Пример реализации датчиков перемещения показал высокую эффективность повышения стабильности характеристик за счет цифровой обработки и возможность применения инвариантного метода в датчиках других типов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Туз Ю. М. Структурные методы повышения точности измерительных устройств. — Киев: Вища школа, 1976.
2. Земельман М. А. Автоматическая коррекция погрешностей измерительных устройств. — М.: Издательство стандартов, 1972.
3. Петров Б. Н., Викторов В. А., Лункин Б. В., Совлуков А. С. Принцип инвариантности в измерительной технике. — М.: Наука, 1976.
4. Орнатский П. П. Автоматические измерительные приборы. — Киев: Техника, 1965.
5. Нуберт Г. П. Измерительные преобразователи неэлектрических величин. — Л.: Энергия, 1970.
6. Агейкин Д. И. Датчики контроля и регулирования. — М.: Машиностроение, 1965.
Валентин Николаевич Новиков — нач. научно-исследовательского
отдела.
® (8412) 59-19-32
E-mail: niifi@sura.ru □
УДК 629.7.058.7
НОРМИРУЮЩИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ ДАТЧИКОВ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
С. Ф. Горбунов, В. П. Маланин, В. Н. Новиков, П. В. Тюленев
Рассмотрены цифровые нормирующие преобразователи для мостовых тензометрических датчиков, даны их характеристики и особенности. Представлен прибор АИМ для сбора и обработки телеметрических данных с цифровых датчиков и приборов. Данные преобразователи разработаны как для применения в составе бортовых систем измерения, так и для наземной отработки образцов ракетно-космической техники и техники промышленного назначения.
Ключевые слова: нормирующие преобразователи, мостовые датчики, цифровые интерфейсы, ПЛИС, Space Wire, ARINC-429, MIL-STD 1553B.
Неотъемлемой составной частью любой бортовой системы измерения ракетно-космической техники являются нормирующие преобразователи, предназначенные для предварительной обработки измерительного сигнала датчиков физических величин. Они играют весомую роль в задаче повышения точности и достоверности измеряемого физического параметра.
Наиболее распространенными из применяемых типов датчиков в настоящее время являются тензометри-ческие датчики давления, сил, деформации. Для сопряжения их сигналов с системами телеметрии предназначены нормирующие преобразователи, в задачу которых входит как усиление сигналов датчиков, так и компенсация нежелательных эффектов, вызванных разбросом начальных параметров тензорезисторного датчика, влиянием внешних воздействующих факторов и т. п.
В последнее время у потребителей возникает потребность не столько в улучшении метрологических характеристик преобразователей, сколько в расширении их функциональных возможностей, сокращении линий связи между преобразователями и системами телеметрии. Нормирующие вторичные преобразователи предыдущих поколений уже не могут обеспечивать возросшие потребности заказчиков.
Одним из вариантов решения этих задач является создание измерительного преобразователя с возможностью быстрой перестройки параметров измерительного канала под конкретный датчик без изменения внутренней структуры преобразователя, что подразумевает необходимость наличия измерительного канала с управляемыми параметрами. Задача может быть решена с применением современной цифровой техники и кодо-управляемой элементной базы. Это обусловлено, прежде всего, независимостью цифровых методов обработки информации от дестабилизирующих факторов, что повышает помехозащищенность преобразования и, как следствие, увеличивает точность измерения. Значительно повышается оперативность перенастройки измерительного канала при изменяющихся требованиях к нему.
За последние годы (с 2000 по 2012 гг.) в ОАО "НИИФИ" был разработан и прошел испытания целый ряд программируемых нормирующих преобразователей для мостовых тензометрических датчиков (давления, деформации) как с аналоговым выходным сигналом, так и с цифровыми последовательными интерфейсами. Это приборы УНТ, Тензор-8Л, МЦС-SW.
Преобразователь УНТ работает с тензометрически-ми датчиками давлений, усилий, деформаций, крутя-
Датчики и Системы • № 9.2012
51
щих моментов или с любыми датчиками, имеющими электрическую схему в виде моста с активным сопротивлением плеч 700 или 800 Ом.
Основные технические характеристики преобразователя УНТ
Диапазоны измерения АЛ/Л......... 2 8- 10~3' 5 6 • 10~3'
11,2- 10-3; 16- 10-3; 32 • 10-3; 63 • 10-3 Частотный диапазон измерения, Гц . . . 0...16; 0...31,5; 0...63;
0...125; 0...250; 0...500; 0...1000
Начальный уровень выходного
сигнала, В...................... 0,2; 3,0; 5,9
Основная погрешность, %.......... 0,5
Дополнительная температурная
погрешность, %, не более.......... 2
Диапазон рабочих температур, °С..... —40...+50
Число каналов................... 6
Напряжение питания, В............ 23...34
Преобразователь нормирует выходной сигнал в диапазоне 0...6 В.
