Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы. Рубрика в журнале - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника
Adaptive algorithm for estimating vortex frequencies in vortex sonic flowmeters
Статья научная
The article focuses on the development of vortex shedding frequency estimation algorithm. It shows the difficulties of the application of classical algorithms (moving average and median fil-tering) for whole measurement range of vortex sonic flowmeter. These algorithms are effective at the high flow region, where frequency of arrival of information about vortex frequency is high. However, at the low flow region where aforementioned frequency equals to tenths of hertz these algorithms are ineffective. A new adaptive algorithm is offered which can operate in a whole range of flowmeter measuring. It combines an ability to react immediately if a flow starts changing, and to provide stable measurements if the flow is stable. The simulation of the proposed algorithm is implemented and its advantages over the algorithms used in serial manufacture are shown. It is noted that the developed algorithm does not need in powerful computing facilities.
Бесплатно
Algorithms for in-line pressure transmitters condition monitoring
Статья научная
Introduction. In the context of the transition of the world industry to new production technologies, the task of monitoring the technical condition of automatic control systems components, including pressure sensors, is urgent. Despite the existence of research and development aimed at creating systems for diagnostics and self-diagnosis of pressure sensors, the degradation mechanisms of mechanical parts of sensors and diagnostics algorithms during operation remain insufficiently studied. Aim. Propose algorithms for condition monitoring of the mechanical and hydraulic system of in-line pressure transducers. Materials and methods. This study is based on tests conducted on pressure modules with defects that simulate the lack of liquid in the separation cavity of the mechanical and hydraulic system of the transducer, manufactured by the industrial partner. The method of fault diagnosis is based on the analysis of statistical characteristics of the ADC signal of the pressure modules. Results. During the tests, hypotheses were confirmed about the dependence of the standard deviation of the output signal of the pressure module on the volume of liquid-oil in the channel. Based on the obtained data, algorithms for diagnosing the technical condition of the pressure sensor were proposed, which use the values of the sensor signal STD as a diagnostic parameter. The algorithms provide verification of the applicability conditions of the considered method and use additional information about the technological process. The problems that need to be solved for the practical implementation of algorithms in real production are formulated. Conclusion. The proposed algorithms for condition monitoring of the pressure sensor differ from the known diagnostic algorithms in that they use the results of experimental studies and are aimed at detecting a malfunction of the mechanical part of the sensors. Algorithms can be used to monitor the technical condition of in-line pressure sensors during operation under certain conditions that need to be clarified in the course of further research and field tests.
Бесплатно
Статья научная
Introduction. Gears are important parts of almost every operating mechanism in many industries. The gear condition monitoring is an important unit of condition monitoring of a mechanism as a whole. The vibration is one of the most used sources of information for equipment technical diagnostics. Traditionally, vibration is measured by accelerometers which are fixed on the mechanism body. Analyse of the measured data from the accelerometers requires applying the special methods and the staff with developed analytical skills. On the other hand, a novel approach to the accelerometer fitting location allows receiving extra diagnostic information and facilitating diagnosis. Aim. The present study shows the application of the novel approach to the accelerometer fitting location and the analyse of extra information for gearbox diagnosis. Materials and methods. The novel accelerometer fitting location is a rotating shaft of the mechanism. The extra diagnostic information is an angular acceleration of the rotating shaft. The theoretical base for the angular acceleration as diagnosis information is shown in the study. Results. The study contains experimental results of fault detecting such as the 'chipped tooth' and 'broken tooth' of a pinion. In addition, the study contains the proposed criteria for the detection of the local fault. Conclusion. The experimental results and the applied criteria show that the proposed approach allows detecting the pinion local defect on the first pinion rotation frequency clearly at various rotation frequencies.
Бесплатно
General approaches to dynamic measurements error correction based on the sensor model
Статья научная
The subject of the research is measuring systems and primary measuring transducers operating in a dynamic mode. It is aimed at the reduction of a dynamic measurements error due to the primary measuring transducer inertia and random high-frequency noise at the output. Three general approaches to the dynamic measurements error correction based on the dynamic measuring system structure with a dynamic model of the primary measuring transducer (sensor) are considered. The first approach implements the adaptive control of measuring system parameters method, the second one is based on the method of sliding mode control in the dynamic measuring systems, and the third one uses the neural network control method. The approaches mentioned above are based on the principles of modern and classical theory of automatic control and provide the dynamic measurements error correction by the sensor input signal recovery. In the classical problem statement this requires solution to the convolution integral equation and usage of the inverse Fourier transformation.
