автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Разработка и исследование информационно-измерительных систем параметров двухполюсных электрических цепей

На правах рукописи

БРАТЦЕВ Кирилл Евгеньевич

Разработка и исследование информационно-измерительных систем параметров двухполюсных электрических цепей

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара - 2005

Работа выполнена в Пензенском региональном центре высшей школы (филиале) Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российский государственный университет инновационных технологий и предпринимательства» на кафедре прикладной информатики.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Владимир Иванович Чернецов;

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Борис Львович Свистунов;

кандидат технических наук, доцент Владимир Сергеевич Мелентьев;

Ведущее предприятие: Государственное унитарное предприятие

Федеральный научно-производственный центр «Прибор», г. Москва

Зашита диссертации состоится 27 декабря 2005 г. в 12 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.217.03 Самарского государственного технического университета в ауд. 28 корпуса 6 (ул. Галактионовская, 141).

Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: Россия, 443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244, главный корпус на имя ученого секретаря диссертационного совета Д 212.217.03.

Автореферат разослан ноября 2005 г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета (ул. Первомайская, 18).

Ученый секретарь диссертационного совета

В.Г. Жиров

¿¿>6 чгго

. ^ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Из всего многообразия задач, стоящих перед информационно-измерительной техникой, весьма важное место занимает проблема совершенствования характеристик информационно-измерительных систем (ИИС) для измерения параметров пассивных электрических схем и параметрических датчиков, широко применяющихся при измерениях самых разнообразных физических величин. Стремление максимально полно и всесторонне описать датчик - объект исследования (ОИ) - через параметры его модели приводит к обязательности рассмотрения последних как многомерных, многокомпонентных объектов, представляемых, как правило, в виде пассивных электрических цепей с двумя выводами, т.е. в виде двухполюсных электрических цепей (ДЭЦ).

Решение указанной проблемы неразрывно связано с развитием техники измерений параметров ДЭЦ и имеет обширную историю. Значительный вклад в теорию и практику раздельного получения информации о параметрах ДЭЦ внесли научные коллективы, руководимые Т.М. Алиевым, Э.М. Бромбергом, Ф.Б. Гриневичем, К.Б. Карандеевым, В.Ю. Кнеллером, Л.Ф. Куликовским, КЛ. Куликовским, Б.Я. Лихтциндером, А.И. Мартяшиным, А.И. Мелик-Шахназаровым, Ю.А. Скрипником, Э.К. Шаховым, М.П. Цапенко, В.М. Шляндиным, Г.А. Штамбергером и другими.

Разработанные принципы построения средств измерений (СИ) параметров ДЭЦ с подбором воздействия на исследуемую цепь, с физической компенсацией влияния неинформативных параметров, с временным выделением информации и др., позволили создать СИ, характеризующиеся широтой диапазонов измерения, достаточно высокой степенью инвариантности к неинформативным параметрам и относительно высокими точностными характеристиками. В то же время, как показати исследования и опыт практического использования таких СИ, достигнутые характеристики являются в ряде случаев предельными. Это обстоятельство обусловило необходимость поиска новых пугей построения ИИС параметров ДЭЦ с использованием новых информационных технологий и современной микропроцессорной техники.

Актуальность проблемы, решаемой в диссертационной работе, определяется следующими обстоя гельствами.

Во-первых, как в промышленности, так и при проведении научных исследований существует настоятельная потребность в универсальных ИИС, позволяющих решать комплекс задач измерения информативных параметров ОИ и сложных ДЭЦ.

Во-вгорых, до настоящего времени отсутствуют научные исследования обобщающего характера, касающиеся принципов концептуального

РОС. Н > . V ОНМЬНАЯ БИЬ ЫОТЕКА Л С. I к гербу^Г

проектирования, с учетом многообразия известных способов построения ИИС, алгоритмов функционирования измерительных преобразователей и обработки измерительной информации.

В третьих, задачи измерения с точки зрения метрологического обеспечения должны быть ориентированы на использование синусоидальных сигналов воздействия на ИП, в то время как микропроцессорная техника оперирует дискретными сигналами, следовательно, необходимо обеспечение строгого математического обоснования используемых моделей всего процесса измерения и обработки результатов для исследования характеристик ИИС в целом.

Предмет исследований.

- Способы раздельного измерения параметров ДЭЦ при активных синусоидальных входных воздействиях.

- Алгоритмы обработки информации в информационно-измерительных системах параметров ДЭЦ.

- Имитационные модели измерительных цепей и информационно-измерительных систем для измерения параметров ДЭЦ.

- Методические, инструментальные погрешности и динамические характеристики ИИС для измерения параметров датчиков и элекгрических цепей.

Методы исследования. При проведении исследований использованы положения теории автоматического регулирования, теории обобщенных сигнальных графов, теории инвариантности и идентификации, а также методы математического анализа и линейной алгебры, теории планирования экспериментов и методов математического, имитационного моделирования и статистической обработки данных.

Цель работы. Развитие методов построения информационно-измерительных систем параметров электрических схем и объектов исследования, описываемых схемой замещения в виде ДЭЦ, разработка способов и алгоритмов получения и обработки информации, обеспечивающих взаимную инвариантность результатов измерения по каждому из информативных параметров ДЭЦ и обладающих совокупностью повышенных метрологических характеристик: теоретическое и экспериментальное исследование процессов измерения и обработки информативных сигналов путем моделирования на ЭВМ. При этом решаются следующие основные задачи:

- постановка и формализованное описание задачи обеспечения взаимной инвариантности результатов измерения параметров ДЭЦ (раздельного независимого отсчета):

- теоретическое обоснование методов построения информационно-измерительных систем на основе положений теории инвариантности: исследование ДЭЦ с различной топологической структурой для определения функциональных возможностей ИИС при измерениях на одной частоте;

- синтез обобщенного подхода к проектированию ИИС параметров ДЭЦ и разработка алгоритмов его реализации;

- разработка алгоритмического и программно-аппаратного обеспечения ИИС параметров ДЭЦ, разработка и обоснование имитационных моделей трактов преобразования измерительных цепей и исследование погрешностей измерений;

- исследование динамических характеристик измерительных преобразователей и их помехоустойчивости по отношению к параметрическим помехам, возникающим в измерительных цепях ИИС;

- разработка и внедрение измерительных преобразователей параметров ДЭЦ в составе автономных СИ и информационно-измерительных систем различного назначения.

Научная новизна работы.

- Развитие и обоснование с позиций информационных технологий концептуальных вопросов получения раздельной информации о параметрах ДЭЦ; классификация измерительных цепей (ИЦ) для различных объектов исследования со схемой замещения в виде ДЭЦ.

Обоснование в качестве перспективного информационно-алгоритмического способа совершенствования методов и средств инвариантного измерения параметров ДЭЦ.

- Разработка и исследование алгоритмов обработки измерительной информации в ИИС при измерениях параметров ДЭЦ.

- Решение задачи описания процессов преобразования и анализа динамических погрешностей ИИС и их помехоустойчивости по отношению к параметрическим помехам; разработка способов автоматической компенсации погрешностей с помощью программно-аппаратных средств и выработка рекомендаций по проектированию ИИС.

Основные положения, выносимые на защиту.

- Решение задачи концептуального проектирования ИИС, обоснование, разработка и исследование моделей объекта измерения с целью эффективного прогнозирования результата измерений в соответствующих предметных областях.

- Построение ИИС параметров ДЭЦ с применением микропроцессорной элементной базы: разработка и исследование способов измерений на синусоидальных воздействиях.

- Обоснование возможностей использования алгоритмов измерения, основанных на получении информации о коэффициентах операторного сопротивления передаточной функции ДЭЦ, в сравнении с алгоритмами прямого измерения параметров элементов ДЭЦ; рекомендации по использованию при проектировании ИИС.

- Обоснование возможности измерения на одной частоте лишь двух параметров многоэлементной ДЭЦ.

- Определение области применения алгоритмов с преобразованием параметров сигнала измерительной цепи в фазу; доказательство и решение задачи определения среднеквадратичного отклонения случайной погрешности измерения фазы в зависимости от разрядности применяемых АЦП и объема выборки.

