автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.05, диссертация на тему:Помехоустойчивые измерительные преобразователи для параметрических датчиков

9Г

□ 1,1

/|СП ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

КОГЕЛЬМАН Лев Григорьевич

УДК 621.317.799

ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ П РЕОБРАЗО ВАТЕЛ И ДЛЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

Специальность 05.11.05 — «Приборы и методы измерения электрических и магнитных величин»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 1994

Работа выполнена на кафедре «Радиотехника» Пензенского государственного технического университета.

Научный руководитель — заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук, профессор Мартяшин А. И.

Официальные оппоненты? доктор технических наук, профессор Михо-тин В. Д.; кандидат технических наук Блохин В. А.

Ведущее предприятие — указано в решении специализированного совета.

на заседании специализированного совета № 1 (Д.063.18.01) Пензенского государственного технического университета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета по адресу: 440017, г. Пенза, ул. Красная, 40.

Защита диссертации состоится в «_» часов

Автореферат разослан

УченыП секретарь специализированного совета к. т. н., доцент

Ю. Л1. Крысин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

с

Актуальность работы. Быстрое развитие современной науки и производства, разработка новых технологий вызывают Необходимость автоматизации комплексных процессов в самых различных областях тех-, ники. Проведение такой автоматизации определяет непрерывно возрастающие требования к метрологическим,. техническим и эксплуатационным характеристикам средств измерений (СИ). Выполнение этих требований обеспечивается какчза счет совершенстёования приборов, и устройств, основывающихся на известных методах и способах.измерений, так и путем создания принципиально новых метрдов, способов и средств. Осуществление измерений в условиях производства или физического эксперимента, а также потребность измерения меняющихся во времени величин обусловили переход от классических стати-' чесгаи измерений к динамическим и вызвали необходимость повышения точности, надежности и помехоустойчивости приборов и устройств, предназначенных для проведения таких измерений.

Узким местом большинства СИ является недостаточное развитие той ее части, которая обеспечивает получение и первичную обработку измерительного сигнала, т. е. датчиков, измерительных преобразователей (ИП) и алгоритмов первичной обработки измерительной информации.

Задача измерения значений выходных величин параметрических датчиков (ПД) занимает важное место среди задач, стоящих перед измерительной техникой.

С точки зрения разработчика измерительной аппаратуры ПД и линия связи (ЛС), связывавшая датчик с ИП, рассматриваются как единый объект исследования, .характеризующийся единой эквивалентной схемой, в большинстве случаев в виде двухполюсной электрической цепи (ДЭЦ), один или несколько параметров которой функционально связаны с измеряемыми величинами. Остальные элементы эквивалентной схемы ПД и ЛС являются неинформативными.

Проблема раздельного преобразования информативных и неинформативных параметров ДЗЦ является актуальной, поэтому(исследованиями . в этой области занимаются различные российские и зарубежные творческие коллективы.

К настоящему времени разработаны преобразователи к практически всем двух- и трехэлементным ДЭЦ. Данные преобразователи имеют высокие метрологические характеристики и работают в широком диапазоне изменения параметров ДЭЦ. Рассмотрены принципы построения и разработаны преобразователи параметров нерезонансных трех- и че-тырехэлементных ДЭЦ при использовании несинусоидального воздействия на измерительную схему (ИС), а также некоторых пяти- и шес-тиэлементных ДЭЦ. Однако, приведенные принципы и преобразователи, как правило, не устраняют влияния гармонических помех и иных внешних дестабилизирующих факторов, например, температуры..

Другим недостатком является то, что во всех рассмотренных выше примерах принималось, что'зависимости, связывающие измеряемые параметры и параметры ДЭЦ ПД в' некотором диапазоне изменения входного сигнала, линейны. Это допущение накладывает ограничение на применение предложенных структур.

Получение достоверной информации о каком-либо информативном параметре может обеспечиваться коррекцией показаний цифрового измерительного устройства (ЦИУ) как при помощи функции погрешностей ЦИУ, так и путем изменения функции погрешностей при изменении внешних условий - вариации функции погрешностей.

При этом методе коррекция погрешностей разбивается на этапы метрологического исследования и собственно коррекции. Функция погрешностей ЦИУ и ее вариация определяются на периодических метрологических испытаниях ЦПУ.. "Адаптивноср" функции погрешностей зависит от объема испытаний. Однако, внешние условия контролируются специальными датчиками.

Недостатками приведенного метода являются: использование дополнительного датчика внешних дестабилизирующих факторов, например, температуры и замена нелинейной функции погрешности линейной, -что приводит к недокешенсадр-йогрешности нелинейности.

Цель работа и задачи исследования: • 1. Сформулировать основные задачи синтеза ИП ПД.

2.Разработать принципы построения ИП параметров ЦЦ, защищенных от гармонических помех.

3..Синтезировать аппаратно-программные реализации . алгоритмов помехоустойчивых преобразований параметров ПД.