Бесплатно
Non-intrusive temperature measurement for liquid flow using compensators of pipelines
Статья научная
The article presents the results of a numerical study that aimed to accuracy improvement for non-intrusive measurements of the liquid flow temperatures in standard pipelines compensators. Non-intrusive measuring devices are one of the modern promising and profitable tools that stimulate the improvement of technologies and the involvement of world corporations in this sphere, while the growing intellectualization of measurements positively affects the safety and efficiency of the industry. The numerical study result is consistent with the results of laboratory tests and shows the general regularity of flow velocity effect the error of non-intrusive temperature measurements. Shown that measurements after the upper or lower elbow of the compensator makes possible to reduce the measurement error in the Reynolds (Re) range of about 1000-7000, which is characteristic for the onset of turbulent flow of a liquid. Also shown that gravity negatively affects the accuracy of measurements, so preference should be given to horizontally located compensators. Obtained that the flow in pipeline determines the largest temperature change in the wall region of the pipe for relatively high Re, and along the pipeline axis for small Reynolds numbers. In combination with the flow characteristics in the compensator, it changes temperature distribution and error, depending on the flow velocity in the pipeline. In particular, this effect determines error decreasing for temperature measurement in the compensators at low Re numbers. The existing surface temperature sensors, with correction the surface temperature measurements to the flow temperature, require calibration to work on flows with Re numbers varying over a wide range, and binding these measurements to pipeline compensators can improve the quality of measurements due to smoothing and, fluctuation thermal and hydrodynamic influences.
Бесплатно
On one solution of the numerical problem differentiation in calculation vertical speed of aircraft
Статья научная
To ensure safety and improve the efficiency of flight missions, reliable information about the altitude and speed parameters of the aircraft (AC) is required. Therefore, improving the algorithm for calculating the vertical speed used as part of the algorithmic support for air signal systems (ASS) is a very urgent task. Purpose of the study. The problem of calculating the vertical speed of an aircraft in the ASS is considered. Materials and methods. The analysis of literature data on the use of numerical differentiation procedures to solve this problem is carried out, it is noted that the methods used are based on different ideas and approaches. It is indicated that two-point algorithms are significantly worse than multi-point algorithms in terms of the achieved accuracy, however, they are characterized by significant simplicity and speed. Various versions of multipoint algorithms are used, differing in complexity, the amount of information used, and the accuracy achieved. The features of the regularizing algorithms, which are essentially filters of a low-frequency useful signal, suppressing the high-frequency component of the error in measuring the altitude signal or, what is the same, atmospheric pressure, are noted. The data on systems with hardware differentiation of the height signal are given. Results. A fairly simple four-point algorithm for numerical differentiation is proposed and substantiated. Due to the averaging of both the measurement results themselves and the estimates of the derivatives, significant filtering of noise is realized, which is an important advantage of the algorithm. For greater accuracy in estimating the vertical speed, it is envisaged to include a preliminary filtering algorithm in the experimental data processing scheme. The filtering algorithm is found from the solution of the optimization problem; it is shown that this algorithm is structurally similar to the filtering algorithms constructed according to the well-known approaches of R. Kalman. The results of computational experiments on the study of the features and characteristics of the proposed algorithms are presented, illustrating their advantages, performance and the possibility of further use in ASS. It is shown that preliminary filtering significantly increases the accuracy of the vertical velocity estimation. Conclusion. The developed algorithms can be used to improve the algorithmic support of the ASS.
Бесплатно
Phase converter of composing displacement
Статья научная
Minimax strategy of mechatronic converters efficiency improving relative to error decrease with velocity increase at the same time provides common dataware level rise. The analysis of usage possibilities of different type position transducers (PT) gives the advantages of resolvers. The subsequent processing of their output signals is performed by “Resolver-to-Digit” Converter (RDC) which provides displacement digital equivalent and digital or analog signals specifying its velocity and acceleration. With appearance new electronic component, including microcontroller, for increasing of accuracy of the measurements of the corner of the tumbling resolver possible to use such methods, which earlier realize was not on. Given article contains the offers about the most further development of the technical decisions for RDC of the corner. Replaceable elementary substracting section, traditionally used in all, without exception, schemes of the automatic regulation, on more “intellectual” statistical section, possible avoid the influence signals in sidebar to feedback on accuracy of the transformation.
