Способ определения режимов работы синусно-косинусных датчиков

Предложенное изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при построении датчиков инклинометров, магнитных компасов и устройств, предназначенных для определения ориентации подвижных объектов. Технический результат от реализации изобретения состоит в увеличении точности измерений, а также в обеспечении возможности определения аварийных режимов работы устройств, связанных с обрывами и короткими замыканиями в цепях возбуждения синусно-косинусных датчиков. Способ определения режимов работы синусно-косинусных датчиков заключается в усилении, детектировании и аналого-цифровом преобразовании синусного и косинусного сигналов диагностируемого датчика, а также в использовании значений опорных сигналов при обработке измерительной информации. При этом определяют абсолютные значения синусного и косинусного сигналов диагностируемого датчика и сравнивают их со значениями опорных сигналов, которые соответствуют границам заданных режимов работы синусно-косинусных датчиков, в которых они используются, при этом делают вывод, что диагностируемый синусно-косинусный датчик работает в том режиме, при котором абсолютные значения обоих сигналов данного датчика не превышают значения заданных опорных сигналов, соответствующих границам данного режима работы, а если ни один из заданных опорных сигналов, соответствующих границам заданных режимов работы диагностируемого датчика, не отвечает данному условию, то делают вывод, что датчик работает в режиме, при котором сигналы диагностируемого датчика превышают диапазоны входных сигналов аналого-цифрового преобразователя, используемого при аналого-цифровом преобразовании.

 

Предлагаемый способ относится к области приборостроения и может быть использован при построении датчиков инклинометров, магнитных компасов и устройств, предназначенных для определения ориентации подвижных объектов.

Известен способ обработки сигналов феррозондов, который реализуется в феррозондовом датчике азимута (Авторское свидетельство № 1025877, Е21В 47/02, БИ № 24, 1983). Способ заключается в том, что сигналы феррозондов усиливают, детектируют и преобразуют в цифровые коды, которые далее используют для вычисления азимута.

Недостатком такого способа является отсутствие контроля значений сигналов феррозондов, по которым вычисляется азимут. В результате при обработке сигналов, которые вследствие воздействия помех превышают по величине диапазоны входных сигналов аналого-цифровых преобразователей, получаемые значения азимута имеют большие погрешности.

Известен также способ обработки сигналов феррозондов, реализованный в устройстве для контроля комплекса параметров траектории скважин и угла установки отклонителя (Авторское свидетельство № 1078041, Е21В 47/02, БИ № 9, 1984). Он заключается в том, что сигналы феррозондов усиливают, трансформируют путем передачи через синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы и преобразуют в цифровые коды, которые далее используют для вычисления азимута.

Достоинством этого способа является то, что за счет передачи сигналов феррозондов через вращающиеся трансформаторы изменяются функциональные зависимости сигналов и упрощаются алгоритмы вычисления азимута. Однако данный способ имеет тот же существенный недостаток, что и предыдущий аналог, т.к. при его использовании допускается обработка сигналов, значения которых вследствие воздействующих на устройство вибраций и ударов превышают диапазон входных сигналов аналого-цифрового преобразователя, в результате чего возникают большие погрешности при определении азимута.

Наиболее близким по сущности к предлагаемому способу обработки сигналов синусно-косинусных датчиков является способ, который принят в качестве прототипа и реализован в преобразователе азимута инклинометра (Авторское свидетельство № 1760324, G01С 17/00, БИ № 33, 1992). Он заключается в том, что сигналы феррозондов, которые имеют ортогональные оси чувствительности и представляют собой синусно-косинусный датчик, усиливают, детектируют и преобразуют в цифровые коды, используемые далее для вычисления азимута, т.е. угла поворота подвижного объекта в горизонтальной плоскости. При этом производят измерения опорных сигналов, соответствующих некоторому действующему значению входного сигнала применяемых аналого-цифровых преобразователей и потенциалу общего провода схемы преобразователя, что позволяет учесть изменения параметров каналов преобразования сигналов феррозондов и тем самым повысить точность измерения азимута.

В процессе эксплуатации преобразователь может подвергаться воздействию вибраций и ударов, а также попадать в зоны действия объектов, обладающих ферромагнитными свойствами или собственными магнитными полями. При этом сигналы феррозондов могут достигать значений, превышающих диапазон входных сигналов аналого-цифровых преобразователей. Кроме того, преобразователь может находиться в таких местах, где измеряемое магнитное поле имеет очень низкую напряженность, например внутри обсадных труб в скважинах, в результате чего сигналы феррозондов могут иметь значения, существенно меньшие, чем диапазон входных сигналов аналого-цифровых преобразователей. Таким образом, в процессе работы преобразователя сигналы феррозондов могут достигать значений, превышающих или существенно меньших диапазонов входных сигналов аналого-цифровых преобразователей. В результате использования таких значений для вычисления азимута возникают большие погрешности, которые в целом снижают точность измерений. Это является существенным недостатком известного способа обработки сигналов.

