УДК 681.586:533.6
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И СИСТЕМ ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ АЭРОДИНАМИКИ
Ю. К. Блокин-Мечталин
Рассмотрены структурные и алгоритмические методы повышения точности измерений в системах для экспериментальной аэродинамики: способы преобразования сигналов тензорезисторных датчиков в кодовый эквивалент; структурное построение тензометрических схем измерения и их погрешности; алгоритмические методы, основанные на принципах коррекции погрешностей и параметрической идентификации функций преобразования измерительных каналов. Приводятся примеры использования рассмотренных методов и средств для уменьшения аддитивных и мультипликативных составляющих погрешностей в разработанных измерительных преобразователях и системах. Ключевые слова: экспериментальная аэродинамика, точность измерений, преобразование измерительных сигналов, тензометрические схемы измерений, алгоритмические методы, аддитивные и мультипликационные погрешности.
Важнейшей задачей экспериментальной аэродинамики является обеспечение высокой точности определения аэродинамических характеристик моделей летательных аппаратов (ЛА) в аэродинамических трубах (АДТ). Аэродинамические характеристики определяются по результатам измерения сил, давлений, перемещений, температуры и других физических величин, действующих на модели ЛА в воздушном потоке АДТ.
Измеряемые физические величины характеризуются некоторыми средними значениями и динамическими флуктуациями, обусловленными нестационарным обтеканием модели.
Условия эксплуатации средств измерения в АДТ характеризуются:
— размещением первичных измерительных преобразователей (датчиков) в исследуемой модели и в контуре АДТ;
— длинными линиями связи датчиков с измерительной аппаратурой (до 100 м);
— влиянием на датчики, измерительную аппаратуру и линии связи температуры, влажности, вибраций и других неблагоприятных факторов окружающей среды;
— значительным уровнем различных электрических помех
(сетевых, импульсных, термо-ЭДС и др.).
В этих условиях необходимая точность измерений может быть обеспечена комплексом методов и средств, уменьшающих погрешности измерений как отдельных измерительных устройств, так и измерительной системы в целом [1].
В измерительных системах, предназначенных для экспериментальной аэродинамики, широко используются датчики, основанные на тензометрическом методе преобразования механических величин в электрический сигнал. Как правило, датчики построены по схеме полного тензорезисторного моста. К ним относятся многокомпонентные преобразователи силы — аэродинамические тензометрические весы [2], многоканальные преобразователи (модули) давления [3], преобразователи углов положения модели, датчики пульсаций давлений, вибраций и другие.
Точность тензометрических измерений зависит от способа аналого-цифрового преобразования сигналов тензорезистор-ных датчиков, структуры построения тензометрической схемы измерения, алгоритмов измерения и обработки информации, а также от функциональных воз-
можностей и характеристик электронных компонентов, используемых в измерительных устройствах и системах.
ПОГРЕШНОСТИ, ЗАВИСЯЩИЕ ОТ СПОСОБА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ
ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫХ ДАТЧИКОВ
Измерительные преобразователи и системы с тензорезис-торными мостовыми датчиками ранее строились по способу дискретного уравновешивания тен-зомоста с одновременным кодированием измеряемого сигнала (цифровые мосты) [4]. В этом способе уравновешивание тен-зомоста производится с помощью звена обратной связи, которое представляет собой преобразователь кода в сопротивление или проводимость [5]. Функция преобразования такого устройства (рис. 1) имеет вид:
N1 =
= ^М—С^ФКЭ (1)
1 + ^м^ССЖФКЭ^цдп г,( ) где ег — относительное приращение сопротивлений тензоре-зисторов измерительного моста; ИМ, И£с, ИФкэ, ИЦдл — функции преобразования мостовой измерительной схемы, схемы
Бепвогв & Буагвтв • № 7.2011
8
Рис. 1. Схема преобразования способом дискретного уравновешивания тензомоста
Щм
м
и„
ЩУ
ю
аК,ы
Щсс п щфкэ
Рис. 2. Схема преобразования способом дискретной компенсации выходного напряжения неуравновешенного тензомоста
N
и
и
цап
Щт
цап
сравнения (СС), формирователя кодового эквивалента (ФКЭ) и цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) соответственно; егк — уравновешивающее относительное приращение сопротивлений тензорезисторов, Аег = ег — ег к — величина недокомпенсации; п — выходной сигнал схемы сравнения; и — напряжение питания тензомоста и ЦАП.
В современных тензометри-ческих преобразователях и системах, как правило, используется способ кодирования выходного сигнала неуравновешенного тензомоста [4] (рис. 2). Причем может кодироваться как непосредственно выходной сигнал тензомоста, так и нормированный измерительным усилителем. Функция преобразования такого устройства:
N2 =
= —1 — —С -ФКЭ е (2) 1 + Жсс Жфкэ ^ЦАП " ( ) где \¥у — функция преобразования усилителя; ик — компенсирующее напряжение; Аивых =
= ив*ых — ик — величина недокомпенсации; ив*ых — усиленное выходное (ивых) напряже-
ние тензомоста; Кцап — напряжение питания ЦАП.