4.Разработать принципы построения ИП, малочувствительных к дестабилизирующим факторам, например, к температуре. •

5.Синтезировать алгориты, позволяющий наряду с уменьшением

4 '

влияния дестабилизирующего фактора уменьшить погрешность нелинейности функции преобразования ПД, a Tarase разработать структуру устройства, реализующего разработанный алгоритм.

б.Оценить метрологические характеристики помехоустойчивых ИП параметров' ПД, границы'применимости рассмотренных принципов.

Методы исследования основываются на применении методов теории электрических цепей,• теории инвариантного преобразования, теории графов и.теории обработки, сигналов; имеются расчеты, выполненные .на ЭВМ.

Научная новизна:

1) поставлены и решены задачи построения Щ параметров ДД, защищенных от гармонических помех. Разработаны группы алгоритмов' повышения помехоустойчивости ИП параметров ПД для случаев, когда постоянная времени электрической цепи (ЭЦ) ПД значительно меньше периода помехи, а Тагае когда эти параметры соизмеримы; '

• 2) разработаны принципы построения ИП, позволяющие уменьшить влияние дестабилизирующего фактора на результат . преобразования . для аддитивной и мультипликативнМ зависимости информативного параметра и внешнего-дестабилизирующего фактора прй линейной ■ функции преобразования Ш; ....

3) разработан алгоритм, ггсзеолеюцш! наряду с уменьшением влияния "дестабилизирующего . фактора уменьшить погрешность нелинейности функции, преобразования ВД.

Практическая ценность. В результате теоретических исследований в диссертационной работе:

1) разработаны Новые алгоритмы повышения помехоустойчивости. ИП параметров. ПД;

2) разработана группа- алгоритмов и устройств» позволяющая уменьшить влияние дестабилизирующего фактора на результат преобразования для аддитивной и мультипликативной зависимости, инфорйа-

\ тивного параметра.. и внешнего дестабилизирующего фактора при ли- • нейной функции преобразования. ПД;

3) предложен.алгоритм, позволяющий нгряду с уменьшением влияния дестабилизирующего фактора уменьшить погрешность нелинейности функции преобразования ПД, ка Сазе которого разработан стенд поверки ПД;

4) проведены теоретические и экспериментальные исследования погрешностей преобразователей, реализующих разработанные алгоритмы- " .."■''".'.-'.•'..: • ■''''. '"•'' : » : ! ' -

Реализация работа.

В настоящее время внедрены:

а) комплект электронных преобразователей для бесконтактных датчиков перемещения - п/я Г-4665 (г.Арзамас);

б) устройство диагностирования для токарных станков с ЧПУ -П/я В-8916 (г. Москва);

в) стенд для поверки параметрических датчиков перемещения -Пензенский региональный' центр вксезй школа.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на VII Всесоюзном симпозиуме "Проблемы автоматизации в прочностном эксперименте" (г.Новосибирск, 1989), на Всесоюзной научно-технической конференции "Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления" (г.Пенза, 1989), на Всесоюзных научно-технических семинарах молоды:.' ученых и специалистов "Автогенераторные измерительные преобразователи н автодины" (г.Казань, 1985) и "Автоколебательные системь и усилители в радиотехнических устройства;';" (г.Рязань, 1987), не зональных научно-техшгсесккх семинарах "Интегрирующие частотны; вреыя-кмпульскыв преобразователи, и цифровые средства кгмереккя я; кс основе" (г.Пенза, 1567) к "Методы и средства измерения механических ларааехрог Б системах контроля и управления" (г.Пенга; 1988), на научно-технических•конференциях профессорско-преподавательского состава Пензенского - политехнического ' институт; (1387-1992).

Публикации. По результата исследований и разработок, выполненных в процессе работы над диссертацией, опубликовано 12 печатных работ, в том числе 7 авторски: свидетельств.

Структура и объем дпссертзцга. Работа состоит из введения 4 глав, закЕчекйд, списка литературы (48 на1а:зновааий), прилогл ння .и содерглт 104 ¡лалиногшеиыэ страницу основного текста, 51 рп сунок, б таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулирована научная новизна работы, цели и'задачи исследования.

В первой главе рассмотрена математическая модель ДД, который описывается системой уравнений <31 ~ ?1(Р1,Р2»-..,Рт) <12 - Гг(Р1.Р2.. • • .Рш)

Йп ~ ?п(Р1,Р2..•.,Ри) где с^, ¿2.....<3п - Параметры »«ногозлементной ЕЦ, характеризующей ПД, а именно: информативные Ри, Ьи, Ся, функционально связанные с параметр.?'«! 'физического объекта (СО), и •неквформативвые 1?п,-

Ьп, Сп параметры; Р1, рг.....р« - параметры СО, значения которых

необходтага определить, а тзто» дестабидизкруггзте факторы, влшпо-•цие на ФО; То,- ■ ■, Гп- функциональные згвисжости, связываи-цие параметры многоэлеменгных ЗЦ с параметрами СО. Схема включения ПД представляет собой двухполоску» многоздемептнуа Щ.