В устройствах с синусно-косинусными датчиками целесообразно ввести условные режимы работы синусно-косинусных датчиков, задав их диапазонами изменения сигналов датчиков и обозначив, например, как режим малых сигналов, режим больших сигналов (режим перенапряжений), режим нормальной работы, режимы заданных погрешностей и т.п. Тогда определение указанных режимов работы позволит не только контролировать состояние синусно-косинусных датчиков, но и оценивать погрешности текущих измерений параметров.

Предлагаемое изобретение решает задачу определения режимов работы синусно-косинусных датчиков с целью обеспечения возможности отбраковки сигналов, обработка которых приводит к большим погрешностям при определении измеряемых параметров, а также с целью выявления аварийных ситуаций при работе преобразователей.

Технический результат, получаемый от использования изобретения, состоит в увеличении точности измерений параметров за счет снижения дисперсии измеренных значений параметров, а также в обеспечении возможности защиты преобразователей с синусно-косинусными датчиками при коротких замыканиях и обрывах в их электрических цепях.

Решение указанной задачи достигается тем, что в способе определения режимов работы синусно-косинусных датчиков, который заключается в усилении, детектировании и аналого-цифровом преобразовании сигналов датчиков, а также в использовании значений опорных сигналов при обработке измерительной информации, в отличие от прототипа определяют абсолютные значения сигналов датчиков и сравнивают их со значениями опорных сигналов, которые соответствуют заданным границам диапазонов изменения сигналов датчиков, при этом режимы, характеризующие изменения в работе датчиков, определяют из условий непревышения абсолютными значениями обоих сигналов синусно-косинусных датчиков значений соответствующих опорных сигналов.

Сигналы синусно-косинусного датчиков после усиления и детектирования имеют вид

где U_m - амплитуда сигналов, Ψ - измеряемое угловое перемещение подвижного объекта. Аналого-цифровое преобразование этих сигналов дает значения кодов

где N и V - соответственно разрядность и верхняя граница диапазона входных сигналов используемого аналого-цифрового преобразователя (имеется в виду, что диапазон входных сигналов аналого-цифрового преобразователя составляет 0-V), U₀=0,5V - смещение сигналов, вводимое при аналоговой обработке с целью определения знаков цифровых кодов, соответствующих сигналам датчиков. Для вычисления значений измеряемых параметров по сигналам датчиков используется алгоритм

где N₀=2^N-1 - цифровой код, соответствующий смещению сигналов датчиков U₀.

Для нормальной работы синусно-косинусных датчиков необходимо, чтобы значения их сигналов удовлетворяли условию

при этом для обеспечения высокой точности измерения параметров амплитуды сигналов датчиков должны находиться в диапазоне

Если амплитуды сигналов датчиков малы по сравнению с U₀, происходит относительное увеличение значений шагов квантования при аналого-цифровом преобразовании и значительно возрастают погрешности измерений. Например, если используется 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь (N=10) и сигналы синусно-косинусного датчика равны U_C=0,9U₀ и U_S=0,25U₀, то вычисленное по формуле (3) значение измеряемого угла составит Ψ_R1=15,524⁰. С учетом квантования сигналов значение измеряемого угла будет определяться по формуле

где Δ_C и Δ_S - шаги квантования, которые принимают значения 0 или ±1. В этом случае при Δ_C=-1 и Δ_S=1 значение измеряемого угла станет равным Ψ_R2=15,665⁰, т.е. погрешность, обусловленная квантованием сигналов, составит Ψ_R2-Ψ_R1=0,141⁰. Это значение вполне соответствует хорошей точности измерения параметров.

Однако, если сигналы датчика уменьшатся в 10 раз, т.е. примут значения U_C=0,09U₀ и U_S=0,025U₀, то при прочих равных условиях значение измеряемого станет равным Ψ_R3=16,768⁰, а соответствующая погрешность составит Ψ_R3-Ψ_R1=1,244⁰. Это значение погрешности не позволяет считать измерения точными и требует либо коррекции, либо исключения соответствующих результатов измерений.

Если абсолютные значения одного или обоих сигнала датчика превышают величину U₀, то условия (4) не выполняются, нарушаются синусные и косинусные зависимости сигналов от измеряемого угла и возникают существенные погрешности. Например, если косинусный сигнал датчика U_C принимает положительные значения, превышающие U₀, то его цифровое значение будет неизменным и равным 2. В этом случае при прежнем значении U_S=0,25U₀ измеренное значение угла составит

а погрешность измерения будет иметь недопустимо большое для точных измерений значение Ψ_R4-Ψ_R1=-1,488⁰.

Таким образом, как режим малых сигналов, так и режим больших сигналов (режим перенапряжений) синусно-косинусных датчиков являются нежелательными, т.к. приводят к большим погрешностям измерений параметров. Поэтому с целью коррекции неточной измерительной информации в процессе работы датчиков эти режимы необходимо определять.

