности системы. Структурная избыточность обеспечивается использованием в системе дополнительных однотипных элементов, количество которых превышает минимально необходимое для осуществления измерений. Если в качестве функции преобразования датчика использована зависимость среднего выходного сигнала от измеряемой величины, то в качестве опорного значения может быть использована статистическая оценка отклонения выходных сигналов от среднего значения (например, среднее отклонение или дисперсия отклонения). Примером применения данного способа получения информационной избыточности может быть датчик температуры, который содержит несколько термопар, близких по точности. Функцией преобразования такого датчика является зависимость среднего выходного сигнала термопар от измеряемой температуры. Если вероятность синхронного дрейфа функций преобразования термопар пренебрежимо мала, то в качестве критической составляющей погрешности датчика можно принять среднее отклонение выходных сигналов термопар от их среднего значения. Значение этого отклонения, определенное при предшествующей калибровке, принимается в качестве опорного. По изменению среднего отклонения выходных сигналов термопар от опорного значения можно оценить метрологическую исправность датчика. К недостаткам данного метода относятся требования по ограниченности массы и габаритов, а также высокая стоимость датчиков и измерительных систем, построенных на основе этого метода.

На фоне вышеописанных способов проверки метрологической исправности датчиков можно выделить методику, реализующую метрологический диагностический самоконтроль интеллектуального датчика на основе функциональной избыточности. Использование этого метода предполагает априорное знание детерминированной функциональной зависимости между коэффициентом преобразования датчика и другими физическими параметрами датчиками, которые известны (или могут быть дополнительно измерены).

Из описанных выше методов выгодно выделяется метод на основе функциональной избыточности. Основным достоинством данного метода является то, что при его использовании появляется возможность самоконтроля интеллектуального датчика без внесения изменений в конструкцию датчика. Рассмотрим вариант реализации проверки метрологической исправности на основе функциональной избыточности в измерительном канале (рис. 1), основным метрологическим параметром которого является чувствительность.

КНМС

Рис. 1. Интеллектуальный измерительный акустический канал, состоящий из пьезоэлектрического микрофона, лини связи

Основная составляющая погрешности измерения акустического давления с помощью акустического канала возникает из-за деградации пьезоэлектрического преобразователя под действием сложных внешних условий в процессе эксплуатации, что ведет за собой изменение чувствительности как микрофона, так и акустического канала в целом. Температура, активная радиация -все это влияет на параметры (чувствительность, частота резонанса, емкость, электрическое сопротивление) пьезоматериала, из которого выполнен преобразователь. Теоретически и экспериментально показано [2], что чувствительность датчика однозначно связана с его эквивалентными электрическими параметрами. Указанная зависимость использована авторами настоящей работы в качестве функциональной избыточности в интеллектуальном акустическом канале, представленном на рис. 1.

Методика вычисления чувствительности измерительного канала описана в работе [2]. Чувствительность измерительного канала Мик (f) определяется функцией коэффициента передачи по напряжению измерительного канала Ku (f) и коэффициентом K, характеризующим колебательные свойства первичного пьезопреобразователя (определяется только геометрическими размерами преобразователя и не зависит от температуры и частоты):

где Ld - индуктивность динамической ветви эквивалентной схемы пьезопреобразователя.

Для того чтобы определить чувствительность акустического канала по (1), необходимо получить следующие параметры:

1) коэффициент К. Для этого достаточно измерить полную массу m и полную площадь колебательной поверхности акустического преобразовате-

2) коэффициент передачи по напряжению Ku (f). Для этого необходимо знать параметры линии связи, входное сопротивление интеллектуального усилителя, которые можно получить в технической документации на ка-

ля ^, после чего вычислить К по формуле

из [3];

бель и усилитель соответственно. Кроме того, необходимо получить параметры эквивалентной схемы пьезопреобразователя: - проводимость динамической ветви, У - полная проводимость, - индуктивность динамиче-

ской ветви, С^ - емкость динамической ветви, Я - сопротивление динамической ветви эквивалентной схемы преобразователя, Q - добротность преобразователя.

2. Экспериментальные исследования

Экспериментальные исследования состояли из нескольких этапов. На первом этапе определялась чувствительность измерительного канала абсолютным методом измерения. На втором этапе производился расчет чувствительности канала по описанной выше методике.

Практическая часть исследования была разделена на две части: измерения в резонансной области пьезопреобразователя (8,5-10 кГц), использующегося в высокотемпературном микрофоне, и измерения в низкочастотной области (10-100 Гц).

Первая часть эксперимента была выполнена на измерительном стенде, структурная схема которого представлена на рис. 2. В качестве источника звука использовался генератор шума ГШ-02, который обеспечивал генерацию эталонного звукового давления с погрешностью ±10 %. С помощью ГШ-02 генерировались акустические синусоидальные сигналы в частотном диапазоне 8,5-10 кГц. Данные сигналы подавались на высокотемпературный пьезоэлектрический микрофон МПВ-03, закрепленный на расстоянии в 20 см от источника звука, который был подключен через эквивалент линии связи к интеллектуальному усилителю УС-02, данные с которого через интерфейс Я5-485 поступали на ПК. В результате практического эксперимента были получены значения чувствительностей набора акустических каналов в частотных точках в диапазоне 8,5-10 кГц.