Бесплатно
Resolver-to-digital converters with the arctangent function transformation
Статья научная
The work is devoted to the peculiarities of the construction of amplitude converters of type “angle-parameter-code”, in which arctangent function transformation is used when converting output signals of a resolver into a digital equivalent of movement. The features of the construction of brushless classical resolvers and varieties of their variable reluctance, in Russia known as reductosin, are considered. It allows to realize an electrical reduction, at which the sensor accuracy increases considerably. The principle of operation of the resolver, output signals of which contain reliable information about components of displacement of the rotor, is found out. Resolver-to-Digital Converter (RDC) corresponds to the postulate of the general theory of relativity on communication of space and time. A special place among one-component “angle-parameter-code” converters is held by the structures using arctg-conversion, at which quadrant or octant range splitting of the transformation of angular displacement is used. In the first case, angular transformation is implemented by the digital signal processor (DSP) or microcontroller, and in the second one - by ROM with arctg insertion. The structure and ratios necessary for calculation of movement by software and tabular implementation of arctangent function transformation. An original version of the analog-to-digital converter with arctg ROM is presented. Its capacity at identical length of the output code is four times less than the capacity of traditionally used ROM with a sine-cosine firmware. Octant representation of a full range transformation of the angle of rotation allows to generate an additional high order digit of the output code in comparison with a traditional quadrant band splitting. This not only improves the resolution of the conversion twice, but also simplifies coordination of samples at application of an electrical reduction with the reductosin.
Бесплатно
Автоматизация двухосевого поворотного стола КИН-52
Статья научная
Статья посвящена автоматизации двухосевого поворотного стола созданного на базе стационарного КИН-52. Представлены конструкторские решения механизма наклона по наружной оси и модуля вращения по внутренней оси испытательного стенда. Даны конструкторские оценки, как всего испытательного стенда, так и отдельных его элементов. Для автоматизированного электромеханического управления движением по осям стенда разработана и реализована функциональная схема поворотного стола, которая воплощена в специальном блоке управления. На лицевой стороне блока управления имеется сенсорная операторная панели, которая позволяет осуществлять дистанционное управление режимами работы стенда. Сбор данных с испытуемого прибора и параметров работы стенда осуществляется по отдельному каналу. В статье приведены результаты калибровки энкодера, позволяющие судить о реальной точности датчика углового перемещения. Работа модуля вращения отображена только на режимах разгона и торможения. Представленная математическая модель отражает основные переменные и параметры стенда.
Бесплатно
Акустический сенсор для оценки состояния производственного оборудования
Статья научная
Важной тенденцией развития промышленности является разработка цифровых моделей промышленных объектов, работа которых основана на информации, поступающей с сенсоров. Это позволяет оптимизировать функциональные возможности, прогнозировать техническое состояние объектов, что особенно важно, например, в области металлургического производства, где вынужденные остановки сопровождаются огромными потерями. Сами сенсоры тоже являются объектами моделирования, так как нуждаются в адаптации к жестким условиям производства, в которых проявляются их собственные недостатки, при этом важную роль имеет корректное введение поправок на условия окружающей среды, диагностика и самодиагностика, которые невозможны без построения различного типа моделей сенсора. Целью работы является разработка универсальной дискретной модели акустического сенсора, пригодной для приема и излучения акустических сигналов. Методы. В работе использованы методы классической механики и математики, теории колебаний, обобщенных функций, распределенных систем, а для обеспечения вычислений использовались методы математического программирования. Результаты. Основным результатом является универсальная дискретная модель сенсора с рабочим элементом в виде круглой пластины, которую выбором параметров можно трансформировать в модель однонаправленного динамического микрофона с плоской мембраной или излучателя с фокусирующим сферическим элементом. Показано, что на основе модели можно синтезировать узконаправленные диаграммы излучения и получить тем самым необходимую пространственную избирательность и помехозащищенность измерений. Заключение. Расчеты, проведенные с использованием предложенной модели, соответствуют известным результатам в акустике. Верификация дискретной модели по натурному образцу показала высокою точность определения резонансных частот и форм колебаний сенсора.
