автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Принципы построения и разработка электрохимических измерительных преобразователей для приборов и систем контроля природных и техногенных динамических процессов

на правах рукописи

ЖЕЛОНКИН АНАТОЛИЙ ИВАНОВИЧ

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ КОНТРОЛЯ ПРИРОДНЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 2009

003463333

Работа выполнена в Московском государственном открытом университете и ФГУП «Научно-производственное предприятие «КВАНТ»

Научный консультант: член-корреспондент РАН, профессор

Лидоренко Николай Степанович

Официальные оппоненты: заслуженны й деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Пушкин Игорь Александрович;

Защита состоится «26 » марта 2009 г. в 14 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д212.145.02 в Московской государственном университете инженерной экологии по адресу: 105066,Москва,ул. Старая Басманная, 21/4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета инженерной экологии -М ГУИЭ.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 105066 г.Москва, ул. Старая Басманная, 21/4.

доктор технических наук, профессор Самхарадее Томаз Георгиевич

доктор технических наук, профессор Карабегов М ихаил Александрович

Ведущая организация: ОАО «X им автоматика», г.Москва

Автореферат разослан

2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент

НВ.Мокрова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации систематизированы результаты многолетних теоретических и экспериментальных исследований автора в области разработки измерительных преобразователей, основанных на фюических процессах и закономерностях двойного электрического слоя, образуемого на границе раздела фаз - жидкой и твердой.

Актуальность проблемы. Одной из значимых народно-хозяйственных задач, определяющих научно-технический прогресс, является комплексный подход к изучению и измерению сложных физических процессов - технологических и природных, характеризующих технико-экономическое развитие и изменения экосистемы.

Методы решения локальных и системных задач динамических процессов разработаны и изложены в трудах Трапезникова В А., Котельни-кова В А., С олодовникова В Б., Попова ЕП. и других авторов.

Первичные измерительные преобразователи, их характеристики во многом определяют назначение и качественные показатели приборов и систем измерений.

Общие методы разработки первичных преобразователей различных физических принципов изложены в трудах Агейкина Д.И., Гаврилова АЛ., Браславского ДА., Туричина АМ. и др. В области приборов и методов контроля природной среды и технологических процессов известны работы Кардашева Г.А., Михайлова П.Е по исследованию физических методов и моделированию технологических процессов, Ла-тышенко К Л. по синтезу и исследованию методов и приборов контроля технологических процессов, Бабишева В Л., Попова АА., Чернова С.Ф. по задачам исследования измерительных и управляющих систем, Шатерникова В.Е по разработкам мониторинга параметров окружающей среды и технологических процессов, Саркисова ПД. по математическому моделированию и программированию и других авторов.

Экологическая стратегия, определяемая безопасностью взаимодействия наземных и подземных объектов, подвергающихся динамическим -естественным итехногенным - процессам, завис иг от степени их изучения и контроля в реальном и интегральном масштабе времени.

Современные преобразователи, использующие физические закономерности твердых тел, удовлетворяют м ног им задачам, но требования к расширению диапазонов измерений различных процессов определяют разработку новых методов и приборов.

Регистрация и изучение пространственно распределенных естественных и искусственных динамических процессов малого энергетического уровня (от Ю^м/с, 10-10£ , от Ю-3 Гц), является важной задачей

для решения проблем прогнозирования различных процессов, контроля несанкционированных механических воздействий и динамического состояния объектов. Необходим ость решения данной задачи определена федеральной программой «Сейсмобезопасность территории России» (2002 - 2010 годы), федеральной целевой программой «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2010 года», рядом региональных и корпоративных программ по обеспечению работоспособности и безопасности технологических объектов.

Традиционные принципы преобразования сигналов доведены до высокой степени совершенства, практически до уровня их предельных возможностей. Ограничения по диапазонам (10 м&, Ю-^ , Ю-2 Гц), сложность конструкций существующих технических средств и высокая стоимость, сдерживают решение задач динамического мониторинга.

Создание экономичных, с высоким коэффициентом преобразования, устройств измерения, решается на базе теоретических и практических исследований фюических процессов на границе раздела фаз -твердой и жидкой. Основные теоретические положения и пути развития нового научно-технического направления, определяемого в работах Лвдоренко Н.С., Графова БМ., Луковцева ПД., Делахея П. и др., как «хемсггронные или электрохимические преобразователи информации», базируются на фундаментальных работах Фрумкина АЛ., Френкеля ЯИ. и других ученых.

В результате исследований, проводимых в НПП "Квант", институте электрохимии (ИЭЛАН), институте проблем управления (ИПУ) РАН и в других организациях, обоснованы теоретические основы и проводятся разработки элементов и устройств, основанных на закономерностях образования двойного электрического слоя и восприятий энергетических воздействий. Используемые физические принципы - перенос вещества, потенциал протекания и электроосмотический эффект, ионообменные принципы, электролитические и диффузионные процессы -классифицируются как информационно-измерительное направление «молекулярная электроника -МЭ». Работы в этом направлении проводят НПП «Квант», Московский физико-технический институт (государственный университет) (МФТИ), Московский государственный открытый университет (М ГОУ), Казанский государственный технический университет (КГТУ) им. А.Н. Туполева, институт океанологии (ИО-РАН) им .ПЛ. Ширшова и другие организации.

В работе выполнены теоретические и практические исследования, раскрывающие возможности использования диффузионных процессов окислительно-восстановительных систем для создания измерительных

преобразователей динамических воздействий, рассмотрены принципы построения комбинированных структур преобразования. Изложены результаты исследований и разработок, являющихся частью НИОКР, выполненных под руководством и при участии автора. В настоящее время разрабатываются методы управления характеристиками преобразователей и методы автоматизированной обработки сигналов при пространственных измерениях. Работы ведутся в МГОУ совместно с НПП «КВАНТ» (ассоциация «Э Л КВАНТ») в рамках НИР «Разработка и исследование молекулярно-электронных измерительных преобразователей», и НИОКР, тема «Структурное и математическое моделирование, конструкторско-технологический синтез нанометровых датчиков вибраций и параметров движения», включенная в федеральную целевую программу «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2007 - 2015 годы».

