автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Идентификация электрических параметров теплозависимых объектов с многоэлементной схемой замещения

На правах рукописи

003063937

ЧЕРНИКОВ Илья Геннадьевич

ИДЕНТИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОЗАВИСИМЫХ ОБЪЕКТОВ С МНОГОЭЛЕМЕНТНОЙ СХЕМОЙ ЗАМЕЩЕНИЯ

(Измерительные операции, развитие теории, исследование и разработка)

Специальность 05.11.16 «Информационно-измерительные и управляющее системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 4 п 2007

Уфа 2007

003063937

Работа выполнена в Уфимском государственном авиационном техническом университете на кафедре «Информационно - измерительной техники»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Гусев Владимир Георгиевич

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Сапельников Валерий Михайлович

кандидат технических наук, доцент Гулин Артур Игоревич

Ведущее предприятие ФГОУ ВПО "Астраханский государственный технический университет"

Защита состоится « J » ¿с^&ЛтЯ 2007 г в часов на заседа-

нии диссертационного совета Д 212 288 02 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу 450000, г Уфа-центр, ул К Маркса, 12, в актовом зале 1 корпуса УГАТУ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета

Автореферат разослан « » с^ос&Л 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета д-р техн. наук, проф

ГН Утляков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Измерение электрических параметров сложных, нелинейных, теплозависимых объектов является одной из важных задач, стоящих перед информационно-измерительной техникой (ИИТ), поскольку методы и средства их измерения могут быть использованы для определения параметров широкого круга объектов, представляемых электрическими эквивалентными схемами (ЭС) Из-за особенностей большинства объектов электрический контакт с ними, в большинстве случаев, возможен только в двух точках, поэтому в простейшем случае, ЭС таких объектов представляет собой двухполюсное многоэлементное сочетание активных и реактивных элементов электрических цепей резисторов, емкостей, индукгивностей Таким образом, решение задачи идентификации теплозависимых объектов требует развития методов измерения параметров и характеристик двухполюсных объектов, в ЭС которых имеются нелинейные теплозависимые активные сопротивления Эта задача известна в ИИТ. В ее решение внесли существенный вклад работы научных школ возглавляемых Мартяшиным А И, Лихтциндером Б Я, Кнелле-ром В Ю, Боровских Л П, Попечителевым Е П, Гутниковым В С , Тюкавиным А А, Кольцовым А А, Зариповым М Ф и другими Оценку параметров объектов, в ЭС которых имеется несколько элементов, доступ к которым отсутствует, приходится проводить при исследованиях электрических закономерностей в электрохимии, в том числе при изучениях контактных явлений на границе раздела твердого электрода и жидкости Вопросы идентификации параметров элементов у объектов со сложными ЭС, которые с электрической точки зрения являются многоэлементными двухполюсниками, возникают и при оценке состояния живой материи Участок ее, параметры которого измеряются с помощью двух электродов, имеет ЭС многоэлементного теплозависимого двухполюсника К тому же контакт электродов с живой материей характеризуется также многоэлементной ЭС Аналогичные сложности возникают и при оценке параметров элементов структур твердых тел, которые вследствие особенностей их назначения внутри объема имеют анизотропные элементы, параметры которых следует оценивать и идентифицировать. Также возможно более широкое использование кондуктометрических методов для анализа состава многокомпонентных жидких сред, что на сегодня практически не делается В связи с этим задача идентификации электрических параметров теплозависимых объектов с многоэлементной схемой замещения представляется достаточно актуальной

На сегодняшний день наиболее эффективным способом оценки параметров объектов, ЭС которых относятся к многоэлементным двухполюсникам, является использование нескольких частот, на которых проводятся измерения с помощью соответствующих измерительных цепей Параметры интересующих элементов обычно находят расчетным путем Этот способ справедлив и эффективен при исследованиях линейных не теплозависимых объектов Наличие у элементов ЭС температурных зависимостей приводит к тому, что на разных частотах объектом будет потребляться разная активная мощность и будет изменяться ее распределение между теплозависимыми элементами Поэтому измерительные операции, выполненные на каждой частоте, у теплозависимого объекта будут характеризовать параметры, которые имеются у элементов при той активной мощности рассеивания и ее распределении, которая обусловлена величиной активных и видом и характером реактивных элементов, входящих в эквивалентную схему объекта измерения (ОИ) на заданной частоте Учитывая это положение можно считать, что элементы различных ЭС большинства теплозависимых объектов, параметры которых с использованием существующих методов измерения ранее исследователями определялись как нелинейные или частотно-зависимые, априори таковыми не являются.

Таким образом, подходы и измерительные цепи, приводимые в известных работах, справедливы только для линейных теплозависимых объектов и дают большие погрешности в случаях оценок с их помощью параметров элементов нелинейных теплозависимых объектов Поэтому пелыо диссертационной работы является развитие теории получения измерительной информации о параметрах теплозависимых объектов, схема замещения которых по конструктивным особенностям и по возможности доступа к ним представляет сложный пассивный двухполюсник

Для достижения этой цели потребовалось решить следующие задачи-обобщить известные подходы к идентификации электрических параметров теплозависимых объектов и дать оценку их эффективности,

исследовать влияние рассеиваемой в объекте электрической энергии на достоверность получаемых результатов;

разработать модифицированный подход к идентификации параметров теплозависимых объектов, эквивалентная схема которых представляет собой многоэлементный двухполюсник, дающий при практическом использовании более достоверные результаты,

^ исследовать подходы и закономерности (правила) построения алгоритмов идентификации параметров и топологии многоэлементных эквивалентных схем

исследуемого объекта,

^ разработать структуры измерительных систем, позволяющих идентифицировать электрические параметры теплозависимых объектов.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем

1 Для повышения достоверности информации об электрических параметрах исследуемых теплозависимых объектов, получаемой при проведении измерительных операций с использованием известных методов, предложено дополнительно оценивать изменение температуры исследуемого объекта, вызванное рассеиваемой в нем активной мощностью измерительного сигнала;

2 Предложен подход к идентификации электрических параметров теплозависимых объектов, на основе информации о количественной составляющей рассеиваемой в них активной электрической мощности, получаемой на разных частотах измерительного сигнала,

3. Разработаны правила построения алгоритмов идентификации топологии многоэлементных эквивалентных схем исследуемого объекта и предложен подход к построению математических моделей исследуемых теплозависимых объектов на основе информации о частотной зависимости активной составляющей их комплексного сопротивления,

4 Разработана структура и произведена оценка функциональных узлов информационно-измерительной системы, позволяющей идентифицировать топологию и определять параметры многоэлементных электрических схем замещения исследуемых объектов

В результате проделанного в работе развита научная база построения устройств, предназначенных для идентификации электрических свойств тепло-зависимых объектов

Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты позволили по-новому взглянуть на процесс получения измерительной информации о параметрах теплозависимых объектов и обосновать необходимость учета рассеиваемой в объекте измерения активной электрической энергии измерительного сигнала С использованием предложенных подходов по идентификации параметров элементов ЭС исследуемых теплозависимых объектов стало возможным построение информационно-измерительных систем (ИИС), позволяющих аппаратно определять топологию ЭС исследуемых объектов и параметры их элементов Именно синтез схемы замещения ОИ на сегодняшний день оставался задачей, ве реализованной на аппаратном уровне, и рассматривался как сугубо аналитическая часть постобработки измерительной информации, полученной в ходе проводимых измерительных операций.

Использование рассмотренных в работе подходов позволяет создавать диагностические системы нового поколения, выстраивающие математическую модель ОИ и проводящие ее качественный анализ.

