Метод и средство контроля силы натяжения провода с развертывающим частотным преобразованием

Актуальность темы

Цифровые приборы с частотными датчиками механических величин используют для контроля давления, линейных размеров и механических напряжений в машиностроении, при оценке напряженности магнитных полей, а также при исследованиях динамических параметров в области виброметрии. Перспективность широкого применения таких устройств обусловлена простотой высокоточного измерения и обработки частотных сигналов, удобством изменения масштаба преобразования, отсутствием искажений при коммутации и передаче частотных сигналов по каналам связи, высокой помехоустойчивостью и возможностью непосредственного ввода получаемой информации в ЭВМ.

Общий принцип частотного преобразования неэлектрических величин заключается в использовании автоколебательной системы с частотно-зависимой от контролируемого параметра цепью. Для контроля силы натяжения применяют струнные преобразователи, устанавливаемые в цепях обратной связи автогенераторов, частота которых определяется силой натяжения и физико-механическими параметрами струнных датчиков. При этом наблюдается явное несоответствие между высокой точностью измерения частотных сигналов (погрешность цифровых частотомеров не превышает и низкой стабильностью и нелинейностью модуляционной характеристики струнных преобразователей силы натяжения в частоту, снижающих, в итоге, качество контролирующих приборов и систем.

Проблеме совершенствования струнных генераторов посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных ученых, основное внимание в которых уделено вопросам линеаризации характеристики преобразования в узком диапазоне частот, когда девиация частоты А/ не превышает ±10% от средней частоты колебаний. При этом датчики с гармоническим выходным сигналом, работающие в диапазоне частот от 0,01 до 10 кГц, характеризуются погрешностью преобразования не менее 1 — 2% и не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к современным автоматизированным системам контроля и управления.

Сложность построения высокоточных аналоговых струнных преобразователей обусловлена как нелинейной зависимостью частоты колебаний /х от силы натяжения приводящей к нелинейности коэффициента преобразования КПРтак и влиянием на значение /х реактивных параметров схемы генератора и нестабильности применяемых радиокомпонентов.

Вследствие этого известные способы совершенствования генераторных датчиков, основанные на компенсации активного сопротивления струнных преобразователей и стабилизации характеристик активных элементов, не позволяют повысить точность контроля силы натяжения в широком динамическом диапазоне.

Одним из возможных путей улучшения точности и надежности генераторных датчиков является применение в качестве усилительных элементов цифровых КМОП микросхем, характеризующихся малым энергопотреблением и широким диапазоном питающего напряжения. Это позволяет упростить схемотехнику, облегчить процессы синхронизации, коммутации и опроса датчиков в многоканальных системах контроля и обеспечить непосредственный ввод информации в ЭВМ для последующей обработки данных.

Проблема расширения рабочего диапазона и повышения достоверности контроля силы натяжения требует разработки новых способов преобразования и рассмотрения комплекса вопросов, связанных с формированием частотно-модулированного возбуждающего сигнала стабильной амплитуды и формы, линеаризацией характеристики преобразования, автоматической компенсацией активного сопротивления объекта контроля, выделением, цифровым измерением и индикацией контролируемого параметра, а также автоматизацией процесса контроля в условиях производства. Кроме того, в процессе совершенствования датчиков силы натяжения требуется учитывать их взаимосвязь с другими функциональными узлами, обеспечивая оптимизацию параметров и улучшение свойств приборов и систем контроля в целом.

Целью диссертационной работы является разработка метода преобразования и структурных схем построения высокоточных цифровых приборов контроля силы натяжения с широким динамическим диапазоном и автоматической компенсацией активного сопротивления провода, реализуемых на цифровых микросхемах.