Цель работы - разработка нового класса измерительных преобразователей неэлектрических сигналов малого уровня, основанных на взаимодействии молекулярно-электронного и инерционного методов, для контроля природных и техногенных динамических процессов. Поставленная цель определяет следующие основные задачи:

- исследование физических процессов и закономерностей диффузионного принципа преобразования конвективного переноса рабочего реагента в электрический сигнал;

- построение комбинированных структур взаимодействия диффузионного преобразователя (ЦП) с жидкостным и твердофазным инерционным и элементам и;

- разработка и исследование математических моделей синтезированных инерционных ДП преобразователей.

- определение принципа построения преобразователей с пассивной и активной коррекцией динамических свойств, разработка структурных схем преобразователей с положительной обратной связью;

- разработка и исследование математических моделей корректируемых структур инерционных ДП преобразователей;

- разработка обобщенной модели для синтезированных структур и методики исследования параметров и характеристик;

- исследование суперпозиционного воздействия на основной процесс преобразования электрических и электромагнитных полей;

-синтез структур и разработка алгоритмов измерения пространственно-временных детерм инированных и случайных сигналов;

- разработка методики расчета параметров и характеристик, разработка конструкций ДП измерительных преобразователей.

При решении поставленных задач:

- проведен анализ характеристик диффузионного преобразователя и разработан принцип построения МЭ преобразователя с дополнительным твердофазным инерционным преобразователем;

- определен принцип построения преобразователя с внутренней и внешней обратным и связям и, разработаны схемы взаимодействия и математические модели;

- получена обобщенная для различных структур математическая модель с уравнением второго порядка, с использованием разработанного метода квадратичной интегральной аппроксимации;

- исследованы диапазоны воздействия обратной связи и установлены границы корректируем ости динамических характеристик;

- разработаны способы стабилизации характеристик ДП преобразователей воздействием электрических и электромагнитных полей;

- построены структурные схемы для спектрального исследования сигналов по обобщенной математической модели;

- разработаны преобразователи параметров динамических процессов инф ранга кочастотного диапазона.

Методы исследования. В работе использованы ¡теория молекулярной электроники, базирующаяся на фундаментальных законах электрохимии, физики жидкого тела, гидродинамики; структурный и математический анализ; теория автоматюированного исследования. Развитием исследования преобразования динамических процессов являются разработанные методы структурного и математического моделирования по обобщенным моделям.

Научная новизна. Основным научным результатом работы является создание и внедрение нового класса измерительных преобразователей динамических процессов малого энергетического уровня с улучшенными динамическими свойствами, что позволяет перейти на нано-метровый уровень измерения динамических процессов различной природы.

В результате проделанной работы впервые:

- проведен анализ характеристик преобразователя конвективного переноса компонентов электролита в электрический сигнал и предложена математическая модель линейного преобразования;

- предложен принцип построения измерительного преобразователя с взаимодействием ДП и твердофазного преобразователей, обеспечивающий повышение чувствительности в 50 - 100 раз;

- разработан принцип построения комбинированного измерительного преобразователя (КДП) с взаимодействием диффузионного, инерционных и электроосмотического преобразователей;

- проведены исследования по разработанным математическим моделям

статических и динамических характеристик различных структур КДП, установлены диапазоны корректируем ости путем введения концентрационной и силовой обратных связей;

- разработан интегрально-квадратичный метод понижения порядка уравнений, получена обобщенная математическая модель синтезированных структур КДП, проведены расчеты параметров различных структур по единой методике;

- предложены способы технологической коррекции с помощью электрических и электромагнитных воздействий и за счет применения нано-технологий;

- разработаны схемы и алгоритмы корректирующих воздействий при многоканальных измерениях;

- предложена структура системы регистрации волновых динамических процессов с использованием разработанных преобразователей.

Практическое значение работы и реализация. Исследования и разработка МЭ измерительных преобразователей осуществлялись на кафедре «Информационные системы и измерительные технологии» МГОУ под руководством и при непосредственном участии автора по планам НИР кафедры и при выполнении НИОКРв НПП «КВАНТ».

Проведенные исследования использованы при разработке внедренных в производство приборов контроля динамических процессов различных объектов: преобразователь диффузионный ПДС;МЭ преобразователь колебательных ускорений МПКУ; преобразователи неэлектрических сигналов К-214, -215; МЭ приемники линейных ускорений СПМ -54, -55; преобразователи и измерители угловых ускорений ПЭУУ--100, -101, -110; ИУУ-3, -5, -7; преобразователи диффузионные ПДМ; трехкомпоненгный преобразователь - «Изделие 2У-41.1» для системы автоматического оповещения о динамической волне «Система2У41». Основные положения, выносимые на защиту:

1. Принцип построения МЭ инерционных измерительных преобразователей динамических процессов.

2. Комплекс математических моделей модификаций МЭ измерительных преобразователей, а также уравнения, устанавливающие диапазоны коррекции характеристик преобразования.

3. Интегральный метод аппроксимации математических моделей и обобщенная математическая модель, обеспечивающая упрощение методов построения и исследования полифункциональных структур.

4. Технологические способы коррекции характеристик путем суперпозиционного воздействия электрических и электромагнитных полей и создание преобразователей с металлооксидным и нанометровымиэлек-

тродным и структурам и.

5. Алгоритмы управления характеристиками преобразования и обработки сигналов пространственно-временных процессов.