Методы исследований Основные результаты получены с использованием положений теорий электрических цепей, построения измерительных систем и математического анализа При исследовании частотных характеристик двухполюсных электрических цепей использовались методы и подходы из области теоретических основ электротехники, при этом моделирование их свойств, выполнялось с помощью прикладных программных пакетов MathCad 2001 Professional и Maple v 7 0, а также с помощью аналитического исследования структур Для оценки достоверности предлагаемых методов идентификации параметров теплозависимых объектов использовались положения теории погрешностей

Апробация работы. Основные вопросы диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийской молодежной научно-технической конференции "Информационные и кибернетические системы управления и их элементы" (Уфа, 1995 г), Всероссийской НТК "Новые методы, технические средства и технологии получения измерительной информации" (Уфа, 1997 г), X и XII НТК с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Гурзуф, 1998 г, Москва, 2000 г ), НТК "Проблемы авиации и космонавтики, и роль ученых в их решении" (Уфа, 1998), Первой международной школе-семинаре "Будущее информатики, космического, авиационного и медицинского приборостроения" (СПб, 1998), V всероссийской НТК "Состояние и проблемы технических измерений" (Москва, 1999),

На защиту выносятся результаты, полученные лично соискателем

1 Результаты анализа существующих подходов к получению измерительной информации об электрических параметрах двухполюсников и оценка их достоверности,

2 Оригинальный подход к идентификации параметров теплозависимых объектов на основе оценки рассеиваемой в объекте измерения активной электрической мощности на разных частотах измерительного сигнала,

3 Правила построения алгоритмов идентификации топологии многоэлементных эквивалентных схем исследуемого объекта и подход к построению математических моделей исследуемых теплозависимых объектов на основе информации о частотной зависимости активной составляющей их комплексного сопротивления,

4 Структуры информационно-измерительных систем, позволяющих идентифицировать электрические параметры теплозависимых объектов, и результаты исследований их функциональных узлов

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения, списка литературы из 124 наименований Общий объем 159 страниц В работе имеются 61 иллюстрация и 1 таблица

Публикации. Основные положения, выводы и практические результаты изложены в 5 статьях опубликованных в журналах и научных сборниках (из них 2 в рекомендованных ВАК), 8 материалах конференций и тезисах докладов На оригинальные программно-технические решения получено 3 авторских свидетельства

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выполненной научной работы, охарактеризовано состояние дел в этой области, сформулированы цель и задачи исследования, приведены научные результаты, выносимые на защиту, указана их научная новизна и практическая ценность

В первой главе дан обзор известных методов, способов и технических приемов, используемых при проведении измерительных операций по определению параметров многоэлементных двухполюсников Рассмотрены основные энергетические режимы проведения измерительных операций, влияющие на достоверность получаемой информации Предложены пути уменьшения погрешностей при использовании существующих методов проведения измерительных операций Рассмотрены методы измерения, учитывающие влияние на результаты измерений параметров теплозависимых объектов энергии воздействия измерительной цепи. Приведен анализ влияния рассеиваемой в объекте измерения (ОИ) электрической энергии на достоверность получаемых результатов для одноэлементных и двухэлементных пассивных двухполюсников В результате были получены следующие результаты и выводы ^ Электрические контактные методы и способы, используемые в настоящее время для измерения электрических параметров биологических и электрохимических объектов, недостаточно хорошо учитывают влияние параметров и режимов работы измерительной цепи на достоверность получаемой измерительной информации При определении параметров многоэлементных двухполюсников следует использовать аппаратуру, предусматривающую формирование измеряемых величин непосредственно из параметров энер1етического воздействия на выходе двухполюсника путем обработки получаемых данных с

помощью персонального компьютера. При этом предпочтительнее использовать в качестве информационного параметра рассеиваемую в ОИ активную электрическую мощность (АЭМ), так как в этом случае можно дополнительно контролировать энергетический режим проводимой измерительной операции

^ Применение аппаратуры, работающей в режиме малого и короткого внешнего энергетического возмущения, оправдано только при малом влиянии переходных процессов, возникающих в ОИ и в измерительной цепи при введении внешней электрической энергии А при использовании аппаратуры, работающей в квазистатическом режиме, то есть после окончания переходного процесса установления нового значения термодинамического состояния ОИ, необходимо учитывать рассеиваемую в нем АЭМ Учет рассеиваемой в ОИ АЭМ можно осуществлять либо итерационными методами, включающими в себя измерение параметров ОИ и изменение по полученным данным энергетического режима измерительной цепи, либо с помощью генераторов заданной электрической мощности

При измерении параметров электрических цепей (ЭЦ), схема замещения которых представляет собой резистивный двухполюсник, необходимо использовать аппаратуру, работающую с малыми токами и ограниченным временем воздействия на ОИ электрической энергией Иначе необходимо учитывать погрешность измерения параметров ОИ, связанную с изменением термодинамического состояния измерительной цепи, а соответственно и с изменением удельного сопротивления ОИ Это связано с тем, что при резистивной схеме замещения ОИ погрешность измерения ее параметров будет непосредственно зависеть от величины изменения температуры ОИ за время проведения измери-^ Р(и -¿о)

тельной операции ЛТ - > где Ч ~ время начала процесса измерения

параметров объекта; I, ~ время окончания процесса измерения, #(г) - полная теплоемкость ОИ при температуре Т Это в свою очередь приведет к изменению полного электрического сопротивления измерительной цепи, и, как следствие, к итоговому изменению рассеиваемой в ОИ электрической мощности

^ Для уменьшения энергетического влияния измерительного сигнала измерение параметров Я С-двухполюсников (параллельное включение емкости и сопротивления) следует проводить на высоких частотах, а Ж-двухполюсников (параллельное включение индуктивности и сопротивления) - на низких Так как в этом случае влияние резистивной составляющей в ЭС ОИ минимально В противном случае необходимо учитывать рассеиваемую в ОИ АЭМ, приводящую к изменению температуры ОИ и, как следствие, к изменению его теплофи-

зических параметров Причем при проведении измерительных операций в широком диапазоне частот, необходимо учитывать погрешность, связанную с изменением удельного сопротивления ОИ и являющуюся следствием изменений вносимых в ОИ электрической энергией, рассеиваемой на разных частотах, которая в общем виде определяется исходя из выражения

AWB = К Ц)- Wn К )НМ®, (а>0 )], где WB{m) и Wf(a>) - соответственно, вносимые в ОИ и рассеиваемые ОИ в окружающую среду энергии на соответствующих частотах измерительного сигнала а); и а0

Вторая глава посвящена анализу режимов рассеивания в ОИ электрической мощности Здесь даны рекомендации по оценке минимального временного интервала между измерительными операциями и описан подход к идентификации параметров теплозависимых объектов на основе информации о рассеиваемой в ОИ АЭМ на разных частотах измерительного сигнала

В частности для решения задачи идентификации параметров ОИ, предлагается решить систему уравнений типа

Р(й))=12 Re[Z_{&%

где / является константой, а закон, характеризующий распределение АЭМ Р{т), определяется изменением величины активной составляющей комплексного сопротивления ОИ ife[z(o)]Ha разных частотах измерительного сигнала со Однако решение данной системы возможно только при выполнении условия термодинамического равновесия, когда на разных частотах измерительного сигнала рассеиваемая в ОИ АЭМ остается постоянной

Р(&0) = Р(<о,) = К = Р{соп ) = const К примеру, приняв равными на разных частотах время процесса измерения и теплоемкость ОИ, в первом приближении можно сказать, что в зависимости от частоты температура ОИ измениться на величину

ЛГ . wBi [ф,)-^,)]-УВо[г,ЦНоЮ] Я

где Z0 (<з0), (¡(а>0) - время начала и окончания процесса измерения параметров объекта на частоте <о0; WBi и активные энергии, вносимые в ОИ на

соответствующих частотах и а>0, Н - полная теплоемкость ОИ Погрешность измерения параметров элементов двухполюсника будет определяться изменением удельного сопротивления ОИ, связанным с изменением его температуры на величину AT

ш

Рисунок 1 - Гипотетическая схема замещения объекта измерения

Соответственно для ОИ, ЭС которого представлена на рисунке 1, зависимость рассеиваемой в нем общей АЭМ от частоты измерительного сигнала будет иметь вид, показанный на рисунке 2 Это идеализированная частотная характеристика, отличающаяся от реальной (для которой время проведения измерительной операции равно 0,1 с) на величину АР(&)=12 Д7?е[2(®)], где ААР(а>)

- изменение активной составляющей импеданса двухполюсника (комплексного сопротивления) и рассеиваемой в нем АЭМ на заданной частоте Значение

зависит от изменения температуры ОИ на величину АТза время проведения измерительной операции, причем в данном случае с увеличением температуры ОИ его активное сопротивление электрическому току также увеличивается

Рисунок 2 - Реальная и идеальная частотная зависимости рассеиваемой в объекте измерения электрической мощности

Если выразить изменение температуры ОИ от рассеиваемой в нем АЭМ через его теплоемкость, то изменение сопротивления ОИ можно оценить как

где Грас - величина, на которую измениться температура ОИ из-за поглощения тепловой энергии окружающей средой, - коэффициент, характеризующий

изменение активной составляющей импеданса от температуры ОИ на заданной частоте измерительного сигнала (ТКС); Лг - время проведения измерительной операции, Я - теплоемкость ОИ

Так как априорную информацию о параметрах ОИ может нести оценка

8

динамики изменения мгновенных значений его параметров, следует предположить, что при построении измерительной аппаратуры, путем проведения измерительных операций на разных частотах измерительного сигнала, необходимо учитывать время на возврат термодинамического состояния ОИ после проведения измерительной операции к начальным значениям. Это связано с тем, что ОИ с различными теплоемкостями имеют различную постоянную времени изменения температуры, которая зависит как от внешних факторов (окружающая среда) так и от внутреннего строения и реакции ОИ на изменение температуры (биологические объекты)