Бесплатно
Безэховая камера, встраиваемая в помещения промышленного назначения
Статья научная
Рассматриваются вопросы проектирования безэховых камер для антенных измерений определенного типа - встраиваемых в помещения промышленного назначения. Достоинством таких камер является положительный экономический эффект, связанный как со снижением издержек на строительные работы, так и с возможностью совместного использования вспомогательных систем помещения в процессе эксплуатации. Известные подходы к проектированию камер для антенных измерений основываются либо на обеспечении минимального уровня безэховости, либо минимальных габаритных размеров. В данном случае необходимо обеспечить компромисс между параметрами безэховости и габаритными размерами при обеспечении технологической доступности всей полезной площади помещения. Целью работы является обоснование формы и геометрических размеров камеры. Методы исследования. В процессе исследования использовались методы геометрической оптики. При обосновании формы камеры учитывались практические аспекты, а именно: распространенная форма помещений промышленного назначения и цехов, а также возможность эффективного использования распространенных радиопоглощающих материалов для покрытия камеры изнутри. В процессе нахождения оптимальных действующих геометрических размеров функционалами качества были приняты параметры безэховости и габариты. Результаты. Камера в форме прямоугольной трапеции является оптимальной для встраивания в помещения промышленного назначения. Найдены выражения для геометрических размеров камеры, обеспечивающей отсутствие отражений первого и второго порядка в рабочей зоне. Найдено оптимальное значение угла отклонения задней стенки безэховой камеры. Заключение. На основании вышеприведенной методики была реализована безэховая камера компактного полигона для антенных измерений.
Бесплатно
Идентификация состава жидких сред в проточной камере на основе резонансных измерений
Статья научная
Рассматривается виброакустическое устройство для измерения состава многокомпонентной жидкости. Работа устройства основана на свойстве конструкций резонансного типа изменять параметры вибрации при изменении внешней акустической нагрузки. Оригинальными здесь является и конструкция, позволяющая детализировать параметры текущей жидкости по сечению мерной части устройства, и метод измерения, основанный на отслеживании амплитудно-частотной характеристики, выбранной заранее формы колебаний, которая показала свою «живучесть» в разных средах или их комбинациях. Проведен модальный анализ и сформулированы критерии оптимальности формы колебаний сенсора для данной задачи. Проведены исследования чувствительности конструкции по частоте.
Бесплатно
Интегральная модель и численный метод определения температуры при линейном теплопереносе
Статья научная
В статье рассмотрена задача измерения, связанная с проблемой определения температуры внутри объекта, подвергаемого внешнему тепловому воздействию. В каждой точке поверхности тепловое воздействие одинаково и изменяется только по времени. В этом случае задача измерения температуры имеет вид задачи теплопереноса в линейном объекте, один конец которого соответствует точке на поверхности тела, а второй - внутренней контрольной точке. Исходные данные в задаче формируются на основе температурных измерений вблизи поверхности объекта. В данной работе задача теплопереноса сводится к интегральной модели с помощью прямого и обратного преобразования Лапласа. Полученное интегральное уравнение является уравнением Вольтерра I рода и характеризует прямую зависимость неизвестных температурных функций в контрольной точке от исходных данных. Для построения численного решения интегрального уравнения, устойчивого относительно погрешности исходных данных, в работе предложена вычислительная схема, основанная на регуляризующем подходе, в котором одним из параметров регуляризации является количество слагаемых в ядре. С целью получения экспериментальных оценок погрешностей решений задачи измерения был проведен вычислительный эксперимент на основе имитационного моделирования. В ходе эксперимента определены значения температурных функций в контрольной точке объекта и на основании полученных граничных функций найдены значения температуры во внутренних точках объекта. Также в ходе эксперимента выполнен сравнительный анализ найденных температурных функций в контрольной точке с тестовыми значениями. Результаты вычислительного эксперимента приведены в работе и свидетельствуют о достаточной точности предложенного вычислительного метода определения температуры при линейном теплопереносе.
