66.067.55
Повышение точности информационно-измерительных систем неразрушающего контроля теплофизических свойств
твердых материалов
3. М. СЕЛИВАНОВА, Т. А. ХОАН
Тамбовский государственный технический университет, Тамбов, Россия, е-таИ: selivanova@mail.jesby.tstu.ru
Предложено решение задачи повышения точности информационно-измерительной системы неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов. Разработан алгоритм коррекции технического несовершенства структурных компонентов системы на основе использования математической модели процесса измерений и информации о воздействующих дестабилизирующих факторах.
Ключевые слова: информационно-измерительная система, теплофизические свойства материалов, математическая модель, интеллектуальный датчик, алгоритм коррекции.
The solution of a problem of accuracy increase for information and measuring systems of nondestructive control of thermophysical properties of materials is proposed. An algorithm of correction of technical imperfection of structural system components based on use of the created mathematical model of process of measurement and information on acting destabilizing factors is developed.
Key words: information and measuring system, thermophysical properties of materials, mathematical model, intelligent sensor, correction algorithm.
Исследование возможностей и путей совершенствования информационно-измерительных систем (ИИС) теплофизических свойств (ТФС) твердых материалов, улучшение их технических характеристик важно и актуально для повышения производительности и точности неразрушающего контроля [1].
Цель работы — изучение информации о дестабилизирующих факторах, создание математической модели ИИС и разработка алгоритма коррекции результатов измерений параметров ТФС материалов. Структурная схема рассматриваемой ИИС представлена на рис. 1. Интеллектуальный датчик ИД включает систему измерительных преобразователей СИП и микроконтроллер, который выбирает измерительные преобразователи в зависимости от задачи по определению качественных характеристик исследуемых материалов ИМ. Переносной вычислительный блок ПВБ предназначен для регистрации информации о воздействующих дестабилизирующих факторах, синтеза алгоритма измерений и структуры ИИС в зависимости от ситуации, выполнения последовательности измерительных процедур и управления ими. В компьютере К обрабатываются и хранятся экспериментальные данные, принимаются решения на основе информации проведенных экспериментов и базы знаний при синтезе измерительных процедур, а также выходная информация о параметрах ТФС материалов представляется в удобном для пользователя виде. В состав ИИС также входят блок принятия решений БПР; база знаний БЗ; пользовательский интеллектуальный интерфейс ПИИ общения пользователя и эксперта.
На основе анализа структуры и технических характеристик существующих ИИС были разработаны информационная и математическая модели системы, а также алгоритм кор-
рекции результатов измерений. При решении поставленных задач использовали методы теории измерительных систем математического и физического моделирования, классической теории теплопроводности.
Математическая модель процесса измерений в ИИС. Анализ архитектуры ИИС с учетом составляющих структурных компонентов и связей информационного обмена позволяет представить обобщенную модель системы в виде:
D = (S, Q, Ф>,
(1)
где 5 — множество структурных компонентов, участвующих в процессе формирования измерительной информации от
Рис.1. Структурная схема информационно-измерительной системы неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов:
ИМ — исследуемые материалы; СИП — система измерительных преобразователей; ИД — интеллектуальный датчик; ПВБ — переносной вычислительный блок; БПР — блок принятия решений; К — компьютер; БЗ — база знаний; ПИИ — пользовательский интеллектуальный интерфейс
Дестабилизирующие
факторы
Пользователь
Р;
ГЦ
ИТВ _пп_ им сип исип НУ иНу АЦП АЦ1\ ЕТФС (Тп)
X, а,
Рис. 2. Функциональная схема процесса измерений в информационно-измерительной системе: ИТВ — источник теплового воздействия на исследуемые материалы; Тп — его температура в момент контроля; Р, Р№ Р<1 — воздействующие дестабилизирующие факторы на систему измерительных преобразователей, нормирующий усилитель, аналого-цифровой преобразователь, соответственно; ЕТФС (Тп) — информация о параметрах теплофизических свойств материалов зависимостей Х(Т), а(Т); Л — погрешность аппроксимации
первичных измерительных преобразователей, усиления измерительного сигнала в нормирующем усилителе (НУ), в процессе аналого-цифрового преобразования, обработки измерительной информации в микроконтроллере; Ск — множество связей информационного обмена между структурными компонентами системы; Ф — множество формируемой измерительной информации в соответствующих элементах с учетом воздействия дестабилизирующих факторов [2].