Так как скорость изменения температуры ОИ зависит от его теплоемкости, представим изменение температуры ОИ при разных рассеиваемых в нем активных электрических мощностях, как показано на рисунке 3

1 ¿нас

4 к АТ •

«Ч --- ( ---1-^

к и Н Н

Рисунок 3 - Изменение температуры ОИ с различными теплоемкостями в зависимости от рассеиваемой в них активной мощности

При этом пунктирной линией показана кривая изменения температуры ОИ с меньшей теплоемкостью, а штриховой с большей Рассеиваемая в ОИ АЭМ показана постоянной в течение всего времени проведения измерительной операции (интервал времени от г0 до хотя в реальных объектах, ее значение к концу измерительной операции (момент времени ¡¡) будет отличаться от значения, которое было в начале (момент времени г0)

Минимальное время между измерительными операциями должно удовлетворять неравенству (тт > [?и - /нас ] (где 4 - время проведения измерительной операции, (нас - интервал насыщения, в течение которого температура ОИ Г6ал изменяться не будет) Если минимальное время выразить через коэффициент теплоотдачи а, характеризующий интенсивность теплоотдачи между окружающей ОИ средой и его поверхностью, который связан с темпом охлаждения

(нагрева) т соотношением, представленным в виде а = ——т—, где б - масса

F ц/

ОИ, с - удельная теплоемкость ОИ; F — поверхность ОИ, участвующая в конвективном теплообмене со средой; ц/ - коэффициент, учитывающий распределение температур в ОИ То в идеальном случае при у/ = 1 получим

_Сс 1пАТ

¿тт ~ >

а-г

где А Т — величина, на которую изменилась температура ОИ после окончания воздействия измерительным сигналом

Структуры большинства двухполюсных эквивалентных схем содержат сочетание включенных последовательно или параллельно пассивных элементов (являющихся активными и реактивными сопротивлениями) Минимальное количество их, характеризующее падение напряжения и электрический ток через конкретный участок сложного нелинейного объекта, включенное так, что у этого сочетания имеется единый электрический ток, протекающий через объект, в работе предложено называть компонентом ЭЦ Таким образом, представляя любую эквивалентную схему ОИ в виде набора последовательно соединенных компонентов можно выявить типовые частотные характеристики ЭЦ в виде компонентных мощностей В связи с этим в работе также описаны компонентные условия идентификации топологии схемы замещения ОИ, под которыми понимается свод правил, позволяющий однозначно охарактеризовать наличие того или иного компонента в эквивалентной схеме ОИ

Так как зависимость рассеваемой в ОИ АЭМ от частоты измерительного сигнала (ИС) специфична для каждого компонента ЭЦ, то ее топологию можно получить исходя из следующих условий-

I Если с увеличением частоты ИС значение активной составляющей импеданса двухполюсника уменьшается, то ЭЦ состоит из КС компонента

II Если с увеличением частоты ИС значение активной составляющей импеданса двухполюсника увеличивается, то ЭЦ состоит из В1. компонента

III. Если с увеличением частоты ИС значение активной составляющей импеданса двухполюсника увеличивается, а затем уменьшается, то ЭЦ состоит из ,й|£|С компонента

IV Если с увеличением частоты ИС значение активной составляющей импеданса двухполюсника уменьшается, а затем увеличивается, то ЭЦ состоит из ЩЬС компонента

V Если в рамках всего частотного диапазона ИС величина активной составляющей импеданса двухполюсника имеет отличное от нуля значение, то

ЭЦ имеет в своем составе Я компонент.

Однако этот набор правил идентификации компонентов не является однозначным, поэтому для анализа топологии схемы замещения необходимо учитывать классификационные признаки и следствия В связи с этим для ЭЦ работающей в режиме, при котором может быть только резонанс токов в работе предложены 12 классификационных признаков, позволяющих однозначно определить тополошю схемы замещения ОИ. Проведенный анализ возможных эквивалентных схем ОИ показал, что для большинства компонентов ЭЦ разложение общей рассеиваемой в ОИ активной мощности на более простые компонентные мощности, как правило, удовлетворяет условиям однозначности определения в составе ЭЦ того или иного вида компонента Таким образом, анализируя частотную зависимость рассеиваемой в ОИ активной мощности можно достаточно точно определить количество и состав компонентов электрической цепи

В третьей главе описаны алгоритмические решения задачи идентификации многоэлемеетных пассивных двухполюсников разработанные на основе компонентных условий рассмотренных выше Произведена оценка методов аппроксимации измерительных данных, пригодных для дальнейшего математического анализа Разработаны подходы к построению математической модели пассивной двухполюсной электрической цепи и рассмотрены возможные пути математического решения задачи идентификации параметров ее элементов При этом основные результаты и выводы состоят в следующем

^ Получаемые в ходе проведения измерительных операций данные, о величине активной составляющей импеданса ОИ, необходимо обрабатывать путем аппроксимации сглаживающими сплайнами, которые возникают при минимизации функционала

а У-1

где <р{х]) - значения сплайна в узлах х}, р} > 0 - заданные весовые коэффициенты При этом при решении практических задач аппроксимации в некоторых случаях коэффициенты сглаживающего сплайна необходимо выбирать таким образом, чтобы выполнялись условия \(р{х.)-у^<<5у, 7 = 1, , № где SJ -

известные ошибки измерений

^ Так как каждому компоненту ЭЦ соответствует определенная функция изменения активной составляющей ее импеданса, то обобщенной функцией изменения активной составляющей импеданса ОИ будет сумма компонентных

функций у-/](*)+ /2(х)+К + /„(*), где п - количество компонентов схемы замещения ЭЦ, /, (х). /„(*) - функции изменения активной составляющей импеданса компонентов ЭЦ В общем виде эта функция описывает математическую компонентную модель многоэлементных двухполюсников

Ввиду того, что основной характеристикой электрической цепи при проведении измерительных операций служит зависимость ее сопротивления от угловой частоты измерительного сигнала т~2т$, где /- частота измерительного сигнала, то в результате для идентификации электрической цепи с различной топологией достаточно решить систему уравнений вида

Де[2оя(а>,)]= Ке[г0{ю1)]+Ке[21{а>1)}+ + Яе^Дда,)] Л

Ц+Л^.К» )]+ +

где г - количество компонентов ЭЦ, - число измерений равное количеству входящих в состав ЭЦ элементов, таких как Я, С, Ь, соответственно достаточным условием для определения их параметров считается набор из 2И+2К+ЪМ+\ числа измерений активной составляющей импеданса ОИ Ле[^ш(а?)], где N -количество ЯС-компонентов, К - количество А£-компонентов, М - количество ЛХС-компонентов Решение этой системы уравнений в общем виде позволяет однозначно определять элементы, входящие в состав схемы замещения ОИ

В этой главе также приведены примеры алгебраических решений данной системы уравнений для некоторых видов двухполюсных ЭЦ При этом делается вывод о том, что при решении частной задачи идентификации ЭЦ, описываемой компонентной моделью, необходимо учитывать погрешности, возникающие вследствие принятых допущений к алгебраическим вычислениям, и ошибками, связанными с интерполяцией данных

Четвертая глава посвящена разработке структур ИИС для идентификации электрических параметров теплозависимых объектов и оценке их функциональных узлов

Наиболее удобными, с точки зрения работы в составе ИИС с использованием персонального компьютера, являются цифровые генераторы заданной мощности, а для проведения измерений наиболее предпочтителен режим заданного тока. На рисунке 4 представлена одна из рассматриваемых в работе структур ИИС, максимально удовлетворяющая предъявляемым требованиям

ои

Рисунок 4 - Структурная схема ИИС УС - устройство сравнения, УИТ - управляемый источник тока, АЦП - аналого-цифровой преобразователь, УХ - устройство хранения, ИА - интерфейсный адаптер, ПЭВМ - персональный компьютер, АПС - аналоговый перемножитель сигналов, ГГГН - преобразователь "ток-напряжение"

Работа предложенной структуры ИИС заключается в проведении ряда измерительных операций при разных частотах ИС Основную функциональную роль выполняет персональный компьютер (ПЭВМ), который помимо контроля длительности воздействия ИС на ОИ осуществляет функции преобразователя информации об активной мощности, рассеиваемой в ОИ, в информацию о величине активной составляющей импеданса ОИ Управляемый источник тока (УИТ) представляет собой генератор синусоидального сигнала, который включен по отношению к ОИ таким образом, что на разных частотах ИС измеряется падение напряжения, созданное в ОИ электрическим током, имеющим фиксированные значения амплитуды, согласно управляющим сигналам, поступающим от устройства сравнения (УС) УС анализирует информацию, поступающую из устройства хранения (УХ), и сравнивает ее с эталонной, которая представляет собой величину рассеиваемой в ОИ активной мощности за интервал времени, в течение которого будет проводиться измерительная операция на заданных частотах Если за одинаковые отрезки времени проведения измерительной операции на разных частотах ИС, количественная составляющая активной мощности, рассеиваемой в ОИ, отличается от эталонной, замеренной на начальной частоте, то УС вырабатывает управляющий сигнал, который управляет УИТ В зависимости от направления количественных изменений рассеваемой в ОИ активной мощности УИТ либо уменьшает амплитуду ИС по току, либо увеличивает ее В результате в ОИ поддерживается квазипостоянный режим заданной активной мощности