К основным задачам исследований относятся:

— разработка способа контроля силы натяжения провода с астатическим уравновешиванием его активного сопротивления;

— разработка структурной схемы широкодиапазонного цифрового прибора с развертывающим частотным преобразованием для автоматизированного контроля силы натяжения провода;

— моделирование и анализ динамических характеристик струнного преобразователя силы натяжения при развертке частоты импульсов возбуждающего сигнала;

— оценка динамических погрешностей преобразователей при возбуждающем воздействии сигнала с линейно-изменяющейся частотой;

— разработка схемотехники основных функциональных узлов преобразователей силы натяжения в частоту на микромощных усилителях и цифровых КМОП-элементах;

— анализ и оптимизация параметров цифровых и аналоговых функциональных узлов по точности и энергопотреблению;

— выработка рекомендаций по использованию развертывающих частотных преобразователей в многоканальных контролирующих приборах и системах.

Методы исследований. При решении задач использовались методы математического и схемотехнического моделирования с применением ПЭВМ, теория устойчивости, теория функций комплексного переменного, теория погрешности, спектральное разложение сигналов и преобразование Лапласа.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— обоснована перспективность применения развертки частоты возбуждающего сигнала импульсцой формы для расширения рабочего диапазона датчиков контроля силы натяжения провода;

— доказана целесообразность применения астатического уравновешивания для автоматической компенсации влияния активного сопротивления провода на результаты контроля силы натяжения;

— проведена оценка динамических погрешностей струнных преобразователей, обусловленных разверткой частоты возбуждающего сигнала, и показана возможность их компенсации при двухтактном способе контроля с изменением наклона развертки;

— предложен новый способ преобразования силы натяжения в частоту, обеспечивающий высокую достоверность контроля в широком динамическом диапазоне;

— разработана и исследована новая структура построения цифрового прибора для контроля силы натяжения провода, обеспечивающая высокую точность преобразования;

— предложены и исследованы численным методом на ЭВМ новые модели струнного преобразователя, учитывающие влияние спектра частот возбуждающего сигнала импульсной формы;

— показана возможность повышения точности цифрового измерения выходной частоты струнных преобразователей в окрестности резонанса, обеспечиваемая за счет изменения скорости развертки частоты возбуждающего сигнала, удвоения частоты счетных импульсов и применения регулируемой задержки цикла измерения;

— разработаны и оптимизированы по параметрам «точность — быстродействие — энергопотребление» схемы основных функциональных узлов приборов частотного контроля силы натяжения, которые могут быть использованы в различных автоматизированных системах управления, обеспечивающих высокую скорость и избирательность приема информации от измерительных преобразователей.

Практическая ценность работы заключается в том, что на основе проведенных исследований разработаны и внедрены цифровой прибор контроля силы натяжения вольфрамовых проводов микронного диаметра, используемый в технологическом процессе изготовления датчиков рентгеновского излучения, и цифровой веберметр, применяемый для контроля напряженности магнитного поляразработаны принципиальные схемы высокостабильных и универсальных функциональных узлов частотных датчиков силы натяжения, реализованные на микромощных операционных усилителях и КМОП логических элементах, характеризующиеся минимальным энергопотреблениемпоказана целесообразность применения разработанных устройств с разверткой частоты возбуждающего сигнала в многоканальных приборах и системах автоматизированного контроляпредложена методика градуировки устройств широкодиапазонного контроля силы натяжения проводов малого диаметра.

Реализация и внедрение результатов исследований.

Результаты диссертационной работы внедрены на производственном объединении «Научприбор» (г. Орел), АО «Протон» (г. Орел) и использованы в учебном процессе.

Апробация и публикации результатов работы.

Основное содержание диссертационных исследований изложено в докладах на 6-й Всероссийской научно-технической конференции «Современное телевидение» (Москва, 1997 г.), на международной научно-технической конференции «Нейронные, реляторные и непрерывнологические сети и модели (Ульяновск, 1998) и на 10-й научно-технической конференции «Научно-технические проблемы создания и совершенствования единой автоматизированной системы связи РФ» (Санкт-Петербург, 1998). По результатам работы опубликовано 9 статей в периодической печати и получено решение о выдаче патента на способ и устройство контроля силы натяжения.

