Автоматизация измерений параметров

Для исключения субъективного фактора и сокращения временных затрат при проведении измерений, необходимо автоматизировать процесс поверки виброизмерительных преобразователей по методическим указаниям МИ 1873.

Суть автоматизации заключается в управлении приборами программно по заданному алгоритму, повторяющему действия поверителя.

Для этого генератор и вольтметры подключаются к компьютеру по интерфейсу RS-232 или USB. Управление аппаратурой осуществляется с помощью виртуальных приборов. Алгоритм управления реализуется в SCADA (SCADA — аббревиатура от англ. Supervisory Control And Data Acquisition, Диспетчерское управление и сбор данных) системе.

В этом случае поверочная схема приобретает вид, приведенный на рисунке:

Автоматизированная поверочная схема

Использование систем типа SCADA позволяют создавать гибкие приложения из законченных функциональных блоков, таких, как виртуальные измерительные приборы, компоненты математической обработки, графики и индикаторы и др.

Проект, созданный в SCADA, состоит из 2-х частей:

1. Блок-схемы, непосредственно реализующей алгоритм работы,
2. Внешнего вида.

Основные функциональные узлы блок-схемы проекта поверки вибропреобразователей:

• управление генератором и вольтметрами,
• алгоритмы проверок и управление измерениями,
• обработка результатов,
• формирование отчета о поверке.

Структура проверки любого параметра одинакова и состоит из следующих действий:

1. Задание параметров проверки, а также сброс предыдущих результатов.
2. Проведение измерений: выбор частоты и амплитуды – подстройка напряжения генератора – снятие показаний вольтметров.
3. Обработка результатов измерений и вывод на экран итогов проверки.

Функциональные блоки визуальной части проекта обеспечивают:

• задание параметров и запуск проверок оператором,
• вывод результатов измерений в графическом и численном виде.

Определение действительного значения коэффициента преобразования

Действия поверителя: задать базовые значения частоты и амплитуды виброускорения согласно паспорту на датчик.

Работа проекта: в процессе измерений воспроизводится заданная амплитуда виброускорения на заданной частоте и определяется коэффициент преобразования поверяемого вибропреобразователя по формуле:

где:
K_д – действительное значение коэффициента преобразования, мВ/мс^-2;
U_δ – показания электронного вольтметра на базовой частоте, мВ
а_д – действительное значение виброускорения, воспроизводимое вибростендом (определяется по показаниям образцового акселерометра), м/с²;
γ_СУ – коэффициент преобразования согласующего усилителя (при отсутствии СУ γ_СУ=1).

Ниже приведены примеры работы проекта «Поверка вибропреобразователей«, реализованного в SCADA системе ZETView. Определение действительного значения коэффициента преобразования проводится на главной странице проекта. Параметры, задаемые оператором (опорная частота и базовая амплитуда), используются также при проведении измерений в амплитудном и частотном диапазонах. На вкладке «Текущие значения» отображаются показания по каналам образцового и поверямого датчиков, а также осциллограммы отдаваемых ими сигналов.

Все расчеты проводятся в автоматически. Результаты сравниваются с допусками и на экране отображается итоги проверки: действительное значение коэффициента преобразования и его отклонение от значения по паспорту на датчик.

Измерения в диапазоне амплитуд

Действия поверителя: задать начальное и конечное значения диапазона амплитуд виброускорения и количество точек измерения, а также значение базовой частоты.

Работа проекта: диапазон измерений делится на заданное число точек, таким образом, создаётся массив значений амплитуд виброускорения. В процессе измерений последовательно воспроизводятся все значения амплитуд виброускорения на базовой частоте и регистрируются показания вольтметров. При этом строится график зависимости коэффициента преобразования от амплитуды виброускорения. По окончании измерений производится обработка результатов.

Нелинейность амплитудной характеристики (δ_а) в процентах определяется по формуле:

где:
K_i – коэффициент преобразования, при i-том значении виброускорения, мВ/мс^-2;
K_ср – среднее значение коэффициента преобразования во всем диапазоне амплитуд виброускорений:

где n — число измерений.

Ниже приведены примеры работы проекта «Поверка вибропреобразователей«, реализованного в SCADA системе ZETView. На вкладке «К(а)» задаются параметры испытания и отображаются графики зависимости коэффициента преобразования поверямого датчика от амплитуды виброускорения (в процессе измерений) и отклонения коэффициента преобразования от амплитуды виброускорения (по окончании измерений). На вкладке «Текущие значения» отображаются показания по каналам образцового и поверямого датчиков, а также осциллограммы отдаваемых ими сигналов.