При этом погрешность ИИС складывается из погрешностей АЦП, перемножителя сигналов, преобразователя тока в напряжение и УИТ Проведенный анализ функциональных узлов показал, что основная составляющая погрешно-

сти сводится к погрешности первичного преобразователя измеряемой величины и зависит от выбора динамического диапазона изменения активного сопротивления ОИ Так, при скорости изменения нагрузки 10 кОМ/мкс быстродействие первичного преобразователя должно быть не хуже 0,1 В/мкс Так как ПЭВМ аппроксимирует полученные данные сглаживающими сплайнами, то погрешность также будет зависеть от величины весовых коэффициентов аппроксимации р, в соответствии с зависимостью 3 = ~~~ > где N - реальное количество

измерений, г - минимальное количество измерительных операций

Исходя из этого, проведенный анализ показал, что предложенные структуры ИИС позволяют получать и обрабатывать информацию о параметрах теплозависимых объектов с приемлемой точностью

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1 Проведен анализ влияния энергетических режимов измерительной цепи на достоверность получаемой измерительной информации и даны рекомендации по ее увеличению В частности предложено при использовании известных подходов к идентификации электрических параметров теплозависимых объектов учитывать изменение температуры ОИ, вызванное рассеиваемой в нем АЭМ, и обеспечивать постоянство термодинамического состояния

2 Сделан вывод о том, что при проведении многократных измерений необходимо учитывать изменение термодинамического состояния ОИ, и выработаны рекомендации по оценке минимального временного интервала между измерительными операциями, которые сводятся к тому, что достоверность измерений может обеспечиваться только при условии возврата термодинамического состояния ОИ к начальным значениям

3 Предложен и обоснован подход к идентификации электрических параметров теплозависимых объектов, на основе информации о количественной составляющей рассеиваемой в них АЭМ, получаемой на разных частотах ИС Данный подход позволяет определять параметры теплозависимых объектов, ЭС которых имеют в своем составе более четырех элементов

4 Разработаны правила построения алгоритмов идентификации топологии многоэлементных ЭС ОИ, которые сводятся анализу зависимостей рассеиваемой в ОИ АЭМ от частоты ИС, характеризующих свойства элементов, входящих в состав эквивалентной схемы

5 Предложен подход к построению математических моделей исследуемых теплозависимых объектов, на основе определения активной составляющей импеданса их эквивалентных схем;

6 Разработана структура и произведена оценка функциональных узлов ИИС, позволяющей идентифицировать топологию и определять параметры многоэлементных электрических схем замещения исследуемых теплозависимых объектов

Результаты опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК

1 Гусев В Г, Мирин H В , Черников И.Г Особенности получения измерительной информации о параметрах сложных теплозависимых многоэлементных двухполюсников//Измерительная техника 1999 -№2 - С 40-45

2 Гусев В Г, Зеленов С А, Мирин Н.В, Черников И Г Принципы построения и структуры электронных измерительных генераторов заданной электрической мощности//Измерительная техника. 1999 -№4 - С 26-31

Других изданиях

3 Цифровые генераторы заданной мощности и их технические возможности в составе многорежимных ИИС / Зеленов С А, Черников ИГ// Измерительные преобразователи и информационные технологии Межвуз науч сб УГАТУ - Уфа, 1998 -С 150-155

4 Достоверность измерительной информации, получаемой при электрических измерениях параметров теплозависимых объектов / Зеленов С А Мирина ТВ, Черников ИГ // Измерительные преобразователи и информационные технологии Межвуз науч сб УГАТУ - Уфа, 1999 -С 25-34

5 Информационно-измерительная система медицинского назначения / Мирин H В , Черников ИГ// Измерительные преобразователи и информационные технологии. Межвуз науч сб УГАТУ - Уфа, 1999 - С 139-145

6 Мулик А В , Черников И Г Вопросы обработки электрических сигналов локальных зон кожного полова // Новые методы, технические средства и технологии получения измерительной информации Материалы Всероссийской НТК -Уфа, 1997 - С 32

7 Мулик А В , Черников И Г Метод улучшения качества получения информации об электрических параметрах кожного покрова // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления Материалы X Юбилейной НТК с участием зарубежных специалистов — Гурзуф, 1998

-С 109-111

8. Мулик А.В , Черников И Г, Мирин Н В. Системы сбора информации об электрических параметрах биологических организмов // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления Материалы X юбилейной НТК с участием зарубежных специалистов - Гурзуф, 1998 -С 328-330

9 Мулик А В, Черников И Г Система сбора и обработки информации об электрических параметрах локальных зон кожного покрова // Проблемы авиации и космонавтики, и роль ученых в их решении Материалы НТК - Уфа, 1998

10 Черников ИГ К вопросу разработки элекгродиагностических систем // Проблемы авиации и космонавтики, и роль ученых в их решении Материалы НТК - Уфа. УГАТУ, 1998 -С 80

11 Зеленов С А, Черников И.Г Измерительные генераторы заданной электрической мощности и их технические возможности // Будущее информатики, космического, авиационного и медицинского приборостроения Материалы Первая международная школа-семинар - СПб, 1998

12 Зеленов С А, Черников И Г Перспективный способ измерения электрических параметров кожного покрова // Состояние и проблемы технических измерений Материалы V всероссийской НТК - М, 1999

13 Зеленов С А, Мулик А В , Черников И Г Увеличение достоверности измерительной информации, получаемой при электрических измерениях параметров теплозависимых объектов // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления Материалы XII НТК с участием зарубежных специалистов (Датчик-2000) Под ред профессора В Н Азарова -М МГИЭМ, 2000. - С 227-228

14 Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №950026 Диалоговая среда для обработки результатов измерений характеристик ферромагнитных материалов / Мулик А.В , Черников И Г, Гусева Т В , выдано РосАПО 30 01 95

15 Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №970262 Диалоговая среда обработки результатов прямых и косвенных измерений / Мулик А В, Черников И.Г, выдано РосАПО 13 06.97

16 Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №990116 Редактор тестов / Мулик А В , Черников И Г, выдано РОСПАТЕНТ 05 03 99

Черников Илья Геннадьевич

ИДЕНТИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОЗАВИСИМЫХ ОБЪЕКТОВ С МНОГОЭЛЕМЕНТНОЙ СХЕМОЙ ЗАМЕЩЕНИЯ

(Измерительные операции, развитие теории, исследование и разработка)

Специальность 05 И 16 «Информащюнно-измерительные и управляющее системы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 29.05 2007 Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная Печать плоская Гарнитура Тайме Уел печ л 1,0 Услкр-отт 1,0 Уч-издл 0,9 Тираж 100 экз Заказ № 211

ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет

Центр оперативной полиграфии 450000, Уфа-центр, ул К Маркса, 12

Перечень использованных сокращений.

Введение.

ГЛАВА 1 Информация, получаемая при электрических измерениях.

§1.1 Методы получения измерительной информации об электрических параметрах теплозависимых объектов.

§ 1.2 Методы определения параметров многоэлементных двухполюсников.

§ 1.3 Методы измерения, учитывающие влияние энергии воздействия измерительной цепи на результаты измерений параметров теплозависимых объектов.

§ 1.4 Анализ влияния электрической энергии, рассеиваемой в объекте измерения, на достоверность получаемых результатов.

§ 1.4.1 Анализ влияния энергии измерительного сигнала при определении параметров одноэлементных двухполюсников.

§ 1.4.2 Анализ влияния энергии измерительного сигнала при определении параметров двухэлементных двухполюсников.

§ 1.5 ВЫВОДЫ по первой главе.

ГЛАВА 2 Идентификация электрических параметров теплозависимых систем.

§ 2.1 Анализ постоянства мощности, рассеиваемой в каждом элементе электрической цепи, при неизменной общей рассеиваемой электрической мощности.

§ 2.2 Анализ режимов рассеивания в объекте измерения электрической мощности.

§ 2.3 Оценка минимального временного интервала между измерительными операциями.

§ 2.4 Определение параметров теплозависимых цепей в режиме заданной мощности.

§ 2.4.1 Простые компоненты схемы замещения объекта измерения.