6. Методы построения и структурная схема системы пространственного измерения сейсмических волновых процессов.

Апробация работы и публикации. Результаты исследований докладывались и обсуждались: на 7-й (Ереван, 1972), 8-й (Казань, 1975) Всесоюзных конференциях по электрохимическим преобразователям информации; на 9-й (Ереван, 1978), 10-й (Краснодар, 1986) Всесоюзных конференциях по молекулярной электронике; на Всесоюзной конференции "Автсматшация и контроль процессов производства источников тока" (Севастополь, 1975); на международном семинаре "Современные проблемы информационных технологий" (Москва, 1993); на ЬУ научной сессии "Радиотехника, электроника и связь на рубеже тысячелетия" (Москва, 2000); на ЬУ1, ЬУН научных сессиях, посвященных Дню радио (Москва, 2001, 2003); на заседании кафедры "Информационно-измерительные системы" МВТУ (МГТУ); на заседании кафедры "Информационно-измерительная техника и технологии" МГОУ; на заседании секции Н ТС НПП "Кванг"(ассоциация «ЭЛКВАНТ»); на V, VI научно-технической конференции «Информационные технологии в промышленности и учебном процессе» (Москва,МГОУ, 2000,2000), на II, III научно-практических конференциях «Нанотехнологии - производству» (Москва - Фрязино, 2005, 2006); на научной конференции «Энергетические проблемы», (Москва, Политехнический музей, 2005); на международной научно-практической конференции «Нанотехнологии и информационные технологии - технологии XXI века» (Москва, МГОУ, 2006), на II, III международных конференциях (Экологические системы, приборы и чистые технологии» (Москва, 2007,2008). на 17-й, 18-й Национальных симпозиумах с международным участием (Болгария, 2007,2008).

Материалы работы использованы в учебных пособиях по дисциплинам «Аналоговые измерительные устройства», «Преобразование измерительных сигналов», изд. МГОУ.

По теме диссертации опубликовано 75 печатных работ, в том числе 20 публикаций в журналах, рекомендованных ВАК, 2 монографии, 33 авторских свидетельства и патента на изобретения, за что диссертант отмечен знаком «Изобретатель СССР».

Структура диссертации. Работа состоит из введения, семи разделов, заключения, списка литературы (186 наименований), приложения. Основной текст содержит 238 страницы машинописного текста, в том числе 72 рисунка и 7 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика решаемой проблемы, обоснована актуальность темы, определены цели и задачи, сформулированы научная новизна и практическая ценность, приведены сведения по апробации и внедрению результатов исследования. Анализ современных системам измерения динамических процессов показал, что повышение качественных характеристик и расширение диапазонов связано с совершенствованием устройств первичного преобразования. Наиболее успешно задача решается с использованием нетрадиционных физических процессов преобразования

В первом разделе рассматривается принцип построения автоматической информационно-измерительной системы контроля пространственных динамических процессов - АИИС. Структурная схема системы (рис. 1) включает сеть автоматических (АС) и обслуживаемых (ОС) станций. В состав станций входит блок приема сигнала - БПС, содержащий трехком понентный линейный измерительный преобразователь -СПХ. Характеристики первичных преобразователей определяют функциональное назначение всей системы.

Принципы построения устройств измерения низкочастотных динамических процессов основаны на взаимодействии электродинамических преобразователей и астатических маятников, работающих вблизи области устойчивости. Измерения малыхзначений сигналов (10"7м/с)дос-тигается до частот не ниже 10~2 Гц, что ограничивает диапазоны контроля динамических процессов. Использование электрохимических процессов для создания различных приборов и преобразователей определило развитие информационно-измерительного направления, определяемого как молекулярная электроника (ранее - электрохимическое приборостроение, хемотроника) (рис. 2).

Рис. 1. Структурная схема АИИС 9

Рис. 2. Информационные направления молекулярной электроники

Исследования функциональных возможностей молекулярной электроники показали, что в области измерений инфранизких частот перспективны МЭ преобразователи с конвективным переносом электроактивных компонентов, что обусловлено физическими процессами, происходящими в жидком теле с малыми значениями сдвиговых напряжений (Ю-3 НА!2) и высокой концентрацией электропроводящих и элекгроактивных компонентов (до 1027 ъд./м3). Концептуальной базой молекулярной электроники (МЭ)являются закономерности фюических процессов в молекулярных средах на границе раздела фаз с образованием двойного электрического слоя - ДЭС с участием электронов электродных структур.

Во втором разделе изложены принципы построения, проведены исследования и разработка диффузионного преобразователя (ЦП) конвективного переноса электролита, образуемого инерционным воздействием, в электрический сигнал. Действующее ускорение (рис. 3)Х вызывает перемещение массы М, ограниченной упругим и элементам и жесткостью КЛ1. В преобразующей ячейке, характеризуемой коэффициентом вязкого трения в, изменяется концентрация электроактивных компонент обратимой окислительно-восстановительной системы. При прохождении тока через иод-иодидную систему, на катоде идет восстановление иода, на аноде - окисление иодида: Ь +2е —> 21—; 21 2 е —> 12. Потенциал на границе электрод - раствор, в зависимости от концентрации окисленной С0 и восстановленной С„ форм, определяется соотношением Нернста.

Процессы переноса вещества определяются диффузией, конвекци-

ей и миграциеи:

Jl=-D^+n,^íClEI + VxCt. дх

Первое слагаемое - диффузионный поток электролита концентрации С(О - коэффициент диффузии); второе - миграционный поток (Е - электрическое поле, /л - динам ическая вязкость); третье - конвективный поток - Ух. Конвективный перенос является основным для МЭ преобразователей.