- Исследование статистических и динамических характеристик разработанных ИИС параметров ДЭЦ и определение границ устойчивого функционирования.

- Обоснование функциональных схем и алгоритмов работы ИИС для измерения параметров датчиков и ДЭЦ.

Практическое значение результатов работы.

- Разработаны рекомендации по проектированию и практической реализации алгоритмов функционирования информационно-измерительных систем и системно ориентированных измерительных преобразователей, обеспечивающих решение измерительных задач производственно-технического и исследовательского плана.

- Разработаны теоретические и практические основы проектирования комплекса ИИС параметров ДЭЦ для работы с датчиками различных физических величин.

- Разработана методика имитационного моделирования и инженерного проектирования ИИС параметров ДЭЦ для расчета ожидаемой погрешности измерения.

- Результаты научных исследований в виде методов и методик, практические разработки используются в промышленности, в учебном процессе.

Реализация и внедрение. Результаты научных исследований и практические разработки используются рядом научных групп в научно-исследовагельских организациях России при исследованиях и разрабожах СИ. Разработанные модели преобразователей и параметрических датчиков, пакеты программ для обработки результатов измерений, для коррекции погрешности параметрических датчиков неэлектрических величин могут быть

использованы при разработке и производстве средств измерений, при постановке лабораторных работ учебного процесса.

Полученные в диссертационной работе результаты внедрены в ООО НПП «Цифровые решения», ГУП ФНПЦ «Прибор», используются на кафедрах «Прикладная информатика», «Информационные системы» Пензенского регионального центра высшей школы (филиала) Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства и на кафедре «Автономные информационные и управляющие системы» Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана при выполнении исследовательских работ и в учебном процессе, что подтверждено соответствующими документами.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях, симпозиумах и семинарах: на 49 Международной научно-технической конференции МАМИ, г. Москва, на конференции «Наукоемкие проекты и высокие технологии - производству 21 века», г. Пенза. 2005 г., на ежегодном Международном симпозиуме «Новые технологии в образовании, науке и экономике», г. Москва, а также на научно-технических конференциях Пензенского регионального центра высшей школы (филиала) Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе: 4 статьи, 1 тезисы доклада и 2 информационных листка, 2 учебных пособия.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и 3-х приложений. Основной текст изложен на 156 страница. Библиография - 92 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, кратко охарактеризовано состояние проблемы, сформулированы научная новизна, основные защищаемые положения, цели и задачи исследования.

В первой главе рассмотрены вопросы концептуального проектирования ИИС и сравнительного анализа способов измерения и алгоритмов обработки информации при активных синусоидальных входных воздействиях на ИЦ.

Концептуальное проектирование ИИС в качестве исходного предусматривает решение вопроса о выборе измеряемых величин (рисунок 1) ДЭЦ и, как следствие, алгоритма получения, обработки и способа представления измерительной информации [2].

ИЗМЕРЯЕМЫЕ ВЕЛИЧИНЫ

1. Физические 2. Агрегированные 3. Системные

Сопротивление Добротность | , Коэффициенты индуктивностей, г дифференциальных конденсаторов, | ' уравнений контуров | |

Емкость Частота резонанса 1 Коэффициенты операторных 1 комплексных сопротивлений

Индуктивность, \ взамоиндуктивность Постоянная времени 1 Координаты полюсов и нулей комплексных сопротивлений

Рисунок 1 -- Классификация измеряемых величин ДЭЦ

Измерение величин, относящихся к первой группе, в случае одноэлементных двухполюсников сводится к прямым измерениям, а в случае многоэлементных ДЭЦ. как правило, требует применения совокупных методов измерения. Для измерения агрегированных величин применимы как прямые, так и косвенные измерения. Измерения системных величин осуществляются в основном посредством совокупных измерений.

В целом описание объектов исследования схемой замещения в виде ДЭЦ и получение информации о его параметрах открывают ряд ценных возможностей. Так, для многих сложных объектов знание состава и топологии ДЭЦ более содержательно, чем, например, описание с помощью передаточных функций или частотных и временных характеристик, поскольку отражает не интегральные свойства объекта, а его внутреннюю структуру, позволяет глубже изучить протекающие в нем процессы. Довольно часто параметры ДЭЦ являются единственным источником информации о некоторых свойствах исследуемых объектов. С другой стороны, определение системных величин зачастую упрощает задачи исследования (идентификации) исходно неопределенных ОИ, например, по его реакции на входное активное воздействие, и дает возможность судить о динамических свойствах ДЭЦ, устойчивости ИЦ и т.п.

В общем случае измерительная процедура, соответствующая некоторому способу измерения, состоит из трех частей: аналоговой, аналого-цифровой и программно-аналитической обработки данных. При этом программно-аналитическая часть измерительных преобразований составляет важную и неотделимую часть реализуемой ИИС процедуры измерения параметров ДЭЦ совокупными методами. Важность такой обработки информации объясняется и тем, что на этом этапе параллельно могут решаться вопросы коррекции погрешностей преобразования.

Соответствующая обобщенная структура ИИС включает в себя источник переменно! о напряжения (тока), подаваемого на измерительную цепь (ИЦ). в которую включена ДЭЦ, аналого-цифровые преобразователи или измерители входного и выходного напряжения (тока) ИЦ, подключенные к входам устройства обработки измерительной информации (УОИИ). Алгоритмы измерительных преобразований, осуществляемых в УОИИ с целью получения информации о значениях параметров ДЭЦ на фиксированных частотах, в принципе, определяются математическим описанием различных параметров комплексного сопротивления 2(усо): модуля '2(уи);; фазового угла

Ф=агс1е^—действительной ЯеЩ/©)) и (или) мнимой 1т(2(усо)) К.е(2(у©))

составляющих.

При этом в общем случае система уравнений, решаемая в УОИИ, может записана в виде:

ФС/СО ¡,Х,Х0г) = Вп (1)

где Х.Хо^ - любая из перечисленных характеристик, X - вектор

измеряемых параметров, Х(ц - вектор опорных элементов, В, - свободные члены уравнений, при i = ^,m. где т - число уравнений.

Система уравнений (1) нелинейна относительно параметров ДЭЦ и получается как результат прямых измерений сигнала ИЦ. Вследствие этого на практике алгоритм обработки результатов измерений принято выполнять в два этапа. На первом предусматривается решение системы линейных уравнений относительно коэффициентов операторного сопротивления ДЭЦ, передаточной функций ИЦ и т.п. На втором решается система нелинейных уравнений, получаемых на первом этапе относительно измеряемых параметров ДЭЦ.

Эффективность тех или иных алгоритмов обработки определяется, во-первых, сложностью уравнений системы (1), т.е. их математическим описанием. При этом из-за многообразия схем замещения датчиков и ДЭЦ (таблица 1) возможны случаи получения вырожденных систем уравнений. Во-вторых. требуемой точностью измерения, так как погрешность измерения параметров сигнала ИЦ может существенно влиять на результаты определения значений параметров ДЭЦ. Математически это объясняется некорректной постановкой решаемых задач и проявляется плохой обусловленностью матриц систем уравнений (1).

Вместе с тем имеются возможности снижения влияния погрешностей измерений сигнала ИЦ, например, за счет рационального выбора частот, на которых проводятся измерения, выбора значений и типов опорных элементов и др.. что связано с решением соответствующих задач оптимизации.

Таблица 1 - Операторные сопротивления некоторых схем ДЭЦ

№ поз Схема ДЭЦ Операторное сопротивление 1

1 г- я с т—1 1-—--

1-1 II с,II 1 яс/:*1 + {сх+с)э |

2 Ь ! 1 + ¿С'52 |

3 К1 -1-^^-1_, 1 вд+Д^ !

1 ||С | Л™ 11 К2 -к—!!-»- | (И2Я\С + + Л^СГ 1 1

4 С|1 Я+Ьч | 1 + ЛСа' + 1СУ2 |

5 я 1 С Я(1 + ЬСэ2) -Ь--1 1 + лея-¿с*2 1

6 т 1

_|(£и Г? II 11 К2 -—!-1- 1 + (Я2С2 + ад + Я^ + ЩЯ2С\С252 1 !