§ 2.4.2 Сложные компоненты схемы замещения объекта измерения.

§ 2.5 ВЫВОДЫ по второй главе.

ГЛАВА 3 Математические методы идентификации теплозависимых систем.

§ 3.1 Аппроксимация экспериментальных данных, получаемых при измерении параметров объекта измерения.

§ 3.2 Построение схемы замещения объекта измерения на основе измерительной информации о его параметрах.

§ 3.3 Идентификация элементов схемы замещения объекта измерения

§ 3.4 ВЫВОДЫ по третьей главе.

ГЛАВА 4 Подходы к построению измерительных систем, предназначенных для идентификации параметров двухполюсных электрических цепей.

§ 4.1 Структура измерительных систем для идентификации электрических параметров пассивного двухполюсника в режиме заданной активной мощности.

§ 4.2 Структура измерительных систем для идентификации электрических параметров пассивного двухполюсника без обеспечения режима заданной активной мощности.

§ 4.3 Оценка погрешностей определения параметров многоэлементных двухполюсников с теплозависимыми элементами.

§ 4.5 ВЫВОДЫ по четвертой главе.

Актуальность. Измерение электрических параметров сложных, нелинейных, теплозависимых объектов является одной из важных задач, стоящих перед информационно-измерительной техникой, поскольку методы и средства их измерения могут быть использованы для определения параметров широкого круга объектов, представляемых электрическими эквивалентными схемами. Из-за особенностей большинства объектов электрический контакт с ними, в большинстве случаев, возможен только в двух точках, поэтому в простейшем случае, эквивалентная схема таких объектов представляет собой двухполюсное многоэлементное сочетание активных и реактивных элементов электрических цепей: резисторов, емкостей, индуктивностей. Таким образом, решение задачи идентификации теплозависимых объектов требует развития методов измерения параметров и характеристик двухполюсных объектов, в эквивалентной схеме которых имеются нелинейные теплозависимые активные сопротивления. Эта задача известна в информационно-измерительной технике. В ее решение внесли существенный вклад работы научных школ возглавляемых Мартяшиным А.И., Лихтциндером Б.Я., Кнеллером В.Ю., Боровских Л.П., Попечителевым Е.П., Гутниковым B.C., Тюкавиным A.A., Кольцовым A.A., Зариповым М.Ф. и других. Оценку параметров объектов, в эквивалентной схеме которых имеется несколько элементов, доступ к которым отсутствует, приходится проводить при исследованиях электрических закономерностей в электрохимии, в том числе при изучениях контактных явлений на границе раздела твердого электрода и жидкости. Вопросы идентификации параметров элементов у объектов со сложными эквивалентными схемами, которые с электрической точки зрения являются многоэлементными двухполюсниками, возникают и при оценке состояния живой материи. Участок ее, параметры которого измеряются с помощью двух электродов, имеет эквивалентную схему многоэлементного теплозависимого двухполюсника. К тому же контакт электродов с живой материей характеризуется также многоэлементной эквивалентной схемой. Аналогичные сложности возникают и при оценке параметров элементов структур твердых тел, которые вследствие особенностей их назначения внутри объема имеют анизотропные элементы, параметры которых следует оценивать и идентифицировать. Также возможно более широкое использование кондуктометрических методов для анализа состава многокомпонентных жидких сред, что на сегодня практически не делается. В связи с этим задача идентификации электрических параметров теплозависимых объектов с многоэлементной схемой замещения представляется достаточно актуальной.

На сегодняшний день наиболее эффективным способом оценки параметров объектов, эквивалентные схемы которых относятся к многоэлементным двухполюсникам, является использование нескольких частот, на которых проводятся соответствующие измерения с помощью соответствующих измерительных цепей. Параметры интересующих элементов обычно находят расчетным путем. Этот способ справедлив и эффективен при исследованиях линейных не теплозависимых объектов. Наличие у элементов эквивалентной схемы температурных зависимостей приводит к тому, что на разных частотах объектом будет потребляться разная активная мощность и будет изменяться ее распределение между теплозависимыми элементами. Поэтому измерительные операции, выполненные на каждой частоте, у теплозависимого объекта будут характеризовать параметры, которые имеются у элементов при той активной мощности рассеивания и ее распределении, которая обусловлена величиной активных и видом и характером реактивных элементов, входящих в эквивалентную схему объекта измерения (ОИ) на заданной частоте. Учитывая это положение можно считать, что элементы различных эквивалентных схем большинства теплозависимых объектов, параметры которых с использованием существующих методов измерения ранее исследователями определялись как нелинейные или частотно-зависимые, априори таковыми не являются.

Из этого следует, что подходы и измерительные цепи, приводимые в известных работах, справедливы только для линейных теплозависимых объектов и дают большие погрешности в случаях оценок с их помощью параметров элементов нелинейных теплозависимых объектов. Поэтому целью диссертационной работы является развитие теории получения измерительной информации о параметрах теплозависимых объектов, схема замещения которых по конструктивным особенностям и по возможности доступа к ним представляет сложный пассивный двухполюсник.

Для достижения этой цели потребовалось решить следующие задачи:

1. Обобщить известные подходы к идентификации электрических параметров теплозависимых объектов и дать оценку их эффективности;

2. Исследовать влияние рассеиваемой в объекте электрической энергии на достоверность получаемых результатов;

3. Разработать модифицированный подход к идентификации параметров теплозависимых объектов, эквивалентная схема которых представляет собой многоэлементный двухполюсник, дающий при практическом использовании более достоверные результаты;

4. Исследовать подходы и закономерности (правила) построения алгоритмов идентификации параметров и топологии многоэлементных эквивалентных схем исследуемого объекта;

5. Разработать структуры измерительных систем, позволяющих идентифицировать электрические параметры теплозависимых объектов.

Во введении обоснована актуальность выполненной научной работы, охарактеризовано состояние дел в этой области, сформулированы цель и задачи исследования, приведены научные результаты, выносимые на защиту, указана их научная новизна и практическая ценность.

В первой главе дан обзор известных методов, способов и технических приемов, используемых при проведении измерительных операций по определению параметров многоэлементных двухполюсников. Рассмотрены основные энергетические режимы проведения измерительных операций, влияющие на достоверность получаемой информации. Предложены пути уменьшения погрешностей при использовании существующих методов проведения измерительных операций. Рассмотрены методы измерения, учитывающие влияние энергии воздействия измерительной цепи на результаты измерений теплозави-симых объектов. Приведен анализ влияния рассеиваемой в объекте измерения электрической энергии на достоверность получаемых результатов для одноэлементных и двухэлементных пассивных двухполюсников.

Вторая глава посвящена анализу режимов рассеивания в объекте измерения электрической мощности. Даны рекомендации по оценке минимального временного интервала между измерительными операциями. Предложена компонентная модель построения схемы замещения пассивных двухполюсников в виде цепи последовательно соединенных компонентов.

Под компонентом электрической цепи предложено понимать совокупность ее элементов, однозначно характеризующую свойства объекта измерения в диапазоне частот измерительного сигнала. В зависимости от изменчивости этих свойств, компоненты разбивают на простые и сложные.

В этом разделе описаны их характеристики и дана оценка влияния структур компонентов на правильную интерпретацию схемы замещения объекта измерения. Выявлены компонентные условия идентификации топологии схемы замещения объекта измерения, под которыми понимается свод правил, позволяющий однозначно охарактеризовать наличие того или иного компонента в электрической цепи.

В третьей главе предлагаются к рассмотрению новые методы идентификации многоэлементных пассивных двухполюсников. Произведена оценка ^ методов аппроксимации измерительных данных, пригодных для дальнейшего математического анализа. Предложены методы построения схемы замещения объекта измерения на основе частотных зависимостей активной составляющей комплексного сопротивления двухполюсника. Разработана математическая модель пассивной двухполюсной электрической цепи и рассмотрены возможные пути математического решения задачи идентификации параметров ее элементов.

В четвертой главе предлагаются к рассмотрению структуры измерительных устройств, пригодных для использования предложенных методов идентификации параметров многоэлементных пассивных двухполюсников, использующих компонентную модель построения схемы замещения объекта измерения. Даны рекомендации по оценке погрешностей, возникающих в процессе проведения измерительных операций.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

1. Предложено развитие методики идентификации электрических параметров теплозависимых объектов, основанной на тестирующем воздействии в виде синусоидального сигнала различной частоты. При этом установлено, что в случае постоянства рассеиваемой в ОИ активной электрической мощности во всем диапазоне рабочих частот влияние нелинейности электрических параметров исследуемых объектов существенно уменьшается.

2. Предложено для анализа топологии электрической эквивалентной схемы исследуемого объекта использовать в качестве входной информации частотную зависимость активной составляющей комплексного сопротивления объекта.