Структурная схема многоканального преобразователя УНТ приведена на рис. 1. Прибор состоит из шести одинаковых с точки зрения схемотехники измерительных каналов, цифрового блока управления, построенного на ПЛИС, блоков ЦАП и АЦП, энергонезависимого перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (ЭППЗУ) и блока гальванической развязки (БГР), построенного с использованием оптронов.
Измерительный канал построен по схеме непосредственного усиления, имеет программируемый усилитель и фильтр нижних частот с программируемой частотой среза. Также в преобразователе имеется режим калибровки измерительного канала, и он снабжен узлом автоматической балансировки начального разбаланса датчика.
Передача измерительного сигнала по аналоговой сети в силу достаточно большого уровня помех на борту изделий РКТ не позволяет достичь потенциальной точности выше 0,5 %. Передача же измерительного сигнала в цифровом виде не имеет ограничений по точности вследствие разрядности цифрового сигнала. Поэтому наряду с аналоговым выходным сигналом в современных нормирующих преобразователях должен быть обязательно предусмотрен стандартный цифровой интерфейс промышленного либо специального назначения повышенной надежности, что определяется спецификой применения разрабатываемого преобразователя.
В качестве усовершенствования прибора УНТ в рамках НИР был разработан многоканальный преобразователь Тензор-8Л. Для возможности передачи измерительного сигнала без искажений по протяженным линиям передачи информации в нем был использован цифровой интерфейс ГОСТ 18977-79 (аналог зарубежного интерфейса ARINC-429).
Структурная схема аналоговых измерительных каналов прибора Тензор-8Л с изменениями аналогична УНТ. При разработке программируемых усилителей
были использованы цифровые потенциометры. Вместо АЦП и ЦАП в виде отдельных микросхем были применены малогабаритные микроконтроллеры, уже содержащие в себе 12-разрядные АЦП и ЦАП, что в конечном итоге также позволило уменьшить количество и номенклатуру применяемых в приборе микросхем.
Основные технические характеристики преобразователя Тензор-8Л
Число каналов измерения...........8
Коэффициент относительного изменения
сопротивления мостовой схемы AR/R . . . . 2 8-10-3' 5 6 • 10~3'
11,2-10-3; 16 - 10-3;
32-10-3; 63-10-3 Начальный разбаланс мостовой схемы, %. До ±20 Выходной сигнал преобразователя:
аналоговый, В .................. 0... 6
цифровой код .................. 10 разрядов по
ГОСТ 18977-79
(ARINC-429) Напряжение питания, В.............. _+5
2/_4
Рабочий температурный диапазон, °С. . . —40... +50 Основная приведенная погрешность преобразователя, %, не более...........0,3
Дополнительная погрешность от изменения температуры на весь температурный диапазон, %, не более .............. 1
Одна из основных тенденций в области аэрокосмической техники — унификация и стандартизация оборудования и интерфейсов комплексов бортового оборудования (КБО), а важнейшим элементом любого современного КБО является система передачи информации.
По мере расширения и усложнения задач, реализуемых перспективными космическими и летательными аппаратами, возрастают и требования к КБО. Существующие архитектуры с низкоскоростными каналами передачи информации перестают соответствовать современным требованиям.
Последовательный цифровой интерфейс "Space Wire" — это перспективная системообразующая технология для высокоскоростной коммуникации и комплек-сирования бортовых систем аэрокосмических аппаратов, которая может найти применение и в распределенных системах различного назначения (промышленных, бортовых, наземных).
В рамках одной из ОКР, проводимых в ОАО "НИИФИ" в 2009 г., были разработаны и прошли испытания экспериментальные образцы многоканального цифрового системообразующего модуля МЦС-SW с интерфейсом "Space Wire" для тензорезисторных мостовых датчиков физических величин. Он предназначен для применения в бортовых системах телеметрии РКТ и может работать с датчиками, имеющими A R/R = 5,6-10-3...63-10-3, при этом выходные сигналы всех измерительных каналов преобразователя передаются в цифровом виде по высокоскоростному поме-хозащищенному интерфейсу "Space Wire". Основная приведенная погрешность составляет не более 0,1 %,
ь
? 5
§
(О КЗ
о
м
(Л СО
Рис. 1. Структурная схема прибора УНТ
Рис. 2. Внешний вид цифрового системообразующего модуля
дополнительная погрешность от воздействия внешних воздействующих факторов не более 0,5 % во всем диапазоне рабочих температур.
Отличительными особенностями разработанного модуля является возможность изменения параметров его измерительных каналов программно без снятия с изделия. Схемотехнические и программные решения, реализованные в приборе, позволяют изменять его коэффициент усиления, частотный диапазон измерения, начальный уровень выходного сигнала и значение калибровочного резистора как с помощью специального программатора, так и по двухстороннему цифровому каналу "Space Wire".
Наличие дифференциального цифрового последовательного интерфейса "Space Wire" позволяет передавать измерительный сигнал на достаточно большие расстояния (до 10 м при скорости передачи до 400 Мбит/с) без искажения значения измерительного сигнала, так как цифровой код не подвержен влиянию электромагнитных помех и других во
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.