Вторая глава посвящена исследованию алгоритмов измерения параметров двухполюсных электрических цепей для случая активных синусоидальных входных воздействий на ИЦ. При этом основное внимание уделено проблемам алгоритмической разрешимости или раздельной измеряемое™ параметров ДЭЦ, сравнению алгоритмов обработки измерительной информации по критерию чисел обусловленности информационных матриц Фишера системы уравнений (1), а также исследованиям устойчивости сравниваемых алгоритмов обработки измерительной информации к влиянию погрешностей прямых измерений сигналов ИЦ.

Для решения данных задач операторные сопротивления интерпретировались как передаточные функции (ПФ) ИЦ для случая, когда входной величиной является ток /(5), а выходной- напряжение ¡7(5).

В результате проведенного анализа выделено шесть типов основных алгоритмов измерительных преобразований, суть которых исследована на примере измерения параметров ДЭЦ приведенной в таблице 1 позиция 6.

1-й алгоритм. Составление и решение системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) в комплексном виде, исходя из соотношения

ЯДусо) = (2)

где Я,(уш) - измеряемая амплитудно-фазовая характеристика (АФК) ИЦ, х\,...хп - измеряемые параметры, Х01,...Х0т - опорные величины,; = 1 ,п. Так для ДЭЦ поз. 6 (табл. 1) эта система уравнений примет вид

Уо + - >ДГ2 + Л = . (3)

где Я,- - измеряемая амплитудно-фазовая характеристика (АФХ) для ИЦ, |' = <й,

(4)

= г2 = я2с2 + щсх+кхс2-

[Г^Я^Сг, Г3=Л1Л2С1С2-

2-й алгоритм. Предусматривает составление СЛАУ, исходя из равенства действительных частей обобщенного уравнения (3).

3-й алгоритм. Предусматривает составление СЛАУ, исходя из равенства мнимых частей обобщенного уравнения (3).

Если для рассматриваемого примера составить соответствующие уравнения, то они получаются не доопределенными относительно измеряемых величин системы и только объединение рассматриваемых систем делает задачу алгоритмически разрешимой. В этом случае вычисления логично проводить по формулам:

(5)

^23

!1 Í0 Ii

;о

о

coj Re Я]

0)2 О

СО4

(6)

со^ Im Н\

9

- о>2 Re Н2 (¿>21шЯ2 2

Шз1тЯз (0зReЯз

2

-cü4ReЯ4 öl Im Я4 iRei/j! Ilm Я2 R еЯ3 1тЯ4'

4-й алгоритм. Основывается на составлении СЛАУ, описывающих косину соидальные соответствующие АФХ ИЦ.

(7)

5-й алгоритм. Основывается на составление СЛАУ, описывающих синусоидальные составляющие ИД. Для рассматриваемого примера они выражены в явном виде.

~ - «Г 1ш - 1т = #/, (9)

где

^2 = >22-2>З; (10)

6-й алгоритм. Предусматривает составление СЛАУ, описывающих фазочастотную характеристику (ФЧХ) ИЦ. В конкретно рассматриваемом примере, очевидно, требуется применять некоторые модификации, которые обуславливаются спецификой исходного выражения для г§<р. т.е.

\ + &1С22(К22+^Я2)

В частном случае ДЭЦ (таблица 1, позиция 1) получаемая система уравнений неразрешима относительно измеряемых величин, поскольку можно составить лишь три уравнения при четырех неизвестных Для разрешения противоречия логично значение /?[ предварительно измерить на постоянном токе (на нулевой частоте). Тогда для получения информации о значениях остальных параметров треб>ется решить системы уравнений:

- = . (12)

где 11Ч=К1(К2С2)2С1; (13)

И2=С22(Я22 + К^2)-

Проведенные статистические расчеты погрешностей для сравниваемых алгоритмов показали, что с точки зрения обусловленности информативных матриц лучшие показатели имеет 6-й алгоритм. Но его точностные характеристики зависят от погрешности измерения значения К\ на постоянном токе.

Резулыаты расчетов, выполненные при Я1=ЮбОм, Л2=Ю3Ом. С1~5107Ф, С2"10°Ф и приведенной погрешности измерения сигнала ИЦ ■/-=0.00)% показывают, что лучшими характеристиками по устойчивости к влиянию погрешности измерения сигнала ИЦ обладают аптортмы. реачизуюшие способ с промежуточным преобразованием в фазу.

12

Третья глава посвящена исследованию точностных характеристик ИИС для измерения параметров ДЭЦ, реализующих способ с промежуточным преобразованием в фазу, а именно, получению предельных точностных характеристик с учетом влияния случайных погрешностей измерения фазовых соотношений сигнала ИЦ и оценке возможности получения ожидаемой погрешности на этапе проектирования ИИС при использовании различных алгоритмов обработки данных, получаемых с ИЦ.

Исследование влияния случайных погрешностей измерения фазы на точность определения значений параметров ДЭЦ было проведено методами статистического моделирования для равномерного (хорошо имитирующего влияние методических погрешностей квантования (шумов квантования), характерных для цифровых средств измерений) и нормального законов распределения абсолютной погрешности измерения фазы - Д(<р).

В результате получены зависимости статистических характеристик погрешностей определений значений элементов для трехэлементной ДЭЦ при равномерном законе распределения Д(ср) с нулевым математическим ожиданием и размахом, равным 8. Как показали исследования, случайные погрешности измерения фазы практически не приводят к смещенности оценок измеряемых величин. Гораздо большие, в десятки и сотни раз. значения имеет случайная составляющая погрешности. При этом не удалось идентифицировать закон распределения погрешностей измерения, а гистограммы имеют нерегулярный характер, зависящий от типа измеряемой величины.

В случае нормального закона распределения погрешности Л(<р) генерировались случайные числа с нулевым математическим ожиданием (МО) и среднеквадратичным отклонением (СКО). равным 5. В результате исследования алгоритма обработки информации в УОИИ показано, что соотношение между МО и СКО погрешностей определения значений элементов ДЭЦ носит аналогичный характер. Полученные гистограммы результатов измерений подтвердили результаты исследований, тем более, что результаты идентификации по критерию Пирсона позволяют утверждать, что с уровнем значимости 0,05 погрешности распределены по нормальному закону.

Проведены исследования влияния погрешности измерения фазы различных алгоритмов обработки сигналов с ИЦ. При этом показано, что наибольшая точность получается при использовании алгоритма, суть которого сводится к следующему:

1) по каналам X и У передачи входного и выходного сигнала ИЦ, между которыми измеряется фаза, посредством АЦП снимаются массивы данных за интервал времени не менее одного периода;

2) по каждому каналу, используя процедуру дискретного преобразования Фурье, определяются амплитуды синусоидальной В и косинусоидальной А составляющих сигналов на первой гармонике;

3) по полученным в п. 2 данным вычисляются значение фазы, т.е.

Ф = атх^

у_ В у

- а㫧

\В_

(14)

х у

При реализации предложенного алгоритма измерения основным источником погрешностей является методическая погрешность квантования АЦП или так называемый шум квантования, который характеризуется равномерным распределением. Было проведено статистическое исследование влияния погрешностей квантования АЦП с использованием пакета МайСАО и оценено их влияние на среднеквадратичное отклонение (СКО) погрешности измерения фазы. Результаты представлены на рисунке 2, где N - число разрядов АЦП.

Нижний индекс у показателей СКО означает число N отсчетов АЦП за период активного синусоидального воздействия на ИЦ. Поскольку зависимости, представленные на рисунке 2, носят явно линейный характер, это дало возможность получить эмпирическую формулу для рассматриваемой погрешности в виде

ст(Дф) = 5.556-2 (<Ч'+°.023Л/) [град]; (15)

|де ст(Л<р) - среднеквадратичное значение абсолютной погрешности

измерения фазы, М- число отсчетов АЦП за период активного воздействия, град о 1

50

жо

200 ,0-3

зко.

