WWW.KNIGA.LIB-I.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Онлайн материалы
 

«УДК: 681.3(075.8) Использование системы компьютероного моделирования matlab при проектировании датчика давления К. П. Никонов, В.П. Орлов Представлена методика ...»

Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск № 61 www.mai.ru/science/trudy/

УДК: 681.3(075.8)

Использование системы компьютероного моделирования matlab при

проектировании датчика давления

К. П. Никонов, В.П. Орлов

Представлена методика проектирования датчика давления с дифференциально-емкостным

первичным преобразователем с использованием системы компьютерного моделирования

MATLAB. Предложены маршрут проектирования и типовые проектные процедуры для класса

датчиков давления: имитационное моделирование в среде MATLAB, разработка схемы электрической принципиальной и печатной платы датчика давления методом сквозного проектирования в САПР Mentor Graphics, разработка конструкции и проведение поверочных расчетов в среде Для исследования метрологических характеристик Solid Works.

дифференциально-емкостного первичного преобразователя давления и проверки адекватности разработанной модели был изготовлен макет датчика давления.

Ключевые слова: методика проектирования датчика давления; маршрут проектирования;

имитационное моделирование в среде MATLAB; типовые проектные процедуры в САПР Mentor Graphics; Solid Works.

В информационно – управляющих системах, используемых при испытаниях и эксплуатации изделий авиационной и космической техники, в ряду измеряемых физических параметров доля параметра «давление» занимает 40 – 60% от их общего числа. По этой причине задача проектирования нового или модернизации существующего датчика давления встречается достаточно часто.



Необходимость проведения большого объёма математических расчетов, разработки и макетирования на печатной плате схемы электрической принципиальной, расчета вариантов исполнения конструкции корпуса для заданных условий эксплуатации подразумевает привлечение ECAD, MCAD систем и организации их взаимодействия. Задачу проектирования в заданных рамках можно решить двумя способами. Первый – используя типовые средства САПР, разработать макет датчика давления с необходимым первичным преобразователем, провести испытания и обработать полученные результаты. Достоинства данного способа: достоверный результат с требуемой точностью. Недостатки: дороговизна, требуется наличие сложного оборудования, длительное время разработки макета и проведения эксперимента. Второй способ компьютерное моделирование. В этом случае возможно существенное сокращение временных затрат напроектирование за счет определенной свободы выбора параметров моделирования и сокращения временных затрат на проведение эксперимента. Недостатки: модель разрабатывается с определенными допущениями, необходимо подтвердить ее адекватность, точность результатов моделирования определяется степенью детализации модели.

На базе второго способа обеспечивающего, по мнению авторов, определенный выигрыш по времени, предлагается следующий маршрут проектирования.

Он включает три этапа:

разработку модели и имитационное моделирование в среде MATLAB, разработку схемы электрической принципиальной и печатной платы датчика давления методом сквозного проектирования в САПР Mentor Graphics или подобной, разработку конструкции и проведение поверочных расчетов в среде Solid Works. На первом этапе необходимо выбрать тип и провести исследование характеристик первичного преобразователя давления, так как он в наибольшей степени подвержен воздействию неблагоприятных факторов и окружающей среды, предложить имитационную модель для аналоговой и цифровой части электроники, предусмотреть цепи коррекции для обеспечения стабильности метрологических характеристик [1].





Целью данного этапа является расчет, моделирование вариантов статической и динамической характеристик датчика, при условии минимальной погрешности в заданном диапазоне измерений. Расчеткак правило осуществляется методом наименьших модулей или методом наименьших квадратов. По результатам определяется наилучшая аппроксимирующая прямая - прямая наименьших модулей (прямая наименьших квадратов) и оценивается степень её совпадения с вариантом графика статической характеристики.

В основу модели положена методика расчета параметров статической характеристики методом равномерного приближения[4], реализованная в среде компьютерного моделирования MATLAB. Её содержание рассмотрим с использованием примера, приведенного на рисунке 1.

1. Задаётся диапазон измерения -, общий вид уравнения аппроксимирующей прямой y = A + B x и значение погрешности.

a

–  –  –

Рисунок 2. Конструкции дифференциально-емкостного первичного преобразователя давления фирмы BCMSensor модель 315М-DP.

