автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Компенсация аддитивных периодических помех в измерительных преобразователях

Основные условные обозначения и сокращения.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОСТИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ (СИ).

1.1. Общие сведения.

1.2. Методы защиты СИ от помех.

1.3. Методы повышения помехоустойчивости СИ.

1.3.1. Фильтрация измерительных сигналов.

1.3.2. Метод усреднения помехи.

1.3.3. Метод компенсации помех. а) Фазовая компенсация помех. б) Пути реализации фазового метода компенсации.

Выводы по 1-й главе.

Глава II. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (ИП) С

КОМПЕНСАЦИЕЙ АДДИТИВНЫХ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ПОМЕХ.

2.1. Общие замечания.

2.2. Фазовый метод компенсации помех.

2.3. Фазочастотный метод компенсации помех.

2.4. Применение режекторных фильтров на основе фазовых звеньев (РФ) в схемах компенсации помех (СКП).

2.4.1. РФ на основе фазовых звеньев 1-го порядка.

2.4.2. РФ на основе фазовых звеньев 2-го порядка.

2.5. Оценка чувствительности ИП с СКП.

2.6. Анализ устойчивости ИП с СКП.

Выводы по 2-й главе.

Глава III. ПРИМЕНЕНИЕ СКП В ИП МАЛЫХ ПРИРАЩЕНИЙ

ИНФОРМАТИВНОГО ПАРАМЕТРА.

3.1. Общие замечания.

3.2. ИП разомкнутого типа с СКП.

3.2.1. Устройство регистрации приращения информативного параметра (УРПИП).

3.2.2. Анализ чувствительности ИП УРПИП.

3.2.3. Схема фиксации и контроля начальных условий измерения.

3.2.4. Повышение точности ИП малых приращений информативного параметра.

3.3. ИП замкнутого типа с СКП.

Выводы по 3-й главе.

Глава IV. АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИП С СКП.

4.1. Общие замечания.

4.2. Анализ погрешностей, вносимых СКП.

4.2.1. Методическая погрешность фазового звена.

4.2.2. Методическая погрешность весового алгебраического сумматора.

Выводы по 4-й главе.

Задачи интенсификации производства, стоящие перед промышленностью и наукой, требуют создания новых и совершенствования имеющихся технологических процессов и материалов, строгого контроля качества продукции. Это требует внедрения мощных по функциональным возможностям автоматизированных систем сбора, обработки информации и управления процессами. При этом возрастают требования к точности, быстродействию и надежности функционирования как их отдельных элементов, электронных компонентов и узлов, так и системы в целом. Важным звеном таких систем, определяющим основные метрологические параметры всей системы, является аппаратура, включающая в себя быстродействующие, чувствительные и высокоточные датчики и измерительные преобразователи параметров датчиков в унифицированные сигналы.

Учитывая, что датчик, как правило, имеет линию связи с измерительным преобразователем, подверженную влиянию различного рода помех, проблема помехоустойчивости выдвигается на передний план. Особую актуальность это приобретает при измерении малых приращений информативного параметра.

Основы теории помехоустойчивости заложены еще В.А. Ко-тельниковым в работе "Теория потенциальной помехоустойчивости" в 1946г. В этой работе поставлены и решены многие основные задачи и введен ряд фундаментальных понятий. Проблема разработки методов и средств защиты измерительных цепей и л схем от помех является предметом всесторонних исследований, проводимых рядом научных коллективов. Определенные аспекты решения данной проблемы нашли свое отражение в трудах советских ученых Харкевича А.А., Гутникова B.C., Шахова Э.К.,

Шляндина В.М., Осадчего Е.П., Волгина Л.И., Сапельникова В.М., Кнеллера В.Ю., Боровских JI.H. и др.

В Пензенском государственном университете под руководством д.т.н., профессора Мартяшина А.И., к.т.н. Кулапина В.И. при участии автора были разработаны методы фазовой компенсации аддитивных периодических помех, на основе которых создан демонстрационный образец устройства регистрации малых приращений информативного параметра.

Состояние проблемы. В настоящее время для борьбы с помехами применяются различные типы RLC-фильтров, активные фильтры, цифровые и фильтры, реализующие специальные весовые функции. Широко используемые методы фильтрации измерительных сигналов, в большинстве случаев либо искажают информативный сигнал, либо обладают низким быстродействием, либо сложны в практической реализации. В связи с этим возникла необходимость разработки новых методов борьбы с помехами, с возможностью использования для этой цели фазовых соотношений помехи и информативного сигнала.

Основание для проведения работы. Работа выполнена в ходе реализации ряда х/д НИР Пензенского' государственного университета (ПГУ), включенных в общегосударственную программу создания и производства приборов и средств автоматизации для научных исследований, в которой Пензенский государственный университет участвовал при выполнении подпрограммы 23 (шифры 23.18И и 23.58И). А также госбюджетных работ по программе "Товары народного потребления": ТНП-17 №44 (1.3) "Разработка охранной системы «След»"; ТНП №44 (4.13) "Комплект датчиков".

Актуальность проблемы, решаемой в диссертационной работе, диктуется следующими обстоятельствами.

Во-первых, при измерении малых приращений информативного параметра задача повышения помехоустойчивости является сложной и требует специальных подходов.

Во-вторых, решение этой задачи осложняется влиянием помех на тракт измерения, уровень которых может в несколько раз превосходить информационный сигнал.

В-третьих, как правило, большое влияние на результат измерения оказывают аддитивные периодические помехи.

В-четвертых, существующие методы борьбы с помехами не всегда удовлетворяют необходимым условиям их применения.

Предмет исследований.

1. Методы борьбы с аддитивными периодическими помехами, их эффективность и реализуемость на практике.

2. Методы компенсации аддитивных периодических помех.

3. Методы фазовой компенсации аддитивных периодических помех.

4. Измерительные преобразователи датчиков малых приращений информативного параметра.

Цели и задачи исследований. Целью исследований является разработка доступных и эффективных, вносящих минимальные искажения в информативный сигнал методов и средств подавления аддитивных периодических помех.

Для этого необходимо решить следующие задачи: - провести аналитический обзор существующих методов борьбы с аддитивными периодическими помехами, выявить их достоинства и недостатки;

- предложить и теоретически обосновать необходимость применения новых методов подавления помех с повышенной эффективностью на основе фазовой компенсации;

- осуществить оценку влияния схем компенсации помех (СКП) , на чувствительность измерительных преобразователей (ИП) малых приращений информативного параметра;

- определить и обосновать критерии устойчивости работы измерительных преобразователей малых приращений информативного параметра с СКП;

- исследовать точностные характеристики измерительных преобразователей с СКП и выработать рекомендации по минимизации влияния наиболее существенных источников погрешностей;

- разработать методику выбора и расчета схем фазовой компенсации помех.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработаны методы компенсации аддитивных периодических помех в измерительных преобразователях малых приращений информативного параметра электрических цепей, основанные на учете фазовых соотношений помехи и информационного сигнала;

- на основе критического анализа точностных характеристик измерительных преобразователей, использующих схемы фазовой компенсации периодических помех, выработаны рекомендации по минимизации влияния наиболее существенных источников погрешностей;

- разработана методика выбора и расчета схем фазовой компенсации аддитивных периодических помех;

- разработан преобразователь знака производной выходного сигнала измерительной схемы для повышения точности измерительных преобразователей с уравновешиваемыми мостами переменного тока;

- разработаны структурные и схемотехнические способы построения мостов переменного тока, с автоматическим уравновешиванием для измерительных преобразователей информационно-измерительных систем;

- разработана система фиксации и контроля начальных условий измерения, на базе которой реализована адаптивная измерительная система регистрации малых приращений информативного параметра.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методы компенсации периодических помех с учетом фазовых соотношений помехи и информационного сигнала.

2. Методика выбора и расчета схем фазовой компенсации помех для измерительных преобразователей информационно-измерительных систем.

3. Концептуальный базис построения адаптивных измерительных систем малых приращений информативного параметра.

4. Способ решения проблемы повышения точности измерительных преобразователей на основе автоматического уравновешивания мостов переменного тока.

5. Способ комплексного использования средств подавления помех, в том числе методов их фазовой компенсации, обеспечивающий повышение помехоустойчивости и точности измерительных преобразователей малых приращений информативного параметра.

Практическое значение результатов работы, заключается в разработке методики выбора и расчета схем компенсации аддитивных периодических помех; разработке фазовых методов компенсации помех, вносящих минимальные искажения в информативный сигнал, позволивших без ограничений использовать эти методы в измерительных преобразователях различного типа. Представленные в работе варианты автоматического уравновешивания мостов переменного тока позволяют упростить их практическую реализацию. Принцип построения адаптивной измерительной системы малых приращений информативного параметра был реализован в демонстрационном образце устройства регистрации информативного параметра (УРПИП).

Реализация и внедрение. Основная доля результатов диссертационной работы была получена в ходе реализации х/д НИР, выполненных в ПГУ по заказам ряда предприятий России. Результаты диссертационной работы использованы:

1. НИИЭМП г. Пенза при разработке и усовершенствовании технологических процессов на производстве в следующем виде: - технических предложений по повышению помехозащищенности и автоматизации проведения технологических процессов при разработке схем электронного управления бытовых электрических приборов;

- экспериментальных данных по исследованию влияния дестабилизирующих факторов на техпроцессы при изготовлении пленочных резисторов.

Использование указанных результатов позволило повысить достоверность информации о технологических процессах, сократить затраты на проведение экспериментальных'исследований.

2. ОАО "ППЗ" г. Пенза при разработке систем безопасности труда на производстве в следующем виде:

- 'автоматическое устройство обеспечения безопасности труда при работе на металлорежущих станках и штамповочных механизмах.

Использование указанных результатов позволяет повысить травмобезопасность на опасных участках производственного процесса.

3. НИКИРЭТ ФГУП «СНПО «Элерон» г. Заречный Пензен- -ской обл. при разработке приборов в рамках ОКР "Протон" (датчик разбития стекла) и "Пророк" (ультразвуковой доплеровский анализатор) в.следующем виде:

- рекомендаций по выполнению конструкторских схем параметрических информационно-измерительных преобразователей с повышенной помехоустойчивостью к квазипериодическим и индустриальным помехам;

- методики расчета и моделирования схем компенсации квазипериодических и индустриальных помех.

Использование указанных результатов позволяет повысить надежность преобразования и эффективность систем контроля физического состояния объектов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ряде ежегодных научно-технических конференций Пензенского государственного университета, а также на Всероссийских и Международных конференциях [9-13,15-17].

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе: 2 статьи, 8 тезисов докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, выводов по работе и 4-х приложений. Основной текст изложен на 120 листах. Библиография - 67 наименований.

Основные результаты и выводы по работе

1. Разработаны фазовые методы компенсации аддитивных периодических помех в измерительных преобразователях малых приращений информативного параметра; предложена методика выбора и расчета схем компенсации аддитивных периодических помех в измерительных преобразователях, использующих фазовые звенья 1-го и 2-го порядка.

2. В результате проведенных исследований точностных характеристик рассматриваемых измерительных преобразователей, показано, что с использованием фазовых звеньев 2-го порядка достигается степень подавления аддитивной периодической помехи 120дБ.

3. Предложен способ повышения точности измерительных преобразователей с уравновешиваемыми мостами переменного тока, минимизирующий влияние ошибки уравновешивания на результат преобразования, что позволило регистрировать приращение информативного параметра на 0,1% от исходного значения в изменяющихся условиях окружающей среды.

4. Разработаны и экспериментально исследованы адаптивные измерительные преобразователи малых приращений информативного параметра; определены условия максимальной чувствительности рассматриваемых измерительных преобразователей и границы их устойчивой работы.

5. Получены рекомендации для корректировки характеристик измерительной системы с разработанными преобразователями для различных условий эксплуатации.

1. Алексеенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб В.И. Применение прецизионных аналоговых микросхем. -2-е изд. перераб. и дополн. -М.: Радио и связь, 1985. С. 309.

2. А.С. 194436 (СССР) Обратимое интегродифференцирую-щее или суммирующее устройство /А.Ф.Катков, Г.Е.Петухов, А.Н.Воллернер. Опубл. в БИ, 1967, N8.

3. А.С. 2961 14 (СССР) Аналого-дискретный сумматор / И.П.Базаров, А.М.Тищенко, М.Ю.Штерн. Опубл. в БИ, 1971, N8.

4. А.С. 514247 (СССР) Устройство для измерения емкости и активной проводимости / И.С. Дубров. Опубл. в БИ, 1976, №18.

5. А.С. 798607 (СССР) Мостовой измеритель параметров трехэлементных пассивных двухполюсников / Г.И. Передельский. Опубл. в БИ, 1981, №3.

6. Байда Л.И., Добротворский И.С., Душин Е.М. и др. Электрические измерения. Под ред. Фрэмке А.В., Душина Е.М. 5-е изд. перераб. и допол. JT.: Энергия, 1980. С. 392.

7. Быстров Ю.А., Гамкрелидзе С.А., Иссермен Е.Б., Черепанов В.П. Электронные приборы и устройства на их основе. Справочная книга. М.: ИП РадиоСофт, 2002. С. 656.

8. Волгин JI. И. Аналоговые операционные преобразователи для измерительных приборов и систем. -М.: Энергоатомиздат, 1983. С. 73.

9. Волков С.В. Преобразователь знака производной для измерительных преобразователей ИИС / Волков С.В., Кулапин В.И. // Методы и средства измерений физических величин: Тезисы докладов III Всероссийской науч.-техн. конф. Нижний Новгород, 1998. - С. 6-7.

10. Волков С.В. Система фиксации и контроля начальных условий измерения // Методы и средства измерений физических величин: Тезисы докладов III Всероссийской науч.-техн. конф. -Нижний Новгород, 1998. С. 7-8.

11. Волков С.В. Анализ чувствительности преобразователей малых приращений информативного параметра, пути реализации J Волков С.В., Кулапин В.И. // Информационно-измерительная техника: Межвуз. сб. научн. тр- -Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1999.

12. Волков С.В. Система автоматического контроля состояния датчиков / Волков С.В., Пустоутов А.Е. // Методы и средства измерений физических величин: Тезисы докладов IV

13. Всероссийской науч.-техн. конф. Нижний Новгород, 1999. - С. 23-24.

14. Волков С.В. Система пожарной сигнализации с постоянным контролем температуры / Волков С.В., Пустоутов А.Е. // Методы и средства измерений физических величин: Тезисы докладов IV Всероссийской науч.-техн. конф. Нижний Новгород,1999. С. 25.

15. Волков С.В. Фазовая компенсация наводимых помех в измерительных преобразователях // Методы и средства измерений физических величин: Тезисы докладов Всероссийской науч.-техн. конф. (Computer-Based Conference) Нижний Новгород,2000. С. 21-22.

16. Волков С.В. Фазовый метод компенсации аддитивных периодических помех // Информационно-измерительная техника: Межвуз. сб. научн. тр. Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2000. -С. 86-91.ч

17. Gade S., Herlufsen Н. Use of weighting functions in DFT/FFT analysis /Technical Review. 1987. N3, p.1-38. N4. P. 142.

18. Гальперин M.B. Электронная техника. -M.: ФОРУМ-ИНФРА-М, 2003. С. 269-276.

19. Гальперин М.В. Практическая схемотехника в промышленной автоматике. -М.: Энергоатомиздат, 1987. С.320.

20. Гоулд Б., Рэйдер Ч. Цифровая обработка сигналов. -М.: Сов. радио, 1973. С. 367.

21. Гриневич Ф.Б. Автоматические мосты переменного тока. -Новосибирск: Сибирское от. АН СССР, 1964. С. 10.

22. Гутников B.C. Фильтрация измерительных сигналов. -JL: Энергоатомиздат, 1990. С. 92.25., Гутников B.C. Методы реализации специальных весовых функций в измерительных устройствах /Измерения, контроль, автоматизация, 1983, N2. С. 3-15.

23. Джонс М.Х. Электроника практический курс. М.: По-стмаркет , 1999.- С. 528.

24. Джонсон Д., Джонсон Дж., Мур Г. Справочник по активным фильтрам. -М.: Энергоатомиздат, 1983.

25. Дэвис Дж., Карр Дж. Карманный справочник радиоинженера. М.: Изд. Дом «Додэка-ХХ1», 2002. С. 554.

26. Евтихеев Н.Н., Купершмидт Я.А., Папуловский В.Ф., Скугоров В.Н. Измерение электрических и неэлектрических величин. М.: Энергоатомиздат, 1990. С. 8-11.

27. Измерение в промышленности. Справочник. / Под ред. проф. докт. П. Профоса. Перевод с нем. Под ред. проф. д. т. н. Д.И. Агейкина.-М.: Металлургия, 1980.

28. Кауфман М., Сидман А. Практическое руководство по расчетам схем в электронике. Справочник. -М.: Энергоатомиздат, 1993, Т. 2. С. 59-67.