3. Разработана методика построения алгоритмов идентификации топологии многоэлементных электрических эквивалентных схем исследуемого объекта на основе информации о частотной зависимости активной составляющей комплексного сопротивления.

4. Предложена методика построения математических моделей исследуемых объектов, основанная на информации о топологии их электрической эквивалентной схемы.

5. Разработаны структуры информационно-измерительных систем для исследования частотной зависимости активной составляющей комплексного сопротивления, обеспечивающие неизменность рассеиваемой активной мощности в объекте измерения.

В результате проделанного в работе развита научная база построения устройств, предназначенных для идентификации электрических свойств теплозависимых объектов.

Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты позволили по-новому взглянуть на процесс получения измерительной информации о параметрах теплозависимых объектов и обосновать необходимость учета рассеиваемой в объекте измерения активной электрической энергии измерительного сигнала. С использованием предложенных подходов по идентификации параметров элементов эквивалентных схем исследуемых теплозависимых объектов стало возможным построение информационно-измерительных систем (ИИС), позволяющих аппаратно определять топологию эквивалентных схем исследуемых объектов и параметры их элементов. Именно синтез эквивалентной схемы (схемы замещения) ОИ на сегодняшний день оставался задачей, не реализованной на аппаратном уровне, и рассматривался как сугубо аналитическая часть постобработки измерительной информации, полученной в ходе проводимых измерительных операций. Использование рассмотренных в работе подходов позволяет создавать диагностические системы нового поколения, выстраивающие математическую модель ОИ и проводящие ее качественный анализ. Также значение для практики имеют: методика проведения измерительных операций тестирующим воздействием различной частоты, регламентирующая минимальный временной интервал, необходимый для возврата электрических параметров исследуемого объекта к начальным условиям; методика алгоритмического синтеза топологии многоэлементных эквивалентных электрических схем исследуемого объекта; методика построения математических моделей исследуемых теплозависимых объектов на основе информации о частотной зависимости активной составляющей их комплексного сопротивления;

На защиту выносятся:

1. Результаты анализа существующих подходов к получению измерительной информации об электрических параметрах двухполюсников и оценка их достоверности;

2. Оригинальная методика идентификации параметров теплозависимых объектов на основе оценки рассеиваемой в объекте измерения активной электрической мощности на разных частотах измерительного сигнала;

3. Правила построения алгоритмов идентификации топологии многоэлементных эквивалентных схем исследуемого объекта и подход к построению математических моделей исследуемых теплозависимых объектов на основе информации о частотной зависимости активной составляющей их комплексного сопротивления;

4. Структуры информационно-измерительных систем, позволяющих идентифицировать электрические параметры теплозависимых объектов, и результаты исследований их функциональных узлов.

Методы исследований. Основные результаты получены с использованием положений теорий электрических цепей, построения измерительных систем и математического анализа. При исследовании частотных характеристик двухполюсных электрических цепей использовались методы и подходы из области теоретических основ электротехники, при этом моделирование их свойств, выполнялось с помощью прикладных программных пакетов MathCad 2001 Professional и Maple v.7.0, а также с помощью аналитического исследования структур. Для оценки достоверности предлагаемых методов идентификации параметров теплозависимых объектов использовались положения теории погрешностей.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения, списка литературы из 124 наименований. Общий объем 159 страниц. В работе имеются 62 иллюстрации и 1 таблица.

§ 4.5 ВЫВОДЫ ПО ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ

1. Для использования методов идентификации параметров объекта измерения, рассмотренных в главе 3, необходимо проектировать цифровые измерительные устройства, в состав которых входит ПЭВМ. При этом погрешности измерения будут сводиться к погрешностям АЦП, перемножителя сигналов, преобразователя тока в напряжение и управляемого источника тока.

2. Для учета изменений полного сопротивления объекта измерения в процессе проведения измерительной операции, связанных с изменением его температуры за время воздействия измерительным сигналом, необходимо проектировать устройства, которые позволяют учитывать теплоемкость ОИ и изменение его удельного сопротивления.

3. В целом погрешность идентификации параметров многоэлементных двухполюсников сводится к погрешностям первичного преобразователя активной составляющей комплексного сопротивления двухполюсника и к погрешности аппроксимации измерительной информации.

4. Величина погрешности аппроксимации активной составляющей комплексного сопротивления ОИ имеет обратно пропорциональную зависимость от количества измерений проводимых на разных частотах измерительного сигнала (4.2).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленный материал является обобщением идей автора, отраженных в работах начиная с 1997 года, и подводит их под единую теорию построения измерительных систем для оценки и идентификации параметров сложных теплозависимых пассивных электрических двухполюсников на основе информации о распределяемой в объекте измерения активной электрической энергии. Значимость данной работы состоит, прежде всего, в том, что впервые предложен путь идентификации параметров исследуемого объекта не на основе метода сравнения с заранее известной эталонной моделью, а путем выявления гипотетической схемы замещения объекта измерения и исследования ее свойств. То есть, предложен подход, который позволяет создавать автоматизированные измерительные системы, однозначно определяющие количественные и качественные характеристики элементов исследуемой электрической цепи.

В диссертации также дан анализ существующих методов измерения электрических параметров исследуемого объекта и предложены пути увеличения достоверности получаемых в ходе проведения измерительных операций данных. Все это можно использовать для создания измерительных устройств нового поколения, учитывающих влияние энергии воздействия измерительного сигнала на исследуемый объект измерения.

На основании проведенных исследований получены следующие основные результаты работы и сделаны выводы:

1. Проведен анализ влияния энергетических режимов измерительной цепи на достоверность получаемой измерительной информации и даны рекомендации по ее увеличению. В частности предложено при использовании известных подходов к идентификации электрических параметров теплозависимых объектов учитывать изменение температуры ОИ, вызванное рассеиваемой в нем АЭМ, и обеспечивать постоянство его термодинамического состояния. При этом установлено, что в случае постоянства рассеиваемой в ОИ АЭМ во всем диапазоне рабочих частот, на которых проводятся измерительные операции, влияние нелинейности электрических параметров исследуемых объектов существенно уменьшается.

2. Сделан вывод о том, что при проведении многократных измерений необходимо учитывать изменение термодинамического состояния ОИ, и выработаны рекомендации по оценке минимального временного интервала между измерительными операциями, которые сводятся к тому, что достоверность измерений может обеспечиваться только при условии возврата термодинамического состояния ОИ к начальным значениям.

3. Предложена и обоснована методика идентификации электрических параметров теплозависимых объектов, на основе информации о количественной составляющей рассеиваемой в них АЭМ, получаемой на разных частотах ИС. Данная методика позволяет определять параметры теплозависимых объектов, ЭС которых имеют в своем составе более четырех элементов.

4. Предложена методика алгоритмического синтеза топологии многоэлементных электрических ЭС исследуемого объекта и разработаны правила построения алгоритмов, которые сводятся к анализу зависимостей рассеиваемой в ОИ АЭМ от частоты измерительного сигнала, характеризующих свойства элементов, входящих в состав электрической ЭС исследуемого объекта.

5. Предложена методика построения математических моделей исследуемых объектов, основанная на информации о топологии их электрической эквивалентной схемы. Выработаны рекомендации и рассмотрены частные случаи решения задачи идентификации при использовании многоточечной интерполяции данных с помощью полинома Лагранжа.

6. Разработана структура и произведена оценка функциональных узлов ИИС, позволяющей идентифицировать топологию и определять параметры многоэлементных электрических схем замещения исследуемых теплозависимых объектов.

1. Авторское свидетельство. №1037189 СССР, МКИЗ GO1. 17/10. Мостовое измерительное устройство / Г.И. Передельский, А.Н. Сапрыкин // Открытия. Изобретения. - 1983. - №31.

2. Авторское свидетельство. №143467 СССР, МКИЗ GOIR 17/10. Электрический мост переменного тока / Л.В. Каменев, A.B. Антошин // Открытия. Изобретения. 1961. -№24.

3. Агамалов Ю.Р., Бобылев Д.А., Кнеллер В.Ю. Измеритель-анализатор параметров комплексных сопротивлений на основе персональной ЭВМ // Измерительная техника. 1996. №6. - С. 56-60

4. Бабенко К.И. Основы численного анализа. М.: Наука, 1986. - 774 с.

5. Багоцкий B.C. Основы электрохимии. М.: Химия, 1988. - 400 с.

6. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. М.: Наука, 1987.-600 с.

7. Бахмутский В.Ф., Витгенштейн И.И., Cae С.Е. О применении импульсного питания мостовых схем с полупроводниковыми термосопротивлениями в устройствах двухпозиционного регулирования // Автоматика и телемеханика. 1961. - №2.-С. 17-19.