Принцип работы преобразователя: измеряемые значения давления P1 и P2 воздействуют на разделительные мембраны и через гидравлическую жидкость разность передаётся на измерительную (чувствительную) мембрану. Чувствительная мембрана прогибаетсяна расстояние Х, пропорционально разности давлений, изменяется значение емкости между чувствительной мембраной и электродами. Информативным сигналом является изменение емкости С.

Дополнительно, для обеспечения температурной компенсации в емкостной ячейке 315МDP используется внутренний температурный сенсор, конструктивно выполненный в виде диода.

На рисунке 3 представлена структурная схема модели емкостной ячейки. Для разработки имитационной модели емкостной ячейки необходимо разделить преобразователь на звенья, каждое из которых выполняет отдельнуюфункцию. Каждое звено описывается соответствующими аналитическими выражениями. Связи между звеньями реализуются в удобной для построения модели форме[4].

Рисунок 3.Структурная схема модели емкостной ячейки

В документации на емкостную ячейку 315M-DP [7] приведён диапазон измерения (ranges): 0 кПа,…, 0-6,89 МПа. Модель ёмкостной ячейки реализована средствами Simulink. Ячейка является дифференциальным преобразователем и имеет возможность измерять абсолютное давление, давление разряжения, разность давлений, соответственно имеет два измерительных канала.

Для ёмкостной ячейки перемещение мембраны под воздействием давления в первом приближенииравно:

X = f (P) = Kx ( P1 P 2), (5) где Kx - коэффициент пропорциональности, выбираемый в зависимости от размеров и материала мембраны.

В дифференциально-емкостных преобразователях максимальное перемещение мембраны изменяется от 1мкм до 100мкм (зависит от модели).

При столь малых перемещениях можно принять линейную зависимость для С/ [5,6]:

–  –  –

Рисунок 4. Рабочее окно разработанной модели дифференциально-емкостного преобразователя давления Выходной сигнал С емкостной ячейки 315М-DP изменяется в пределах ±100 пФ [7].

Для оценки и компенсации влияния изменения температуры окружающей среды на линейность статической характеристики в модель добавлена функция f(t°). Эта функция характеризует дополнительную температурную погрешность Стемп выходного сигнала. По данным производителя использованной емкостной ячейки, дополнительная температурная погрешность не превышает 0,009% верхнего предела диапазона измерения (ВПИ)/°С.

Тогда:

0,009 ВПИ t °, CТЕМП = f (t °) = ± (7) 100 где ВПИ (fullscale (fs)) – верхний предел измерения, t° – температура окружающей среды.

При P0 в функцию f(t°) следует подставить знак «плюс», а при P0 – знак «минус».

Содержание основного блока «CapacitiveDifferentialPressureModule» представлено на рисунке 5. Подмодель, реализующая функцию f(t°) реализована с использованием типовых блоков. Место в структуре общей модели представлено на рисунке 6-а, блок задания функции f(t°) на рисунке 6-б.

Рисунок 5. Содержаниеосновногоблока «CapacitiveDifferentialPressureModule»

–  –  –

Смещение нулевого сигнала можно задать с помощью константы Сoffset. По данным производителя емкостной ячейки 315М-DP максимальное смещение нуля равно 140±40 пФ [7].

На рисунке 8 представлен результат моделирования работы дифференциально-емкостного преобразователя давления 315М-DP, диапазон давлений от -1,5 до 1,5 кПа; значения температур: С, -5 °С, 20 °С, 45 °С, 70 °С, 85 °С; статическое давление 5 МПа; смещение нуля 50 пФ.

–  –  –

Чтобы получить характеристику температурного датчика емкостной ячейки 315М-DPна вход блока задания функции f(T) подано линейно возрастающая температура от -60 °С до +85°С.

Результаты моделирования прямого падения напряжения на диоде UD от температуры – фактически характеристика температурного датчика емкостной ячейки приведена на рисунке 10.

Рисунок 10. Характеристика температурного датчика емкостной ячейки 315М-DP, полученная в результате моделирования Для исследования метрологических характеристик разработанного датчика давления и проверки адекватности разработанной модели, методом сквозного проектирования в САПР Mentor Graphics была разработана схема электрическая принципиальная и печатная плата.

Разработка конструкции и поверочные расчеты проведены в среде SolidWorks. Структурная схема макета датчика давления с емкостной ячейкой приведена на рисунке 11.