1(в)= 1{в) _ е'-е'*

'„„1 КРгГ е'-уе-

0)

где

2 КГ С2Ог

; - = Ь2Р2 = гРБС2Р2 _Предельнь1е ТОКи, / - дли-

пр1 ! I ' пр2 I ^

на канала, С/, С>, й2 - концентрации и коэффициенты диффузии окислителя и восстановителя, Б - площадь электродов, е= (р ± <р(0 -отклонение потенциала электрода от равновесного значения.

Статическая вольтам перная характеристика такого преобразователя представлена в виде (рис. 4):

V

м

--V

>вых

Рис. 3. Физическая модель инерционного МЭ преобразователя й-схем а инерционной части, ^-мембранный преобразователь, 1 -мембраны жесткостьюКм, 2 - рабочая жидкость массой М, 3 -измерительный канал (С - коэффициент вязкого трения), 4 - электрода, 5 - корпус

А ят. с; с»

Д (0 =-1п —---т"

¡р с с

(2)

где &(р - скачок потенциала, Д-универсальная газовая постоянная, Г - абсолютная температура, г - число электронов, принимающих участие в реакции; Р - число Фарадея.

Вольтамперная характеристика определяет следующие параметры.

Рис.4.Вольтамперная характеристикаМЭ преобразователя

1) Ток преобразователя в интервале вг < в < 01:

6> = 0,51п(1 + /и)/(1-и); в2 = 0,51п(1 -ут)/(т + у), (3) где п = т„Р1, т = Ихпр2 - заданные отношения, не превышающие единицы. При у- 0,1 и т = » = 0,9: 0,=1,2; 9г =-2,3.

2) Предельные токи 1„р/ и 1пр2 определяют отношение концентраций окислителя и восстановителя: у= ¡„р/ ¡„Р2 = С/С*

3)Импеданс преобразователя:

(4)

'пр1

(е'+Ге-3)г.гг =ЛГ. при уе~9 «еэ;

Г + 1

V

у +1

4) Крутизну характеристики преобразователя, максимальное значение

которой при 0 = '/г 1пу равно:

а при 0 =0: [ Ё.

<1в

'А 2

V

у +1. _ у +1. 2 у ' . 2Г

пр2 '

'пр2

/,.. 1 + У ' 1 + Г 5)Асимптотическую вольтамперную характеристику:

1 = 1,

пр\

г-1

0 = /

г-1.

п/)2

1п/

у-1 ' 2

(5)

(6)

Уравнение пограничного диффузионного слоя, плотность тока и

(7)

полны и ток:

дС

дС

д2С

дх " ду дуг

, ¡=РС&-,! = ГО (

3?

дС, дп

где Р- число Фарадея, л - площадь считывающего электрода, п- нормаль к поверхности 5.

Изменение концентрации и смещение электролита равны:

% (8)

а "а

Зависимость величины тока преобразователя с длиной канала / от смещения электролита и перепада давления равна:

(ЯЮЛ

I = zF

^jfyk^nSzFC^b,

1 -exp

(9)

На рис. 5 приведены схемы 2-х, 3-х и 4-х электродныхсистем ДП.В области между катодом и анодом концентрация ионов окисленной формы изменяется по линейному закону-от нуля у катода, до исходной Со у анода. За счет градиента концентрации возникает стационарный диффузионный поток ионов окисленной формы je направленный к катоду и обуславливающий начальный ток электрода Ц. При возникновении движения электролита со скоростью V на диффузионный поток ионов j накладывается конвективный поток определяемый движением электролита. Полный поток ионов на катод будет равен j = jg + jk, а полный ток электрода / = 1ф+ AI. Сигнал AI - знакопеременный. Различают два основных режима работы, определяемые условиями Alma < 1ф, А1тп> 1ф. Для двух электродной системы характерен первый режим работы. Трехэлектродная система компенсирует фоновые токи: Uо вЫ1 = I<pR„I - 1фЯн2 = 0. При движении электролита выходной сигнал равен: USbU = I,RJ - I2RJ = (1ф +AI)RJ ~{1Ф- AI) Rh2 = 2AIR,,. Коэффициент преобразования трехэлектродной системы в два раза выше. Четырехэлектродная система включена вместе с сопротивлением нагрузки R„ и источником питания по балансной схеме. Выходной сигнал, снимаемый с электродов, в зависимости от направления движения электролита, как и для двухэлектродной системы равен: Ueta = AIR,,. При этом время релаксации, необходимое для разделения электролита, значительно уменьшается.

Решение уравнения диффузии дает формулы выходного тока:

1. /„ = ZFC/-VY

и»)

2.1Н = zFC/-vf^

»=1

3. /„ = zFCy-l'J]

8

(2 л-1) 8_

2(-1)" (2п-\?л

1-ехр

1-ехр

1-ехр

(2w-l)V£>/

г!Г (2п-I)2 л'Dl

4 r-V (2«-1)VD/

4 r'V

Рис. 5. Схема 2-х, 3-х и 4-х электродных систем (----) и

межэлектродного распределения концентрации (-):

С/С о- относительная концентрация; Х- линейная координата; V- поток электролита; 4 4-токи вынужденной и естественной конвекции; Е-источник питания; Д, - нагрузочные резисторы

Ток представляет сумму бесконечного числа экспонент, затухающих с постоянной времени Тд= г2/Хп20 (10). При и = 1, Тс, = г2/5,75В. Зависим ость тока от скорости У0 и от давления Л.Р следующая:

/ = 2,2Л^'0[1-ехр(-5,75О//г2} / = др[,_ехр(_5,75Шг2)]. О1)

Чувствительность ДП по скорости и смещению равна:

=^Г2'2^' =6-908г4-7ГС° '(12)

где =хю/К05к, 5.,,- рабочая площадь мембран, л«- межэлектродное расстояние.