8. Безруков В.К. Применение методов линейного программирования к задаче определения параметров эквивалентного многополюсника. В кн.: Математическое моделирование и теория электрических цепей, вып. 5. - Киев: Наукова думка, 1967. - С. 177-184.

9. Березовский В.А., Колотилов H.H. Биофизические характеристики тканей человека. Справочник. Киев: Наукова думка, 1990. - 223 с.

10. Беркинблинт М.Б., Глаголева Е.Г. Электричество в живых организмах. -М.: Наука, 1988.-288 с.

11. П.Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. 7-е изд. перераб. и доп. М: Высшая школа, 1978. - 528 с.

12. Валеев С.Г. Регрессионное моделирование при обработке наблюдений.-M.: Нука, 1991.

13. Василенко В.А. Сплайн-функции: теория, алгоритмы, программы. Новосибирск: Наука, 1983.

14. Вершинин В.В., Завьялов Ю.С., Павлов H.H. Экстремальные свойства сплайнов и задач сглаживания. Новосибирск: Наука, 1988.

15. Вишневский A.A., Ермакова Н.П., Кирилов С.А., Романова Э.А. Измерение биопотенциалов в точках акупунктуры дискретным методом // Применение радиоэлектроники в области медицинских и биологических исследований. -Киев: Здоров'я, 1976.-С . 15-16.

16. Власов А.И., Иванов В.П., Передельский Г.И. Электрические мосты с импульсным питанием, уравновешиваемые активными элементами // Измерительная техника. 1975. - №10. - С. 64-66.

17. П.Герасимов В.М., Передельский Г.И. Мост Максвелла, питающийся напряжением трапециевидной формы // Измерительная техника. 1971. - №8. -С. 56-58.

18. Герасимов В.М., Передельский Г.И., Моор В.Р. Трансформаторные мосты с импульсным питанием // Известия вузов СССР. Приборостроение. 1977. - Т.20, - №3. - С.49-52.

19. Графов Б.М., Укше Е.А. Электрохимические цепи переменного тока. М.: Наука, 1973.- 128 с.

20. Гребенников А.И. Метод сплайнов и решение некорректных задач теории приближений. М.: МГУ, 1983.

21. Гриневич Ф.Б. Автоматические мосты переменного тока. Новосибирск: Издательство СО АН СССР, 1964.

22. Груздев C.B., Прошин Е.М. Импульсная тензометрия. М.: Энергия, 1976.

23. Гуревич М.И., Соловьев А.И., Литовченко Л.П., Доломан Л.Б. Импедансная реоплетизмография. Киев: Наук. Думка, 1982. - 176 с.

24. Гусев В. Г. Электроника и микропроцессорная техника: учебник для вузов / В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев.-Изд. 3-е, перераб. и доп.-М.: Высшая школа, 2005. 790 с.

25. Гусев В.Г. Информационные свойства электрических параметров кожного покрова. У фа: Гилем, 1998. - 173 с.

26. Гусев В.Г. Методы и технические средства для медико-биологических исследований. Часть I. Уфа: УГАТУ, 2001. - 227 с.

27. Гусев В.Г. Методы и технические средства для медико-биологических исследований. Часть 2. Уфа: УГАТУ, 2001. - 119 с.

28. Гусев В.Г. Методы построения высокоточных электронных устройств преобразования информации. Уфа: УГАТУ. - 1998. - 184 с.

29. Гусев В.Г. Получение информации о параметрах и характеристиках организма и физические методы воздействия на него: Учебное пособие / В.Г. Гусев. М.: Машиностроение, 2004. - 597 с.

30. Гусев В.Г., Демин А.Ю. и др. Измерительные операции и цепи в многофункциональной диагностической системе // Медицинская техника, 2004, №1, с. 16-19.

31. Гусев В.Г., Демин А.Ю., Мирина Т.В. Элементы и узлы измерительных генераторов заданной электрической мощности. Измерительная техника, 2003, №7, с. 34-38.

32. Гусев В.Г., Зеленов С.А., Мирин Н.В., Черников И.Г. Принципы построения и структуры электронных измерительных генераторов заданной электрической мощности // Измерительная техника. 1999. №4. - С. 26-31.

33. Гусев В.Г., Мирин Н.В., Мирина Т.В. Многорежимные измерительные преобразователи для медицинских диагностических информационно-измерительных систем. Сборник «Вестник аритмологии». С.Птб., Изд-во «Сильван», 1998, №8.

34. Гусев В.Г., Мирин Н.В., Черников И.Г. Особенности получения измерительной информации о параметрах сложных теплозависимых многоэлементных двухполюсников // Измерительная техника. 1999. №2. - С. 40-45.

35. Гусев В.Г., Мирина Т.В. Улучшение характеристик измерительных генераторов заданной мощности. Метрология, 1999, №7, с. 18-28.

36. Гусев В.Г., Мирина Т.В.Методы измерения мощностных свойств источников электрической энергии имеющих биологическую природу. Материалы НТК «Датчик 2001». М.: МГИЭМ, 2001, с. 132-133.

37. Дадашев P.C., Парашин В.Б.,Семенов Г.В. Биомедицинские измерения. Обзор из серии "Метрология и измерительная техника в СССР". М.: Б. и., 1972.-76 с.

38. Дамаскин Б.Б., Петрий O.A. Введение в электрохимическую кинетику. М.: Высшая школа, 1983. - 400 с.

39. Данилов Л.В., Матханов П.Н., Филиппов Е.С. Теория нелинейных электрических цепей. -Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. 253 с.

40. Де Бор К. Практическое руководство по сплайнам: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1985.-304 с.

41. Демин А.Ю. Измерительные генераторы малой заданной электрической мощности (развитие теории, исследования, разработка). Дисс. канд. техн. наук: 05.13.05 -2003.

42. Денис Дж. мл., Шнабель Р. Численные методы безусловной оптимизации и решения нелинейных уравнений: Пер. с англ. М.: Мир, 1988. - 440 с.

43. Дондошанский Л.К., Шапошников Н.С. Автоматический импульсный мост // Приборы и системы управления. 1967. - №9. - С. 46-47.

44. Ермольев Ю.М. Ляшко И.И., Михалевич B.C., Тюптя В.И. Математические методы исследования операций. Киев: Вища школа, 1979.

45. Завьялов Ю.С., Квасов Б.И., Мирошниченко В.Л. Методы сплайн-функций. -М.: Наука, 1980.-352 с.49.3ахаров Г.М. Импульсный метод измерения больших сопротивлений // Приборы и техника эксперимента. 1960. - №4. - С. 82-84.

46. Игнатов М.И., Певный А.Б. Натуральные сплайны многих переменных. -Ленинград: Наука, 1991. 135 с.

47. Измайлов H.A. Электрохимия растворов. 3-е изд. М.: Химия, 1976. -488 с.

48. Измерительные цепи с генераторами заданной мощности / В.Г. Гусев и др. Измерительная техника №8,2005 с. 50-52.

49. Информативность биологически активных точек, приборные методы их определения и эффективность медико-технических исследований. Харьков: Б. и., 1981.- 168 с.

50. Исследование методов, технических средств и систем для получения измерительной информации. Технический отчет заключительный. Один из соисполнителей Мирина Т.В. Инв. Номер в ВНТИНЦ. 02.2.00.206485, 202 с.

51. Карандеев К.Б., Штамберг Г.А., Обобщенная теория мостовых цепей переменного тока. Новосибирск: Изд-во СО АН СССР, 1961.

52. Киншт Н.В., Герасимова Г.Н., Кац М.А. Диагностика электрических цепей. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 192 с.

53. Кольцов A.A. Электрические схемы уравновешивания. М.: Энергия, -1976.-192 с.

54. Кнеллер В.Ю. Автоматическое измерение составляющих комплексного сопротивления. -М. Л.: Энергия, 1967. - 368 с.

55. Кнеллер В.Ю., Агамалов Ю.Р., Десова A.A. Автоматические измерители комплексных величин с координированным уравновешиванием. -М.: Энергия, 1975.- 169 с.

56. Кнеллер В.Ю., Боровских Л.П. Определение параметров многоэлементных двухполюсников. -М.: Энергоатомиздат, 1986. 143 с.

57. Корнеевский H.A., Попечилов Е.П., Гадалов В.Н. Проектирование электронной медицинской аппаратуры, основанной на электрическом взаимодействии с биообъектами. Курск: Курский государственный технический университет, 1997. - 212 с.

58. Кукуш В.Д. Электрорадиоизмерения. -М.: Радио и связь, 1985.

59. Куликовский Л.Ф., Мамикоян Б.И. Исследование измерительной цепи с термосопротивлением при импульсном питании // Автометрия. 1969. -№5. - С. 107-109.

