Регистратор ионной метки с алгоритмом интегрирования информативного сигнала

УДК 629.7.054.44

РЕГИСТРАТОР ИОННОЙ МЕТКИ С АЛГОРИТМОМ ИНТЕГРИРОВАНИЯ ИНФОРМАТИВНОГО СИГНАЛА

Научный руководитель: Ганеев Ф.А., к.т.н

Предложен алгоритм обработки информативного сигнала ионно-меточного измерителя воздушной скорости с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками. Представлены результаты разработки автономного измерителя с беспроводной передачей результатов измерения.

Наиболее распространённые портативные, компактные и беспроводные анемометры построены на механическом, тепловом и ультразвуковом методах. У данных методов множество преимуществ, выделяющих их среди остальных, однако они не лишены собственных недостатков.

В качестве примера механического анемометра можно привести чашечную крыльчатку, выходным сигналом которой является частота вращения крыльчатки. Полезный сигнал о скорости воздушного потока, проходящего через чашечки, получают косвенно, с поправкой на трение в опорах вращения. С течением времени ошибка накапливается, чувствительность снижается, что в последствии приводит к изменению кривой измерения скорости воздушного потока, с высокой вероятностью заклинивания механизма вращения.

Что касается теплового анемометра, то подразумевается термоанемометрический датчик с платиновым терморезистором. Данный метод основан на компенсации потерь тепла от нагретого терморезистора в омывающую его воздушным потоком среду. Чем больше тепла за короткое время теряет резистор, тем выше скорость потока. Что касается недостатков данного метода, то терморезистор очень чувствителен к влажности, температуре окружающей среды и степени загрязнённости. Воспроизводимость такого чувствительного элемента достаточно низка, что приводит необходимости в тарировке каждого экземпляра датчика.

И наконец, ультразвуковой анемометр, основанный на изменение скорости звуковой волны от влияния набегающего воздушного потока. Недостатком данного метода влияние внешнего акустического шума на показания.

В качестве конкурента данным методам измерения воздушного потока нами выдвигается ионно-меточный измеритель. В данном методе наблюдается кинематическое измерение скорости помещённой в воздушный поток униполярной ионной метки, которая на базовом расстоянии от источника генерации метки бесконтактно улавливается приёмным электродом. Данный метод лишён всех перечисленных недостатков и является лидером в энергоэффективности измерения и обладает высокими показателями по воспроизводимости.

На данный момент собрано несколько прототипов ионно-меточных датчиков, испытания которых показали высокие показатели в энергоэффективности, а также превзошли диапазоны и точность измерения воздушного потока всех перечисленных методов.

Немаловажен процесс формирования полезного сигнала в данном анемометре, который заключается в следующем: образованная миниатюрным высоковольтным разрядником ионная отрицательно заряженная метка сносится потоком, приобретая его скорость и пролетая рядом с приемным электродом, наводит в последнем электрические заряды за счет эффекта электростатической индукции. Величина заряда не остается постоянной, а изменяется во времени по экспоненциальному закону. С учетом свойств метки, временной сигнал, наведенный на электроде, является произведением двух функций от времени

что при известном законе изменения заряда можно записать как:

Из полученного соотношения видно, что амплитуда информативного сигнала зависит от времени пролёта метки в зоне регистрирующего электрода, т.е. определяется скоростью ее перемещения в потоке. Изменение заряда за единицу времени есть ток, а момент перемены знака тока есть момент прохода метки через середину электрода. Зная время пролета метки до регистрирующего электрода, можно вычислить скорость воздушного потока.

С уменьшением скорости время пролета метки до приемного электрода возрастает. За счет рекомбинации ионов метка теряет свой заряд и соответственно заряд, наводимый на приемном электроде, также уменьшается, что затрудняет выделение полезного сигнала на фоне внешних помех и внутренних аппаратурных шумов. Для расширения рабочего диапазона ионно-меточного датчика в область малых скоростей разработаны конструкций приемных электродов обеспечивающих восприятие меток с малым зарядом, а также схемотехнические решения, направленные на увеличение соотношения сигнал/помеха.

Существующий метод обработки полезного сигнала сводится к нахождению момента изменения направления тока, что с учетом крайне малых образующихся токов требует больших коэффициентов усиления этих токов, что также приводит к усилению наводимых шумов. Уровень выходного сигнала при малых скоростях сравним с уровнем наводимых, что весьма усложняет реализацию данного датчика.

Как уже было сказано ранее основной величиной, характеризующей положение метки, является заряд, который в момент приближении метки к электроду растет, при удалении убывает, а в момент пролёта метки через середину электрода, на регистрирующем электроде возникает максимальный заряд. Вот этот максимум заряда и является информативным.

Усилитель заряда представляет из себя аналоговый интегратор, который представляет из себя усилитель тока с интегрирующей RC-цепочкой в обратной связи. Использование данной цепи даем нам ограничение по времени сканирования, которое разово задается характеристиками цепи. Так же стоит отметить разброс характеристик конденсаторов и изменение их характеристик со временем. Так как усилитель тока лишен приведенных недостатков, то можно использовать его, а в качестве интегратора использовать цифровое интегрирование. Отказ от RC-цепи в усилителе дает нам точность воспроизводимости, а использование цифровых технологий – большие возможности в методах обработки сигналов и большое количество методов передачи данных, что в свою очередь дает возможность построения портативных беспроводных устройств.

Нашей целью является расширение диапазона измерения скорости в область малых скоростей использованием интегрирования оцифрованного полезного сигнала.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. 
   Построение математической модели двух методов регистрации пролёта метки: нахождение момента смены знака тока и нахождение момента максимума заряда;
   
2. 
   Нахождение минимально возможной скорости для ранее использованных методов;
   
3. 
   Реализация цифрового метода интегрирования и последующей обработки сигнала ионно-меточного анемометра;
   
4. 
   Проведение сравнительных тестов.
   

Рис.1. Математическая модель и реализация метода интегрирования в среде LabVIEW. Шумы полностью отсутствуют.

Рис.2. Математическая модель и реализация метода интегрирования в среде LabVIEW. Шумы превышают по амплитуде полезный сигнал.

В результате проведенных исследований и разработок создан макетный образец ионно-меточного измерителя воздушной скорости. Измерительная схема реализована с использованием микроконтроллера stm32f103c8t6 (nrf52832 в варианте с Bluetooth).

Проведены продувки макетного образца, результаты которых показали, что предложенный алгоритм обработки информативного сигнала позволяет расширить диапазон в область малых скоростей до 0,4 м/с.

В заключении следует отметить рост возможностей в обработке информативных сигналов с развитием технологий и миниатюрной энергоэффективной вычислительной техники, который сделал применение старых технологий и методов актуальными.

Supervisor: Ganeev F.A., candidate of engineering sciences.

(Kazan National Research Technical University named A.N. Tupolev –

Kazan Aviation Institute, Kazan)