'400

1 10'

1 б 8 10 12 Н

Рисунок 2 - Зависимости СКО от числа разрядов АЦП

Отметим, что разработанные модели для исследования алгоритмов измерения фазы позволяют исследовать влияние и других источников

погрешности, например, систематической составляющей погрешности в зависимости от значения тренда выходного сигнала ИЦ и др.

В четвертой главе рассматриваются вопросы исследования динамических характеристик и погрешностей ИИС с промежуточным преобразованием в фазу. При этом моделирование основных элементов ИИС осуществлялось в формате пакета программ MATLAB и входящих в нее пакетов Simulink и Power System Blockset. Это позволило исследовать переходные процессы при изменениях частот активных воздействий, изменениях значений опорных элементов и изменениях информативных параметров ДЭЦ, а также исследовать динамические свойства ИИС при изменениях неинформативных параметров ДЭЦ, что весьма актуально при проектировании ИИС для датчиковой аппаратуры.

На рисунке 3 показана базовая модель для исследования переходных процессов в ИИС при переключении частоты активного входною воздействия на ИЦ.

Рисунок 3 - Модель для исследования переходных процессов в ИИС

В данной модели использованы компоненты из пакетов Simulink (S) и Power System Blockset (PSB). Подсистема Fazometr создана на базе модифицированной стандартной PSB-компоненты Fourier, из которой исключены блоки измерения амплитуды и добавлены компоненты, осуществляющие настройку фазометра на требуемую частоту измерения.

Как показали исследования, длительность переходных процессов как при изменении частоты, так и при изменении значений опорных элементов, определяется только временем настройки модели фазометра и составляет не более одного периода активного синусоидального входного воздействия на ИЦ.

При исследовании динамических свойств ИИС or влияния нестабильности неинформативных параметров ДЭЦ наиболее удобно

15

оказалось использовать описание ИЦ с помощью обобщенных сигнальных графов (ОСГ). В результате при сравнительной простоте программирования в формате БшЫтк модели ИИС свойственны высокие показатели по динамической устойчивости.

Например, ИЦ, состоящей из параллельных и Сх элементов и опорного резистора Ло (рисунок 3), соответствует ОСГ (рисунок 4) в виде взвешенных вершин и дуг с единичными коэффициентами.

Удобство использования ОСГ заключается в том, что. повторяя топологию графа, легко строится модель ИЦ в формате Simulmk, где соответствующие взвешенные вершины ОСГ отображаются в виде подсистем, содержание которых показано на рисунок 4.

Для моделирования изменяющихся во времени параметров ДЭЦ применялись модели управляемых элементов (рисунок 5), в которых имеется возможность по входу Control задавать разнообразные законы их изменения во времени.

•—»-

Рисунок 4 - ОСГ измерительной цепи

v. Derivative

tW- I-

1e-9 ««-du/dUM

♦CD

Out

Рисунок 5 - Подсистемы Rx и Сх

Product control

Product

Derivative

«-CD

U— du/dt

<D

Out

-CD ♦CD

Control

Out

Рис. 6. Управляемые подсистемы Rx и Сх

Проведен анализ поведения системы при синусоидальном изменении неинформативного параметра Ях, имитирующего воздействие параметрических помех. При этом показано, что рассматриваемые ИИС обладают хорошей помехоустойчивостью по отношению к помехам, вызванным вариациями неинформативных параметров ДЭЦ. Статистический анализ по результатам расчетов, проделанный по данным исследования, показал, что погрешность измерения информативного параметра Сх при изменении Ях практически не изменяется.

При исследовании переходных характеристик рассматриваемой ИИС от изменения Сх было установлено, что время установления показаний определяется динамикой фазометра и не превышает одного периода активного синусоидального воздействия на измерительную цепь.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Показано, что на этапе концептуального проектирования информационно-измерительных систем для измерения входных величин параметрических датчиков и значений элементов двухполюсных электрических цепей целесообразно использовать современные информационные технологии, обращая внимание на вопросы выбора моделей объектов измерений и измеряемых величин, характеризующих свойства объектов измерений.

2. Проведено исследование возможности измерения параметров ДЭЦ на одной частоте; показано, что можно измерять лишь два параметра ДЭЦ, даже если его структура содержит большее число элементов.

3. Показано, что по совокупности технических характеристик лучшими обладают ИИС, использующие промежуточное преобразование выходных сигналов измерительной цепи в фазу.

4. Предложены алгоритмы обработки информации и разработана методика моделирования основных элементов ИИС с применением пакета МаЛСАБ и Май.аЬ в статике и динамике, которая позволяет учитывать влияние инструментальных и методических погрешностей тракта преобразования и рационально назначать требования к параметрам элементов схемы.

5. Проведен анализ помехоустойчивости ИИС по отношению к параметрическим помехам, который позволил обосновать выбор алгоритмов преобразования сигнала измерительной цепи, обеспечивающий высокие характеристики помехоустойчивости при высоком быстродействии тракта преобразования.

6. Рез>льтаты диссертационной работы, полученные в ходе выполнения НИР Пензенского государственного университета, нашли применение в виде ряда преобразователей, приборов и систем, используемых в промышленности, научных исследованиях и учебном процессе.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Братцев К.Е. Исследование погрешностей программно аппаратной системы измерения фазы // Братцев К.Е., Михотин В.Д., Чернецов В.И. // Автомобильная промышленность, №6, 2005. - М.: изд-во МАМИ.- С.15-17.

2. Братцев К.Е. Концептуальное проектирование средств измерений параметров двухполюсных электрических цепей // Братцев К.Е., Михотин В.Д. // В сб. к 140-летию МАМИ, 2005. - С. 63-65.

3. Братцев К.Е. Оценка возможностей измерения параметров , двухполюсных электрических цепей на одной частоте // Братцев К.Е., Спицын Д.М. // Материалы 49 международной научно-техн. конференции ААИ. - М.: МАМИ, 2005 - часть 3. - С.39-41.

4. Братцев К.Е. Особенности задач измерения параметров двухполюсных электрических цепей // Братцев К.Е., Николаева Е.В. // Сб. докладов «Наукоемкие проекты и высокие технологии - производству 21 века» - Пенза: ФНПЦ ФГУП НИИФИ, 2005. - С.32-34.

5. Братцев К.Е. О точности моделирования в системах MATLAB и MathCad Труды IX Международного симпозиума «Новые технологии в образовании, науке и экономике». М.: Инф.-изд. центр Фонда поддержки вузов, 2005 г. - С.53-54.

6. Братцев К.Е. Программно-аппаратная система измерения параметров двухполюсных электрических цепей. // Чернецов В.И., Михотин П.В., Братцев К.Е. Информационный листок № 54-099-05, серия Р, Пенза: Пенз. ЦНТИ, 2005. - 4 с.

7. Братцев К.Е. Пакет прикладных программ моделирования программно-аппаратной системы измерения параметров двухполюсных Ь электрических цепей // Михотин В.Д., Братцев К.Е., Николаева Е.В. Информационный листок № 54-098-05, серия Р, Пенза: Пенз. ЦНТИ. 2005. -

4 с.

8. Братцев К.Е. Схемотехника операционных усилителей и аналоговых устройств на их основе. // Братцев К.Е.. Чернецов В.И.. Казаков В.А., Пискарев С.П. Уч. пособие (рекомендовано Министерством образования РФ). Пенза: изд-во ПГУ, 2004 г. - 142 с.

9. Братцев К.Е. Основы метрологии, стандартизации измерений. Уч. пособие (гриф Министерства образования и науки РФ) // Романчев И.В.. Юрков Н.К., Братцев К.Б.. Баннов В .Я. - Пенза, tnj-во ПГУ, 2005 i - 168 с.

Все основные положения диссертации разработаны автором лично. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат разработка математических моделей и алгоритмов [2, 3, 4, 7, 8], выполнение расчетных разделов и обработка результатов статистического моделирования [1, 6, 9].

РНБ Русский фонд

2007^4 3313

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д 212.217.03 Самарского государственного технического университета (протокол № 12 от 22 ноября 2005 г.)

