Przyrząd mikroprocesorowy do pomiaru przemieszczeń liniowych w zakresie 0 - 10 mm

Z E S Z Y T Y N A U K O W E POLITECHNIKI Ś L Ą S K I E I S e r i a : £LEi4fftVKA ż . 119--- ---

_____________1 9 9 1

Nr kol. 1104

J er zy R O J

P R Z Y R Z Ą D M I K R O P R O C E S O R O W Y D O P O M I A R U P R Z E M I E S Z C Z E Ń LINIOWYCH W Z A K R E S I E O + 10 m m

S t r e s z c z e n i e . W a r t y k u l e o p i s a n o s p o s O b p o m i a r u o r a z Środki s p r z ę t o w e i p r o g r a m o w e z a s t o s o w a n e d l a c e l O w m i e r z e n i a p r z e m i e s z ­ c z e ń liniowych w zakresie 0 * 10 m m z rozdzielczością 10* Przyrząd składa sie z czujnika przemieszczenia, k t ó r eg o sy gnałem wyjściowym jest napięcie p r o s t o k ą t n e o okresie z aleZnym w przybliżeniu liniowo od przemi e sz cz en i a o r a z z m i k r o k o m p u t e r a o budowie modularnej.

Dzięki z a s t o s o w a n i u s a t n d a r d o w y c h m o d uł ów s p r z ę t o w y c h mi k ro proceso­

ra Z - 80 o r a z wyspecjalizowanego o p r o g r a m o w a n i a uzyskano p ro s tą konstrukcje przyrządu, kt ór y m o Z e być s p r z ę ż o n y z profesjonalnym m i k r o k o m p u t e r e m w y p o s a ż o n y m w odpowiednie Środki uruchamiania o p r o g r a m o w a n i a użytkowego. Z a s t o s o w a n i e p r o g r a m o w e j korekcji błędów liniowości czujnika pozwoliło n a uzyskanie błędu p o m i a r u nie wi ę ks ze go niż 0,06 % .

1. W s t ę p

Użycie m i k r o k o m p u t e r a do p r z e t w a r z a n i a sygnału wyjściowego z czujnika o r a z z a s t o s o w a n i e p r o g r a m o w e j korekcji Jego błędów liniowości pozwoliło na z b u d o w a n i e p r z y r z ą d u do p o m i a r u p r z e m i e s z c z e ń liniowych o s t o s u n k o w o p r os te j konstrukcji i rozdzielczości 10* w zakresie p r z e t w a r z a n i a 0 -r 10 m m z błedem nie p r z e k r a c z a j ą c y m 0,06 54 . W przyrządzie z a s t o s o w a n o czujnik działający n a zasadzie z m i an y pojemności k o n d e n s a t o r a w e w n ę t r z n e g o n a s k u t e k z m i a n y w z a j e m n e g o położenia jego elektrod. Sygnał wyjściowy czujnika jest napięciem p r o s t o k ą t n y m o okresie w przybliżeniu proporcjo­

nalnym do przemieszczenia. Błąd liniowości czujnika jest r z ę d u 0,25 54 i zależy od jego p a r a m e t r ó w konstrukcyjnych o r a z temperatury. Bliższe dane n a t e m a t konstrukcji czujnika o r a z p a r a m e r ó w merologicznych p od an o w pracy 141.

2. S t r u k t u r a p r z y r a ą d u

P r z y r z ą d m i k r o p r o c e s o r o w y do p o m i a r u p r z e m i e s z c z e ń liniowych został z b u d o w a n y w oparciu o k a s s t « uniwersalną t y p u Z A Z prod. P O L O N o wymiarach:

265 X 173 X 210 m m , w y p o s a ż o n ą w magistrale umożliwiającą sp r zę ż e n i e ze s o b ą do 12 m o d u ł ó w Na p rz yr z ą d składają sie n a s t ę p u j ą c e moduły:

- układ do p o m i a r u o k r e s u s p r z e Z o n y z czujnikiem pr z em ieszczenia w y p o s a ż o n y w wyświetlacz wyniku pomiaru,

- m i k r o k o m p u t e r Jednokartowy, z b u d o w a n y n a m i k r o p r o c e s o r z e Z - 80 1 za w ierający 8kB pamięci t y p u RAM, 16 IcB pamięci t y p u E PR OM , układ liczników p r o g r a m o w a l n y c h C T C o r a z m o d u ł transmisji s z e r e g o w e j SIO.

* zasilacz.

S t r u k t u r ę urządz e ni a p r z e d s t a w i o n o n a rys.l.

