Введение
Современные требования к промышленным средствам измерений диктуют необходимость повышения точности, стабильности и функциональности газоаналитического оборудования. Особую актуальность приобретает модернизация серийных приборов, таких как газоанализатор ДАФ-М-01, широко применяемого для контроля летучих органических соединений (ЛОС) на промышленных объектах. Основным недостатком данного прибора является аналоговая система обработки сигнала, обладающая такими проблемами, как дрейф параметров электронных компонентов, чувствительность к электромагнитным помехам, сложность точной линеаризации и отсутствие цифровых интерфейсов связи. Эти ограничения снижают метрологические характеристики прибора и затрудняют его интеграцию в современные системы АСУ ТП.
Целью работы является разработка цифровой системы обработки сигналов для модернизации ДАФ-М-01, направленная на устранение указанных недостатков и повышение эксплуатационных характеристик прибора.
1. Анализ существующей системы обработки сигнала
Газоанализатор ДАФ-М-01 построен по гибридной аналого-цифровой схеме, где микроконтроллер выполняет ограниченные функции, а основная обработка сигнала осуществляется в аналоговом тракте. Критический анализ выявил следующие системные недостатки:
1. Дрейф нуля и коэффициента передачи , обусловленный температурной и временной нестабильностью аналоговых компонентов (операционных усилителей, источников опорного напряжения).
2. Высокая чувствительность к электромагнитным помехам промышленной частоты (50 Гц), приводящая к искажению полезного сигнала.
3. Ограниченные возможности линеаризации характеристики фотоионизационного датчика в аналоговом тракте.
4. Использование низкоразрядного АЦП (10–12 бит), ограничивающего динамический диапазон и разрешающую способность системы.
5. Отсутствие цифровых интерфейсов связи в базовой модификации, что затрудняет интеграцию в современные системы контроля.
2. Разработка цифровой архитектуры
Для устранения выявленных недостатков предложена новая архитектура, основанная на принципе максимально ранней оцифровки сигнала. Структура модернизированного прибора включает:
1. Аналоговый интерфейсный модуль на основе трансимпедансного усилителя с операционным усилителем ADA4530–1 (входной ток 20 фА) и антиалиасингового фильтра нижних частот.
2. Модуль цифровой обработки с микроконтроллером STM32F446RET6 (ARM Cortex-M4, 16-битный АЦП, FPU) и энергонезависимой памятью.
3. Модуль индикации с графическим OLED-дисплеем для отображения данных и меню настроек.
4. Модуль интерфейсов с обязательным цифровым выходом RS-485/Modbus RTU, аналоговым выходом 4–20 мА и дискретными релейными выходами.
3. Алгоритмы цифровой обработки сигнала
Программное обеспечение микроконтроллера реализует следующие алгоритмы обработки сигнала в реальном времени:
1. Накопление и усреднение отсчётов АЦП для повышения отношения сигнал/шум и эффективной разрядности.
2. Каскадная цифровая фильтрация , включающая:
— Медианный фильтр для подавления импульсных помех.
— Режекторный фильтр 50 Гц с глубиной подавления не менее 40 дБ.
— ФНЧ Баттерворта для окончательного сглаживания сигнала.
3. Автоматическая калибровка по двум точкам («ноль» и «проба») с сохранением коэффициентов в EEPROM.
4. Линеаризация характеристики датчика с использованием полиномиальной аппроксимации 2-й степени.
5. Температурная компенсация на основе показаний встроенного датчика температуры.
4. Моделирование и оценка характеристик
Для оценки эффективности модернизации выполнено моделирование и расчёт метрологических характеристик. Результаты показали:
1. Основная приведённая погрешность снижается с ±2,5 % до ≈1,1 % от ВПИ за счёт устранения погрешностей аналогового тракта.
2. Дрейф нуля электронного тракта сокращается до уровня менее 0,5 % от ВПИ за 30 суток благодаря применению прецизионных компонентов и алгоритмической компенсации.
3. Помехозащищённость повышается до 40 дБ за счёт эффективных цифровых фильтров.
4. Динамический диапазон расширяется до 80 дБ благодаря использованию 16-битного АЦП и алгоритмов накопления.
5. Появляется возможность интеграции в системы АСУ ТП через интерфейс RS-485/Modbus, что обеспечивает удалённый доступ к данным и управление прибором.
Заключение
Разработанная цифровая система обработки сигналов для газоанализатора ДАФ-М-01 позволяет устранить основные недостатки аналоговой архитектуры и существенно повысить точность, стабильность и функциональность прибора. Ключевыми преимуществами предложенного решения являются:
— Снижение основной погрешности более чем в 2 раза.
— Уменьшение дрейфа нуля на порядок.
— Повышение помехозащищённости до 40 дБ.
— Обеспечение цифрового интерфейса связи для интеграции в современные системы автоматизации.
Предложенная методика модернизации является технически и экономически обоснованной и может быть использована для модернизации существующего парка газоанализаторов ДАФ-М. Дальнейшие исследования могут быть направлены на разработку аппаратного прототипа и проведение экспериментальных испытаний.
Литература:
1. ГОСТ Р ИСО 16000–29–2014. Воздух замкнутых помещений. Часть 29. Методы испытаний на летучие органические соединения.
2. Описание типа средства измерений «Датчики-газоанализаторы ДАФ-М» (№ 73327–18) / Росстандарт. — М., 2018.
3. Сергиенко, А. Б. Цифровая обработка сигналов / А. Б. Сергиенко. — СПб.: Питер, 2011. — 768 с.
4. Datasheet: ADA4530–1. 20 fA Bias Current, Electrometer Grade Amplifier / Analog Devices. — 2021.
5. Datasheet: STM32F446xx. Advanced ARM-based 32-bit MCUs / STMicroelectronics. — 2022.
