научная статья по теме ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ДАТЧИК ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Энергетика

Текст научной статьи на тему «ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ДАТЧИК ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ»

УДК 681.586.785

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ДАТЧИК ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

В. Х. Ясовеев, А. А. Шмелев

Рассмотрены структурные схемы интеллектуальной измерительной системы для магнитострикцион-ных преобразователей линейных перемещений. Представлены расчеты по нахождению экстремума функции информационного сигнала и поправочного коэффициента самокалибровки.

Ключевые слова: магнитострикционные датчики, интеллектуальные измерительные системы.

ВВЕДЕНИЕ

Автоматизированные системы контроля и управления, работающие в реальном масштабе времени, нашли широкое распространение. Эффективность их применения зависит от основных метрологических характеристик средств измерения, которые предоставляют измерительную информацию автоматизированной системе. Немалую долю в комплексе измеряемых физических величин занимают линейные перемещения. Магнитострикционные датчики перемещения (МДП), относящиеся к ультразвуковому локационному типу преобразователей, являются весьма перспективными в сравнении с другими типами преобразователей линейного перемещения. Преимуществами МДП являются: достаточно высокая разрешающая способность (менее 0,1 мм), малая погрешность преобразования при широком диапазоне преобразуемых перемещений (единицы — десятки метров), высокая степень линейности, возможность бесконтактного преобразования в широком диапазоне рабочих температур и невысокая стоимость.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МАГНИТОСТРИКЦИОННОГО ДАТЧИКА ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Первичный магнитострикционный преобразователь линейных перемещений (МПП) представлен на рис. 1, где 1 — направления распространения ультразвуковой волны; 2 — магнитное поле постоянного магнита-позиционера; 3 — магнитное поле, создаваемое возбуждающим импульсом тока; 4 — постоянный магнит; 5 — волновод; 6 — преобразователь крутильных волн в продольные; 7 — акустический демпфер; 8 —

контакт ввода возбуждающего импульса тока; 9 — форма возбуждающего импульса тока.

При прохождении импульса тока по волноводу, изготовленному из магнитострикционного материала, вокруг него образуется радиальное магнитное поле. Это поле при взаимодействии с магнитным полем постоянного магнита вызывает ультразвуковую (УЗ) волну, которая распространяется от места возникновения к обоим концам волновода. В одном из концов волна демпфируется, что позволяет исключить помехи от отраженных волн. Преобразователь крутильных волн из расположенной поперек волновода и жестко связанной с ним пластины магнито-стрикционного материала, катушки индуктивности на этой пластине и неподвижного постоянного магнита формирует электрический сигнал. Информационный сигнал с приемного преобразователя крутильных волн (рис. 2) подвергается дальнейшей обработке.

В настоящей работе используется новая в сравнении с [2, 3] методика обработки информа-

12 - вепвогв & БувЬетв • № 12.2014

и, в

ит

Наведенный сигнал от импульса возбуждения

Информационный импульс

Рис. 2. Осциллограмма сигнала в приемной обмотке

ционного сигнала первичного МПП с более высокой разрешающей способностью и самокалибровкой. Схема электронного блока обработки показана на рис. 3, где 1 — импульсы тока; 2, 5 — акустические демпферы; 3 — постоянный магнит, жестко соединенный с объектом измерения; 4 — волновод; 6 — преобразователь крутильных волн в продольные.

Схема интеллектуального МДП представлена на рис. 4. В преобразователе крутильная УЗ-волна преобразуется в электрический информационный сигнал (ИС), который поступает на фильтр, повышающий соотношение сигнал/шум. Сигнал, усиленный ОУ, преобразуется с помощью АЦП в двоичный код и далее поступает в процессор МК для обработки.

Представим ИС рис. 2 в виде массива данных об уровнях сигналов и в зависимости от значений времени ti. Сначала определяется время ?старт появления возбуждающего импульса по достижению порогового значения наведенным сигналом от импульса возбуждения, затем — вре-

мя пика ИС. Для этого сгладим ИС, разбив временную ось на интервалы, содержащие п значений Ц-, соответствующих ti. На каждом таком интервале положим значение юу, у е [1; т], равным среднему арифметическому п значений и соответствующего интервала, т. е.

юу = и

+ и

п] -

- п - 1)

п] - ( 2 п - 2)

+ ... + и

п]

у * 1, у * т.

Введем значение времени х,- = tnj

п] - п/2

соот-

ветствующее значению уровня сигнала юу. При у = 1 и у = т:

Ю1

и1

и, + и2 +... + и.

п/2 ;

и

п/2

+ и 2

ю = 2 2

+ 1

22

+ ... + и 2

п --2-

п/2

Таким образом, получим столбец усредненных значений юу и соответствующих им ту.

ю1 т1

W = ю2 ; т = т2

_юш тт

где Т — массив данных ту W — массив данных юу.

Затем среди значений юу находим минимальное ютщ = штюу, 1 < у < т, после чего определяем Ттт, соответствующее пику информационного сигнала

Обработка ИС и наведенного сигнала от возбуждающего импульса тока выполняется для исключения погрешности, вызванной временной задержкой аппаратной и программной частей.