Анализ обобщенной математической »одели ЛП позволил унифицировать подход к разработке ШТ для построения высокоточных СЯ.

Определены две основные подзадачи синтеза Ш:

- разработка алгоритмов'и структур для аппаратно-программного решения матричных уравнений ПЛ;

- сведение структуры ИП с передаточной функцией БД, описываемой системой несовместных уравнений и слстемой уравнений с множеством ресэний к структуре ЙП о передаточной функцией, описываемой системой уравнений с единственным регентам.

' Показаны основные способы изменения структур 131.

Задача определения парамотроз Ш сводится к измерению Г?„, Ьи, Си параметров ЗЦ на фоне влияния активной помехи Е л пассивных параметров Г?л, Ьп, Сп двухпалзснкка.При этом параметры р зависят как от информативных, так и от паразитных параметров двугполосни-ка.

В большинстве случаев Щ ЦП лродставлязт собой керовокансную электрическую цепь, число элементов которой не превышает .

йммитанс ПД и ЛС, представленной в виде нерезонансного двухполюсника с. числом дине!®« элементов не более четврех, место описать следующим образом:

(1)

\

A3 Aas A5S Аб А?

X(s) Ais + А2 + — + --+ —— + -+ - > (2)

s s+l/t s+l/т s+l/t sCs+l/x)

где Ai(i -1,... ,7) - коэффициенты перед слагаемыми иммитанса, х -постоянная времени ЗЦ, иммитанс которой ■ приведен в выражении (2). При этом часть коэффициентов А равна 0.

Для определения параметров электрической цепи ПД, функционально связанных, с параметрами ФО, ВД включается в ИС. При подаче несинусоидального воздействия,- такого как дельта - импульс, меандр, тренд, на ИС реаквдя на ее выходе будет состоять из суммы слагаемых Bi, B2t, B3exp(-t/t), B4tl-exp(-t/t)]. Значения параметров В и х определяются путем измерения значения напряжения на выходе ИС в некоторые характерные моменты времени. Тагами значениями выходного напряжения ИС могут быть, например, значение напряжения в начальный момент времени U0(t), значения напряжения в один или несколько моментов окончания переходного процесса U(tiy), U(t2y),..., а также напряжение на выходе ИС в моменты времени ti, Z2,..., соответствующие протеканию переходного .процесса в ИС u.(tl), Ufta) ... Для однозначного is определения необходимы четыре отсчета, -например, в моменты времени ti, Zl\, tiv и t^y, где ti и 2ti - отсчеты во время переходного процесса, a tiy и > 6t, то есть когда -экспоненциальная, составляющая оказывается менее о.!?;. .- .;'■.•'.

С помощью блока, выборки и хранения' (БВХ) определяются значения напряжения UHC(t) в эти ысменты времени. В результате составляется и реваэтся система уравнений. относительно параметров В и t

Проанализирована' еазисгшстй сигнала на выходе ИС. Получены соотношения, между параметрами шыитакса Щ, описывающего выходные величины ВД, и пари,Ш'р&гл ■ сигнала- на выходе ЕС. .

С ¿¡спольвовааизм вдражогойг, определявших параметры выходного сигнала ИС по ого временным отсчетам, про'ьёден анализ-и получены выражения, позволяющие,-синтезировать Ш, когда влияние гармонической , помехи незначительно.

Вторая глава посватана разработке помехоустойчивых ИП параметров ПД. Показано, что сигнал на выходе КС при различных включениях ГЩ является идентичном и .представляет собой сушу информативных составляющие Bi ,. B2t, Ba3xp(-t/t). B4d-exp(-t/t)3 и гармонической помехи..

, Рассмотрен критерий ЕЫбора пути определения параметров ЭЦ -соотнесшие значений X и оп- в вира;;»нш,- описывающем напряжение

4 ' 3'

на выходе КС

иис(10 - Вх+В2Ь+Взехр(-Ь/Т)+В411-ехр(-^Т)Ни^пСи^+й), где- часть коэффициентов В равны нудя. '

Показаны три направления построения групп алгоритмов нахождения параметров датчиков.

1.При X » 1/«п гармоническая помеха накладывается на относительно медленно меняющуюся информативную часть сигнала ИС, состоящую из постоянной и экспоненциальной составляют«. Тогда эту информативную составляющую в течение короткого промежутка времени можно считать условно постоянной и воспользоваться ставшими уже классическими методами помехоподавления при помощи^ весового интегрирования. ' '

2. При т <"< 1/оп при нахождения параметров ЭЦ гармоническая составляющая раскладывается в ряд Тейлора и используется линейный член, что обеспечит достаточную для практических целей точность. Физически зто означает, что в течение времени измерения (соизмеримого с т) гармонический сигнал близок к линейному.

3.При приближенном равенстве значения, постоянной времени периоду помехи (х ~ 1/ып), когда в течение времени измерения изменение значений как гармонической, так и экспоненциальной составлявши соизмерило, резко усложняется определение общего аналитического решения задачи нахскдения параметров ПД. Упрощение алгоритма работы КП достигается синхронизацией входного воздействия с началом периода помехи.