Бесплатно
Использование вариации Аллана для практического определения структуры шумов инерциальных измерителей
Статья научная
Разработана методика оценки шумовых составляющих в измерительной информации инерциальных датчиков по методу вариации Аллана, при этом расчет вариации Аллана проводился, исходя из заданного уровня достоверности. Методика основана на способе многопараметрической оптимизации предложенной авторами нелинейной целевой функции и апробирована на примере акселерометрической и углоизмерительной информации образца бесплатформенного инерциального блока. Проведен сравнительный анализ полученных оценок шумовых составляющих с соответствующими оценками по классически используемому методу наименьших квадратов, а также с заявленными разработчиком характеристиками.
Бесплатно
Статья научная
Проблема обработки данных, полученных при динамических измерениях, - одна из центральных проблем в измерительной технике. Цель исследования. Статья посвящена модели измерительной системы и методу обработки результатов динамических измерений. Поэтому актуальной задачей является разработка алгоритмами обработки результатов динамических измерений. Материалы и методы. В этой статье предлагается модель измерительной системы без обратных связей и метод обработки данных, полученных при динамических измерениях на основе конечно-разностного подхода. Основные предпосылки математической модели задачи динамических измерений, связанной с процессами восстановления входного сигнала в условиях неполных и зашумленных исходных данных, заключаются в следующем. Изначально известна функция зашумленного выходного сигнала. Восстановление входного сигнала осуществляется с помощью передаточной функции датчика. Передаточная функция датчика представлена в виде дифференциального уравнения. Это уравнение описывает состояние динамической системы в реальном времени. Предлагаемая вычислительная схема метода основана на конечно-разностных аналогах производных. На основе саморегуляризирующего подхода была построена численная модель датчика. Проблема устойчивости метода решения дифференциальных уравнений высокого порядка также является одной из центральных проблем обработки данных в системах автоматического управления. Был получен необходимый уровень точности благодаря обобщенному квазиоптимальному подходу к выбору параметра регуляризации. Полученные результаты. Основной целью вычислительного эксперимента было построение численного решения рассматриваемой задачи. Стандартные тестовые функции рассматривались как входные сигналы. В качестве входного сигнала подавался тестовый сигнал, моделирующий физический процесс. Была найдена функция выходного сигнала с помощью предложенного численного метода, найденная функция была зашумлена аддитивным шумом в 5 %. Заключение. По зашумленному сигналу был восстановлен входной сигнал. Отклонение восстановленного сигнала от исходного во всех экспериментах составило не более 0,05, что говорит об устойчивости данного метода относительно зашумленных данных и возможности использования данного подхода в динамических измерениях.
Бесплатно
Статья научная
Предложен метод определения температуры при нелинейном теплопереносе внутри цилиндрического тела с неизвестной начальной температурой. Исходными данными являются результаты измерений температурных функций вблизи поверхности тела. Рассматриваемая задача возникает при термической обработке изделий в камерных печах. Математическая модель процесса включает в себя нелинейное уравнение теплопроводности, учитывающее зависимость теплофизических свойств материала от температуры, и граничные условия, характеризующие процесс теплообмена на поверхности тела. Для определения температуры внутри тела предложен метод дискретной регуляризации, позволяющий последовательно находить температуру в направлении от поверхности к оси цилиндра. Вычислительная схема метода предполагает использование стабилизирующих функционалов, а также конечно-разностных уравнений для определения температурных значений по пространственной переменной, что позволяет уменьшить влияние неизвестных начальных условий. Использование стабилизирующих функционалов позволяет обеспечить устойчивость вычислительной процедуры относительно погрешности исходных данных. В статье приведены результаты исследований устойчивости вычислительной схемы. С целью проверки принципиальной возможности определения температуры и получения экспериментальных оценок температурных погрешностей проведен вычислительный эксперимент. В эксперименте выполнен расчет температурного поля цилиндра с неизвестной начальной температурой, проведен сравнительный анализ найденных температурных функций с тестовыми значениями и получены экспериментальные оценки уклонений вычисленных температур от тестовых значений. Результаты вычислительного эксперимента представлены в работе, согласуются с теоретическими оценками и подтверждают эффективность и надежность предлагаемой вычислительной схемы.