Зависимость тока /,> от смещения электролита Хэ имеет вид:

„Лр)=>АЕ1 К»- (1 = 1,2,3,...), 03)

-Мр) 4р+1 14

где Kat = 0,55 C0zFd\ Ta, = d2/23D - для канала диаметром d, Cö-конценграция электролита, S-толщина диффузионного слоя.

Зависимость выходного тока /от напряжения U на электродах ДП при различной скорости смещения электролита приведена на рис. 6, а на рис. 7 - структурная схема инерционного ДП.

Математическая модель измерительного ДП представлена в виде передаточной функции:

W{p)=JAeL=__.„=2,3 .T-*£.>>T-JL.T-*- (14)

Хи(р) (TlP + №P+mP+iy" W К >>Tl R^sl, 23D' где /„- выходной сигнал; М, Хм-величина и смещение массы;/С - жесткость упругих элементов; R, - гидросопротивление.

Чувствительность инерционного части преобразователя:

S„ = Т1Т2й)1 = Mcoi1 / К. (15)

Чувствительность измерительного ДП:

W = ^¡г- = S„S,X1 = ~~~6,908r"zFCo^' =T,T26,mrAzFCyC (16) ДЛК Л

Значение Г 2=TtTf^MK для жидкостной инерционной массы мало (порядка 10~3с2). Подключение твердофазных элементов повышает значение Г2, следовательно, и чувствительность в 102 и более раз. Передаточная функция такой структуры имеет вид:

Лр) 1 Щ,[р)К(рУ Лр) т2р2+ißTp+1'

где: ¡у (п) = Р + _ звено жесткой обратной связи,

Тк]р

a = K2/Kt <1,Тк =Тк]+Ткг =Jm/(K + K[) + t]M/K2.

В третьем разделе исследованы принципы построения комбинированных структур взаимодействия МЭ, инерционных (твердофазных) и силовых (обратных) преобразователей. Разработаны исходные математические модели структур с применением различных видов положительной обратной связи и получена обобщенная расчетная модель пониженного порядка.

Обратная связь, управляющая концентрацией, изменяет коэффициент преобразования. Для силовой обратной связи используется электроосмотический преобразователь с коэффициентом характеризуемый силой FI)K, развиваемой давлением Р под действием приложенного напряжения U, и определяется дзета-потенциалом £ и параметрами электроосмотического преобразователя - а, N, SM Sv/l:

К = = (18)

? и и па2 SM

ЛмкА

О 0.2 0,4 0.6 0.8 1.0 1,2 Ц В

Рис. 6. Зависимость выходного тока ДПIот напряжения С/ при различной скорости смещения электролита /- Уэ = 10*м3/с;2-Уэ= 10"7м3/с;3- Уэ = Ю"8м3/с;4- Уэ = 10"9мЗ/с; 5- Кэ = 0м3/с;6- нагрузочная характеристика

Хвх Мр> Р -» 1 К3 1э -► кэ

Мр2 + Ср+1 > т,р+1 Тэр+1

^ыг

Рис. 7. Структурная схемаМЭ ПИП 1 - преобразование входного сигнала в силовое воздействие инерционной массы Г, 2 - преобразование ^в смещение электролига Хэ, 3 - преобразование Хэ в электрический сигнал /э, 4 -усиление тока

Последовательное соединение прямого и обратного преобразователей (рис. 8, 9) образует систему с одной степенью свободы, параллельное соединение через упругий или демпфирующий элементы дает систему с двумя степеням и свободы (рис. 8,10) и позволяет получить мно-гоконгурную обратную связь, увеличивая ее воздействие. На рис. 8а представлены функциональные схемы построения ДП.Математические модели таких систем:

(19)

7*2 _я+1-.* р

агръ + а2р2 + ахр + ц, ± КК,рг"'г'

кдтгр^-(ьгрг+ь>р+ьа)

_, (20)

а5р' + а4р4 + а3р3 + а2р2 + + а0± КК{рг~'~'

где а, - коэффициенты, определяемые инерционными и гидродинамическим и параметрам и.

Для обобщенного математического описания проведен анализ методов аппроксимации уравнений. Разложения в ряды Бурмана-Лагранжа, Тейлора, частотные методы и другие известные методы имеют погреш-

ность аппроксимации не менее 10%. Разброс численного решения составляет от 15 до 37%.

Для анализа синтезированных структур разработан метод аппроксимации по условию равенства интегральных квадратичных оценок:

]£г<0)]А; 0=0,1,2.....т-1), (21)

о о

где X, - координаты исходного и аппроксимирующего уравнений, т - порядок уравнения.

В результате получены передаточные функции для систем с одной IV¡(р) и двумя степенями свободы №2(р):

щр) -ЫИ-. =__.(22)

а\ ою

Коэффициенты а, (таблица 1) определяются через параметры /?и Т и содержат весовые значения коэффициентов исходных функций.

____Таблица 1

Схема, определяемая передаточной функцией

Коэф. W1 W2 W3 W4

а4 Г,7/ Г/Т/ T,Тг

а3 Т&ПаН )+ ÏTftjfiWi+Pini 2TiTi\PiT£a+\ )+/?//] TtflPîfiP?!)

а. ГДог+1 УТ2'+ +400ЛГ:) T/+T/14PPIT1 Т/(а+1 )+Т/Чрр}Т,Т; Т/+Т!'+4рр1Т,Т2

ai 2[£?,7\(а+1>ь гупану-ргг] 2(fiiTi+ ргТ 2) 2(PiT1+P2T2)

а0 1 I J 1

ъ< rrt/ ÏT ¡Т 2 2 Г/ТУ TiTi'

ь, грт,т3 W/a+WJ-A apjïï 4РГ,'а+4рГ,Т! + +2Р1Г,1Тг û

Ь, т,%а+1 У-Т/ Г,'+Т2> 0

Коэффициент принимает следующие значения: при обратной

связи по ускорению Е" = КК.,по скорости = + ^ по

а, (а, +К'К()

смещению Ç = КК^р+аКК^. Отклонения АЧХ, построенных по исходным и аппроксимирующим моделям с применением программы AlgEq. exe (рис. ИХ составляют 5%, время вычисления сокращается на 40%. Коэффициенты обратной связи определяются соотношениями:

1 • Хвых ~ Хм + Хт

2. Хых ~ Хм +„

3-Хвых — Хм + Хт Рис. 8. Схемы соединений инерционных элементов 1 - гидравлическое взаимодействие, 2-упругое взаимодействие, 3 - взаимодействие через упругие и демпфирующие элементы,

4 - последовательное соединение элементов • ^^

Рис. 8а. Схемы построения измерительного ДП: 1. - ДП, 2 -твердофазный инерционный преобразователь, 3.-электроосмотический (обратный ) преобразователь

Рис. 9. Схема последовательного соединения преобразователей

"г" -ф

мр- —

Мр'+С„р*Къ

с„р<к„

С.Р'К.

1

Ър+1

лу><

Кр"

Рис 10. Структурная схемаМЭ ПИП с 2-я степенями свободы

^ Л « У(х')/"Шд)

но 120

100 во 60 40

20 о

а

/ а1 !

/

/

1.0 10(9

0.001 0.01 0,1

1 2 Рис.11.1.АЧХ исходной-А1 и аппроксимирующей-А моделей, 2. У(с)- погрешность численного решения, Я (х)- точное решение

а, а.

а2Г,+а3

а2Т?+а3

(24)

и ограничены при воздействии по ускорению, скорости, смещению

значениями: к" <2Т{Т+ Тд)1 у1 К'<(2Т + Т,.)р,К1<\. (25)

2Т + ТД

Положительная обратная связь увеличивает чувствительность и расширяет частотный диапазон измерительного ДП. Нижняя граничная частота скоростного режима устанавливается из соотношений:

Т2Тдо> > 1РПЛ\ а,, > 2ß!T, (26)

при выполнении приоритета диффузионного процесса по сравнению с гидродинамическим: 2ßT <ТД. (27)

Условие (27) дает расчетное соотношение для параметров преобра-

M^es1 s

зователя:

(28)

КУг цй

где 0-параметр измерительного канала

Для автоматизированного исследования структур измерительного ДП рассмотрена электрическая схема, отображающая инвариантную математическую модель. Схема осуществляет шменение переменных и интегрирование, суммирование входных величин и инвертирование. Порядок характеристического уравнения определяет количество операционных усилителей. Полученная инвариантная математическая модель предопределила использование классической схемы набора позиционных звеньев второго порядка (рис. 12).

о л

»-1__п-1'с9

С1,1

TST0

r1

r> —1 ьч

r2

1 —I I-t-

>

2

al

с4

rio

r5

r8

>

3

п LU

JR6

Т_£

r7

СЗ,

Hf>J

r9

С*

JL

Г i

>

5

X.

s а3

м-Тш

U2

а4г —r9

Рис. 12. Электрическая модель диффузионного измерительного преобразователя с передаточной функцией второго порядка

Система уравнений для такой модели имеет вид: иЗ= 1/С1РЦЛ/Ю+аЗи2);Ш= 1/С2Р(а1 Ш/Ю+ аЮ4Ш%\}2= и4М/Ю\ где Р - машинный символ переменной. Исключив переменные 113,114,

получим:

R2R3R5

С\С2Р~ +

a2R2R3RS

С\Р + \

. a\aЗR6 a\aЗRAR6

где /' = от,/-машинное время,т,-масштаб времени. Для уравнения второго порядка, находим:

\R2R3R5C\C2 „ а2 [ЖЙЗД5сГ

U2{f)

R2 a3Rl

Т =

a\a3R6

2Я4 V a2a3R6C2

;k =

R2 a3R\

(29)

(30)

При исследованиях системы на вход модели подаются сигналы различной формы.

Разработанный принцип построения МЭ преобразователей, заключающийся в организации взаимодействия прямых и обратных преобразователей, позволил организовать пассивную и управляемую корректировку характеристик Анализ преобразователей по разработанным обобщенным математическим моделям установил:

- положительная обратная связь по ускорению увеличивает чувствительность во всем диапазоне, АЧХ имеет подъем 40 дБ/дек в сторону повышения частот;

- обратная связь по смещению расширяет диапазон по скорости в сторону низких частот;

- использование двухконтурной обратной связи по скорости и смещению и интегрирующего звена в прямой цепи расширяет частотный диапазон по смещению и увеличивает чувствительность;

- системы с двумя степенями свободы имеют большую чувствительность на всех режимах измерения и больший диапазон изменений характеристик.

- скоростная обратная связь позволяет получать горизонтальный участок АЧХ в некотором диапазоне частот или узкополосный низкочастотный фильтр с дополнительным усилением.

В четвертом разделе проработаны принципиальные решения повышения стабильности характеристик и уменьшения погрешностей измерительных ДП преобразователей.

Рассмотрены технологические методы повышения стабильности и точности диффузионных структур. М ногие виды преобразователей, основанные на различных физических явлениях, имеют общие источники, модели и методы расчета собственных шумов. Для жидкостных, газообразных типов преобразователей практически достаточно учитывать зависимость параметров от температуры динамического диапазона /, положения в пространстве g.

Электрический шум, определяющий пороговый уровень полезных сигналов и ограничивающий информационную емкость, устанавливается на основании теоремы Найквиста: Ящф = и2/4кТ/.

Дополнительный шум, обусловленный хаотическим движением электроактивных компонентов (фликкер-шум\ связан с модуляцией внутреннего сопротивления, с естественной и вынужденной конвекцией носителей и друг им и макро- и м икроскопическим и колебаниям и.