Границы применимости показзшых направлений определяются значением допустимой методической составляющей погрешности преобразования.

Исследованы второе и третье направление построения групп.алгоритмов определения параметров ПД как наименее изученные.

' Проанализированы соотношения параметров выходного сигнала -ИС при синхронизации подачи сигнала от КОВ с началом периода помехи и аппроксимации ее линейноизменяюзейсЯ функцией. Синхронизация; моментов подачи'воздействия на ИС с началом периода помехи позволяет упростить-выражение, описывающее выходной сигнал ЙС. На этой основе формулируется один из подходов к синтезу Ш ПД, отличающихся повышенной помехоустойчивостью. При синхронизации сигнала от ИОВ с началом периода помехи без учета погрешности иесинхроНи- " зации напряжение на выходе КС

ииса) т иаа) + изныли ; . - . , (3)

9 .

где UQ(t) - сигнал на выходе НС в отсутствие гармонической помехи, состоящий из слагаемых с коэффициентами В. При разложении второго слагаемого в ряд Тейлора

Г (Unt)3 (Unt)5 («nt)7 -j

Unslm>nt - Un|ttnt--— + —----— + ...J. (4)

При wn >> 1/ti, где tj 7 время в момент i-ого отсчета, правомерно ограничиться линейным членом

Unsind)nt й UnMnt. Тогда выражение (3) примет вид

Uwc(t) * Ua(t) + Unwnt. (5)

Параметры Вит составляющей Ua(t) определяются следующим образом. При помощи блока выборки и хранения (БВХ) находятся значения напряжения UHc(t) Ь моменты времени ti, tj>-2ti, tiy, t«v. причем момента времени ti и tz соответствует переходному* процессу, когда значение U::c(t) определяется с малой погрешностью, то есть ti > 0,5t, tz<БТ, а моменты tiy и tgy соответствуют практическому установления напряжения U,,lc(t), то есть tiy > (5*б)т. Составляется система уравнений, полученная при подстановке в выражение (5) t-ti, 2ti. tiy. t2y. и решается относительно В и Т.

При наличии в составе сигнала 110 слагаемого Bgt для однозначного определения Вг эффективно использование алгоритма, полученного на основе способа доопределения. С источника опорных воздействий (ИОВ) на КС подается не один, а два идентичных импульса, но разной полярности, либо напряжение треугольной формы вместо линейно изменяющегося,-и определяется значение -Uac(t) не только в шменгы времени-ti,. 2ti,. -tiy, tgy в течение сдодовгзш первого импульса, но и в моменты.врешни tsy, t,jy в течение следозаилл второго импульса послэ скончания переходного процесса. Эти значения . напряжения USJC(t) в моменты вромени ti, 2ti, tiy, t2y. tsy и t4y фиксируются при помощи БВХ. После этого составляется и решается система уравнений относительно But.

Рассмотрен синтез Щ БД, а именно аппаратно-программное ранение уравнений- ад. Предаожзвшо группы алгоритмов рогяиэов&чы г цифровой форме. . Обработка и уарагхоиае работой Sffl осуществляется рри помощи ыйкро-ЗВМ. ПокаэаЁы структуры Ш последовательного к параллельного действия,' лрдоэшзз&д приведении;! алгораты.

Рассмотрен алгоритм обработка сигнала Ш при еппрамимац^п гармонического сигнала суммой зле^октердых функций без синхронизации сигнала КОВ с началом периода помоки. В зтеи сгучса за счет

го

некоторого у сложения алгоритмов обработки улучшаются точностные характеристики ИП, а именно уменьшается погрешность несинхронизации.При разложении гармонического сигнала в ряд Тейлора

Ont)2sina (wnt)3cosa sin(unt+c()-sinc( + («ntcosot ---—-+ ...

■ 2! 3!

Когда время измерения мало по сравнения с периодом помехи, то есть соотношение wnti << i, то этот ряд целесообразно ограничить двумя первыми 'членами

sin(ci>nt+«) * sinot +• <¡)ntcosct.

Таким образом, гармоническая составляющая сигнала на выходе ИС представляет из себя сумму постоянного и линейно изменяющегося ' слагаемых, то есть

U;!C(t) - Ua(t) + Un' + Un'W, ' (6)

где Un' -.UnSinocH Un" - Uncosot.

При определении значения параметров В и X сигналй, описываемого выражением (6), необходим учет появления дополнительного неинформативного слагаемого Un*.

Для устранения помех вида Un' + Un"«nt применяется алгоритм, основанный на использовании двухполярного сигнала с КОВ и фиксации значения напряжения Uuc(t) в моменты, времени ti, £ti, tiy, t2y в течение следования первого (положгельного) . импульса, а также t3y и t4y во время следования второго (отрицательного) импульса с ИОВ после огончания второго. переходного процесса. Для определения параметров Вит решается система уравнений. В ИП, реализующем данный подкласс алгоритмов, отпадает необходимость' в синхронизации сигнала с ИОВ с началом периода помехи. Предложены обобщенные структурные схемы ИП, -использующие рассмотренный'алгоритм.