В предлагаемом способе указанные режимы определяются при сравнении абсолютных значений сигналов датчиков с заданными значениями соответствующих опорных сигналов. При этом новизна и неочевидность предлагаемого способа состоит в том, что он пригоден для выявления различных по существу режимов работы синусно-косинусных датчиков, а также в том, что абсолютные значения обоих сигналов датчиков сравнивают только с одним общим для них опорным сигналом.

При использовании предлагаемого способа обработки сигналов синусно-косинусных датчиков выполняют следующие операции:

1. Производят аналого-цифровое преобразование сигналов синусно-косинусных датчиков (1)

U_C=U_mcosΨ, U_S=U_msinΨ,

в результате чего получают цифровые коды

где U_m - амплитуда сигналов, Ψ - измеряемое угловое перемещение, N и V - соответственно разрядность и верхняя граница диапазона входных сигналов используемого аналого-цифрового преобразователя, U₀=0,5V - смещение нулевого уровня сигналов, необходимое для определения их знаков;

2. Определяют значения сигналов датчиков в цифровом виде

где

3. Определяют абсолютные значения сигналов датчиков

Практически это делают с помощью следующих логических операций:

и , если N_C, N_S>N₀

, и ,если N_C, N_S, <N₀;

4. Вводят опорные сигналы М_i и сравнивают абсолютные значения сигналов датчиков (10) со значениями опорных сигналов. При выполнении условий

определяют режимы работы датчиков, соответствующие 1-м опорным сигналам.

Для определения режимов, связанных с обрывами и замыканиями в цепях возбуждения датчиков и приводящих к пропаданию сигналов, значения опорных сигналов выбирают равными нескольким единицам младших разрядов используемых цифровых кодов. В частности при N=10 значение опорного сигнала может быть выбрано из диапазона М=(8...16).

При определении режимов малых сигналов синусно-косинусных датчиков значения опорных сигналов целесообразно выбирать исходя из заданных значений максимально допустимых в этих режимах погрешностей измерения. Учитывая то, что погрешность, обусловленная квантованием сигналов, равна

и при имеет максимальное значение

из последнего равенства может быть найдено относительное значение амплитуды сигналов синусно-косинусного датчика, которое соответствует заданному максимальному значению погрешности ,

При этом значение опорного сигнала для определения режима малых сигналов по критерию максимально допустимого значения погрешности измерения составит

В частности, при N=10 и 0,017 рад. (1,0⁰) значение опорного сигнала будет равно М=42.

Для определения нормальных режимов работы синусно-косинусных датчиков значение опорного сигнала при N=10 целесообразно выбрать равным М=2^N-1-(15...20), а режимов, связанных с перенапряжениями на входах аналого-цифровых преобразователей, - равным М=2^N-1-(0...5).

В устройствах с синусно-косинусными датчиками, где используется предлагаемый способ обработки сигналов, целесообразно формировать служебные сигналы, которые отражают текущие режимы работы датчиков и дают возможность принимать соответствующие решения, а именно: при определении оптимальных режимов работы датчиков использовать поступающую от датчиков измерительную информацию для точного количественного контроля измеряемых параметров; в режимах, связанных большими погрешностями, использовать измерительную информацию только для качественного контроля параметров; в режимах, связанных с перегрузками на входах аналого-цифровых преобразователей, не производить обработку сигналов датчиков; при определении отказов преобразователей производить отключение от источников питания и проверку устройств.

Предлагаемый способ может быть реализован программным путем в тех же вычислительных устройствах, в которых производится обработка сигналов датчиков. Кроме этого, он может быть реализован с помощью отдельных логических устройств, построенных на основе аналоговых или цифровых компараторов, однако этот путь связан с дополнительными аппаратурными затратами и является малоперспективным.

Предлагаемый способ может быть использован и для анализа работы трехкомпонентных датчиков ориентации объектов. В этом случае трехкомпонентные датчики представляются в виде двух (или трех) синусно-косинусных датчиков, измеряющих перемещения объектов в двух (или трех) ортогональных плоскостях в пространстве, а режимы работы определяют при совпадении условий (11) для каждого из синусно-косинусных датчиков.

Способ определения режимов работы синусно-косинусных датчиков, который заключается в усилении, детектировании и аналого-цифровом преобразовании синусного и косинусного сигналов диагностируемого датчика, а также в использовании значений опорных сигналов при обработке измерительной информации, отличающийся тем, что определяют абсолютные значения синусного и косинусного сигналов диагностируемого датчика и сравнивают их со значениями опорных сигналов, которые соответствуют границам заданных режимов работы синусно-косинусных датчиков, в которых они используются, при этом делают вывод, что диагностируемый синусно-косинусный датчик работает в том режиме, при котором абсолютные значения обоих сигналов данного датчика не превышают значения заданных опорных сигналов, соответствующих границам данного режима работы, а если ни один из заданных опорных сигналов, соответствующих границам заданных режимов работы диагностируемого датчика, не отвечает данному условию, то делают вывод, что датчик работает в режиме, при котором сигналы диагностируемого датчика превышают диапазоны входных сигналов аналого-цифрового преобразователя, используемого при аналого-цифровом преобразовании.