Полный текст статьи доступен по ссылке.
Для диагностики электронных блоков систем управления (далее СУ) каким-либо механизмом применяют блоки, стенды или комплексы имитаторов сигналов датчиков и исполнительных механизмов. Испытания СУ при различных температурах проводятся благодаря имитатору термосопротивления, имитирующего сигналы терморезистивных датчиков различных типов.
К имитатору термосопротивления предъявляются следующие требования: диапазон имитируемого сопротивление датчика составляет 32…232 Ом; погрешность задания параметра равна 0,1 Ом; ток, задаваемый от проверяемого блока должен быть не более 5 мА; имитатор должен содержать номинальную статическую характеристику (далее НСХ) термосопротивления П50 по ГОСТ 6651-2009.
Так как моделируемое устройство должно содержать НСХ имитируемого термосопротивления П50, то диапазон имитируемого сопротивления 32…232 Ом соответствует температурному диапазону – 90…+ 1100 °С согласно ГОСТ 6651-2009.
Упрощенная схема разрабатываемого имитатора представлена на рисунке 1.
Цифро-аналоговый преобразователь (далее ЦАП) играет роль устройство регулирования напряжения и устанавливает выходное напряжение в диапазоне от 0 В до до напряжения питания 3 В в зависимости от поступающего от системы управления цифрового кода. Роль системы управления играет микроконтроллер.
Установившееся выходное напряжение ЦАП поступает на повторитель DA1, построенный на операционном усилителе, для его согласования с элементом измерения – резистором R2, на который поступает измерительный ток Iизм с проверяемого блока и ток Iповт с повторителя через резистор R1.
Сопротивления R1и R2 образуют резистивный делитель напряжения относительно выходного напряжения повторителя. Проверяемый блок переводит падение напряжения на резисторе R2 в температуру.
Для контроля параметров предусматривается также установка измерителей тока и напряжения, данные от которых поступают на микроконтроллер.
Для реализации самокалибровки имитатора терморезистивного датчика температуры сначала необходимо произвести расчет основных его параметров: значений номиналов резисторов R1 и R2, погрешности задания имитируемого сопротивления и отклонения заданной температуры.
Методом контурных токов можно определить напряжение на резисторе R2 и соответствующее ему выходное сопротивление имитатора Rим 2:
| Rим=R2IизмR1+R2IсуммR1+UЦАП, | (1) |
где Iизм – измерительный ток с проверяемого блока; UЦАП – напряжение, устанавливаемое ЦАП.
Согласно формуле (1) сопротивление имитатора Rим линейно зависит от устанавливаемого напряжения UЦАП.
Диапазон имитируемых сопротивлений можно определить по формуле:
| Rим max-Rим min=UЦАП max R2Iизм(R1+R2), | (2) |
где Rимmax - максимальное имитируемое сопротивление; Rимmin - минимальное имитируемое сопротивление.
Так как изначально были заданы величины Rимmin=32 Ом; Rимmax=232 Ом; максимальное выходное напряжение ЦАП UЦАП=UпитЦАП=3 В, измерительный ток проверяемого блока Iизм=5 мА, то были рассчитаны величины сопротивлений R1=96 Ом и R2=48 Ом.
Погрешность задания сопротивления обуславливается отклонениями сопротивлений R1 и R2 от своих номинальных значений. Данную погрешность ∆R'им можно определить по формуле (3), взяв полный дифференциал ∆R по R1 и R2 3.
∆R'им=R1∙R2IсуммR2-UЦАПIсуммR1+R22δR1+R1∙R2IсуммR1+UЦАПIсуммR1+R22δR2, | (3) |
где δR1=δR2=0,1%m– относительное отклонение сопротивлений R1 и R2 от собственного номинала для ряда Е192; UЦАП – выходное напряжение ЦАП.
Так как ЦАП на выходе выдает напряжение в диапазоне от 0 В до 3 В, то погрешность задания сопротивления ∆R' согласно формуле (3) будет также определяться диапазоном в соответствии с минимальным и максимальным значениями напряжения UЦАП: ∆R'имmin=∆R'имmax=0,032 Ом. Таким образом, погрешность задания сопротивления ∆R'им не превышает заданной погрешности ∆Rим=0,1 Ом.
Используя формулы (1), (3) можно определить отклонение задаваемой температуры:
∆t=R1R2δR1-R0(δR1-δR2)R0(R1+R2)α-R1(δR1-δR2)R1+R2t, | (4) |
где R0 – номинальное значение сопротивления имитируемого термосопротивления при 0 °С; α – ТКС имитируемого термосопротивления; t – диапазон значений имитируемой температуры.
Для имитируемого термосопротивления П50 по ГОСТ 6651-2009 приводятся следующие характеристики: номинальное сопротивление R0=50 Ом, ТКС α=0,00391 °С-1. Согласно формуле (4) определили отклонение задаваемой температуры ∆tП50=±0,16 ℃, которое лежит в допустимом пределе.
Для осуществления самокалибровки вводится этап сравнения рассчитанного отклонения задаваемой температуры с определенной константой. Если полученное значение ∆t превысит константу, то происходит уменьшение на единицу сопротивлений R1 и R2. В этом случае отклонение имитируемой температуры снижается до значения ∆t=0,1608°С. Данная операция повторяется до тех пор, пока отклонение ∆t не ввернется в установленный диапазон, ограничиваемый константой, которая выставляется вручную оператором или автоматически микроконтроллером.
Благодаря компьютерному моделированию в среде LabView удалось автоматизировать расчеты всех параметров имитатора терморезистивного датчика температуры и процесс самокалибровки, а также отобразить данные результаты в виде графиков и цифровой индикации.
1. Мирина, Т.В., Мирин, Н.В. Функциональные электронные узлы измерительных и диагностических систем: учебное пособие / Т.В. Мирина, Н.В. Мирин – Уфа, 2011. – 303 с.
2. Ковшевный, А.А. Имитация объекта контроля для систем управления температурой: тезисы докл. / А.А. Ковшевный, Е.Е. Нужин, А.П. Шестаков / – Екатеринбург: УрФУ, 2016. — 292-299 с.