Rys.l S c h e m a t blokowy p r z y r z ą d u m i k r o p r o c e s o r o w e g o do p o m i a r u p r z e m i e s z ­ c z e ń liniowych

Fig.l. T h e błock d i a g r a m o f t h e intelligent i n s t r u m e n t f o r m e a s u r i n g linear displacements

B u d o w a o r a z o p r o g r a m o w a n i e p r z y r z ą d u s t w a r z a wiele m o Z U w o S c i Jego wykorzystania. O p r ó c z s w e g o p o d s t a w o w e g o zadania, tj. p o m i a r u p r z e m i e s z ­ czenia, p r z y r z ą d m o Z e p r a c o w a ć Jako czestoSciomierz, samodzielny m ik ro k om pu te r , w s p ó ł p r a c o w a ć z m o n i t o r e m a l f a n u m e r y c z n y m o r a z z innymi urządzeniami m i k r o p r o c e s o r o w y m i p o p r z e z s z e r e g o w y układ w e / w y Z - 80 SIO.

3. S p o s ó b p o m i a r u o k r e s u

D o p o m i a r u o k r e s u p rz eb i e g u p r o s t o k ą t n e g o z a s t o s o w a n o w przyrządzie m od uł liczników p r o g r a m o w a l n y c h Z - 8 0 CTC, k t ó r y składa sie z 4 niezależ­

nych, o Sm io b i t o w y c h liczników w r a z z układami sterującymi. K a Z d y z liczni­

k ó w w zależności od w s t ę p n e g o z a p r o g r a m o w a n i a , m o Z e p r a c o w a ć Jako licznik odejmujący, liczący impulsy w p r o w a d z a n e z z e w n ą t r z lub Jako układ czasowy,

b ędący licznikiem odejmującym, zliczającym impuisy z e g a r a systemowego.

Istotnymi własnościami liczników m odułu C T C s ą ponadto:

- możliwość odcz yt u s t a n u wszystkich liczników w dowolnej chwili ich pracy,

- w s t ę p n y podział p r z e z 16 lub 250 częstotliwości wejściowej k a żd eg o z li­

czników z a p r o g r a m o w a n y c h , Jako układ czasowy,

- inicjacja zliczania w trybie Jako układ c z a s o w y Cw zaleZnoSci od w s t ę p ­ n e g o z a p r o g r a m o w a n i a ) p r z e z naras ta j ąc e lub opadające z b o c z e na odpo wi e dn im wejściu b ra m ku j ą c y m ,

- g e n e r o w a n i e p o j e dy nc ze g o impulsu wy j ściowego w chwili osiągnięcia s t a n u z e r o w e g o n a wyjściu Z G x T O Cza wy ją t ki em kanału 3).

W ym ie n i o n e p o w y Z e j własności m od uł u C T C w y k o r z y s t a n o realizując układ do p o m i a r u okresu, k tO ry p r z e d s t a w i o n o n a rys.2.

Rys.2 S p o s O b realizacji p o m i a r u o k r e s u

Fig.2. T h e m e t h o d u s e d f o r m e a s u r i n g t h e period

Układ t e n działa n a zasadzie zliczania impulsOw o częstotliwości w z o r c o ­ w e J

f

duje przftjńcie wyjścia drugiego p rz ar zutnika w s t a n wysoki i oiwai>ci«

bramek: B2 i B3. Liczniki CTG 2 i G T G 3 r o z p o c z y n a j ą zliczanie impulsów p rz eb ie g u m i e r z o n e g o U . P o zliczeniu z a d an ej liczby impulsów, licznik GTG1 g e n e r u j e sygnał STOP, k b ó r y p o w o d u j e pojawienie sie na wyjściu p i e r w s z e g o p rz er zutnika s t a n u niskiego. Pociąga b o z a s o b ą zamkniecie b ramki BI o r a z pojawienie sie s t a n u niskiego n a wyjściu drugiego p r z e ­ rzutnika, co p o w o d u j e zamkniecie b r a m e k BI i B2. M o ż n a b a k dobrać wielokrobność o k r e s u m i e r z o n e g o dla danej czesbobliwości wz o rc ow ej , by z a w a r b o ś ć liczników CTC 2 o r a z CT C 3 w sk az y w a ł a b e z po śr e dn io w a r t o ś ć okresu m i e r z o n e g o .

Niedokładność bak zrealizowanego s p o s o b u p o m i a r u o k r e s u zależy od n a s t ę ­ pujących czynników:

- błędu w z o r c a czesbobliwości, - błędu kwanbyzacji,

- błędu p r z e t w o r z e n i a zliczonej liczby impulsów n a wynik pomiaru.