На защиту выносятся следующие положения:

1) способ контроля силы натяжения провода, обеспечивающий расширение в 10 и более раз диапазона контроля за счет формирования возбуждающих импульсов тока с линейной разверткой частоты, подаваемых на магнитоэлектрический преобразователь, и выделения резонансной частоты вынужденных колебаний провода;

2) структурная схема цифрового прибора контроля силы натяжения с автоматической компенсацией активного сопротивления провода и линеаризованной характеристикой преобразования, обеспечиваемой посредством измерения средней частоты колебаний в полосе пропускания струнного преобразователя;

3) методика повышения точности цифрового измерения резонансной частоты преобразователей силы натяжения провода, заключающаяся в дискретном изменении скорости развертки частоты возбуждающего сигнала в полосе пропускания, удвоении частоты выходных колебаний преобразователя и задержке начала цикла измерения обратно пропорционально резонансной частоте.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, можно сформулировать следующим образом.

1. Расширение рабочего диапазона приборов контроля силы натяжения проводов более, чем на порядок, по сравнению с известными струнными преобразователями механических величин достигается за счет применения предложенного способа, основанного на развертке частоты возбуждающего сигнала и цифровом измерении резонансной частоты с астатическим уравновешиванием активного сопротивления провода.

2. Повышение разрешающей способности и быстродействия приборов контроля с развертывающим частотным преобразованием обеспечивается дискретным изменением скорости развертки в полосе пропускания струнного преобразователя и удвоением частоты вынужденных колебаний.

3. Увеличение достоверности контроля силы натяжения вы-сокоомных проводов малого диаметра достигается применением астатического уравновешивания активного сопротивления, реализуемого путем включения в цепь обратной связи интегрирующего звена с постоянной времени, превышающей период частоты резонансных колебаний.

4. Использование контролируемого провода в качестве упругого элемента магнитоэлектрического преобразователя позволяет исключить влияние механических составляющих погрешности на точность контроля силы натяжения.

5. Компенсация динамических погрешностей преобразования в приборах с разверткой частоты возбуждающего сигнала достигается двухтактным измерением частоты резонансных колебаний с изменением направления развертки и усреднением результатов.

6. Использование в качестве возбуждающего сигнала прямоугольных импульсов тока позволяет исключить (ослабить) влияние выходного сопротивления формирователя возбуждающего сигнала на добротность избирательных систем, и тем самым повысить чувствительность приборов контроля силы натяжения.

7. Расширение диапазона контроля с линеаризацией функции преобразования и представлением результатов измерений в размерности контролируемой величины достигается за счет цифровой аппроксимации характеристики преобразования, реализуемой на перепрограммируемых цифровых запоминающих устройствах при минимальных аппаратурных затратах.

8. Применение предложенной методики градуировки широкодиапазонных приборов контроля позволяет улучшить метрологические характеристики контролирующих устройств и обеспечить высокую достоверность и точность контроля силы натяжения проводов малого диаметра.

9. Расширение функциональных возможностей и областей применения приборов контроля с развертывающим частотным преобразованием обеспечивается при их построении по предложенной универсальной структурной схеме.

10. Минимизация аппаратурных затрат обеспечивается при реализации устройств на современных КМОП логических интегральных микросхемах и микромощной элементной базе.

11. Основные теоретические положения диссертации практически подтверждены разработкой и использованием в производственных условиях приборов контроля силы натяжения и напряженности магнитного поля.

Дальнейшие исследования в области создания высокоточных приборов контроля с развертывающим частотным преобразованием целесообразно направить на совершенствование методов структурного построения преобразователей с малым энергопотреблением, а также применение автономного питания, что позволит расширить универсальность применения и повысить технико-эксплуатационные характеристики приборов контроля силы натяжения.

На основании изложенного можно считать, что основная цель диссертации достигнута и поставленные задачи решены.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.