н0с

Тираж 100 экз. Заказ № Отпечатано на ризографе.1 ^■''■'■ Самарский государственный4 технический университет. Отдел типографии и оперативной полиграфии. 443100. г. Самара, ул. Молодогвардейская. 244

28 ФЕВ 200в

Список сокращений

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ СПОСОБОВ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ПАРАМЕТРОВ ДВУХПОЛЮСНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

1.1 Анализ проблем концептуального проектирования информационно-измерительных систем

1.2.Особенности задач измерения параметров ДЭЦ

1.3.Анализ методов преобразования параметров ДЭЦ

1.4.Алгоритмы обработки информации при измерениях параметров ДЭЦ.

1.5.Реализация способов и алгоритмов измерения параметров ДЭЦ.

1.5.1. Способ измерения составляющих сигнала ИЦ фазочувствительными детекторами

1.5.2. Способ измерения по фазовым соотношениям

ВЫВОДЫ ПО 1 ГЛАВЕ.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВУХПОЛЮСНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ ПРИ СИНУСОИДАЛЬНЫХ АКТИВНЫХ ВХОДНЫХ СИГНАЛАХ

2.1.Постановка задачи и обоснование методики исследований

2.2.Исследование алгоритмов измерения параметров ДЭЦ по критерию обусловленности информативных матриц.

2.2.1. Исследование алгоритма измерения параметров ДЭЦ, основанного на использовании полного описания АФХ.

2.2.2. Исследование алгоритмов измерения параметров ДЭЦ, основанных на равенстве действительных, мнимых частей описания АФХ

2.2.3. Исследование алгоритмов измерения параметров ДЭЦ, основанных на использовании описания квадратурных составляющих сигнала ИЦ

2.2.4. Исследование алгоритмов измерения параметров ДЭЦ, основанных на использовании описания фазочастотной характеристики

2.3. Сравнительный анализ алгоритмов измерения параметров ДЭЦ.

2.4. Исследование устойчивости алгоритмов измерения параметров ДЭЦ.

ВЫВОДЫ ПО 2 ГЛАВЕ.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ИИС ДЛЯ ДЭЦ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ИЗМЕРЕНИЕМ ФАЗОВОГО СДВИГА СИГНАЛА ИЦ

3.1. Общие сведения

3.2. Исследование функциональных возможностей ИИС при измерениях параметров ДЭЦ на одной частоте

3.3. Исследование влияния случайных погрешностей измерителей сигнала ИЦ

3.3.1.Результаты исследований при равномерном законе изменения погрешностей

3.3.2. Результаты исследований при нормальном законе изменения погрешностей

3.4.Исследование способов измерения фазы

ВЫВОДЫ ПО 3 ГЛАВЕ.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ РАЗРАБОТАННЫХ ИИС

МЕТОДАМИ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

4.1.Общие сведения

4.2.Разработка базовой PSB-модели ИИС для исследования погрешности измерения параметров ДЭЦ

4.3.Разработка и исследование моделей ИИС для анализа переходных процессов при статических измерениях

4 .'4 . Исследование динамических характеристик ИИС при изменениях информативного и неинформативного параметров ДЭЦ.

4.4.1. Исследование средствами пакета PSB

4.4.2. Исследование средствами пакета Simulink

ВЫВОДЫ ПО 4 ГЛАВЕ.

Проблема совершенствования метрологических и функциональных возможностей информационно-измерительных систем (ИИС) для решения научных и технологических задач была актуальной во все предыдущие времена и, очевидно, не потеряет актуальности в обозримом будущем. В науке повышение точности и быстродействия ИИС позволяет более подробно изучить свойства окружающего мира, т.е. способствует более эффективному решению гносеологических проблем. В промышленном производстве улучшение метрологических характеристик ИИС, применяемых при контроле в технологических процессах, способствует повышению качества выпускаемых изделий.

Из всего многообразия задач, имеющих место при выборе метода измерения и алгоритма функционирования информационно-измерительных систем, в настоящей работе главное внимание уделено проблеме совершенствования метрологических характеристик измерительных преобразователей и устройств обработки полученной информации. При этом наибольшее внимание уделено решению задач измерения параметров многоэлементных двухполюсных электрических цепей и объектов исследования, схемы замещения которых представляются в виде пассивных двухполюсных электрических цепей, например, параметрические датчики, которые находят самое широкое применение при измерениях самых разнообразных физических величин [1, 2, 51, 92].

Исторически с конца XIX века и до 70-х годов XX века при измерении параметров электрических цепей и датчиков строились унифицирующие измерительные преобразователи в сигналы напряжения или тока, значения которых измерялись стрелочными приборами. Начиная с 7 0-х годов прошлого века, в связи с успехами микроэлектроники и вычислительной техники, все большее внимание стало уделяться построению микропроцессорных измерительных приборов и систем, кодированные сигналы которых помехоустойчивы при передаче по каналам связи. В настоящее время наиболее перспективными признаны информационно-измерительные системы и устройства, широко использующие для преобразования и обработки сигналов микроэлектронную и микропроцессорную технику.

Состояние проблемы. Развитие методов и средств измерений является мощным стимулом повышения эффективности производства и качества продукции. Сложность современных технологических процессов, рост требований к качеству промышленных изделий и потребность во всестороннем изучении природных объектов и явлений подразумевает необходимость измерения их многочисленных параметров и характеристик различной физической природы.

Постоянное усложнение измерительных задач связано со стремлением максимально полно и всесторонне описать объект исследования (ОИ) через параметры его модели. Создание все более адекватных (а, следовательно, более сложных) физических и математических моделей реальных ОИ приводит к необходимости рассмотрения последних в виде многокомпонентных систем, составленных из пассивных электрических Я, Ь, С элементов с двумя выводами, т.е. виде двухполюсных электрических цепей (ДЭЦ).

При этом следует иметь в виду, что схемы замещения большинства дифференциальных датчиков можно рассматривать как определенное (априори) соединение двух (трех) двухполюсных электрических цепей, т.е. в виде многополюсных электрических цепей (МЭЦ) с доступными для подключения полюсами. Последнее обстоятельство дает возможность ограничиться в дальнейшем исследованиями ОИ, представляемыми только ДЭЦ, и распространить полученные для ДЭЦ результаты на многополюсные электрические цепи при соблюдении, очевидно, необходимых допущений [13, 68].

Перечень задач/ при решении которых необходимо получение информации о значениях отдельных параметров многоэлементных ДЭЦ: активном сопротивлении, емкости, индуктивности и взаимоиндуктивности, постоянной времени, добротности и др., чрезвычайно широк. Он включает измерение параметров элементов сложных радиоэлектронных схем — резисторов, конденсаторов, моточных изделий; измерение выходных величин параметрических датчиков; определение свойств и характеристик материалов и веществ при исследовании процессов в химии, биологии и т.д. Одной из важнейших задач измерительных экспериментов является осуществление раздельного независимого измерения каждого из элементов ДЭЦ.

Решение указанной проблемы неразрывно связано с развитием техники измерений параметров ДЭЦ. Значительный вклад в теорию и практику раздельного получения информации о параметрах ДЭЦ внесли работы научных коллективов, руководимых Т.М.Алиевым, Э.М.Бромбергом, Ф.Б.Гриневичем, К.Б.Карандеевым, В.Ю.Кнеллером, Л.Ф. и К.Л.Куликовскими, Б.Я.Лихтциндером, А.И.Мартяшиным, А.И.Мелик-Шахназаро-вым, Ю.А.Скрипником, В.А.Сапельниковым, М.П.Цапенко,

В.И.Чернецовым, В. М. Шляндиным, Г. А. Штамбергером Э.К.Шаховым и многими другими.

Разработанные принципы построения устройств измерения параметров ДЭЦ с подбором воздействия на исследуемую цепь, с физической компенсацией влияния неинформативных параметров, с временным выделением информации и др., позволили создать информационно-измерительные системы, характеризующиеся широтой диапазонов измерения, достаточно высокой•степенью инвариантности к неинформативным параметрам и относительно высокими точностными характеристиками.

