Построение измерительных трактов в системах технической диагностики устройств жат

2.6 Построение измерительных трактов в системах технической диагностики устройств ЖАТ

Для оценки работоспособности объекта контроля необходимо иметь первичную информацию о состоянии его элементов, блоков и отдельных узлов. Формирование такой информации можно получить с помощью специальных измерительных устройств, реализованных на микропроцессорной основе [56].

Требуемые значения достоверности контроля могут быть достигнуты следующим образом:

1) уменьшением погрешностей измерений;

2) совершенствованием моделей технической диагностики и измерений.

         Аналоговые методы измерения затруднительно использовать в автоматизированных СТД устройств ЖАТ вследствие особенностей их эксплуатации и сопряжения с вычислительными средствами [59, 60].

Цифровые методы измерения используют цифровую фильтрацию и спектральный анализ. Эти методы обеспечивают различную точность измерения и время получения результата [61, 62].

Получение цифрового эквивалента аналоговой величины осуществляется аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) различных типов, в том числе встроенными в микроконтроллер. При измерении постоянного напряжения или сигнала, изменяющегося сравнительно медленно (до нескольких сотен кГц), используют АЦП последовательного приближения. В случае необходимости измерения быстроизменяющегося сигнала целесообразнее использовать АЦП параллельного типа.

Применение обратной связи в измерительном канале повышает достоверность результата измерений даже при значительных отклонениях характеристики измерительного тракта от идеальной. Достоинство этих методов также заключается в том, что применяя АЦП с малым количеством разрядов, достигается более высокая точность измерений за счет изменения структуры канала, увеличения объема и времени обработки результатов измерений.

Вместе с тем, методы измерений в системах технической диагностики неразрывно связаны с математическими моделями, определяющими техническое состояние объекта диагноза. Поскольку в процессе диагностирования структура модели может измениться, это может потребовать реконфигурацию аналоговых трактов в целях повышения эффективности их взаимодействия. Она заключается в согласовании диапазона измерения АЦП и амплитуды сигнала, в аппаратной поддержке масштабирования признакового пространства и адаптации к параметрам каналов связи и т.д.

Рекомендуемые материалы

Таблица 2.2

Технические возможности преобразователей

Рассмотрим метод измерения основанный на компенсации значения входной величины эталонной [64]. Данный метод построен на принципе временного и пространственного разделения каналов, который реализован  в цифровом и аналоговом трактах (рис.2.6). При пространственном разделении измерительных каналов коммутация входного сигнала не требуется, что полностью исключает использование аналоговых мультиплексоров для переключения пределов измерений.  Это, в свою очередь, повышает надежность и быстродействие измерительного тракта, позволяет реализовать предлагаемый метод в «системах на кристалле».

Функциональная схема измерительного тракта

Функциональная схема метода состоит из цифровой и аналоговой частей. Цифровой тракт содержит аппаратные средства, предназначенные для осуществления арифметических и логических операций над данными согласно алгоритму проведения измерений. В его задачу входит синхронизация всех функциональных узлов схемы.

         В аналоговом тракте модуль обратной связи (ОС) преобразует цифровой двоичный код y₁ в аналоговый сигнал ∆x₁, который поступает на вход сумматора. Также на вход сумматора подается измеряемый сигнал x₀. С выхода сумматора разностный сигнал ∆x через масштабирующий усилитель (МУ) приходит на АЦП. С его выхода цифровой эквивалент аналогового сигнала y подается в цифровой тракт, где происходит его дальнейшая обработка.

         Измеряемое напряжение x₀ поступает на вход аналогового сумматора. Тогда разностное напряжение на его выходе:

Δx^*= x₀- y₁-δ_ос,                                                    (2.1)

где    y₁- аналоговый эквивалент двоичного кода напряжения {y₁};

         δ_ос- сумма аддитивной и мультипликативной погрешности ОС.

Напряжение на выходе прямого преобразователя (ПП) y  с учетом (2.1):

,                                       (2.2)

где δ_пп- сумма аддитивной и мультипликативной погрешности ПП.

Параметры измерительного тракта не должны изменяться во время проведения измерительной процедуры δ_ос=const, δ_пп=const. Согласно структурной схеме метода (рис.2.6) результат измерения  {y₀} будет равен:

   .                                                 (2.3)

Указанные соотношения должны выполняться во всем частотном диапазоне изменения погрешностей.