Рис. 3. Электронный блок обработки сигнала

Мультиплексор

МК

ОУ

Магнито-стрикционный волновод

Регистр

Регистр

Карта памяти

Преобразователь ультразвуковых колебаний

X

АЦП

Фильтр

I

Индикатор

БП

ОУ

Ш

Мультиплексор

Рис. 4. Структурная схема интеллектуального МДП

Расчет параметров перемещения МДП осуществляется следующим образом:

-изм _ (^шт ^старт)^зв ± Лсум,

Ш

-^изм

^р (^тт ^старт)^зв ± Лсум,

где - — значение координаты магнита-позиционера; узв — скорость звука в волноводе; Лсум — суммарная погрешность; V — скорость УЗ-вол-ны; Ш — модуль сдвига; р — удельная плотность материала звукопровода.

С учетом коэффициента самокалибровки

- = КСК(хизм ± Лсум

) =

= К

СК

тт ^старт)узв ± Лсум

где Кск — поправочный коэффициент самокалибровки (более подробно представлен ниже).

Суммарная погрешность МДП включает в себя: смещение нуля, погрешность из-за помех в измерительном канале, погрешность из-за изменения скорости распространения УЗ волны вдоль звукопровода, погрешность квантования интервала времени, температурную нестабильность, погрешность от затухания УЗ волны.

Наиболее существенны из перечисленного — нестабильность скорости распространения УЗ волны вдоль магнитострикционного звукопро-вода и ее затухание в процессе распространения. Погрешность смещения нуля легко исключается из результата преобразования путем вычитания, а погрешности, вызываемые другими источниками, имеют сравнительно меньшее значение. Так-

же значительную по величине погрешность может вносить в результат преобразования присутствие в измерительном канале напряжения помех [4].

Температурную погрешность из-за изменения скорости волны можно снизить, если волновод изготовить из материала, модуль упругости которого не зависит от температуры, например, сплава никеля с железом [6], содержащего 27 или 44 % никеля.

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫХ ДАТЧИКОВ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Интеллектуализация обеспечивает МДП ряд полезных свойств, позволяя корректировать дестабилизирующие факторы на уровне датчика и осуществлять самодиагностику и самокалибровку процессов измерения [1, 5].

Принцип работы интеллектуального МДП поясняет рис. 4. Кроме того, необходим датчик температуры для обеспечения корректировки выходных параметров в зависимости от изменения температуры окружающей среды. Формулы и алгоритмы расчета параметров перемещения хранятся на карте памяти.

Остановимся подробнее на операциях, производимых в МК. ИС, отфильтрованный после АЦП, поступает в блок математической обработки сигнала, где по формулам и алгоритмам, сохраняемым на карте памяти, осуществляется расчет времени прихода УЗ-сигнала. Затем производится расчет параметров перемещения (положение, перемещение, скорость и ускорение); корректировка в зависимости от внешних факторов, вызывающих изменение скорости распространения УЗ волны; корректировка погрешностей. Данные операции осуществляются с помощью датчика температуры, блока самокалибровки, блока провиса струны. Кроме того, предусмотрен режим самокалибровки, обеспечивающий проверку точности измерения датчика по контрольным точкам, информация о которых хранится на карте памяти.

Структурная схема блока самокалибровки представлена на рис. 5.

Для самокалибровки исследуется семейство характеристик при различных температурах в контрольных точках, и информация о них заносится во внутреннюю память МК. Датчик темпе-

14

вепвогв & Эувгетв • № 12.2014

Датчик температуры

Мультиплексор

Сравнение с реальным сигналом

Результат отклонения

Рис. 5. Структурная схема блока самокалибровки

1 сп 2,12Дх ф - -1,57e ' + 1,57 \ цф, рад ф - f(Ax) 1,57 0,3 . 0 Ax, мм

-0,1 1 сп —2,12Дх \ш - 1,57e ' - 1,57 -1,57

Рис. 6. Угол отклонения линий регрессии

ратуры регистрирует показания с МПП и направляет данные в МК, где встроенный мультиплексор перебирает ранее записанные контрольные точки БД_/ с определенным шагом (выбирается в зависимости от требуемых условий, например, диапазона измерений и разрешающей способности МДП) и сравнивает их с реальным сигналом. При прохождении подвижного элемента МДП (например, постоянного магнита) через контрольные точки, система автоматически осуществляет сравнение и вносит соответствующую корректировку путем введения поправочного коэффициента самокалибровки вида [7—9]:

КСК =

0,47ln ( hf-f

x - 0 47ln Гф + 1 ,5

Лизм i 5 7

x

A x < 0;

Ax> 0,

где хизм — измеренное значение перемещения, Ф — угол между линиями регрессии образцового и измеренного сигнала, Ax — отклонение измеренного значения перемещения от образцового.

На рис. 6 приведен график зависимости угла отклонения линий регрессий измеренных и образцовых сигналов от разности измеренного и образцового значений перемещения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Интеллектуализация измерительной системы для магнитострикционных датчиков линейных перемещений позволяет увеличить точность измерения и уменьшить время обработки информационного сигнала с первичного магнитострик-ционного преобразователя за счет адаптивной системы обработки сигнала. Система самокалибровки обеспечивает стабильную работу датчиков при наличии дестабилизирующих факторов

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком