那文波,劉 巍,何 寧,劉甜甜
(中國計(jì)量學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,杭州 310018)
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一種壓力傳感器單故障實(shí)時診斷方法研究
那文波,劉 巍,何 寧,劉甜甜
(中國計(jì)量學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,杭州 310018)
研究對象為容式變極距型液位壓力傳感器,分析了傳感器測量電路的工作原理與特性;故障診斷首先用壓力變化率判斷測量電路故障存在性;再得到額定輸入信號下電路電橋輸出信號和運(yùn)算放大器輸出這兩個檢測信號的表達(dá)式,各表達(dá)式均以電路相關(guān)元件為自變量,因不同元件發(fā)生數(shù)值漂移故障時,對檢測信號的影響趨勢各不相同,使得精確到元件的故障定位得以實(shí)現(xiàn);確定故障位置后將正常元件值代入檢測信號表達(dá)式聯(lián)立方程組求解,以實(shí)現(xiàn)精確到元件的故障定值;仿真顯示該故障診斷方法所求得故障值非常接近真實(shí)故障值。
壓力傳感器;壓力變化率;單元件漂移故障;可區(qū)分性;故障定位;故障定值
現(xiàn)代系統(tǒng)正朝著大規(guī)模、復(fù)雜化的方向發(fā)展,這類系統(tǒng)一旦發(fā)生事故就有可能造成人員和財產(chǎn)的巨大損失?,F(xiàn)代生活、生產(chǎn)要求提高現(xiàn)代系統(tǒng)的可靠性與安全性。故障診斷對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和異常情況作出判斷,并根據(jù)診斷結(jié)果為系統(tǒng)故障恢復(fù)提供依據(jù)[1-3]。
近年來國內(nèi)外對傳感器控制系統(tǒng)故障診斷有較多研究,其中液位傳感器又占相當(dāng)大的比例[4]。如Ali Abudullah與Mohamed Zribi采用傳感器故障估計(jì)法和自適應(yīng)閾值設(shè)計(jì)了故障決策器實(shí)現(xiàn)雙容液位控制系統(tǒng)的故障診斷[5];Mohideen.K.Asan等設(shè)計(jì)了改進(jìn)的“模糊改進(jìn)模型參考自適應(yīng)控制器”方案應(yīng)用于混合水箱過程控制與故障診斷[6];楊青等使用提升小波和概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集合方法實(shí)現(xiàn)了對三容水箱液位系統(tǒng)的故障診斷[7]。
文章通過研究控制系統(tǒng)的壓力傳感器測量電路與輸入、輸出信號的關(guān)系,可以得到傳感器測量電路發(fā)生單元件故障時的輸出信號與故障值的變化規(guī)律,將測量電路輸出信號的幅值、相位和其中運(yùn)算放大器輸出處信號的幅值相位作為變量,論證了不同元件不同故障時對上述變量影響的可區(qū)分性,從而實(shí)現(xiàn)對故障位置的判定并得到故障值,通過仿真驗(yàn)證了理論分析的可行性,實(shí)現(xiàn)了測量電路單個元件發(fā)生1%以上數(shù)值漂移后能檢測到這種故障,發(fā)生故障后能將故障位置精確到單個元件,故障診斷值誤差控制在10%以內(nèi)(絕大多數(shù)5%以內(nèi))的功能。這是文獻(xiàn)[5-7]沒有實(shí)現(xiàn)的。
壓力傳感器為變極距型單電容式傳感器,其電極為圓形狀,上面的固定電極被絕緣體固定,下方為可變電極,可變電極下面的膜片受到壓力(一般是液體)時產(chǎn)生撓度變形,可變電極與固定電極的距離發(fā)生變化導(dǎo)致電容的值發(fā)生變化[8],產(chǎn)生電信號以表示壓力大小。
設(shè)計(jì)壓力傳感器組成的測量電路如圖1,據(jù)文獻(xiàn)[8]知,傳感器膜片由圓形的工作電極和環(huán)形的參考電極組成,工作電極和公共電極組成敏感電容C2,其無壓力時值為C20;參考電極和公共電極組成參考電容C1。壓力通過導(dǎo)管均勻作用在膜片上引起膜片變化,從而導(dǎo)致敏感電容C2變化,而參考電容C1變化微小。因運(yùn)算放大器內(nèi)部阻抗很大,近似計(jì)算時認(rèn)為運(yùn)放處是開路,故C1、C2和另外兩個輔助電容C3、C4組成了電橋的4個橋臂,其對角電勢差(即C3、C4連接點(diǎn)與C1、C2連接點(diǎn)之差)便是電橋輸出Ua,作為測量電路與單片機(jī)相連的輸出信號。而圖1中Uo為運(yùn)算放大器輸出。
圖1 傳感器測量電路
根據(jù)運(yùn)放的“虛短”和“虛斷”特性,在Ue(t)=sin100 πt時,且以電橋輸出Ua(t)初始值都為0,得到式(1):
(1)
其中:
表1 壓力傳感器電容材料參數(shù)和電路元件參數(shù)
圖1中變極距型單電容相關(guān)參數(shù)及測量電路元器件參數(shù)如表1所示。C20=1 nF,測量電路工作時,C2的變化范圍為1 nF到1.067 nF,對應(yīng)著0到40 kPa的壓力。由表2可知,敏感電容C2不到1%的微小變化即對應(yīng)壓力5 kPa(水位超過50 cm)以上的變化。其他元件也有類似特征,因當(dāng)元件發(fā)生故障漂移時,系統(tǒng)顯示的壓力將會發(fā)生劇烈變化,超過了正常狀態(tài)下液位控制系統(tǒng)允許的液位變化率,這一特點(diǎn)可用于判斷測量電路元件是否發(fā)生故障。
表2 部分壓力對應(yīng)的敏感電容值及輸出信號值
運(yùn)算放大器輸出Uo是判斷故障的另一個檢測信號,在Ue(t)=sin 100 πt時,有:
(2)
可見,電橋輸出Ua和運(yùn)放輸出Uo表達(dá)式分為指數(shù)項(xiàng)和三角函數(shù)項(xiàng)。指數(shù)項(xiàng)為負(fù)指數(shù)冪,由于C20=C3=C4=1 nF,R1=2 MΩ,R2=10 MΩ,故信號在時間t≥500 ms后,指數(shù)項(xiàng)可以忽略,兩個輸出信號近似稱為正弦波信號,因此,為避免采樣初期的幅值誤差,單片機(jī)采樣周期應(yīng)大于500 ms。
通過變壓將工作交流電壓降壓成為測量電路輸入電壓;單片機(jī)采集測量電橋輸出Ua、運(yùn)放輸出Uo的幅值與相角并轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號與上位機(jī)相連;上位機(jī)可顯示正常狀態(tài)下壓力,組成數(shù)據(jù)驅(qū)動壓力傳感器。系統(tǒng)還應(yīng)具有在線故障診斷并顯示故障點(diǎn)與故障值的功能。測量電路正常工作時,電橋輸出Ua、運(yùn)放輸出Uo的幅值與相角必須都位于額定范圍內(nèi)(如Uo必須位于410.56~417.13 mV之間),電路才能無故障。
壓力傳感器的故障診斷需要首先判斷測量電路是否存在故障,若存在故障,繼續(xù)判斷是哪個元器件故障(故障定位)及故障程度(故障定值),所研究的故障類型都是單元件漂移故障(元件值偏離了理論值),通過對電橋輸出Ua和運(yùn)放輸出Uo的幅值、相位特性研究可以實(shí)現(xiàn)故障診斷。
2.1 故障存在的判定
利用液位控制系統(tǒng)液位和壓力不會過于劇烈變化的特征。液位變化公式為:
(3)
其中:Q1、Q2分別是水箱進(jìn)入、流出流量,水箱橫截面積為S,h為液位,則有:
(4)
對于流量的計(jì)算,有[9]:
(5)
其中:P為壓差,ρ為液體密度,g為重力加速度;M為管道摩阻;L為導(dǎo)管長度。
2.2 故障定位
若已知測量電路存在故障,可根據(jù)運(yùn)放輸出和電橋輸出的相位與幅值是否超出額定范圍實(shí)現(xiàn)故障定位。
根據(jù)式(1)、(2),我們可以得到敏感電容C2、參考電容C1和電容C3、C4以及積分并聯(lián)電阻R1、電橋輸出處電阻R2分別發(fā)生漂移故障而其他元件為正常時,以運(yùn)放輸出和電橋輸出的相位與幅值為變量的函數(shù)表達(dá)式。
由式(2)有,運(yùn)放輸出信號Uo的相角為:
(6)
由式(6)知,當(dāng)參考電容C1發(fā)生故障漂移時,Uo的相角不會隨C1變化而變化。因此,若檢測到Ua的幅值相角與Uo的幅值超過額定范圍但Uo的相角仍在額定范圍內(nèi),可判定故障位置在參考電容C1處。
當(dāng)敏感電容C2和積分并聯(lián)電阻R1發(fā)生故障漂移時,電橋輸出信號Ua及運(yùn)放輸出信號Uo的幅值相角均會發(fā)生變化超過額定范圍。
由表3可知,C2增加時與R1增加時電橋輸出、運(yùn)放輸出的幅值相角變化趨勢不同,根據(jù)C2、R1對Uo幅值單調(diào)性的不同引起Uo、Ua范圍不同,可以區(qū)分故障位置。
表3 C2、R1增加時各檢測信號的變化趨勢
當(dāng)輔助電容C3、C4和電橋輸出處電阻R2發(fā)生故障漂移時,則只會引起電橋輸出信號Ua的幅值平方與相角的變化,而Uo的幅值與相角仍在額定范圍內(nèi)。對于C3與R2、C4與R2的故障定位,可根據(jù)其變化所得Ua與相位的變化范圍不同而確定。如圖2所示,C3變化時Ua幅值變化范圍和R2變化引起的Ua幅值范圍只在C3處于0.5 nF到1 nF間相近,但此時兩者引起的Ua相位有明顯差距,據(jù)此可以區(qū)分故障點(diǎn)是C3還是R2,對C4和R2的故障地點(diǎn)區(qū)分同理。
圖2 C2和R1與運(yùn)放輸出幅值相角變化曲線
對于輔助電容C3和C4,這兩個元器件都位于傳感器電路運(yùn)放上方,起到構(gòu)成電橋的作用??赡艽嬖谀硞€C3值與另一個C4值下電橋輸出Ua的幅值與相角相同的情況。對此,需要添加附加判定。設(shè)通過電容C3和C4的電流分別為IC3和IC4,則有:
(7)
(8)
得到IC3和IC4的特性,再根據(jù)已得到電橋輸出信號Ua,完成附加判定,斷定故障在C3還是C4。
2.3 故障定值
對于元器件的故障定值,需要在式(1)、(2)的基礎(chǔ)上,將其他元件設(shè)為正常值(見表1),故障元件作為未知數(shù),將得到的運(yùn)放輸出信號與電橋輸出信號代入,得到方程求解,所得的解即故障值。由表2知,系統(tǒng)運(yùn)行時,不管壓力在額定范圍內(nèi)如何變化,C2變化率均不超過6.7%,由于故障診斷時壓力不顯示,不能得到實(shí)時精確的C2值,因此取C2≈C20=1 nF。各方程中,電容單位為F,電阻單位為Ω,電壓幅值單位為V。根據(jù)2.2的分析知不同處故障時,檢測信號幅值、相位受影響個數(shù)不同,故聯(lián)立的方程個數(shù)也不同,情況如表4所示。
表4 不同故障處對檢測信號的影響
表4中,√表示故障位于相應(yīng)元件時有影響,×表示無影響(該值仍在額定范圍內(nèi))。
因此,如確定故障位置為參考電容C1時,以C1為未知數(shù),將ω=100 π、C2≈C20=1 nF、C3=C4=1 nF、R1=2 MΩ、R2=10 MΩ代入,得到以下3個方程組并聯(lián)立:
(9)
(10)
(11)
又如確定故障位置為電橋輸出鏈接電阻R2時,以R2為未知數(shù),將ω=100 π、C1=C3=C4=1 nF、C2≈C20=1 nF、R1=2 MΩ代入,得到以下兩個方程組并聯(lián)立:
(12)
(13)
確定故障位置為其他元件時,故障定值方法類似,即根據(jù)受影響因子個數(shù)聯(lián)立方程,代入正常元件值和檢測信號值,將故障值作為未知數(shù)求解。其中C3或C4故障時,聯(lián)立方程為電橋輸出Ua的幅值、相角表達(dá)式再加式(7)或(8)。
2.4 故障診斷流程
通過2.2和2.3分析,所確定的壓力傳感器故障診斷法能夠?qū)崿F(xiàn)6個元件的單一漂移型故障定位和故障定值。診斷流程圖如圖3。
第二章的分析證明了所確定的壓力傳感器故障診斷能夠?qū)?/p>
表5 故障診斷值與實(shí)際故障值的對比
圖3 測量電路故障診斷流程圖
現(xiàn)即敏感電容C2、積分并聯(lián)電阻R1、參考電容C1、輔助電容C3、輔助電容C4和電橋輸出電阻R2的單元件數(shù)值漂移性故障的故障定位和故障定值?,F(xiàn)在將公式(5)代入具體數(shù)值,確定故障診斷精度。
壓差P取100 kPa(需大于系統(tǒng)最大工作壓力40 kPa),導(dǎo)管長度L取L=0.4 m。管道摩阻M由公式M=10.3n2/d5.33計(jì)算得出,其中粗糙率n取0.012 。液位管道為1/4英寸管,故d=0.635 cm。求得ΔQmax≈1,8287×10-4m3/s,水箱橫截面積S=15.517 9 cm2[5],故有:
(14)
則壓力變化率不得大于1.154 kPa/s,這種故障確定方法可以檢測到測量電路元件1%/s的故障漂移率。
現(xiàn)分別將6個元器件設(shè)定為一組特定的值(實(shí)際故障值),根據(jù)第二章的故障診斷方法進(jìn)行故障診斷,其中運(yùn)放輸出及電橋輸出信號值采用Pispice9.1的仿真值。表5給出了故障診斷結(jié)果與實(shí)際的故障值的對比。
表5證實(shí)了當(dāng)這6個元器件發(fā)生單一故障漂移時,可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的故障定位;故障定值方面,元件較正常值偏大(一般由介質(zhì)老化等因素造成)時誤差基本在5%以內(nèi),元件較正常值偏小(一般由產(chǎn)生旁路、電容擊穿等因素造成)時誤差要大一些,但也基本不到10%。其中輔助電容C3和C4的相對誤差最大,這是因?yàn)殡姌蜉敵鲂盘柕姆抡娼Y(jié)果與理論計(jì)算偏差大于運(yùn)放輸出的理論-仿真偏差且C3和C4的故障定值只能根據(jù)電橋輸出Ua。另外敏感電容C2的診斷值是其工作值而非靜態(tài)值C20(前者比后者最多大6.7%)。這對于提供故障特性參考與故障恢復(fù)有幫助。
介紹了容式變極距壓力傳感器的工作原理。定量分析了測量電路6個元器件分別發(fā)生漂移故障時對測量電路電橋輸出信號和運(yùn)放輸出信號的影響。根據(jù)采集壓力變化率判斷故障是否存在;根據(jù)電橋輸出信號、運(yùn)放輸出信號的幅值與相位,再加上輔助電容電流附加判定,實(shí)現(xiàn)故障定位和故障定值。將電橋輸出信號和運(yùn)放輸出信號的仿真結(jié)果代入元件方程組求解得到故障診斷值,故障診斷值與實(shí)際故障值接近,其中只能根據(jù)電橋輸出信號進(jìn)行故障診斷的輔助電容(C3、C4)故障診斷值誤差更大一些,元件值偏小時故障診斷值誤差比元件值偏大時誤差更大一些。對于如何減小信號仿真結(jié)果與理論計(jì)算的誤差從而減少故障診斷值誤差,仍需要進(jìn)一步研究。
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Method Research of a kind of Pressure Sensor’s Real Time Single Fault Diagnosis
Na Wenbo,Liu Wei,He Ning,Liu Tiantian
(College of Mechanical and Electrical Engineering,Chinese Jiliang University,Hangzhou 310018,China)
The capacitor style and electrode distance variance liquid level pressure sensor is talked about.Analyze the operation principle and the features of the sensor’s measuring circuit. Fault diagnosis uses the change rate of the pressure to judge the existence of the measure circuit fault at first. Make the bridge output signal and the operational amplifier output signal as the two detection signals. Then two detection signals’ expressions in rated input are acquired.The expressions’ arguments are all circuit elements.Since different elements can influence the detection signals differently in their numerical drift fault severally, the fault location accurate to single element can be realized.Substitute the value of the normal elements value into the detection signals’ expressions to simultaneous and solve the equations.Thus realize the fault evaluation accurate to single element.The simulation shows the value of the fault diagnosis is very close to the true value.
pressure sensor;pressure change rate;single element drift failure;distinguishing ability; fault location;fault evaluation
2015-11-24;
2015-12-22。
那文波(1963-),男,遼寧撫順人,碩士,教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事故障診斷、控制算法等方向的研究。
1671-4598(2016)06-0044-05
10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.06.013
TP206.3
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