Рассмотрим алгоритм проведения измерений. Полный цикл состоит из двух тактов (рис.2.7).

В первом такте на модуль ОC из цифрового тракта (рис.2.6) поступает нулевой двоичный код {y₁}=0, k=1. Запускается быстродействующий АЦП параллельного типа и согласно (2.1) измеряет величину:

Δx^*= x₀-δ_ос.                                                 (2.4)

Таким образом, АЦП измеряет значение входного напряжения вместе с напряжением, которое обусловлено погрешностью выставления аналогового эквивалента нулевого двоичного кода трактом обратной связи. Подставляя (2.1), (2.2) в (2.3) имеем результат первого такта преобразований:

.                                  (2.5)

Полученный двоичный код {y₀} вновь поступает на вход.  Одновременно МУ устанавливает заданный коэффициент масштабирования k≥1.

Временная диаграмма измерительной процедуры

Второй такт измерения начинается после окончания процесса установления напряжения на выходе ОП и смены коэффициента усиления МУ. Запускается АЦП для измерения теперь уже разностного сигнала, который вычисляется по (2.1) с учетом того, что  {y₁} присваивается значение  {y₀}. Поскольку за время установления значений k и Δx^* входной сигнал x мог измениться на Δx, то согласно (2.4) и (2.3) будет получен следующий результат:

;

.                                     (2.6)

К модулю ОС накладываются повышенные требования по точности выставления напряжения. Из (2.6) видно, что погрешность модуля обратной связи входит в результат измерений аддитивно и напряжение ошибки не компенсируется прямым преобразователем. К прямому преобразователю напротив, требования по точности могут быть значительно снижены за счет того, что его аддитивная и мультипликативная погрешности снижаются в k раз. При k→∞ на результат измерений будет влиять лишь погрешность обратного преобразователя. 

Проведем сравнительную оценку работы модифицированного компенсационного метода измерений по сравнению с другими методами, получившими широкое распространение в системах ж.д. диагностики и контроля. В качестве таковых, были выбраны прямой и итерационный методы измерения. Данный выбор основан на быстроте работы и простоте в реализации первого, и высокой достоверности получения результата второго. Структурные схемы методов изображены на рис.2.8, а алгоритмы их работы рассмотрены в [64].

Структурные схемы методов измерений

В качестве компонентов схем будем использовать распространенные элементы, электрические и временные параметры которых представлены в табл.2.2.

Отличие компенсационного метода измерений от остальных заключается в том, что снижение погрешности в нем основано на выполнении вспомогательных операций в процессе измерения, что требует избыточности по быстродействию, а также программной избыточности. Кроме того, коэффициент k может задаваться моделью диагностирования при аппаратной реализации составных частей методов кластеризации и масштабирования признакового пространства.

График на рис.2.9а показывает, что с ростом нелинейных искажений измерительного тракта (ИТ), погрешность прямого метода растет линейно, т.к. сам метод не предусматривает коррекцию этих искажений. Характер изменения погрешности в итерационном методе объясняется тем, что на результат влияют лишь параметры тракта обратной связи, к которому предъявляются повышенные требования.

5. Научный этап развития библиотековедения - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.

Результаты моделирования методов измерения

Результаты моделирования показывают, что при разрешающей способности измеренных данных от 16 до 24 двоичных разрядов, модифицированный компенсационный метод  заполняет пробел отсутствия приемлемых по скорости и точности методов измерения на базе существующих технических средств. Компенсационный метод более эффективен для измерения сигналов с частотами до 100-500 кГц при использовании равноценных с другими методами измерений АЦП. Так, например, на частоте 1 кГц, может быть достигнут коэффициент масштабирования k=781, что равносильно 19-и разрядной разрешающей способности. При отсутствии пространственно-временного разделения каналов, реально может быть достигнута лишь 16-и разрядная точность (AD7664, табл.2.2). Модификация классического метода измерения с пространственно-временным разделением каналов [57] позволила получить следующие результаты:

1. Распространить область применения классического компенсационного метода на измерение переменных напряжений;

         2. В зависимости от параметров сигнала и производительности технических средств выбирать наименьшую погрешность измерений модификацией алгоритма.

         3. Появилась возможность реализации его внутрисистемно на элементах с аппаратной избыточностью.