На основе обобщенной модели (1) разработана математическая модель ИИС с учетом алгоритма функционирования системы, входных и выходных сигналов основных структурных компонентов и зависимостей между ними при воздействии дестабилизирующих факторов [3, 4]. Для создания математической модели проанализированы как известные зависимости при математическом описании СИП, НУ, аналого-цифрового преобразователя (АЦП), так и полученные экспериментально. На рис. 2 приведена функциональная схема процесса измерений в рассматриваемой ИИС с обозначением структурных компонентов системы, оказывающих основное влияние на точность измерений, входных воздействий, параметров и воздействующих дестабилизирующих факторов. В процессе измерений с источника теплового воздействия ИТВ на ИМ поступают импульсы нагрева с заданной частотой и мощностью. После этого регистрируется температура Тп ИМ в определенные моменты контроля п, которая используется в микроконтроллере для получения информации ЕТФс о параметрах ТФС материалов: коэффициентах тепло- и температуропроводности (X и а соответственно) с учетом погрешности аппроксимации Па выходных зависимостей структурных компонентов ИИС при воздействии дестабилизирующих факторов В соответствии с приведенной схемой можно записать систему:
иСИП (Т*) - 1 (Т1 Т2'---'Тп;Р1,Р2Р/;В1' В2'---'Вт/);
иНУ (Т)- '2(иСИП1,иСИП2,...,иСИПу; Р1, Р2, . ., РЫ; ВЬ'*);
КАЦП (Т)- <3 (иНУ1-иНУ2,...-иНУк; Р1, Р2;В1 , *);
Етфс (Тп) - <4 (Тк1-ТК2,...,ТКп;Л1,Л2,-,Ла;В,,В2,-,Вг),
(2)
где ^сип, ину — выходные напряжения СИП и НУ, соответственно; Т1, Т2,..., Тп — температуры рабочих спаев термопар; Р соответственно с индексами 1,.,/, — дестабилизирующие факторы — температура окружающей среды, шероховатость исследуемой поверхности объекта, влажность, контактное сопротивление, нестабильность напряжения питания, изменение сопротивления нагрузки, помехи, шумы, — воздействующие на СИП, НУ и АЦП; В соответственно с индексами 1,...,т,, 1,...,Ь, 1.....с — параметры
термопар, НУ и АЦП, характеризующие чувствительность, линейность характеристики, класс точности, предел допустимых отклонений температуры, коэффициенты усиления, входное и выходное сопротивления, помехи, шумы; t — время; КАцП — выходной код АЦП, пропорциональный сигналам, поступающим с выхода НУ; ЕТФс — выходные параметры теплофизических свойств ИМ, т. е. X, а — коэффициенты тепло- и
' к2'
ТКп
температуропроводности, соответственно; Тк, температура в точках контроля материала измерительным зондом; Л1, Л2,..., Ла — погрешности аппроксимации зависимости X, а от температуры в точках контроля объекта; В1, В2,..., ВТ — константы, определяемые при градуировке измерительной системы.
Математическая модель процесса измерений температуры СИП в модели (2) имеет вид [5]:
Исип(Т) - I Нц Т2 / -1
Н1, Т + Н
3/ -
(3)
где п — число датчиков температуры СИП; Н: — коэффициенты аппроксимирующей функции.
Математическую модель процесса преобразования измерительной информации усилителем представим соотношением
иНУ (Л = иСИП КНУ ± АиНУ.
(4)
где КНУ — коэффициент усиления нормирующего усилителя; диНУ — погрешность усилителя при воздействии дестабилизирующих факторов.
Математическую модель процесса преобразования измерительной информации в АЦП запишем как [6]
Кдцп(Т) - [[ (Т) - (иНу и0)]] ± §к дцп
(5)
где 0 — период дискретизации входного аналогового сигнала; и — число периодов; 8К АцП — относительная погрешность АЦП.
Таким образом, при использовании (3)—(5) в математической модели процесса измерений (2) повышается точность определения параметров ТФС материалов.
Выходные параметры ИИС неразрушающего контроля ТФС материалов определяют с использованием линейного мгновенного источника тепла (электронагревателя, изготовленного из провода нихрома с высоким электрическим сопротивлением) в плоскости контакта двух полуограниченных тел. При этом процесс распространения тепла на теплоизолированной поверхности описывается зависимостью [7]:
Т (х, т) = Q/4пXт ехр (- х2/4ат),
(6)
где х — расстояние от линейного источника тепла до точки контроля температуры; Q — мощность теплового воздействия; т — время.
При частотно-импульсном воздействии на ИМ температуру при подаче п-го импульса на основе (6) можно определить по формуле
п -1
Т (х, п) = QF / 4 пХ X i-1 ехр (- х2 F / 4а/Дт), (7) i=1
где F — частота поступления тепловых импульсов на линейный нагреватель.
Использовав два измеренных значения температуры Т(х, п), Т(х, т) соответственно в заданные моменты времени т2 по (7), получим формулы для расчета коэффициентов
т.
тепло- и температуропроводности
а = К1 ехр (К2 Тп / Тт Х = К31п (К4а) / Тт,
где К1,..., К4 — калибровочные коэффициенты.
Оценка точности ИИС. Характеристики погрешностей результатов измерений параметров ТФС твердых материалов проанализированы на основе (2). Определены структуры погрешностей результатов измерений температуры:
ДТ = ДСИП Т/ + дну'Т + ДАЦП
Т + V- + + досТ + д^тТ ,
СИП Т
ДНУТ,
ДАцП Т- — погрешности преобразования
•\л/Т, ,
где Д
СИП, НУ, АЦП; Д^ Т , Д^Т , ДОС Т , ДЯТТ(. — погрешности из-за шероховатости исследуемого материала, изменения его влажности, воздействия температуры окр
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.