29. Келим Ю.М. Электромеханические и магнитные элементы систем автоматики. -М.: Высшая школа, 1990. С. 20.

30. Кнеллер В.Ю., Боровских JI. П. Возможности и ограничения четырехплечих мостов, уравновешиваемых частотой /Приборостроение, 1967. С. 66-68.

31. Коган Б. Я. Электронные моделирующие устройства и их применение для исследования систем автоматического регулирования. -2-е изд. дополн., М.: Энергия, 1963.

32. Коновалов Г.Ф. Радиоавтоматика. -М.: Высшая школа, I990.- С. 66.

33. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Перевод под общей ред. Арама-новина И.Г. - М.: Наука, 1968.

34. Королев Г.В. Электронные устройства автоматики. -М.: Высшая школа, 1991. С. 123.

35. Косолапов A.M., Скакунов В.Н., Щербаков В.И. Способы построения функциональных преобразователей электрических сигналов. -Информационно-измерительные системы: Межвуз. сб. науч. тр. Куйбышев, 1974. С. 100-109.

36. Кулапин В.И. Разработка и исследование универсальных преобразователей параметров многоэлементных двухполюсных электрических цепей в унифицированные сигналы. Дисс. канд. техн. наук, Пенза, 1987.

37. Куликовский K.JL, Купер. В.Я. Методы и средства измерений. -М.: Энергоатомиздат, 1986. С. 448.

38. Левин Г. А. Помехозащищенность.-В кн.: Энциклопедия современной техники. Автоматизация производства и промышленная электроника. -М. : Сов. энциклопедия, 1964. С. 4546.

39. Лэм Г. Аналоговые и цифровые фильтры /Пер. с анг. -М.: Мир, 1982.

40. Михайлов Е.В. Помехозащищенность информационно-измерительных систем. -М.: Энергия, 1975. С. 103.

41. Отт Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах. М.: Мир, 1979. С. 320

42. Пампуро В.И. Анализ радиоцепей и их схемной надежности. -Киев: Техшка, 1967. С. 79.

43. Проектирование технических средств автоматики и телемеханики. Датчики механических параметров: Учебное пособие /Под ред. Осадчего Е.П. -Пенза: Пенз. политехи, ин-т, 1984. С. 39-40.

44. Пейтон А.Дж.,Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях / перевод с анг. Григорьева B.JI. — М.: Бином, 1994. С. 138-139.

45. Серьезное А.Н., Цапенко М.П. Методы уменьшения влияния помех в термометрических цепях. -М.: Энергия, 1968. -С. 72.

46. Скрипник Ю.А. Коммутационные цифровые измерительные приборы. -М.: Энергия, 1973. С. 7.

47. Соколов В.И. и др. Анализ методов повышения помехозащищенности аналого-цифровых интегрирующих преобразователей в системах передачи информации. -Приборы и системы управления, 1977, N2.

48. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: справочное руководство. М.: Мир, 1982. С. 512.

49. Харкевич А.А. Борьба с помехами. М.: Изд. «Наука», 1965. -С. 19-27, 46-52.

50. Хоровиц П., Хил У. Искусство схемотехники. М.: Мир, 1993. Т. 1. С. 278-288, Т. 2. - С. 10-40.

51. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы. М.: Энергия, 1974. - С. 319.

52. Цифровые электроизмерительные приборы /Под ред. Шляндина В.М. -М.: Энергия, 1972. С. 64-73.'

53. Чернецов В.И. Операционные усилители и аналоговые функциональные элементы на их основе для радиотелеметрии. Учебное пособие. -Пенза: Пенз. гос. техн. уы.,1993. С. 42.

54. Шахов Э.К. Повышение помехоустойчивости цифровых средств измерения. -Пенза: Пенз. политехи, ин-т, 1983. С. 911.

55. Шейнгольд Д. Расчет резисторов для суммирующих и вычитающих цепей. -Электроника, 1975, N12. -.С. 62-64.

56. Шляндин В.М. Цифровые измерительные устройства. -М.: Высшая школа, 1981. С. 69.

57. Шумаров Е.В., Попов B.C. Реализация ступенчатых весовых функций с высоким подавлением сетевых помех / Метрология. 1984, N6. С. 21-28.

58. Щербаков В.И., Грездов Г.И. Электронные схемы на операционных усилителях. -Киев: Техшка, 1983. С. 67.