Понимание сходства задачи раздельного измерения параметров ДЭЦ и обеспечения инвариантности послужило в семидесятые годы XX в. толчком для разработки измерительных систем параметров ДЭЦ, получивших название «инвариантные» в смысле обеспечения независимости результата измерения от неинформативных (не измеряемых в данном опыте) параметров исследуемого объекта измерений безотносительно к способу ее обеспечения [69]. Пионерская роль в области применения положений теории инвариантности к измерению параметров ДЭЦ принадлежит Пензенской и Самарской (тестовые методы измерения) школам ученых-измерителей (А. И. Мартяшин, К.Л. Куликовский) . На данном направлении создана гамма измерительных преобразователей и информационно-измерительных систем различного назначения.

В то же время, как показали исследования и опыт практического использования этих средств измерения (СИ), достигнутые характеристики являются в ряде случаев предельными для данного класса СИ. Это обстоятельство обусловило необходимость поиска новых путей построения ИИС параметров ДЭЦ.

Кроме того, существует класс исследовательских задач, требующих измерять как параметры все более сложных радиоэлектронных схем, так и все более подробный, постоянно расширяющийся перечень параметров постоянно уточняющейся схемы замещения ОИ. Решение этих задач оказывается весьма успешным при использовании новых информационных возможностей, предоставляемых современными микроэлектронными средствами и информационными технологиями .

Цель исследований. Развитие методов построения информационно-измерительных систем параметров ДЭЦ и других объектов исследования, описываемых схемой замещения в виде ДЭЦ, разработка способов и алгоритмов получения и обработки информации, обеспечивающих взаимную инвариантность результатов измерения по каждому из информативных параметров ДЭЦ и обладающих совокупностью повышенных метрологических характеристик; теоретическое и экспериментальное исследование процессов измерения и обработки информативных сигналов путем привлечения средств моделирования на ЭВМ, а именно:

1. Постановка и формализованное описание задачи обеспечения взаимной инвариантности результатов измерения параметров ДЭЦ (раздельного независимого отсчета).

2. Теоретическое обоснование методов построения информационно-измерительных систем на основе положений теории инвариантности; исследование ДЭЦ, имеющих различную топологическую структуру, для определения возможности измерения параметров ДЭЦ на одной частоте.

3. Синтез обобщенного подхода к проектированию ИИС параметров ДЭЦ и разработка алгоритмов его реализации.

4. Разработка алгоритмического и программного обеспечения микропроцессорных элементов ИИС параметров ДЭЦ, разработка и обоснование имитационных моделей трактов преобразования параметров измерительных цепей и исследование погрешностей измерений.

5. Проведение исследований динамических характеристик измерительных преобразователей и их помехоустойчивости по отношению к параметрическим помехам, возникающим в измерительных цепях ИИС.

6. Разработка и внедрение измерительных преобразователей параметров ДЭЦ в составе автономных средств измерений (СИ) и ИИС различного назначения.

Методы исследований. Методологическую основу работы составили положения теории систем управления в целом и теории обобщенных сигнальных графов в частности, теории инвариантности и идентификации, а также методы математического анализа, вычислительной математики, теории планирования экспериментов и методов статистической обработки экспериментальных данных, математического и имитационного моделирования.

Научная новизна:

1. Развитие и обоснование с позиций информационных технологий концептуальных вопросов получения раздельной информации о параметрах ДЭЦ; классификация моделей измерительных цепей (ИЦ) для различных объектов измерения со схемой замещения в виде двухполюсных электрических цепей;

2. Обоснование в качестве перспективного информационно-алгоритмического способа совершенствования методов и средств инвариантного измерения параметров ДЭЦ;

3. Разработка и исследование алгоритмов обработки измерительной информации в ИИС при измерении параметров ДЭЦ;

4. Решение задачи описания процессов преобразования и анализа динамических погрешностей ИИС и их помехоустойчивости по отношению к параметрическим помехам. Разработка способов автоматической компенсации погрешностей с помощью микропроцессорных средств и выработка рекомендаций по проектированию ИИС.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Решение задачи концептуального проектирования ИИС; обоснование, разработка и применение моделей объекта измерения с учетом имеющего конструктивного выбора измеряемых величин, позволяющих эффективно прогнозировать результаты измерений в соответствующих предметных областях.

2. Принципы построения ИИС параметров ДЭЦ с использованием элементов микропроцессорной техники, разработка и применение способов измерений на синусоидальных воздействиях, что упрощает решение вопросов метрологического обеспечения.

3. Обоснование преимуществ алгоритмов измерения коэффициентов операторного сопротивления передаточной функции ДЭЦ по сравнению с алгоритмами прямого измерения параметров элементов двухполюсника. Это свойство предложено учитывать и использовать при корректной постановке задач измерений.

4. Обоснование возможности измерения на одной частоте лишь двух параметров многоэлементной ДЭЦ.

5. Доказательство и решение задачи определения среднеквадратичного отклонения случайной погрешности измерения фазы в зависимости от разрядности применяемых аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и объема выборки.

6. Исследование свойств ИИС параметров ДЭЦ как в статике, так и в динамике, используя методы моделирования 'на основе пакета программ MATLAB и входящих в нее пакетов Simulink и Power System Blockset.

Практическое значение:

1. Разработаны рекомендации по проектированию и практической реализации алгоритмов функционирования информационно-измерительных систем и системно-ориентированных измерительных преобразователей, обеспечивающих решение измерительных задач производственно-технического и исследовательского плана.

2. Разработаны теоретические и практические основы проектирования комплекса ИИС параметров радиоэлектронных схем и датчиков различных физических величин.

3. Разработана методика имитационного моделирования и инженерного проектирования ИИС параметров двухполюсных радиоэлектронных схем и расчета ожидаемой погрешности измерения.

4. Результаты научных исследований в виде методов и методик, практических разработок используются в промышленном производстве, научных исследованиях и учебном процессе и нашли отражение в ряде учебных пособий, разделах лекционных курсов, лабораторных установках, курсовых и дипломных работах студентов соответствующих специальностей.

Реализация работы. Результаты научных исследований и практические разработки внедрены в ООО НПП «Цифровые решения», ГУП ФНПЦ «Прибор» и используются в научных исследованиях и учебном процессе в Пензенском региональном центре высшей школы (филиале) Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства, в Московском государственном техническом университете им. Н.Э.Баумана и в других научно-исследовательских организациях России при исследованиях и разработках ИИС для датчиков различного типа и двухполюсных электрических цепей.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы, результаты проведенных исследований, опыт практического применения разработок докладывались и получили одобрение научной общественности на ряде Международных, Всероссийских, республиканских, региональных и отраслевых научно-технических симпозиумов, конференций, семинаров: на 4 9 Международной научно-технической конференции МАМИ, г. Москва, на конференции «Наукоемкие проекты и высокие технологии - производству 21 века», г. Пенза, 2005 г., на ежегодном Международном симпозиуме «Новые технологии в образовании, науке и экономике», г. Москва

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 4 статьи (из них 1 единолично) , 1 тезисы доклада, 2 учебных пособия с грифами Министерства образования и науки РФ в качестве учебных пособий для студентов высших учебных заведений.

Личный вклад. В 2-х статьях, написанных в соавторстве, автором рассмотрены вопросы выполнения расчетных разделов и обработки результатов статистического моделирования [24] (личный вклад 60%), разработки математических моделей и алгоритмов [27] (личный вклад 60%), в информационных листках отображены результаты разработки пакета прикладных программ для исследования динамических характеристик ИИС [63, 86] (личный вклад 60%); в опубликованных тезисах докладов [23] автором рассмотрены проблемы проектирования измерительных преобразователей, связанные с идентификацией и собственно измерением параметров объекта измерения (личный вклад 60%); в учебных пособиях автором рассмотрен принцип построения измерительных преобразователей параметров ДЭЦ в интервалы времени [28] и методики расчета погрешностей измерений [72] .

Основные результаты и выводы по работе

1. Показано, что на этапе концептуального проектирования ИИС для измерения выходных величин параметрических датчиков и значений элементов двухполюсных электрических цепей целесообразно использовать современные информационные технологии, обращая внимание на вопросы обоснованного выбора моделей объектов измерений и измеряемых величин, характеризующих свойства объектов измерений.