Пьезоэлектрический

микрофон

Рис. 2. Акустический измерительный стенд

Вторая часть практического эксперимента выполнялась с помощью измерительного комплекса «Глубина». В результате эксперимента были получены значения чувствительностей в диапазоне частот 10-100 Гц.

На следующем этапе были рассчитаны чувствительности каналов по параметрам микрофонов, эквивалента линии связи и усилителя. Параметры микрофонов (значения параметров эквивалентной схемы) были получены с помощью метода, основанного на анализе амплитудно-частотной характеристики проводимости. Параметры эквивалента линии связи и усилителя были взяты из их паспортов.

Результаты практических измерений чувствительности и получения значения чувствительности с помощью разработанной методики представлены на рис. 3

Мэ - М„яс„

Е =—----------расч-100%,

мэ

где Мэ - значение чувствительности, полученное на первом этапе; Мрасч -

рассчитанная чувствительность.

По полученным частотным характеристикам чувствительностей было рассчитано интегральное значение чувствительности в рабочей полосе частот. Анализ расчетов показал, что описанная в данной статье методика дает возможность определять интегральную чувствительность в рабочей полосе частот измерительного канала с точностью до 10 %.

Заключение

Анализ полученных результатов показывает, что применение разработанного метода определения чувствительности акустического измерительного канала представленной структуры позволяет получать частотную характеристику чувствительности канала на низких частотах с погрешностью не более 5 %, в рабочей полосе частот (8,5-10 кГц) - с погрешностью, не превышающей 20 % (в сочетании с погрешностью эталонных измерений). Обладание данными о чувствительности на конкретных частотах дает возможность контролировать и влиять не только на общий уровень чувствительности канала (среднеквадратичное значение), но и на форму частотной характеристики функции чувствительности. Это может достигаться использованием методов цифровой математической обработки, такими как применение цифровых фильтров, расчет численного интеграла чувствительности в заданной частотной полосе, применение различных оконных функций.

Рассматривая влияние тяжелых условий эксплуатации, а именно температуры, на измерительные параметры датчика, следует отметить уменьшение чувствительности канала (рис. 5,а, сплошной график). Однако применение метода самоконтроля, описанного в данной статье, позволяет вносить поправки в измеряемые величины таким образом, что общий уровень чувствительности канала не будет изменяться более чем на 15 % (рис. 5,а, пунктирный график). Разработанная методика самоконтроля позволяет влиять на чувствительность измерительного акустического канала в различных частотных диапазонах, приводя уровень чувствительности к требуемому уровню (рис. 5,б, сплошной график - значение чувствительности при воздействии тяжелых внешних условий, пунктирный график - требуемый уровень чувствительности).

М, В/Па 0.02

Method

Practic

П 4 Л

/ \\ / \\ f \\ 1 м ' 1 /

/ / / / / У / у / / / ! \\ \\ Yv \\ Ч \ \\ \Л

ч\

9400

f. Гц

------экспериментально полученные значения,

- значения, рассчитанные по разработанной методике

а)

Method

^ Гц

------экспериментально полученные значения,

-------значения, рассчитанные по разработанной методике

б)

Рис. 3. АЧХ чувствительности интеллектуального акустического канала в резонансной области преобразователя

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

I Гц

б)

Рис. 4. Относительная погрешность рассчитанной чувствительности относительно полученной экспериментально в резонансной области

Анализ полученных результатов подтверждает возможность реализации метрологического самоконтроля в интеллектуальном акустическом пьезоэлектрическом датчике представленной структуры и применение его для мониторинга сложных объектов.

К/К20, %Л

100 —

Погрешность 5%

Погрешность 20%

10

100

10 000

f, Гм

б)

Рис. 5. Графики зависимости отношения текущей чувствительности интеллектуального датчика к чувствительности при 20 °С от температуры

Список литературы

1. Тайманов, Р. Е. Метрологический самоконтроль датчиков / Р. Е. Тайманов, К. В. Сапожникова // Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения : тр. конф. - М., 2010.

2. Шаблицкий, А. Ю. Измерение коэффициента преобразования канала с пьезоэлектрическим преобразователем / А. Ю. Шаблицкий, В. К. Доля, А. В. Боев, А. В. Фомушкин // Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы - 2010 : сб. тр. VII Междунар. конф. с элементами научной школы для молодежи. - Анапа, 2010. - С. 80-83.

3. Аронов, Б. С. Электромеханические преобразователи из пьезоэлектрической керамики / Б. С. Аронов. - Л. : Энергоатомиздат, 1990. - С. 272.

Шаблицкий Алексей Юрьевич аспирант, Южный федеральный университет

E-mail: lesha_rostovnd@mail.ru

Доля Владимир Константинович

кандидат технических наук, заместитель директора по науке и инновациям, Научное конструкторско-технологическое бюро «Пьезоприбор» Южного федерального университета

E-mail: dvk@sfedu.ru 44

Shablitsky Aleksey Yuryevich Postgraduate student, South Federal University

Dolya Vladimir Konstantinovich Candidate of engineering sciences, deputy director for research and innovation, research and design department “Pyezopribor” of the South Federal University

УДК 53.089.68 Шаблицкий, А. Ю.

Метрологический самоконтроль в интеллектуальном акустическом пьезоэлектрическом датчике I А. Ю. Шаблицкий, В. К. Доля II Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. -2012. - № 3 (23). - С. 36-45.