В цифровых измерительных устройствах в процессе сравнения возможно изменять во времени либо компенсирующую величину, либо величину, пропорциональную измеряемой [7]. Применительно к кодированию сигнала тензомоста кодовым эквивалентом измеряемой величины ег может служить дискретно изменяющееся во времени напряжение питания тензомос-та и, в зависимости от которого изменяется выходное напряжение тензомоста ивых, пропорциональное ег . Второй величиной, участвующей в процессе сравнения, служит нерегулируемое опорное напряжение иоп. Для изменения напряжения питания и используется ЦАП, который, как и в предыдущей схеме, является звеном отрицательной обратной связи. Функция преобразования такого устройства выражается формулой:
N3 =
Жм Жу Жсс ЖФКЭ ,
1 + Жм Щ Жсс Жфкэ ^ЦАП В Г
Как следует из выражения (3), зависимость кодового эквивалента от измеряемой величины ег является обратно пропорциональной.
Вычислив полные дифференциалы функций (1)—(3), заменив все дифференциалы конечными приращениями и выразив их в относительных единицах, при условии Щсс^фкэ ^Цап . 1 и Жм Жсс Жфкэ ^Цап » 1 получим статические погрешности преобразователей:
Ум, = у£г - УЦАП; Ум2 = У£г + УМ + УУ - УЦАП;
Ум3 = У£г + УМ + УУ +
+
Уи„г
УЦАП,
X Ко
(3)
где ус — приведенная ко входу относительная аддитивная пог-ре0ность ег; yм, Уу, уцап Уиоп — относительные погрешности функций преобразования тензо-моста М, усилителя У цифро-аналогового преобразователя ЦАП и источника опорного напряжения иоп соответственно.
Погрешность преобразования по способу уравновешивания тензомоста у^ имеет наименьшее число составляющих. Однако использование в качестве ЦАП цепей делителей на основе магазина проводимостей или параллельного делителя не позволяет достичь высокого разрешения и точности, так как с их увеличением все труднее построить цепи с требуемыми жесткими допусками.
В преобразователях, построенных по способу компенсации выходного напряжения тензо-моста, погрешность ум может быть значительно снижена при формировании напряжения питания тензомоста от общего с ЦАП источника эталонного напряжения, а погрешность уу — преобразованием сигнала без предварительного его усиления [6]. Однако без предварительно-
е
г
го усиления реализовать высокую разрешающую способность и точность преобразования в код сигналов тензомоста низкого уровня (доли мВ) практически невозможно.
В способе преобразования, при котором во времени изменяется напряжение питания тен-зомоста, а, следовательно, пропорционально и измеряемая величина бг, зависимость кодового эквивалента от измеряемой величины, как следует из (3), обратно пропорциональная. Поэтому данный способ преобразования не нашел практического применения.
ПОГРЕШНОСТИ ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИХ СХЕМ ИЗМЕРЕНИЙ
Тензометрические схемы измерения характеризуются: функцией преобразования N = /(ег); чувствительностью ^ = dN/dsr; нелинейностью температурной погрешностью 8т; погрешностью от влияния сопротивлений линий связи тензомоста с преобразователем 8лс; возможностью работы с тензомостами, отличающимися номинальным сопротивлением плеч (г) без изменений в измерительной схеме. Эти параметры определяют качество измерений и зависят от структуры построения схемы и способа питания тензорезистор-ного моста.
Представим цифровой тен-зометрический преобразователь его основными функциональными узлами: источник питания тензомоста ИПМ с переключателем полярности ПП, измерительный усилитель ИУ, аналого-цифровой преобразователь АЦП, включающий цифро-аналоговый преобразователь ЦАП, схему сравнения СС, формирователь кодового эквивалента ФКЭ, источник опорного напряжения ИОН.
Для преобразователя, в котором напряжение питания и фор-
Рис. 3. Измерительный преобразователь с питанием тензомоста от источника напряжения, сформированного от источника опорного напряжения АЦП
мируется от источника опорного напряжения иоп АЦП (рис. 3), без учета сопротивлений линий связи тензомоста с преобразователем (глсЪ ^ ГлсФ глсб), справедливы уравнения:
TT = U Гх Г4 - Г2 Г3 К •
получим функцию преобразования измерительной схемы:
N = - -
( Г1 + г2)(г3 + г4)
Тк = T^nKHAnN'
где UBbK — выходное напряжение ИУ; U — напряжение питания тензомоста от источника напряжения; ri, r2, гз, Г4 — сопротивления тензорезисторов плеч моста; Ку — коэффициент передачи ИУ; UK — компенсирующее напряжение; Uon — опорное напряжение ИОН; Кцдп — коэффициент передачи ЦАП; N — кодовый эквивалент UK.
Из условия UBbK = UK при равенстве U = Uon и начальных сопротивлений плеч тензомоста rio = Г20 = Г30 = Г40 = r, их абсолютных приращений Ari = А Г2 = = АГ3 = АГ4 = Аr и полагая, что
ri = r4 = r + Ar;
r2 = гз = r - Ar, (4)
- r' ацап
где sr = Ar/r.
Чувствительность преобразователя в этом случае будет выражаться как
_ dN _ ку
SM = — =
d -,
КЦ
ЦАП
Погрешность от изменения сопротивлений линий питания тензомоста г,с1, Ггс2, Ггсз, ^4 устраняется применением известной четырехпроводной симметричной схемы подключения т
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.