W z b u d o w a n y m pr zyrządzie w y p a d k o w y błąd p o m i a r u okresu, k b ó r e g o dominują-, c y m składnikiem jesb błąd kwanbyzacji, wynosi = 0,007 % £43.

4. K o r ek c ja błędów liniowości

Dla celów korekcji błędów liniowości z a s b o s o w a n o m e b o d e o p a r b ą na zasadzie o d t w a r z a n i a £63 polegającą na ro zw ią z y w a n i u funkcji o d w r o b n e j do f unkc ji opisującej p r o c e s p r z e t w a r z a n i a pomiarowego. Isboba bej m e b o d y polega n a b a b licowani u funkcji o d w r o b n e j w pamięci m i k r o p r o c e s o r a w w y b r a ­ nych p u n k b a c h (węzłach) o r a z liniowej a p r o k s y m a c ji bej f unkc ji miedzy węzłami. M e b o d e be cechuje p r o s b o b a działań n u m e r y c z n y c h p r z y względnie niewielkim zajęciu pamięci n a p r z e c h o w y w a n i e p a r a m e b r ó w . Poniżej w skrócie opisano realizacje bej m e b o d y dla nieliniowej funkcji jednej zmiennej, n a t o m i a s t w pracy £23 p r z e d s b a w i o n o algo r yb m p o s t ę p o w a n i a w przypadku wi e lo w y m i a r o w e g o opisu własności p r z e t w o r n i k a (zależność i unkc ji p r z e b w a r z a n i a od wielkości wpływających).

Zakłada sie, ż e ogólny zapis o d w r o b n e j funkcji p r z e b w a r z a n i a m a posbać:

x = FCy) (1)

gdzie x jesb wielkością wejściową, n a t o m i a s t y wielkością wyjściową przebwornika. Z m i e n n a y w o b s z a r z e s w o je j zmienności jesb r e p r e z e n t o w a n a w wybranych, r ó wn oo dd a lo ny ch węzłach p r z e z ciąg próbek:

y (1), y (n >, ..., y (N ) C2>

o ' o y o y

gdzie jesb liczbą wę złów

O c e n © wielkości wejściowej uzyskuje si© n a po ds tawie wyrażenia:

X = x e s A y , (?)

» y

k tó re opisuje p r oc e d u r © przybliżonego r o związywania r ó w na ni a Cl), gdzie Jest o c e n ą wartości x u zy s k a n ą w wyniku rozwiązania r ó w na n ia (1> w weZle, S przybliżonym nachyleniem charakterystyki f unkc ji o d w r o t n e j miedzy węzłami, a p o n a d t o zachodzi:

A y • y -

yo ,

gdzie y Jest wynikiem p o m i a r u wielkości wyjściowej, y^ jest odpowiednią w ar to ś c i ą węzłową.

P r o c e d u r a korekcji błędów s t at yc zn y ch składa sie z 3 etapów:

1. N a po ds ta wi e w y n ik ó w p o m i a r o w y c h w y z n a c z a sie w a r t o ś ć w ę z ł o w ą oraz odległość Ay wyniku p o m i a r o w e g o od węzła.

2. Z g o d ni e z w y z n a c z o n ą wa rt oś c ią w ę z ło wą odszukuje sie w pamięci mikro- p r o c e s o r a o ce ne x o r a z nachylenie S .

3. W y z n a c z a sie o c e n e wartości wielkości wejściowej x zgodnie z w yr a że n i e m

<3).

6

[fim] o 6k o r ltm]

Rvs.3 W y k r e s w y p a d k o w e g o błędu p o m i a r u przemieszczenia. K r z y w a Ca) — bez korekcji. K r z y w a Cb) - z korekcją błędów liniowości

Fig.3. Resultant e r r o r t h e displacement.Ca) - without correction, <b> - w it h correction

- 117 -

P ra kt y c z n e z a s t o s o w a n i e w y ż e j opisanej w ę z ł o w e j m e t o d y korekcji błędów s ta ty cz n yc h w w y k o n a n y m p rz yrządzie do p o m i a r u p r z e m i e s z c z e ń liniowych pozwoliło n a zmniejszenie błędu liniowości d o war to śc i

*\or

%

5. Uwagi k o ń c o w e

Z a s t o s o w a n i e p r o g r a m o w e j korekcji błędów liniowości czujnika p r z e m i e s z ­ czenia pozwoliło n a zmniejszenie w a rt o ś c i t y c h błędów w przybliżeniu o rząd. Dalsze zmniejszenie ich war to śc i jes t moZ l iw e d r o g ą zwiększenia liczby węzłów, lecz w opisanych w artykule w a r u n k a c h jest t o zabieg niecelowy p o n i e w a ż p o korekcji liniowości inne Źródła błędów decydują o w y p a d k o w e j niedokładności pomiaru. G łó wn e z nich z w i ą z a n e s ą z t e m e p e r a t u - r o w y m i z m i a n a m i charakterystyki czujnika o r a z h i s t e r e z ą tej c h a r a k t e r z s t y ki. Błędy t e m p e r a t u r o w e m o g ą być k o r y g o w a n e w s p o s ó b opisany w artykule.