2. Проведено исследование возможности измерения параметров ДЭЦ на одной частоте; показано, что можно измерять лишь два параметра ДЭЦ, даже если его структура содержит большее число элементов.

3. Показано, что по совокупности технических характеристик лучшими обладают ИИС на базе ПЭВМ, использующие промежуточное преобразование выходных сигналов измерительной цепи в фазу.

4. Предложены алгоритмы обработки информации и разработана методика моделирования основных элементов ИИС на базе ПЭВМ в статике и динамике, которая позволяет учитывать влияние инструментальных и методических погрешностей тракта преобразования и рационально назначать требования к параметрам элементов схемы.

5. Проведен анализ помехоустойчивости ИИС по отношению к параметрическим помехам, который позволил обосновать выбор алгоритмов преобразования сигнала измерительной цепи, обеспечивающий высокие характеристики помехоустойчивости при высоком быстродействии тракта преобразования.

6.Результаты диссертационной работы, полученные ходе выполнения НИР Пензенского государственного уни верситета, нашли применение в. виде ряда преобразова телей, приборов и систем, используемых в промышленно сти, научных исследованиях и учебном процессе.

1. Baltianski S.Sh. The Utilization of the Electrical Model Synthesis Technique for the MOS Interface Trap Parameters Measurement. Proceedings of International Semiconductor Conference. - Vol.2 19th Edition.- October 9-12,1996.-p.549-552.

2. Beg S. A Capacitance manometer with a stainless steil bellows sealed membrance: Y. Phus, 1978,1. Ell, №5, 397 438 p.

3. Frewer R.A. The effect of frequency chages on the electrical conductance of moving and stationary blood.: Medical and Biological Eng, 1972, V10, №6, 734 741p.

4. MathCAD 6.0 Plus. Финансовые, инженерные и научные расчеты в среде Windows 95.- М.гФилинъ, 1996.-686 с.

5. Microprozessoren erobern die MeBtechnik -: Funkschau, 1979, 51, №1, 21-25 s.

6. Pisorklewiez T. Measurement of the complex permittivity of thin films in the very low of frequency range: y. Phus E.: Sci Instrum, 1979, 12, №3, 225 -229.

7. VIII Конгресс ИМЕКО. Аннотации докладов.- M.: ЦНИИ-ТЭИ приборостроения, Изд. № М-253, заказ 17 6, 197 9. -480 с.

8. Weber Е. Complex convolution applied to online ear problems. Presented at the Symp. of Nonlinear Circuit Analyses, Polytechnic Inst, of Brooklin, apr. 25-27, 1956, p. 151 163.

9. Агейкин Д. И., Костина Е.Н., Кузнецова Н.Н. Датчики контроля и регулирования. М. : Машиностроение, 1965. - 928с.

10. Ю. Алексеев В.А. Разработка и исследование функциональных измерительных преобразователей на основе параметрических датчиков. Диссерт. канд. техн. наук. Пенза, 1983 г., 199 с.

11. Алиев Т.М., Мелик Шахнозаров A.M., Шайн И.Л. Автокомпенсационные измерительные устройства переменного тока. - М.: Энергия, 1977. - с.360.

12. Анализ электрических цепей методом сигнальных гра-•фов: Учебное пособие// Под. Ред. В.И.Чернецова, авторы: Медведева С.Н., Михотин В.Д., Пискарев С.П. -Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2002, 142 с.

13. Андреев А.Н. Измерительные преобразователи систем контроля параметров многополюсных электрических цепей: Дисс. канд.техн. наук. Пенза, 1993, 129 с.

14. Андреев А.Н., Чернецов В.И. Измерительный преобразователь параметров трехэлементных двухполюсников // Цифровая информационно-измерительная техника: Меж-вуз. сб. научн. трудов. Пенза: Пензенск. гос. техн. ун-т, 1993. С. 66-72.

15. Анисимов В. И. Топологический расчет электронных схем. JI. : Энергия, 1977, - 240 с.

16. Анохин В. В. Переменное сопротивление в MATLAB/ Simulinc // Exponenta Pro, №1, 2003. С. 91-92.

17. Арнольд Э.Э. Структурные схемы измерительных фазовых преобразователей неэлектрических величин // Измерительная техника. 1973, №11. С. 45-48.

18. Арш Э.И. Автогенераторные методы и средства измерений. М.: Машиностроение, 197 9. - 256 с.

19. Берлинер М.А. Измерение влажности. М. : Энергия, 1973. - 400 с.

20. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. М.: Высшая школа. 1973. - 752 с.

21. Бондаренко Л.Н. Разработка и исследование алгоритмов измерения параметров многоэлементных двухполюсников. Дисс. канд. техн. наук, 1998, 168 с.

22. Бондаренко Л.Н., Добровинский И.Р. Моделирование и идентификация систем, состоящих из элементов двух типов //Актуальные проблемы анализа и обеспечениянадежности и качества приборов, устройств и систем: Сб. докл. науч. конф., Пенза, 1996, ч.2, С. 31-33.

23. Братцев К.Е. Концептуальное проектирование средств измерений параметров двухполюсных электрических цепей // Сборник науч. трудов к 140- летию МАМИ. М. : изд-во МАМИ, 2005. С.63-65.

24. Братцев К.Е., Михотин В.Д., Чернецов В.И. Исследование погрешностей программно аппаратной системы измерения фазы // Автомобильная промышленность, №6, 2005. С.15-17.

25. Братцев К.Е., Николаева Е.В. Особенности задач измерения параметров двухполюсных электрических цепей //Сб. Докладов «Наукоемкие проекты и высокие технологии производству 21 века» - Пенза: ФНПЦ ФГУП НИИФИ, 2005. С.32-34.

26. Братцев К.Е. О точности моделирования в системах МАТЪАВ и Ма^Сас!.// Труды IX Международного симпозиума «Новые технологии в образовании, науке и экономике», М.: Инф.-изд. центр Фонда поддержки вузов, 2005 г.- С.53-54.

27. Братцев К.Е. Оценка возможности измерений параметров двухполюсных электрических цепей на одной частоте // Материалы 4 9 Международной научно-техн. конференции ААИ М.: МАМИ, 2005 г. С.39-41.

28. Братцев К.Е., Чернецов В.И., Казаков В.А., Писка-рев С. П. Схемотехника операционных усилителей и аналоговых устройств на их основе: Уч. пособие (рекомендовано Министерством образования РФ) . Пенза: изд-во ПГУ, 2004 г., 142 с.

29. Бромберг Э.М., Куликовский К.Л. Тестовые методы повышения точности измерений. М. : Энергия, 1978 . -176 с.

30. Вермишев Ю.Х., Зворыкин Л.Н. Формирование сквозныхпроцессов "проектирование-производство" микроэлектронной аппаратуры на основе виртуальных предприятий // Информационные технологии в проектировании и производстве. 1997, №4. С. 8-13.

31. Волгин Л.И. Аналоговые операционные преобразователи для измерительных приборов и систем. М. : Энерго-атомиздат, 1983. - 208 с.

32. Волгин Л.И. Основы метрологии, оценка погрешностей измерений, измерительные преобразователи. М.: МГУС, 2002. - 129 с.

33. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в МАТЬАВ 6.0: Учебное пособие. СПб.: КОРОНА принт, 2001. - 320 с.

34. Гитис Э.И. И др. Техническая кибернетика. М. : Сов. Радио, 1968. - 486 с.

35. ГОСТ 14014-82 Приборы и преобразователи измерительные напряжения, тока, сопротивления. М. : Изд-во стандартов, 1982.

36. ГОСТ 16504-81 Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 28 с.

37. ГОСТ 23222-78 ГСИ Нормируемые метрологические и точностные характеристики. М.: Изд-во стандартов, 1982 .

38. ГОСТ 24026-80 Исследовательские испытания. Планирование эксперимента. Термины . и определения. М.: Изд-во стандартов, 22 с.

39. Гриневич Ф.Б. Автоматические мосты переменного тока.- Новосибирск: Изд-во СО АН СССР, 1964. 216 с.

