Помощь студентам в учебе
Программно-технический комплекс испытательного стенда для исследования характеристик датчика давления с функцией самодиагностики
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 9
2 МЕТОДИКА ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ
ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ 18
2.1 Описание метода диагностики 18
2.2 Алгоритм обработки данных 20
2.3 Общая схема реализации метода диагностики 21
2.4 Способ возбуждения собственных колебаний 22
2.5 Анализ сигнала 24
3 ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СТЕНДА 26
3.1 Измерительный блок датчика давления 26
3.2 Осциллограф 28
3.3 Г енератор сигналов 29
3.4 Источник питания 30
3.5 У силитель входного сигнала 31
4 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СТЕНДА 33
4.1 Функция для обмена данными ПК и осциллографа 33
4.2 Функция для обмена данными ПК и генератора сигналов 35
4.3 Функции для анализа выходного сигнала 36
4.4 Г рафическое приложение 38
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 47
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 48
ПРИЛОЖЕНИЯ 57
ПРИЛОЖЕНИЕ А 57
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 68
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 9
2 МЕТОДИКА ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ
ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ 18
2.1 Описание метода диагностики 18
2.2 Алгоритм обработки данных 20
2.3 Общая схема реализации метода диагностики 21
2.4 Способ возбуждения собственных колебаний 22
2.5 Анализ сигнала 24
3 ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СТЕНДА 26
3.1 Измерительный блок датчика давления 26
3.2 Осциллограф 28
3.3 Г енератор сигналов 29
3.4 Источник питания 30
3.5 У силитель входного сигнала 31
4 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СТЕНДА 33
4.1 Функция для обмена данными ПК и осциллографа 33
4.2 Функция для обмена данными ПК и генератора сигналов 35
4.3 Функции для анализа выходного сигнала 36
4.4 Г рафическое приложение 38
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 47
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 48
ПРИЛОЖЕНИЯ 57
ПРИЛОЖЕНИЕ А 57
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 68
В настоящее время в научных и инженерных кругах широко обсуждается концепция четвертой промышленной революции, иногда называемая «Индустрия 4.0», которая базируется на представлении, что происходит быстрое развитие и проникновение принципиально новых технологий в различные сферы общества [1]. В стратегии научно-технологического развития РФ определены приоритетные научные направления, которые являются основой инновационного развития внутреннего рынка продуктов и услуг России, первым из которых является переход к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, новым материалам и способам конструирования, создание систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта. Тенденция к использованию больших объемов данных и переход к цифровым производственным технологиям предполагает в числе характеристик будущих трансформаций так называемую сенсорную революцию - массовый переход к использованию цифровых сенсоров, датчиков, исполнительных механизмов и систем управления.
Информация о состоянии технологических процессов собирается датчиками физических величин - уровня, расхода, давления, температуры. В условиях трансформации производства возрастают требования к используемым датчикам. Ожидание промышленности состоит в том, что датчики станут «интеллектуальными». Традиционно интеллектуализация датчиков была связана с развитием микропроцессорной техники и расширением их функциональных возможностей. В России была принята серия ГОСТ «Датчики интеллектуальные и системы измерительные интеллектуальные» (2009, 2011 и 2013 годов) [2],
положения которых распространяются на интеллектуальные датчики и интеллектуальные измерительные системы, разрабатываемые и применяемые в Российской Федерации. ГОСТ задает высокую планку для интеллектуальных датчиков, вводя понятие метрологического самоконтроля как главной отличительной особенности интеллектуВ соответствии с ГОСТ Р 8.673-2009 [2] интеллектуальным датчиком
называется адаптивный датчик с функцией метрологического самоконтроля, то есть обладающий способностью обеспечивать автоматическую проверку того, находится ли его текущая погрешность измерений в заданных пределах. Преимущества функции метрологического самоконтроля по сравнению с традиционным подходом к метрологическому обеспечению заключаются в том, что он обеспечивает [3]:
- снижение риска возникновения необнаруженного метрологического отказа и обусловленных этим отказом последствий;
- обоснование назначения межповерочного интервала в зависимости от остаточного метрологического ресурса;
- снижение эксплуатационных затрат за счет уменьшения количества поверок и калибровок;
- уменьшение потерь, обусловленных последствиями метрологических отказов»
При реализации функции метрологического самоконтроля становится возможным существенное увеличение межповерочного (межкалибровочного) интервала, имеющее очевидный экономический эффект. Несмотря на то, что методология реализации метрологического самоконтроля довольно хорошо описана, реальные характеристики подавляющего большинства производимых датчиков не соответствуют требованиям указанного ГОСТ. Востребованным является решение научной проблемы, которая заключается в противоречии между современным уровнем развития измерительной техники, методов ее метрологического обслуживания и потребностью в интеллектуальных датчиках с функцией метрологического самоконтроля в условиях перехода к передовым цифровым производственным технологиям.