NaleZy w t akim p r z y p a d k u z a s t o s o w a ć r ó w n o c z e s n ą korekcje błędów liniowości i t e m p e r a t u r o w y c h rozw i ąz uj ąc d r o g ą tablicową d w u a r g u m e n t o w ą , o d w r o t n ą funkcje p r z e t w a r z a n i a w s p o s ó b opisany w p ra cy C23. M o ż n a r ó w n i e ż t ą dr og ą podjąć p r ó b y korekcji błędu hi st e r e z y n a p o d s t a w i e zn aj om o śc i p u n k t u pracy o r a z kierunku p o ru s za ni a sie p o c h a r a k t e r y s t y c e czujnika. Przewiduje sie.

Z e a u t o r pod ej mi e te zadania w najbliższym okresie. M o ż n a sądzić, Z e ich p o m y śl n a realizacja pozwoli n a uzyskanie w y p a d k o w e j niedokładności p o m i a r u na poziomie błędu rozdzielczości.

L I T E R A T U R A

tli F e dy na K., Mizeracki M.: Układy m i k r o p r o c e s o r o w e Z -80.

[23 Jakubiec J.: Bieżące p r o g r a m o w e o d t w a r z a n i e w a r to śc i chwilowych d y n a ­ micznych p r z e b i e g ó w w e jś ci o wy ch nieliniowych p r z e t w o r n i k ó w pomiarowych. Z e s z y t y N a u k o w e Politechniki Śląskiej Nr 964, Elektryka z. 111, Gliwice 1988.

[33 P ra ca zbiorowa: P o j e m n o ś c i o w y p r z e t w o r n i k p o m i a r o w y p r ze mi e sz cz en i a liniowego. S p r a w o z d a n i e z I-go e t a p u realizacji p racy w r a m a c h G B P R 7;1 cel 60 p.n. k o o r d y n o w a n e j p r z e z PIAP W ar sz a w a .

[41 R oj J.: P r z y r z ą d m i k r o p r o c e s o r o w y do p o m i a r u p r z e m i e s z c z e ń liniowych.

P ra ca dyplomowa. Instytut Metrologii i A u t o m a t y k i Elektrotechniczne j Politechniki Śląskiej, Gliwice 1989.

£5) Vasilenko 0. I.: Teorija wosstanowlenija signałow. Izdat. Sow. Radio 1979.

Recenzent: doc. dr hab. inz. Michał S z yp e r

Wpłynęło do redakcji dnia 15 m a r c a 1990 r.

MHKPOIIPOUECCOPHOE y C T P O & C T B O JU1H H 3 M E P E H H 8 JIHHEBHHX nEPEMEIHEHHB B H H A D A 3 0 H E 0 + 10 MM

P e 3 io k e

B c T a r t e o n H c a H c n o c o S M3HepeHna. a TS Kz e T e x H H M e c K x e h nporpaMMHbie cpełicTBa npHMeHeHHtie

AJist

na

INTELLIGENT I NS TR U M E N T F O R M E A S U R I N G LINE AR D IS PL A C E M E N T IN T H E R A N G E 0 + 10 M M

S u m m a r y

In t h e p a p e r a m e a s u r i n g m e t h o d a s well a s h a r d w a r e and s o f t w a r e m e a n s f or m e a s u r i n g linear displacement in t h e r a n g e 0 + 10 m m wi th t h e resolu­

tion 10* is described. T h e I n s t r u m e n t is c o m p o s e d of a displacement s en so r an d a m ic rocomputer. T h e o u t p u t signal o f t h e s e n s o r is a voltage, which period d e p e n d s a b o u t linearly o n displacement. Using s ta nd a r d modules of t h e m i c r o p r o c e s s o r Z - 8 0 a n d specialized p r o g r a m s m a k e possible receiving t h e simple c on st ruction of t h e instrument, which c an b e interfaced with professional m i c r o c o m p u t e r furnished t o suitable develo pm e nt means. T h e p r o g r a m m i n g correction o f linearity e r r o r s m a k e s possible providing the resultant e r r o r less t h e n 0.06%