Рисунок 11.Структурная схема макета датчика давления с емкостной ячейкой

Выходной сигнал С от емкостной ячейки 315М-DP принимается с помощью микросхемы AD7747, которая является 24-битным - преобразователем емкость-цифровой код (capacitance to digital converter (CDC)) [8]. Измеряемая емкость подключается непосредственно к выводам микросхемы. Микроконтроллер управляет процессом измерения и передает полученную информацию на персональный компьютер (ПК). Фотография изготовленного макета приведена на рисунке 12.

Рисунок 12. Макет датчика давления с емкостной ячейкой 315M-DP

С использованием макета было проведено исследование статической характеристики датчика при воздействующих факторах аналогичных заданным во время проведения компьютерного моделирования в системе MATLAB: диапазон давлений от -1,5 до 1,5 кПа;

значения температур:

-30 °С, -5 °С, 20 °С, 45 °С, 70 °С, 85 °С; статическое давление отсутствует;

смещение нуля 5 пФ. Температура окружающей среды задавалась в камере тепла и холода.

Результаты исследований представлены на рисунке 13.

Рисунок 13.Статическая характеристики емкостной ячейки 315М-DP с преобразователем AD7747 в диапазоне температур от -30°С до +85°С и диапазоне давлений от -1,5кПа до +1,5кПа Коду CDC 0 ед. соответствует давление -1,5кПа (С=-100 пФ), коду CDC16000000 ед.

соответствует давление 1,5кПа (С=+100 пФ).

К микросхеме AD7747 был подключен температурный датчик дифференциальноемкостного преобразователя 315M-DP. Исследование характеристики преобразования температурного датчика проводилось при изменении температуры окружающей среды от -60 до +85°С, также как и при моделировании. Результаты исследований приведены на рисунке 14.

Рисунок 14. Характеристикатемпературного датчика из состава дифференциальноемкостного преобразователя давления 315М-DP, с преобразователем AD7747 в диапазоне температур от -60°С до +85°С.

В результате исследований макета датчика давления с дифференциально-емкостным преобразователем 315M-DP установлено, что максимальная нелинейность статической характеристики равна 0,3% ВПИ. Рассчитанный разброс выходного сигнала равен ±2,63% ВПИ.

На номинальном диапазоне измерения погрешность измерения 0,1% ВПИ была достигнута при времени преобразования 40 мс.

Проведенное макетирование датчика позволяет сделать вывод об адекватности разработанной модели дифференциально-емкостного датчика давления и верности принятых допущений. Предложенная методика проектирования датчика давления с использованием системы компьютерного моделирования MATLAB позволяет значительно снизить временные затраты, рассматривать несколько альтернативных вариантов создаваемого датчика и прогнозировать результаты проектирования за счёт многократного уточнения результатов, полученных на предшествующих этапах. Модель и результаты моделирования могут быть использованы при проектировании подобных датчиков давления.

Литература:

1. Щепетов А.Г. Теория, расчет и проектирование измерительных устройств: В 3-х частях:

Часть 2. Расчет измерительных устройств.

– М.: ФГУП «СТАНДАРТИНФОРМ», 2007. – 344с.

2. В.П. ДьяконовMATLABR2006/2007/2008 + Simulink 5/6/7. Основы применения. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2008. - 800 с.: ил. - (Серия «Библиотека профессионала).

3. Проектирование систем на микросхемах с программируемой структурой. Р.И.

Грушвицкий, А.Х. Мурсаев, Е.П. Угрюмов.- СПб.: БХВ-Петербург, 2006.-736с.

4. Боднер В.А., Алферов А.В. Измерительные приборы: Учебник для вузов: В 2 т. – М.: Изд-во стандартов, 1986

5. Аш Ж. с соавторами. Датчики измерительных систем: В 2-х книгах. Кн.2. Пер. с франц. – М.: Мир, 1992. - 424с., ил.

6. Хансуваров К.И., Цейтлин В.Г. Техника измерения давления, расхода, количества и уровня жидкости, газа и пара: Учебное пособие для техникумов. – М.: Издательство стандартов, 1990. 287с., ил.