Существует понятие датчика с функцией диагностики своего технического состояния (самодиагностики). Так, самодиагностирующийся датчик в процессе работы, руководствуясь некоторыми установленными параметрами и алгоритмами, определяет свое техническое состояние (например, исправное,
ального датчика.работоспособное, неисправное, неработоспособное и т.п) осуществляет поиск места отказа, проводит прогнозирование технического состояния на определенный интервал времени [4]. Концепция самодиагностики является близкой концепции метрологического самоконтроля. Более того, самодиагностику можно считать одним из важных этапов осуществления последнего.
Разработку сложного устройства трудно осуществить без средств автоматизации процессов исследования. Автоматизация процесса измерения - необходимая часть исследовательской работы в современной науке. Автоматизация действий исследователя решает такие вопросы как:
- оптимизация работы исследователя;
- накопление статических данных за сравнительно малый промежуток времени;
- быстрое изменение программы эксперимента в зависимости от цели исследования и т.д.
Благодаря наличию персональных компьютеров, различных модулей связи между измерительными устройствами и устройствами управления с портами компьютера стало возможно наличие лабораторных испытательных стендов.
Наличие таких лабораторных испытательных стендов в процессе измерений позволяет эффективно собирать и хранить, также обрабатывать информацию в большом количестве за сравнительно малый промежуток времени.
Существует большое множество видов автоматизированных систем в различных областях проведения экспериментов и исследований, все они имеет общие принципы, направленные на оптимизацию эксперимента:
- быстрое получение информации и дальнейшая ее обработка;
- повышенная надежность, безотказная работа в течение длительного времени;
- удобство эксплуатации для оператора, использование стандартных блоков;
- обращения оператора с системой посредством диалогового окна;
- гибкость системы, позволяющая подстраиваться под разные цели эксперимента.Исследовательская работа, под которую разрабатывается лабораторный стенд, начинается с цели. Главной целью разработки лабораторного испытательного стенда является совмещение процессов измерения, сбора и обработки информации непосредственно на персональном компьютере. Особенностью разработки стенда на ранних тапах является то, что необходимо предусмотреть заменяемость частей и блоков лабораторного стенда. Наличие лабораторного исследовательского стенда позволяет сократить трудовые и материальные затраты и в особенности сократить срок проведения исследовательской работы, что в свою очередь позволяет существенно сократить время до получения результатов исследования.
Также необходимо обратить внимание на анализ устройств сопряжения, или так называемым протоколам связи меду устройствами системы и персональным компьютером. Каждое устройство может иметь индивидуальный протокол связи, что в свою очередь обязывает разработчика выполнять программные алгоритмы в унифицированной среде программирования.
Цель работы - создание программно-технического комплекса для разработки и исследования датчика давления с функцией самодиагностики и связанных с ним физических процессов и явлений.
Для реализации поставленной цели в рамках выпускной квалификационной работы были выделены следующие задачи:
1) выбор метода диагностики технического состояния датчика давления;
2) разработка технической части автоматизированного стенда;
3) разработка программной части автоматизированного стенда.
Информация о состоянии технологических процессов собирается датчиками физических величин - уровня, расхода, давления, температуры. В условиях трансформации производства возрастают требования к используемым датчикам. Ожидание промышленности состоит в том, что датчики станут «интеллектуальными». Традиционно интеллектуализация датчиков была связана с развитием микропроцессорной техники и расширением их функциональных возможностей. В России была принята серия ГОСТ «Датчики интеллектуальные и системы измерительные интеллектуальные» (2009, 2011 и 2013 годов) [2],
положения которых распространяются на интеллектуальные датчики и интеллектуальные измерительные системы, разрабатываемые и применяемые в Российской Федерации. ГОСТ задает высокую планку для интеллектуальных датчиков, вводя понятие метрологического самоконтроля как главной отличительной особенности интеллектуВ соответствии с ГОСТ Р 8.673-2009 [2] интеллектуальным датчиком
называется адаптивный датчик с функцией метрологического самоконтроля, то есть обладающий способностью обеспечивать автоматическую проверку того, находится ли его текущая погрешность измерений в заданных пределах. Преимущества функции метрологического самоконтроля по сравнению с традиционным подходом к метрологическому обеспечению заключаются в том, что он обеспечивает [3]:
- снижение риска возникновения необнаруженного метрологического отказа и обусловленных этим отказом последствий;
- обоснование назначения межповерочного интервала в зависимости от остаточного метрологического ресурса;
- снижение эксплуатационных затрат за счет уменьшения количества поверок и калибровок;
- уменьшение потерь, обусловленных последствиями метрологических отказов»
При реализации функции метрологического самоконтроля становится возможным существенное увеличение межповерочного (межкалибровочного) интервала, имеющее очевидный экономический эффект. Несмотря на то, что методология реализации метрологического самоконтроля довольно хорошо описана, реальные характеристики подавляющего большинства производимых датчиков не соответствуют требованиям указанного ГОСТ. Востребованным является решение научной проблемы, которая заключается в противоречии между современным уровнем развития измерительной техники, методов ее метрологического обслуживания и потребностью в интеллектуальных датчиках с функцией метрологического самоконтроля в условиях перехода к передовым цифровым производственным технологиям.