Изучение и разработка способов уменьшения собственных шумов проведено многими авторами и изложены в соответствующих публикациях. Следует отметить, что источники нестабильности характеристик

определяются не только фюическими процессами, но и зависят от конструктивных и технологических факторов.

При исследовании взаимодействия электрокинетического, осмотического и электромеханического преобразователей рассмотрены задачи стабилизации параметров с помощью отрицательной обратной связи. Анализ структурных и эквивалентных электрических схем и расчет коэффициентов преобразования отдельных элементов позволил устано-

к к

вить общий коэффициент преобразования равный: цг = "р > т.е.

увеличение коэффициента передачи силового преобразователя Кс„ повышает стабильность коэффициента передачи Жвсей системы.

Установлены аналитические зависимости, определяющие один из заметных источников гидродинамического шума преобразователя. Таким источником является вихревое движение жидкости, образуемое под действием разности давлений, возникающих при вращении контура преобразователя. Скорость такого движения V, индуцируемая при вращении с угловой скоростью со = Vi rot V, равна: V = S ja>ds/2л.R, где

S - площадь перегородки, R - радиус вихря. При этом отвод потен-циалообразующих ионов носит случайный характер, дисперсия процесса увеличивается при увеличении скорости вращения, что является одной из причин случайной погрешности преобразователя. В разработанной модели с расположением преобразующего элемента в центре контура обеспечивается устранение рассмотренного шумового процесса. Замена газового ком пенсационного объема мембраной, жесткость которой К устанавливается величиной давления пара рабочей жидкости Р„, начальным давлением Р0 и диапазоном рабочих температур АТ:

(Р -Р )s2

К < 1_2-"' .т.., позволила повысить стабильность характеристик ДП.

Ужржьт

Исследованы принципы преобразования, основанные на изменении сопротивления и емкости проводящей среды между электродами. Для таких систем получены аналитические зависимости выходного параметра от входных величин, рассмотрены оптимальные методы построения. Для преобразователя с системой подвижных и неподвижных электродов определена зависимость характеристик от формы, числа электродов, их взаимного расположения, состава рабочих жидкостей. Выходной сигнал, связанный с изменением сопротивления R, как функция от расстояния между электродами, определяется геометрической проводимостью G между электродами. Величина зазора А, определяющего гидравлическое сопротивление и динамические характеристики,равно:

д = ,и1/3/"3s2/3zг,/3^r2'3лr2,3. (31)

Используется электроосмотическая прокачка жидкости переменным напряжением, эффективное значение которого определяется параметрами преобразователя:

!/*> И2//К0, Ко- Е8./2р.. (32)

Для улучшения степени очистки и уменьшения времени стабилизации характеристик технологическая прокачка с помощью электроосмоса осуществляется при нагреве до предельно допустимой температуры. В этом случае уменьшается вязкость рабочей жидкости /л и скорость, определяемая выражением:

Уэ0=££еи/ф, (33)

а тепловые конвективные потоки способствуют выведению микрочастиц из объема преобразующего элемента.

Суперпозиционное взаимодействие различных физических процессов определяет качественно новый подход к исследованию измерительных преобразователей. Механюм взаимодействия МЭ процессов с наложенными электрическими и электромагнитными полями имеет частотно зависимый характер. При протекании переменного тока низкой частоты (от долей Гц до единиц кГц) ДП имеет частотную зависимость проводимости, определяемую сопротивлением Варбурга.

При воздействии электромагнитных колебаний (порядка 10 кГц) период колебаний достаточный, чтобы двойной электрический слой успевал перезарядиться. Это определяет низкую ионную проводимость. Последующий рост удельной проводимости происходит вследствие уменьшения емкостного сопротивления с увеличением частоты. Неполная перезарядка двойного слоя приводит к образованию ионных токов, и проводимость плавно увеличивается, а диэлектрическая проницаемость падает. Релаксация противоионов у заряженных поверхностей двойного электрического слоя определяется как механизм а-дисперсии. Такое воздействие как технологическое, так и эксплуатационное - периодическое или постоянное - не эффективно для ДП.

Лавинное вовлечение глубинных сред в процессе образования ионных токов на частотах 104-105 Гц вызывает резкое возрастание удельной проводимости за счет уменьшения сопротивление ячейки.

На частотах 10-Ю7 Гц двойной слой все меньше перезаряжается. В итоге емкостное сопротивление падает, проводимость продолжает возрастать, а диэлектрическая проницаемость уменьшается.

При частоте ЭМ колебаний выше 108 Гц емкостное сопротивление становится настолько малым, что ячейку можно считать короткозамк-нутой. Поляризация молекул и токи смещения становятся преобладающими. Характерные частоты молекул воды, как связанной (гидратиро

ванной), так и свободной, оказываются равными и ниже частот воздействующего поля. Область в диапазоне частот 104-108 Гц определяет /?-дисПерсию. Процессы в области более высоких частот (/дисперсия) характеризуются возбуждением дипольных молекул воды, проводимость вновь резко возрастает, а диэлектрическая проницаемость меняется незначительно.

Представленный механизм воздействия ЭМ поля показывает, что с возрастанием частоты индуцирование ионных токов постепенно заменяется поляризацией молекул.

Рассмотренные процессы определили разработку методов технологической корректировки основных характеристик ДП преобразователей. Контактная электромагнитная обработка рабочих жидкостей позволяет установить режим технологического процесса, определяемый зависимостью времени ЭМ воздействия от параметров, физических и геометрических свойств жидкости:

/= 0,141пМКН~' Г1 Г'2 п'2/'2р'34 К1'4. (34)

Суперпозиционное динамическое воздействие переменного тока позволяет уменьшить время выхода на рабочий режим диффузионных преобразователей путем подачи импульса с амплитудой до нескольких ам пер, длительностью меньше времени разложения жидкостной основы электролита. Переменный ток позволяет также уменьшить адсорбцию поверхностно активных веществ на поверхности электродов, обеспечивая повышение точности и расширения температурного диапазона. Аналитическое выражение для определения оптимального значения частоты переменного тока имеет вид:

/= аЪИСа/Ей, Ъ = УЫр. (35)

Для двухэлектродной диффузионной ячейки с реальными параметрами частота наложенного переменного тока составляет порядка 50 Гц.