■ ' Рассмотрен алгоритм обработки сигнала ИС ' При синхронизации сигнала с ИОВ.с началом периода помехи при значениях Т, соизмеримых с периодом помехи Е. Когда сигнал с ИОВ синхронизирован с началом периода помехи, напряжение "на выходе. ЙС описывается выражением (3), которое решается относительно параметров В и t следующим образом. На ЙС подается прямоугольный импульс,- либо линейно изменяющееся напряжение. В БВХ фиксируются значения, напряжений иис(Ь) в моменты времени ti, t^-feti, t3-tv, t4-2ty. Для определения значений параметров В и t.решается система уразнений.

Если частота помехи известна весьма приближенно, а такте неизвестна амплитуда ип, то для определения параметров необходимо й

' ''-и- '. -■•'•.•-..

БВХ дополнительно зафиксировать значения й¡Ic(t) в моменты времени Ъз-Зсу, Ъб~4Ъу и добавить к системе два уравнения.

Предложены устройства, реализующие рассмотренные алгоритмы. Для упрощения вычислений амплитуда и частота сигнала помехи определяются алпаратно.

В работе рассмотрен помехоустойчивый АЦП.для многопараметрово-го ЦЦ. Улучшение метрологических характеристик ИП параметров емкостного датчика осуществляется за счет использования-сочетания различных методов инвариантного преобразования с аналоговой и цифровой обработкой сигнала ИС, устраняющей влияние неинформативных параметров ПД и внешних помех, в частности гармонической помехи. Работа Ш основана на синхронизации процесса измерения с началом периода помехи, когда сигнал с ИОВ приходит одновременно с прохождением через ноль гармонического сигнала помехи. Кроме того, используется аппроксимация, так как время измерения существенно менызе периода помехи.

В работе рассмотрен АВД параметров датчика перемещений, в котором для устранения влияния гармонической помехи использован иной принцип помехоподазления. На ЦП подается знакопеременный сигнал с частотой переключения много более частоты гармонической помехи. На выходе ИС появляется слада гармонической помехи со знакопеременным сигналом, амплитуда которого пропорциональна параметру БД. После демодуляции налрягонио на выходе представляет сумму постоянного напряжения, пропорционального параметру ЦЦ, и знакопеременного сигнала помехи. После интегрирования сигнал пропорционален пара*,гетру Щ, а влияние помехи ослабляется во много раз. ПД представляет собой резистор с емкостным токосъемом. Он весьма зф-. фективен при реионии ряда задач в современных системах контроля, диагностики и управления СО.

В третьей главе рассмотрено устранение влияния внешних дестабилизирующих факторов на результат преобразования 1Ш ПД. .- Значения параметров цепи ВД, несущие информащло сб исследуемом процессе, .функционально связаны и. с внеиними дестабилизирующие факторами. Поэтому для получения достоверной информации необходима дополнительная информация, с помощьв которой возмопко умэньсе-ние влияния дестабилизирующих факторов, Математически это означает сведение матричного уравнения с множеством решений"к матричному уравнения с единственным решением.

В работе рассматривается случай, когда на результат преобразо-

12

нения ПД преобладающее влияние оказывает один дестабилизирующий

Когда информативным является один параметр, а на ПД действует преимущественно один дестабилизирующий, фактор (например, температура), система имеет вид (51 - ы Р1, Р2 )

¿2 - Р1, Р2 )

где d2 - параметры £Ц ПД, рх - информативный параметр ФО. Р2 - дестабилизирующий фактор, действующий на ТО, из которой при известных соотношениях 1*1 и Го получается система

Р1 " ГГ1 ( ¿1 , <¡2 ) \

-1 У . (8)

Р2 ~ 1 ( ¿1 , ¿2 ) 1

В работе подробно рассмотрены устройства, в которых происходи компенсация влияния температуры на информативные параметру СО.

Общим для них является реалязащя способа доопределения с:г.т:х-урзвяешй ПНг г?:г:г4 с сгкс ус~рс;1сг2.г:г вее&гйК'Р"/-5?сл дестгглгя^г/сггй ^ггггз ¡уя п КГ/ЛЬТИХЛ-^ггзйой

згг: гг.гости мэжду •ЗЕфсрматкет.гл и внеазим дестг5:1Г:г?3-

суасг} фгктсрса з агуггг гггг^Ьг^ Сужави преобразования ПД.'

устройство длн; гамерешга крутящего момента, гго сгсгсз доопределения реализован путем введения какала спределзпгя: температуры. При этом гыходной параметр ЦЦ - взаижшдуктизностз-- зависит не только от ^формативного параметра - крутящего комета,- но и от температуры, что является одним из основных ка-, достатков Щ денного подкласса. Процесс преобразования Щ он::.;,-..-зазтея урггяеяяеи .

Р1 - кцсЗ*. ( 1 + !<1£ё2 ),

где кц - козКицкен? вроясрц:;сназькоста Езапусиндуктетксст:" чика, к12 - температурный коэффициент взактиндуктизности. зависимость <3-1 и <Зо мультипликативна. Для однозначного опр ния взалмэиндуктивиости необходимо ввести второе уравнеи^» то есть пелушть кгяой-лиСо параметр, функционально свяэе£±3 с Температурой. В схему преобразователя вводится терморэ^г^ггр, 'которого . ■ .

Р2 " &21 ( 1 + к22 ). где к21 - коэффициент'пропорциональности сафггЕХКтгз ™эр:.юре-зистора и температуры, кгг - Т.К. С. Уравнешш длз с: з Р2 образуют систему вида

фактор, обычно температура, а влияние других незначительно.

(7)

Р1 - Ицс11 ( 1 + к12<22 ) \

} . (9)

' Р2 - С 1 + ,к22 <32 ) '

При равенстве к12 - кг? частное от деления

Ра на Р2 будет. зависеть только от с1х и не зависеть от йо , то есть система сводится к системе с единственным решением.

В работе рассмотрены устройства для измерения давления, в которых уменьшение влияния температуры при измерении давления достигается за счет решения системы уравнений, тага» полученной способом доопределения

<31 - кю + кцр! + к12Р2 ч , ,

} . (10) 02 - Иго + И21Р1 '

где кю . кго , кц., к^г , к12 - коэффициенты полинома в соотношениях параметров многоэлементной ЗЦ и параметров ФО. Для определения температуры используется активное сопротивление индуктивного датчика, функционально связанное с температурой. Поэтому из структуры ИП удалось исключить дополнительный термочувствительный элемент.

Рассмотрены преобразователи перемещения в частотно-временные сигналы, в которых используются трансформаторные датчики. Выходной сигнал датчика - взаимоиндуктивность - зависит не только от перемещения, но и от температуры. Выделение информативного параметра происходит при решении системы вида (9),*однако, при этом в качестве носителя информации о температуре используется индуктивность.

Особое внимание уделено определению параметров СЮ при нелинейной зависимости функции преобразования Щ от параметров ФО.

Для решения в общем виде уравнения (7) предложено использовать алгоритм, основанный на том, что один параметр ЭЦ ВД зависит только от одного информативного параметра ФО. При этом функция fx системы уравнений (7) является функцией преобразования ПД, которой присущи погрешности: аддитивная, мультипликативная, нелинейности. Это справедливо, поскольку подавляющее большинство ПД имеют нелинейную .функцию преобразования.

Решение в общем виде системы уравнений (7) заключается в определении значений параметров ФО Р1 и рг при известных значениях параметров ЭЦ ВД ¿1 и ¿2, полученных в результате их предвари-■ тельного измерения.

Бели систему (7) представить в графическом виде, первое урав-

Н

некие является кривой, • образующейся при пересечении поверхностей di - fi(pi,p2) и di - dix. где dix - значение параметра û\, полученное в результате измерения. Второе уравнение - это кривая, полученная при пересечении поверхностей d2 - f2(Pi»P2) и d2 - d2x. где d2x " значение параметра do, определеннее в результате измерения.

Очевидно, что проекции этих кривых на плоскость piopo представляют собой зависимости между pi и рг соответственно в первом и втором уравнениях система (7), а точка их пересечения - решение системы уравнений (7).

Для осуществления рассмотренного алгоритма необходимо иметь зависимости fi(Pi,P2) и Гг(Р1.Р2). Они находятся в процессе проведения метрологических испытаний датчика, при измерении значений di и da при разлэтных значениях pi и рг-

Такта образом, получаются поверхности dt - fi'(Pi,P2> и àz -fa'Cpi.pa), состояние из элементарных поверхностей, ограниченных ПРЯМЫ}«!- С КСЮрДИНаТаМЯ Pli-l,P2j-i; Pli,P2i-i; Р1:.Р2Г. Pli-l,P2J.

Кривая пересечения поверхности fi'(Pi,P2) с поверхностью dix определяется ломанной линией, соед;шяюцей течки пересечения поверхности dix - aj с ломанной линией fi'(Pii) при pg-PSj-ccnst, где i-0,l,...,n; 3-0,1,...,га; пит- число роперных точек отсчета по оси pi и рг соответственно, полученных в результате метрологических испытаний.

Аналогично определяется 1срнвая пересечения поверхности f2'(Pi,P2) о поверхностью d2x- В свою очередь координаты точки пересечения полученных ломанных лилий pix и Р2х являются ncico.MiMii значенияш параметров <20. В работе праведен алгоритм определения парамэтров 50 pi н Рг- Tr.:;:--; образом, с одной стороны из структуры Ш, реализук^эй данный алгоритм, каизчазтея дополните ль ил! датчик температуры, а с другой стороны, повышается точность пре-0бса"св1иич за счет уменьшения погрешности нёллнейнссти.