Существует понятие датчика с функцией диагностики своего технического состояния (самодиагностики). Так, самодиагностирующийся датчик в процессе работы, руководствуясь некоторыми установленными параметрами и алгоритмами, определяет свое техническое состояние (например, исправное,
ального датчика.работоспособное, неисправное, неработоспособное и т.п) осуществляет поиск места отказа, проводит прогнозирование технического состояния на определенный интервал времени [4]. Концепция самодиагностики является близкой концепции метрологического самоконтроля. Более того, самодиагностику можно считать одним из важных этапов осуществления последнего.
Разработку сложного устройства трудно осуществить без средств автоматизации процессов исследования. Автоматизация процесса измерения - необходимая часть исследовательской работы в современной науке. Автоматизация действий исследователя решает такие вопросы как:
- оптимизация работы исследователя;
- накопление статических данных за сравнительно малый промежуток времени;
- быстрое изменение программы эксперимента в зависимости от цели исследования и т.д.
Благодаря наличию персональных компьютеров, различных модулей связи между измерительными устройствами и устройствами управления с портами компьютера стало возможно наличие лабораторных испытательных стендов.
Наличие таких лабораторных испытательных стендов в процессе измерений позволяет эффективно собирать и хранить, также обрабатывать информацию в большом количестве за сравнительно малый промежуток времени.
Существует большое множество видов автоматизированных систем в различных областях проведения экспериментов и исследований, все они имеет общие принципы, направленные на оптимизацию эксперимента:
- быстрое получение информации и дальнейшая ее обработка;
- повышенная надежность, безотказная работа в течение длительного времени;
- удобство эксплуатации для оператора, использование стандартных блоков;
- обращения оператора с системой посредством диалогового окна;
- гибкость системы, позволяющая подстраиваться под разные цели эксперимента.Исследовательская работа, под которую разрабатывается лабораторный стенд, начинается с цели. Главной целью разработки лабораторного испытательного стенда является совмещение процессов измерения, сбора и обработки информации непосредственно на персональном компьютере. Особенностью разработки стенда на ранних тапах является то, что необходимо предусмотреть заменяемость частей и блоков лабораторного стенда. Наличие лабораторного исследовательского стенда позволяет сократить трудовые и материальные затраты и в особенности сократить срок проведения исследовательской работы, что в свою очередь позволяет существенно сократить время до получения результатов исследования.
Также необходимо обратить внимание на анализ устройств сопряжения, или так называемым протоколам связи меду устройствами системы и персональным компьютером. Каждое устройство может иметь индивидуальный протокол связи, что в свою очередь обязывает разработчика выполнять программные алгоритмы в унифицированной среде программирования.
Цель работы - создание программно-технического комплекса для разработки и исследования датчика давления с функцией самодиагностики и связанных с ним физических процессов и явлений.
Для реализации поставленной цели в рамках выпускной квалификационной работы были выделены следующие задачи:
1) выбор метода диагностики технического состояния датчика давления;
2) разработка технической части автоматизированного стенда;
3) разработка программной части автоматизированного стенда.
В работе был проведен литературно-патентный анализ материалов, связанных с задачей диагностики технического состояния как средств измерений в общем, так и датчиков давления в частности. Были рассмотрены различные подходы к диагностике средств измерения, выявлены их сильные и слабые стороны. Также были рассмотрены существующие технические решения в области метрологического самоконтроля и самодиагностики средств измерений.
Затем было проведено описание выбранного метода диагностики технического состояния датчика давления, представлен алгоритм получения, обработки и анализа данных, разработана схема стенда, реализующего данный алгоритм, выбран и описан метод возбуждения собственных частот колебаний конструкции преобразователя давления, выбраны и описаны методы анализа выходного сигнала преобразователя давления.
После этого был произведен выбор оборудования для лабораторного стенда на основе анализа соответствия характеристик оборудования требованиям стенда в рамках реализации метода диагностики.
В завершение была проведена разработка программного обеспечения, были написаны программы для обмена данными с элементами стенда - осциллографом и генератором сигналов. Также была разработана система анализа сигналов, состоящая из программ, реализующих метод БПФ и метод матричных пучков. Последним элементом разработки ПО стало графическое приложение, соединяющее функции управления устройствами стенда, анализ сигнала, визуализацию и архивирование данных в одном интерфейсе.
Затем было проведено описание выбранного метода диагностики технического состояния датчика давления, представлен алгоритм получения, обработки и анализа данных, разработана схема стенда, реализующего данный алгоритм, выбран и описан метод возбуждения собственных частот колебаний конструкции преобразователя давления, выбраны и описаны методы анализа выходного сигнала преобразователя давления.
После этого был произведен выбор оборудования для лабораторного стенда на основе анализа соответствия характеристик оборудования требованиям стенда в рамках реализации метода диагностики.
В завершение была проведена разработка программного обеспечения, были написаны программы для обмена данными с элементами стенда - осциллографом и генератором сигналов. Также была разработана система анализа сигналов, состоящая из программ, реализующих метод БПФ и метод матричных пучков. Последним элементом разработки ПО стало графическое приложение, соединяющее функции управления устройствами стенда, анализ сигнала, визуализацию и архивирование данных в одном интерфейсе.