7. Metal Capacitive Differential Pressure Modules. Model 315M. BCM SENSOR TECHNOLOGIES,2008.-3с.

8. Datasheet Analog Device 24-Bit Capacitance-to-Digital Converter with Temperature SensorAD77472007-28c.

9. Титце У., Шенк К. Полупроводниковаясхемотехника. 12-еизд. ТомI. Пер. снем. - М.: ДМК Пресс, 2008. - 832 с.: ил.

Сведения об авторах Никонов Константин Петрович, аспирант Московского авиационного института (национального исследовательского университета).

МАИ, Волоколамское ш., 4,Москва, А-80, ГСП-3, 125993;

тел.: (499) 158-47-13, 8-926-559-29-61; e-mail: kpnikonov_88@inbox.ru ОРЛОВ Валерий Павлович, заведующий кафедрой Московского авиационного института (национального исследовательского университета), к.т.н.

МАИ, Волоколамское ш., 4,Москва, А-80, ГСП-3, 125993;

Похожие работы:

«п а в л о хдек ардн.Оокнепесы очноЗ оиу д аты ь н ог из МОТОВСКОЕ ОБЛАСТНОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ПАВЛО ХОДЧЕНКО 3А Р О Д И Н У ОДНОАКТНЫЕ ПЬЕСЫ огиз МОЛОТОВСКОЕ ОБЛАСТНОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО o~~ L. оС М~ ~ Редактор А. Спешилов. Сдано в набор 3 января 1942 г. Подписано к печати 29 января ‘942...»

«Содержание ВМЕСТО ВСТУПЛЕНИЯ О ЧЕМ ЭТА КНИГА? Как человек становится человеком Царский путь: что это? Как действует Промысл Божий и что это такое Содержание НАЧИНАЕТСЯ — ОТ СОТВОРЕНИЯ МИРА!. 25 СНАЧАЛА Сказка о Колобке на новый лад. Человек и его творения Бог как реальность. Спасительная одержимость Творение....»

«СОДЕРЖАНИЕ Предисловие. Так говорил Ницше 9 Часть первая. Все меняется 21 1. Оборотная сторона травмы 23 2. Эмоции как дань травме 45 3. Физиология травмы 79 Часть вторая. Рост после невзгод 101 4. Преображение 103 5. Теория разбитой вазы 137 6. Пути к посттравматическому росту 167 Часть третья. К росту гото...»

«ПРОГРАММА ВСТУПИТЕЛЬНОГО ЭКЗАМЕНА В МАГИСТРАТУРУ ПО НАПРАВЛЕНИЮ 39.04.03 "ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТЫ С МОЛОДЕЖЬЮ" Блок вопросов по государственной молодежной политике 1. Международная практика и мировые тенденции развития молодежной политики...»

«ВИТРИНА ХОЛОДИЛЬНАЯ СЕРИИ "ДЕСНА" ВС Руководство по эксплуатации СООО "Бримстон-Бел" Республика Беларусь Компания СООО "БРИМСТОН-БЕЛ" благодарит Вас за приобретение нашего оборудования. Мы надеемся, что и...»

«Том LXXIV Январь-Март 2016 Вникай в обстоятельства времени. Ожидай Того, Кто выше времени. Священномученик ИГНАТИЙ БОГОНОСЕЦ ЦЕРКОВЬ И ВРЕМЯ Научно-богословский и церковно-общественный журнал Отдел внешних церковных связей Московского Патриархата Журнал зарегистрирован в Министерстве п...»

«2 Содержание ЦЕЛЕВОЙ РАЗДЕЛ I.1.1. Пояснительная записка.5-15 стр.• Цели и задачи реализации "Программы"• Принципы и подходы к формированию "Программы"• Характеристики, значимые реализации "Программы"1.2. Плани...»

«ПЛАНИРУЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ УЧЕБНОГО ПРЕБМЕТА "ТЕХНОЛОГИЯ" 1 КЛАСС Личностные Создание условий для формирования следующих умений • положительно относиться к учению;• проявлять интерес к содержанию предмета "Технология";• принимать одноклассников, помогать им, принимать помощь от взрослого и сверстников;• чувствовать уверенность в себе, вер...»

«Ежедневная организация жизни и деятельности детей.Ежедневная организации жизни и деятельности детей осуществляется с учетом: построения образовательного процесса на адекватных возрасту ф...»








 
2017 www.kniga.lib-i.ru - «Бесплатная электронная библиотека - онлайн материалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.