Все расчеты проводятся в автоматически. Результаты сравниваются с допусками и на экране отображается итоги проверки в графическом, численном и индикаторном видах.

Измерения в диапазоне частот

Действия оператора: задать начальное и конечное значения диапазона частот, значение базовой амплитуды виброускорения согласно паспорту на датчик, а также ограничение на величину виброперемещения на низких частотах в соответствии с характеристиками вибростенда.

Частоты выбираются из 1/3-октавного ряда: 1; 1,25; 1,6; 2,0; 2,5; 3,1; 4,0; 5,0; 6,3; 8,0; 10,0; 12,5; 16; 20; 25; 31; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 315; 400; 500; 630; 800; 1000; 1250; 1600; 2000; 2500; 3150; 4000; 5000; 6300; 8000; 10 000; 12 500; 16000; 20 000 Гц. [3]

Работа проекта: В процессе измерений в зависимости от частоты задаётся значение амплитуды виброускорения и воспроизводятся колебания с заданными параметрами. Для каждого значения частоты регистрируются показания вольтметров. При этом строится график зависимости коэффициента преобразования от амплитуды виброускорения. По окончании измерений производится обработка результатов.

На всех частотах выше 20 Гц воспроизводится виброускорение с амплитудой, равной базовому значению. На низких частотах значение амплитуды виброускорения А рассчитывается таким образом, чтобы перемещение вибростола не превышало максимально допустимого значения S. Зависимость виброускорения от частоты и виброперемещения описывается формулой:

где:
А – амплитуда виброускорения, м/с²;
f – частота колебаний, Гц;
S – виброперемещение, мм.

Неравномерность амплитудно-частотной характеристики вибропреобразователя (γ) в процентах определяется по формуле:

где:
K_n – максимальное или минимальное значение коэффициента преобразования поверяемого вибропреобразователя в диапазоне частот, мВ/мс^-2;
K_б – коэффициент преобразования поверяемого вибропреобразователя, полученный на базовой частоте, мВ/мс^-2.

Ниже приведены примеры работы проекта «Поверка вибропреобразователей«, реализованного в SCADA системе ZETView. На вкладке «К(f)» задаются параметры испытаний и отображаются графики зависимости коэффициента преобразования поверямого датчика от частоты (в процессе измерений) и отклонения коэффициента преобразования от частоты (по окончании измерений). На вкладке «Текущие значения» отображаются показания по каналам образцового и поверямого датчиков, а также осциллограммы отдаваемых ими сигналов.

Все расчеты проводятся в автоматичсеком режиме. Результаты сравниваются с допусками и на экране отображается итоги проверки в графическом, численном и индикаторном видах.

Организация обратной связи генератора

При проведении поверки вибропреобразователей в качестве параметров испытаний задаются частота и амплитудное значение ускорения, воспроизводимых вибростендом. Напряжение сигнала генератора, обеспечивающее заданное значение амплитуды виброускорения зависит от частоты сигнала, а также от настроек усилителя мощности. Поэтому, при проведении измерений необходимо проводить коррекцию напряжения выходного сигнала генератора.

Коррекция напряжения выходного сигнала генератора осуществляется следующим образом:

1. На выходе генератора устанавливается сигнал заданной частоты и произвольным напряжением;
2. По амплитуде сигнала образцового датчика, определяется текущее значение амплитуды виброускорения;
3. По формуле рассчитывается уровень генератора, обеспечивающий требуемое значение амплитуды виброускорения Unew:

где:
U_new – новое значение напряжения генератора, В;
k – коэффициент коррекции напряжения генератора:

где:
А_зад – заданное значение амплитуды виброускорения, м/с²;
A_тек – текущее значение амплитуды виброускорения, м/с²;
U₀ – начальное напряжение генератора, В.

Автоподбор времени накопления данных

В борьбе за сокращение времени проверки и оптимизации процесса измерений при разработке проекта обычно предусматривается операция автоподбора времени накопления данных. При этом учитываются два фактора: интервал усреднения данных вольтметрами и время ожидания перед регистрацией показаний вольтметров.