40. Гутников B.C. Измерительная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергия, 1980. - 248 с.

41. Диэлькометрические нефтяные влагомеры. Сер. "Добыча". Москва, ВНИИ ОЭНТ 1969. 7 6с.

42. Дубкевич Б.Н., Гусев В. П. Об измерении отдельных параметров эквивалентных схем замещения различных сред: Сб. научн. трудов кафедр электромех. фак. -Новосибирск, 1970. Вып.1. С.153-158.

43. Дьяконов В.П., Абраменкова И.В., Круглов В. В. MATLAB 5.3.1 с пакетами расширений. М. : Нолидж, 2001.

44. Евгеньев Г.Б., Мисожников Л.Г., Романцев С.Э. Методы функционально-структурного анализа изделий машиностроения // Информационные технологии, 1998, вып.1, С. 16-21.

45. Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов: Пер. с англ. / Под ред. А.Ф.Трутко. М.:Энергия, 1973. -656 с.

46. Кавалеров Г.И. Информационно вычислительные комплексы // Приборы и системы управления. 1977, №11. С. 23 - 27.

47. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. М.: Наука. 1971. - 576 с.

48. Канторович М.И. Операционное исчисление и процессы в электрических цепях. М.: Сов.радио, 1975. - 319 с.

49. Карандеев К.Б., Штамбергер Г.А. Обобщенная теория мостовых цепей переменного тока. Новосибирск: Изд-во СО АН СССР, 1961. - 224 с.

50. Корн Г.А., Корн Т.М. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М. : Наука, 1974.- 832 с.

51. Куликовский К.Л., Щахмурадов А.Б. Тестовые преобразователи индуктивности и емкости с информационной избыточностью // Приборы и системы управления, 1979, №12. С.14 15.

52. Куликовский Л.Ф. Автоматические информационно-измерительные приборы,- М.-Л.: Энергия, 1966. 424 с.

53. Левин С.Ф. Теория измерительных задач идентификации.- Измерительная техника. 2001. - № 7. - С. 8-17.

54. Логинов В. H. Электрические измерения механических величин. М.: Энергия, 1976. - 104 с.

55. Малиновский В.Н. Цифровые измерительные мосты. -М.: Энергия, 1976, -192 с.

56. Мартяшин А.И., Куликовский K.JI., Куроедов С.К., Орлова JI.B. Основы инвариантного преобразования параметров электрических цепей. -М. : Энергоатомиздат, 1990. 261 с.

57. Мартяшин А.И., Шахов Э.К., Шляндин В.М. Преобразователи электрических параметров для систем контроля и измерения. М.: Энергия, 1976. - 391 с.

58. Математические основы теории автоматического регу-% лирования // Под ред Б.К. Чемоданова. М.: Высшаяшкола, 1977, т.2, 518 с.

59. Медведева С.Н. Модификации сигнальных графов в задачах анализа электрических сетей // В сб. на-учн.тр. "Проблемы электромагнитной совместимости и контроля качества электрической энергии", Пенза, 2001. С.32-41.

60. Михотин В.Д., Братцев К.Е., Николаева Е.В. Пакет прикладных программ моделирования программно-аппаратной системы измерения параметров двухполюсных электрических цепей: Информационный листок № 54* 098-05, серия Р, Пенза: Пенз. ЦНТИ, 2005. 4 с.

61. Михотин В.Д. Синергические свойства пакета Simulink // Exponenta.Pro. № 1, 2003, С. 38-43 .

62. Мэзон С., Циммерман Г. Электронные цепи, сигналы и системы/ Пер. с англ. под ред. А.А.Соколова. М.: Изд-во иностр. лит., 1969, - 619 с.

63. Нуберт Г. П. Измерительные преобразователи неэлектрических величин (пер. с англ.) JI. : Энергия, 1970. - 360 с.

64. Орнатский П.П. Теоретические основы информационно-измерительной техники.- Киев': Вища школа, 197 6.432 с.

65. Передельский Г.И. Мосты с раздельным уравновешиванием по трем параметрам // Измерительная техника, 1980, №9, С.49 -50.

66. Петров Б.Н., Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков

67. A.C. Принцип инвариантности в измерительной техни-.ке. М.: Наука, 1976. - 244 с.

68. Половинкин А. И. Основы инженерного творчества. -М.: Машиностроение, 1988, - 368 с.

69. Рекомендации по метрологии Р 50.2.004-2000 ГСП. Определение характеристик математических моделей зависимостей между физическими величинами при решении измерительных задач. Основные положения. М.: Госстандарт России, 2000.

70. Романчев И.В., Юрков Н.К., Братцев К.Б., Баннов

71. B. Я. Основы метрологии, стандартизации измерений. Уч. пособие (гриф Министерства образования и науки РФ). Пенза, изд-во ПГУ, 2005 г. - 168 с.

72. Светлов A.B. Принципы построения преобразователей параметров многоэлементных двухполюсных электрических цепей. Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1999, 141 с.

73. Свистунов Б.Л. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. Часть 1. Пенза: Изд-во Пенз. гос. техн. ун-та, 1995, - 212 с.

74. Свистунов Б.Л. Структурно-алгоритмические методы синтеза средств инвариантного измерения параметров электрических цепей. Дисс.докт. техн. наук. -Пенза, 2004. - 538 с.

75. Суровицкая Г.В. Разработка и исследование процессорных средств измерения параметров элементов сложных двухполюсных электрических цепей. Дисс. канд. техн. наук, - Пенза: Пензенский госуниверситет, -1996, - 157 с.

76. Ткачев C.B., Михотин В.Д. Планирование эксперимента для испытания датчиковой аппаратуры на метрологическую надежность,- Пенза: изд-во Пенз. гос. техн. ун-та, 1996 184 с.

77. Усиков C.B. Электрометрия жидкостей. JI. : Химия, 1974. - 144 с.

78. Форейт И. Емкостные датчики неэлектрических величин. M.-JI. : Энергия, 1966, - 160 с.

79. Холл А. Опыт методологии для системотехники. М. : Мир, 1975, - 420 с.

80. Хубка В. Теория технических систем: Пер. с нем. -М.: Мир, 1987, 208 с.

81. Хемминг Р.В. Численные методы для научных работников и инженеров. М.: Наука. 1972. - 400 с.

82. Чернецов В.И. Развитие теории и совершенствование унифицирующих измерительных преобразователей для параметрических датчиков. Дис. докт. техн. наук. -Пенза, 2000. 378 с.

83. Чернецов В. И. Разработка и исследование принципов инвариантного преобразования и измерительных преобразователей выходных величин параметрических датчиков в унифицированные сигналы. Дисс. канд. техн. наук. -Пенза, 1981. 267 с.

84. Чернецов В.И. Способы повышения помехоустойчивости средств измерений с нелинейными функциями преобразования. Датчики и системы, №10, 2000. С.

85. Чернецов В.И., Михотин П.В., Братцев К.Е. Программно-аппаратная система измерения параметров двухполюсных электрических цепей: Информационный листок № 54-099-05, серия Р, Пенза: Пенз. ЦНТИ, 2005.- 4 с.

86. Чураков П.П. Синтез и обработка сигналов в устройствах измерения параметров электрических цепей. Дис.докт. техн. наук. Пенза, 1998. - 448 с.

87. Шахов Э.К. Разработка основ теории и новых принци-„пов построения интегрирующих развертывающих преобразователей . Дисс. докт. техн. наук,- Куйбышев, 1979.

88. Шляндин В.М. Цифровые измерительные устройства. -М.: Высшая школа, 1981. 335 с.

89. Эйкхофф П. Основы идентификации систем управления М.: Мир, 1975.-683с.

90. Электрические измерения неэлектрических величин /Под ред. П.В. Новицкого и др.- JI: Энергия, 1975.- 57 6 с.

91. Якубовский C.B., Барканов H.A., Ниссельсон Л.И. и др. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы: Справочное пособие // Под ред. С.В.Якубовского 2-е изд., перераб. и доп.- М. : Радио и связь, 198 4 .432 с.Щ