Бесплатно
Методика расчета одноосевого микро-опто-электро-механического преобразователя угловых скоростей
Статья научная
Предложена методика расчета одноосевого микро-опто-электро-механического (МОЭМ) преобразователя угловых скоростей, построенного на основе оптического туннельного эффекта (ОТЭ). Разработан алгоритм и программное обеспечение, позволяющие производить расчет основных параметров МОЭМ-преобразователя при обеспечении заданных технических требований.
Бесплатно
Оценка точности измерения термопреобразователей сопротивления в процессе работы
Статья научная
Создание специализированных средств измерения для глубокой интеграции в современные цифровые АСУ ТП стало возможным только при использовании в измерительных преобразователях микропроцессорных устройств. Однако на сегодня улучшение основных характеристик средств измерения в современных системах АСУ ТП за счёт применения микропроцессоров в значительной степени исчерпано при существенном запасе производительности последних. Поэтому именно сейчас актуальной задачей дальнейшего совершенствования средств измерений является поиск новых вариантов создания интеллектуальных средств измерения. В рамках этой задачи в статье исследованы функциональные схемы интеллектуальных измерительных преобразователей температуры и предложены алгоритмы оценки их метрологической исправности в процессе работы в современных АСУ ТП. Предложен, обоснован и проверен на эксперименте алгоритм оценки точности измерения термопреобразователя сопротивлений в процессе работы.
Бесплатно
Подход к оценке частоты спектральной составляющей цифрового сигнала по спектру с низким разрешением
Статья научная
В данной статье рассматриваются методы получения точной частоты спектральной компоненты из спектра сигнала с недостаточным разрешением с целью выяснения точности и применимости описываемых методов. Приведены основные принципы и последовательность действий для реализации параболической интерполяции и частотной демодуляции. Указанные методы применены к синтезированному сигналу, содержащему частотную компоненту, которую не удается непосредственным образом определить по спектру с низким разрешением. Рассмотренные методы различаются по сложности вычислений и точности полученных результатов. Сделан ввод о применимости рассмотренных методов для различных задач вибродиагностики. Цель исследования. В данной статье рассматриваются методы получения точной частоты спектральной компоненты из спектра сигнала с недостаточным разрешением. Целью исследования является выяснение точности и применимости описываемых методов.
Бесплатно
Статья научная
В работе рассматривается диагностический метод электромиографии, позволяющий оценивать состояние функционирования нерва, иннервирующего поврежденную мышцу. Метод основан на регистрации и анализе биоэлектрических потенциалов мышц и периферических нервов. Цель исследования: разработка алгоритма работы и структурной схемы прибора электромиографии с возможностью преобразования результатов записи на ПК, дисплей и смартфон через USB и Bluetooth для их анализа. Материалы и методы. Предлагается метод измерения мышечной функции, который включает в себя наблюдение за движением мышц с поверхности кожи над мышцей. Мышечный датчик дает выходной сигнал в зависимости от ее активности. С помощью поверхностного электрода можно отслеживать общее движение мышц. С помощью программы для сопряжения мышечного сенсора Myoware EMG с Arduino получаем аналоговый сигнал. Значения датчика можно наблюдать на последовательном плоттере. Следующей задачей было прочитать данные датчика или аналоговое напряжение на LCD1602-дисплее. Мы подключили контакты I2C (SDA и SCL) LCD1602-дисплея к A4 и A5 Arduino. LCD1602-модуль отображает 2 строки по 16 символов. После загрузки специального кода LCD1602 по I2C-дисплей начал отображать значение аналогового сигнала EMG, а также напряжение. Arduino может связываться с другими устройствами через Bluetooth с помощью модуля HC-05 (zs-040). Этот модуль позволяет Arduino подключаться и обмениваться данными с другими устройствами, такими как смартфон, компьютер и т. п. Результаты. Было получено представление о биоэлектрическом потенциале, возникающем в мышце. Применяемый метод фиксации биоэлектрических сигналов в мышцах имеет практическое значение для клинической неврологии; его реализация облегчит и повысит диагностическую точность электрофизиологических исследований. Заключение. В данной работе разработана структурная схема прибора и решение технической задачи на основе технических требований, разработан алгоритм прибора. На выполнение практических работ с учетом затрат основных и вспомогательных материалов, а также прочих прямых затрат израсходовано 4963 руб.
Бесплатно