Интервал усреднения данных вольтметрами должен умещать, по меньшей мере, 5 периодов сигнала для обеспечения сходимости показаний и снижения влияния помех на показания прибора. Графики на рисунках ниже иллюстрируют зависимость показаний вольтметра от времени усреднения, равном двум периодам сигнала (а) и десяти периодам сигнала (б).

А_ср — среднее значение амплитуды сигнала, Т_уср – время усреднения, Т – период сигнала

Время ожидания перед регистрацией показаний вольтметров, в свою очередь, должно быть больше интервала усреднения данных вольтметрами для исключения влияния на регистрируемое значение переходных процессов и данных, накопленных вольтметрами до изменения частоты/амплитуды. «Скорость» реакции вольтметров зависит от частоты сигнала (см. рисунки ниже).

Для оценки сокращения временных затрат при использовании алгоритма автоподбора времени накопления данных, рассчитаем время проведения измерений в диапазоне частот 1 Гц — 20 кГц с шагом 1/3 октавы. При расчетах будем учитывать, что измерения проводятся в 2 этапа:

1. Регистрация показаний вольтметра по образцовому датчику для определения коэффициента коррекции напряжения генератора,
2. Регистрация показаний вольтметров для определения коэффициента преобразования поверяемого датчика.

При выборе интервала усреднения, равном 10 периодам сигнала, и времени ожидания, равном двум интервалам усреднения, проведение измерений без автоподбора времени накопления данных занимает порядка получаса:

Диапазон частот, Гц	Кол-во точек	Длительность одного периода, с	Интервал усреднения данных вольтметрами, с	Время ожидания, с	Время измерений в одной точке, с
f	N	T=1/f	Tуср=10·max(T)	Tож=2·Tуср	Tизм=2·Tож
1 — 20 000	46	0,00005 — 1	10	20	40
Длительность измерений: 46·40=1840 секунд ≈ 30 минут

При разбиении частотного диапазона на поддиапазоны длительность проверки сокращается до 9 минут:

Диапазон частот, Гц	Кол-во точек	Длительность одного периода, с	Интервал усреднения данных вольтметрами, с	Время ожидания, с	Время измерений в одной точке, с
f	N	T=1/f	Tуср=10·max(T)	Tож=2·Tуср	Tизм=2·Tож
1 — 10	11	0,1 — 1	10	20	40
10 — 100	11	0,01 — 0,1	1	2	4
100 — 20 000	24	0,00005 — 0,01	0,1	1	2
Длительность измерений: 11·40+11·4+24·2=532 секунд ≈ 9 минут

Обработка результатов измерений

Математический аппарат SCADA систем позволяет реализовать обработку результатов измерений точно в соответствии с методическими указаниями МИ 1873. Полученные значения параметров сравниваются с допусками, и делается вывод о годности датчика.

Ниже приведен фрагмент внутренней структуры проекта «Поверка вибропреобразователей» от измерителных каналов до индикатора итога:

Сигналы от образцового и поверяемого датчиков поступают на вольтметры переменного тока. Показания вольтметров делятся, полученое значение коэффициента преобразования поверямого датчика поступает в массив K(F). В ходе измерений накапливается массив значений коэффициента преобразования при всех значениях из выбранного частотного диапазона. Вычитанием индекса начальной частоты из индекса базовой частоты определяется индекс опорной частоты выбранного диапазона.

Из массива значений К(F) и индекса опорной частоты последовательными операциями «Вычисление константы», «Деление на константу», «Умножение на константу» определяется массив отклонений коэффициента преобразования от значения на опорной частоте. Этот массив выводится на график, а также определяется максимальное по модулю значение элемента массива, которое выводится на цифровой индикатор и сравнивается с допуском. Результат сравнения выводится на рисунок-индикатор.

Сохранение результатов

Еще одно преимущество использования SCADA – возможность сохранять протоколы испытаний одним кликом «мыши». При этом файлы отчетов создаются по пользовательскому шаблону, т.е. результаты измерений могут быть «вписаны» в бланк предприятия.

К проекту «Поверка вибропреобразователей» прилагается шаблон отчета о результатах испытаний. Этот шаблон может быть изменен в соответствии с требованиями предприятия, использующего проект или заказавшего поверку вибродатчиков. Ниже приведены примеры шаблона отчета и отчета от испытаниях, созданного по этому шаблону (щелкните по рисунку для его увеличения).