60. Макаров В.Л., Хлобыстов В.В. Сплайн-аппроксимация функций. М.: Высшая школа, 1983.

61. Малоземов В.М., Певный А.Б. Полиномиальные сплайны. Ленинград: ЛГУ, 1986.

62. Медицинские приборы. Разработка и применение.(John G.Webster, John W.Clark,Jr, И.В.Камышко, Д.А.Калашник и др.) -M: Медицинская книга, 2004 720с.

63. Методы измерения в электрохимии: Пер. с англ./Под ред. Ю.А. Чизмадже-> ва.-М.: Мир, 1977.-Т. 1. -585 е.;-т. 2.-475 с.

64. Методы определения теплопроводности и температуропроводности / А.Г. Шашков, Г.М. Волохов, Т.Н. Абраменко и др. -М.: Энергия, 1973.-336 с.

65. Мирин Н.В., Черников И.Г. Информационно-измерительная система медицинского назначения // Измерительные преобразователи и информационные технологии: Межвуз. науч. сб. УГАТУ. Уфа, 1999. - С. 139-145.

66. Многофункциональная информационно-измерительная система для медицинской диагностики / В.Г. Гусев., Дудов O.A., Мирина Т.В. и др. Вестник

67. УГАТУ. Т.5 -№2(10) Уфа: УГАТУ, 2004 с. 104-109. )

68. Мудров А.Е. Численные методы для ПВЭМ на языках Бейсик, Фортран и

69. Паскаль. Томск: МП "РАСКО", 1991.-272 с.

70. Мулик A.B., Черников И.Г. Вопросы обработки электрических сигналов локальных зон кожного покрова // Новые методы, технические средства и технологии получения измерительной информации: Материалы Всероссийской НТК. Уфа, 1997. - С. 32.

71. Мулик A.B., Черников И.Г. Система сбора и обработки информации об электрических параметрах локальных зон кожного покрова // Проблемы авиации и космонавтики, и роль ученых в их решении: Материалы НТК. -Уфа, 1998.

72. Нейман Л.Р., Демирчан К.С. Теоретические основы электротехники. 3-е изд. перераб. и доп. Т. 2. Л: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1981. - 534 с.

73. Новик А.И. Системы автоматического уравновешивания цифровых экстремальных мостов переменного тока. Киев: Наукова думка, 1983. - 224 с.

74. Носач В.В. Решение задач аппроксимации с помощью персональных компьютеров. М.: МИКАП, 1994. - 382 с.87.0лейник Б.Н. Точная калориметрия. М.: Энергия, 1973. - 208 с.

75. Пахомов В.И. Метод измерения физических величин параметрическими преобразователями // Измерительная техника. 1966. - №1. - С. 67-69.

76. Передельский Г.И. Емкостные преобразователи, питающиеся импульсным напряжением // Измерительная техника. 1968. - №8. - С. 48-51.

77. Передельский Г.И. Мостовые цепи с импульсным питанием. М.: Энерго-атомиздат, 1988. - 192 с.

78. Передельский Г.И. Синтез ветвей мостов для измерения трех составляющих с раздельным уравновешиванием // Известия вузов СССР. Приборостроение. 1979. - Т.22., - № 10. - С. 8-13.

79. Попов Б.А., Теслер Г.С. Вычисление функций на ЭВМ. Киев: Наукова думка, 1984.

80. Приборы для электрокардиографии (методические указания к лабораторным работам по курсу "Медицинские приборы, аппараты и системы") / Му-лик A.B., Мукаев Р.Ю., Уразбахтина Ю.О, Черников И.Г. Изд. УГАТУ, Уфа, 2000.

81. Расчет электрических цепей и электромагнитных полей на ЭВМ / М.Г. Александрова, А.Н. Белянин, Р. Брюкнер и др.; под ред. JI.B. Данилова и Е.С. Филиппова. -М.: Радио и связь, 1983.

82. Реутов В.В. Применение импульсного питания в цифровых мостах для измерения сопротивлений // Аналого-цифровые и цифро-аналоговые пре1.образователи. Киев: Институт электродинамики АН УССР. - 1969. 1. ВыпЛ.-С. 112-121.

83. Ромоданов А.П., Богданов Г.Б., Лященко Д.С. Первичные механизмы действия иглоукалывания и прижигания. Киев: Вища школа. Головное изд-во, 1984.- 112 с.

84. Сверкунов Ю.Д., Исаев А.Е. Идентификация нелинейных систем в классе обобщенных радиотехнических звеньев при гармоническом воздействии // Измерение, контроль, автоматизация. 1980. - №12. - С. 44-49.

85. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №970262. Диалоговая среда обработки результатов прямых и косвенных измерений / Мулик A.B., Черников И.Г., выдано РосАПО 13.06.97.

86. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №990116. Редактор тестов / Мулик A.B., Черников И.Г., выдано РОСПАТЕНТ 05.03.99.

87. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ. №950026. Диалоговая среда для обработки результатов измерений характеристик ферромагнитных материалов / Мулик A.B., Черников И.Г., Гусева Т.В., выдано РосАПО 30.01.95.

88. Семко Ю.И. Цифровое преобразование параметров М, L, С, R приимпульсном питании // Измерительная техника. 1966. - №2. - С. 38-41.

89. Серьезнов А.Н. Измерения при испытаниях авиационных конструкций на прочность. М.: Машиностроение, 1976.

90. Скотников A.A., Серьезнов А.Н. Выбор параметров импульсного питания в мостовых тензометрических схемах // Измерительная техника. 1970. -№6. -С.33-34.

91. Слынько П.П. Потоотделение и проницаемость кожи человека. Киев: Наукова Думка, 1973. - 256 с.

92. Совокупность измерительных операций при оценке электрических свойств биологических тканей / В.Г. Гусев и др. Метрология, №12, 2004. -С. 27-38.

93. Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Корицкого I Ю.В., Пасынкова В.В., Тареева Б.М. Т. 3. - 3-е изд., перераб. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. - 728 с.

94. Стечкин С.Б, Субботин Ю.Н. Сплайны в вычислительной математике. -М.: Наука, 1976.

95. Тензоизмерительная система для прочностных испытаний / М.П. Цапен-ко, Я.М. Диковский, Б.В. Карпюк и др. // Приборы и системы управления. 1976.-№1.- С. 31-33.

96. Теплофизические измерения и приборы / Платунов Е.С., Буравой С.Е.,

97. Курепин В.В., Петров Г.С.; под ред. Е.С. Платунова. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1986. - 256 с.

98. Трансформаторные измерительные мосты / Ф.Б. Гриневич, А.Д. Грохольский, K.M. Соболевский и др.; под ред. К.Б. Карандеева М.: Энергия, 1970.-280 с.

99. Фадеев Д.К., Никулин М.С., Соколовский И.Ф. Элементы высшей математики для школьников. М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1987. - 336 с.

100. Филиппов Л.П. Измерния теплофизических свойств веществ методом периодического нагрева. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 105 с.

101. Форсайт Дж., Малькольм М., Моулер К. Машинные методы математических вычислений: Пер. с англ. М.: Мир, 1980. - 280 с.

102. Хорна О. Тензометрические мосты. M.-JL: Госэнергоиздат, 1962.

103. Черников И.Г. Автоматизированная система для исследования характеристик ферромагнитных материалов // Информационные и кибернетические системы управления и их элементы: Материалы Всероссийской молодежной НТК. Уфа, 1995. - С. 25-26.

104. Черников И.Г. К вопросу разработки электродиагностических систем // Проблемы авиации и космонавтики, и роль ученых в их решении: Материалы НТК. Уфа: УГАТУ, 1998. - С. 80.

105. Шашков А.Г., Волохов Г.М., Абраменко Т.Н. Методы определения теплопроводности и температуропроводности. М.: Энергия, 1973. - 336 с.

106. Штамбергер Г.А. Измерения в цепях переменного тока. Новосибирск: Наука, 1972.- 163 с.

107. Шуп Т. Решение инженерных задач на ЭВМ: Практическое руководство: Пер. с англ. М.: Мир, 1982. - 238 с.

108. Экспериментальное определение коэффициентов теплопроводности и теплопередачи / Под ред. В.К.Кошкина, И.Н.Кутырина. М.: МАИ, 1980.-88 с.

109. Электрические измерения / В.Н. Малиновский, P.M. Демидова-Панферова, Ю.Н. Евланов и др. М.: Энергоатомиздат, 1985.

110. Юдин Е.Е. Анализ импульсных мостовых схем // Автоматика и телемеханика. 1962. - Т.23, - №3. - С. 407-412.

111. Юрчук В.А., Гуляев A.A. Уравновешивающие элементы для импульсных схем (мостов) с развертывающим преобразованием // Тр. НИИ гидрометрологического приборостроения. 1965.-Вып.15,-С. 121-128.