В работе рассмотрен стенд для поверки БД. В нем используется алгоритм, описанный в^е. Стенд состоит из поверяемого-датчика, измерительного преобразователя, преобразователя временных интервалов в кед, микро-ЭВМ, памяти с электрическим стиранием, шагового двигателя,' климатического скафа, принтера.

В работе рассмотрен • преобразователь параметров индуктивного датчика в период электрических колебаний, используемый в структуре стенда для поЕерки ПД. Данный Ш преобразует параметры кндук-

15

5Й2ШГ0 дгзчиса (КЗ) во Еремэннш интервалы.

Есзагьаезагзгэ ¡»теизпягосксй кск&да в виде шгриъг, соатвато-таувдэй передаточной функции яреебразовазйя Щ, возвогяет, с едкой стороны, с единых позиций подходить к разработке алгоритмов рйЗоты преобразователей с исключением влияния как дестабилизирующих факторов, таг: и неинформативных параметров 1Щ и ЛС на результат преобразования. С другой стороны, результаты, полученные в одной области, например, исключение влияния дестабилизирующих факторов, могут относительно легко быть перенесены в другую область устранения влияния неинформативных параметров ВД и ЛС, и наоборот. В соответствии с этим в работе рассматривается использование способа доопределения для устранения влияния неинформа-тивньк параметров Щ и ЛС. Предложены ИП для параметрических датчиков. подключенных через линию связи.

При определении параметров СО возникает проблема преобразования выходных значений ПД независимо от параметров линии связи (ЛС). Известные способы инвариантного преобразования параметров 1Щ яхбо ив позволяют получить раздельлуо информация о гзкааевии преобразуемого параметра Щ, соввадавдгго по характеру сопротивлений с номкформативнш парамэтрем ЛС, либо регшт эту задачу с невысокой точность» вследствие представления ЛС одноэлементной схемой вгхеврнки, что приводит к возникновение погрешности из-за влияния неучтенных иеивфориатавннх параметров ЛС.

В работе рассмотрены два направления решения указанной выше проблемы. Первое основано на подключении к ПД дополнительного опорного элзмэнта, не совпадающего по характеру сопротивления с информативным параметром датчика. Второе направление связано с использованием двухтактного алгоритма работы ИП. При этом в одном ИЗ тгиягов сигнал КС определяет сумму параметров ПД и ЛС, а ■ во втором такте при закороченных выходах ЛС - значения паразитных параметров ЛС, Приведены два преобразователя параметров индуктивного датчика (ИД), включенного через линию связи. В одном из них применен аппаратный, в другом - аппаратно-программный способ определения параметров ИД.

В четвертой главе рассмотрены метрологические аспекты разработанных ' алгоритмов повышения помехоустойчивости ИП параметров ПД. В частности, . определяется погрешность несинхронизации преобразователей,. реализующих алгоритмы, рассмотренные во второй главе.

Определяются границы применимости алгоритмов преобразования,

V ' -' ■ 16

основанных на аппроксимации сигнала помехи, и показана возможность использования алгоритмов, не предусматривающих аппроксимацию гармонической помехи,

В работе проанализирована погрешность несинхронизации. Получена зависимость погрешности несинхронизации от отношения задержи времени измерения ЛЬ к постоянной времени г. Получено аналитическое выражение, определяющее погрешность несинхронизации алгоритма преобразования, основанного на синхронизации сигнала от ИОВ с началом периода помехи, от отношения М/Х. Показана зависимость погрешности определения параметра Вз от отношения амплитуды помехи к амплитуде информативного сигнала, а гакне от отношения постоянной времени х к периоду помехи.

Используя аппарат теории графов, получены зависимости инструментальных погрешностей разработанных преобразователей. Рассматривается та составляющая инструментальной погрепности КП, устраняющих влияние дестабилизирующих факторов, которая обусловлена параметрами активных элементов.

В работе определяется инструментальная погрешность преобразователя крутящего момента. Получена зависимость относительной погрешности от изменения взаимоиндуктивности. Показано, что разработанный преобразователь крутящего момента удовлетворяет современным метрологическим требованиям-.

Исследовала аналитическая зависимость инструментальной погрешности преобразователя параметров индуктивного датчика. Получено соотношение, характеризующее относительную погрешность определения индуктивности. Показано, что относительная погрешность определения индуктивности <5ь зависит от коэффициента усиления второго операционного усилителя и от отношения ¡?х/!?о- На основе исследования аналитических зависимостей относительных погрешностей сделан вывод о высоких точностных характеристиках разработанного преобразователя.

В приложении приведены документы, подтверждающие ьпсд^енио результатов работы; а такхе программное обеспечение разработанных преобразователей^

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 1.На основе анализа обобщенной математической модели ИП выявлены две основные 'идзадачн синтеза ИП:

- разработка структур для аппаратно-программного решения мат-

ричиьз: уравнений ВД;

- сведение структуры МП с передаточной функцией БД, описываемой системой несовместных уравнений и системой уравнений с множеством решений к структуре ИП с передаточной функцией, описываемой системой уравнений с единственным ранением.

2.Разработаны принципы построения ИП параметров ПД, защищенных от гармонических помех. Получены выражения, определяющие параметры выходного сигнала КС по его временным отсчетам при наличии гармонической помехи при различных соотносзнкях частоты помехи и постоянной времени реакции цепи ЦЦ,. а икенно ксгдг псогоянвея времени ЗД ВД значительно меньне периода- помехи, а танке когда эти параметры соизмеримы. Проанализированы методы повышения помехоустойчивости для кагдого из случаев этих соотнозений.

3.Разработаны группы , алгоритмов повышения помехоустойчивости. ИП параметров ПД для случаев, когда постоянная времени"ЗЦ ПД значительно меньше периода помехи, а также когда эти параметра соизмеримы.

4.'Разработаны принципы построения ИП, позволяющие уменьшить влияние дестабилизирующего фактора на результат преобразования для аддитивной и мультипликативной зависимости информативного параметра и внешнего дестабилизирующего фактора при линейной функции преобразования ЦЦ.

' '5.Разработан алгоритм, позволяющий наряду о уменьшением влияния дестабилизирующего фактора уменьшить погрешность яелиней^-носги функции преобразования ВД, на основе этого алгоритма создай стенд для поверки ПД.

6. Рассмотрены метрологические характеристики помехоустойчивых ИП параметров ЦЦ. Получены аналитические выражения, характеризующие погрешности этих ИП за счет несинхронизации и аппроксимации гармонической помехи линейноизменяющимся сигналом. Показаны границы применимости разработанных принципов построения Щ параметров ВД, защищенных от гармонических помех.

Основное содержание диссертационной работы отражено в следующих публикациях:

1. Когельман Л.Г., Чернецов В.И. Построение микропроцессорной системы измерения физических величин с индуктивными датчиками / Интегрирующие частотные времяимпульсные преобразователи и цифровые средства измерения на их основе: Тез. докл. к зональному се*-

18

минеру.- П-зноа: 1ШНТП, 1587.

2. Когельман Л.Г., Мартяшш А.И., Чернецов В.И. Помехоустойчивый АИП для >дюгопарзмэтрового первичного преобразователя / Проблемы автоматизации в прочностном эксперименте/ Труды Ш Всесоюзного симпозиума. - .Новосибирск, 19S8.

3. Ксгельман Л.Г.,- Чернецов В.И. Прикштн построения помехоустойчивых измерительных преобразователей параметров датчиков / Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления / Тез.докл. к Всесоюзной конференции. -Пенза: 1ЩНТП, 1S89.

4.3ябиров А.Х., Когельман Л.Г., Чернецов З.И. АЦП параметров датчика перемещении для ЛСУТП /Автоматизация обработки первичных данных/ Межвуз.сб.науч.тр.- Пенза /Пенз. политехи. ин-т,1987.

5.Когвльман Л.Г., Фролов H.H. Измерительные преобразователи •для параметрических датчиков, подключенных через линию связи / Датчшси систем измерения, контроля и управления: Медвуз, сб. науч. тр. - Пенза: Пенз. политехи. :ш-т, 1937.- Бып.7.

6. A.C. 1437699 СССР. Устройство для измерения давления / Л.Г.Когельман, А.Й.1:артяЕин, С.НЛ'нтрсяькин, И.Н.Фролов, 3.11.Чернецов. - Опубл. в Б.П., 1983, N 42.

7. A.C. 1449934 СССР. Преобразователь параметров индуктивного датчика в период электрических колебании / Л.Г.Когэлъмгн,

A.й.Мартя'ЕМН, H.H.Фролов, В.Я.Чернецов.- Опубл. в Б.И., 1989, til.

8. A.C. 1465008 СССР. Преобразователь перемещения в частоту /' Л.Г.Когельман, А.ИЛйртяшш, И.Н.Фролов, В.И.Чернецов. - Опубл. з Б.П., 1SS9, N 21.

9. A.C. 1486759 СССР. Преобразователь перемещения в корпел" колебаний / Л.Г.Когельман, А.ИЛйртязий, З.И.Чернецсз. - СзубЛ. в Б.П., 1С89, Н 22.

10. Л. С. 1647SC3 СССР. УстрсПстзо для HöwopöKM дазленш / Л.Т.Котельная, А.И.Наотякгл. vi. 1!.«¿ролов, З.И.Чернецсз. - Опубл. з БЛ!.. 1П91, N 17.

П. A.C.- 1657332 СССР. Устройство для нэ,«рения крутящего момента / Л.Г.Ксгея>ная. А.И.!.'^отягош, H.H.Фролов, В.И.Черпэцоз.-ОяуЙЛ. э Б.Я., 1331, Я £3.

12. A.G. 1677603 СССР. Преобразователь псрег.'атроз индукткзного ZZFZK2/ А.И.1?гртяаш, 'И.Н.Срслоз, В.И.Чернецсэ,'Л.Г.Когольмга,

B.А.Сэнатсроэ, В.Н.0»сзнюо. - Опубл. в Б.II. ÍI 34, 1201. ••