К конструкционным материалам таких систем предъявляются высокие требования по коррозионной стойкости к электролиту. Используемые пластмассы обладают хладотекучестью, газопроницаемостью, что затрудняет герметизацию рабочего объема и приводит к диффузии в объем электролита кислорода и окислению иода. Данные факторы, а также поглощение материалами части окисленной формы электролита, являются причиной нестабильности характеристик, невысокой надежности и ограниченного срока службы. Для улучшения указанных показателей исследована стойкость некоторых металлов и разработан преобразователь на основе титановых сплавов с пленочными электродными структурам и. Это позволило также снизить порог чувствительности (в 2 - 10 раз)за счет уменьшения межэлектродного расстояния, определяющего диффузионное сопротивление, до толщины окисного (ТЮ2)

изоляционного слоя.

Здесь же приводятся способы внутренней компенсации температурной зависимости характеристик диффузионных преобразователей.

Температурная коррекция в диапазоне Л Т осуществляется ячейкой с электродами, аналогичной основному преобразователю. В качестве выходного сигнала используют отношение выходного тока, образованного перепадом давления АР преобразователя 1выхпр к предельному обратному току диода 1еьад:

п=!^ = ААР(1+аАТ)=^АР (36)

/<ых, /0(1+аДГ /0 *

а - тем пературны й коэффициент.

Выходной ток равен: / - 2РСАР • д = ; (37)

Л ' 52

где Я/- - гидродинамическое сопротивление измерительного канала,

I, Б — длина и площадь поперечного канала соответственно.

При изменении температуры имеем:

д - _ Яго , (38)

г 52(1 + ^Д Т) Х + Р^Г

где Яго - гидравлическое сопротивление при температуре То, ¡Зи -температурный коэффициент вязкости /л0 рабочей среды.

Компенсация температурного изменения Яг, связанного с изменением вязкости, реализуется регулированием в соответствии с изменением температуры размера канала А, образованного двумя элементами с размерами // и 12 из материалов с различными коэффициентами линейного расширения <зг/, а2.

Изменяя концентрацию по закону С = С0 /(1 + Р^АТ), для выходного тока получим:

; _ ^АРд0(1 + рцЬТ) _ гЕС (39)

Реализуется способ в преобразователе, содержащим дополнительную камеру, соединенную с рабочим объемом, и содержащим электроды, подключенные к схеме считывания и обеспечивающие изменение концентрации электролита в рабочем объеме преобразователя.

Термокомпенсация достигается также одновременным изменением рабочей длины / и площади поперечного сечения канала Бк.

Применение в различных сочетаниях рассмотренных способов, наряду со схемными решениями корректировки характеристик ДП преобразователей, позволило реализовать измерительные приборы с достаточной для практических задач (не более ± 5 %) точностью.

В пятом разделе проведен аналю погрешностей инерционных ДП и исследуются способы их уменьшения. Суммарная статическая погрешность определяемая погрешностью звеньев Ад, цепи, равна:

А^г = £{ду/дд^д, = / = 1,2,3,...,«, (40)

I /

где q¡ - точное значение /-го звена, у-действительное значение входной величины.

Для исследуемой системы с инерционным преобразователем:

лД х„ т к а ек к

где Хсг~ статическое приращение параметра упругого элемента, АХсг- погрешность упругого элемента,К -жесткость. Статическая погрешность при регистрации смещения:

8Ке дТе

~=*(кг1до+*пдс0+2 кпаими -4 ке, ^

м . V - К г . г _ Ке _ /4-

.2 ' л£! _ т П' ьг ~ т п ' ~ т

а 'гЧ ув»и -/г

= + (42)

./ О С (1и с!

где с/л/, с/ -диаметры мембраны и рабочего канала.

Выражение для температурной погрешности имеют вид:

£г =

« „ а, , .„ а,— 4а, „ .а,-а, .

а{+аг я,+а2 я,-о.

ДГ.

(43)

где: Д; Рп Рц- температурные коэффициенты модуля упругости материала пружины, коэффициента диффузии и вязкости рабочей жидкости; Рж; Д; Д,; - коэффициенты расширения жидкости и материалов. Величина динамической погрешности равна:

О "I

где С, - коэффициенты ошибок по положению, скорости, ускорению. В режиме виброметрах^ = ^погрешность определяется

- для структур с одной степенью свободы :£г/\ __х (45)

- для структур с двумя степеням и свободы:

-х аЛ а,. +

ТТ^Г^г + к„ь3(\±к(У (4б)

Точность воспроизведение гармонического воздействия х(1)=Хтах-зт&о! оценивается по амплитуде ошибки £тах:

е =\Ф аоЛ-Ф (¡а\ =-!_ Е «—= (47)

\ + \У{]й>) |Ж(7®0)| А(соа)

Для одностепенных систем при частоте сигнала щ = 5-10~2с~':

£тах-4Л0~2Хтш] 8=етю/Хгпгх=4 %. Данную частоту для системы без коррекции можно считать предельной (при со0~ 3-10-2с"1; 6= 15 %). Для скоростной обратной связи, при о)0= 3-10_2с_| и уменьшении {2рТ+Т^ до 20, получим:

г/пах« 2,8•10_2Лгтах; д «2,8 %;

В системах с двумя степенями свободы наблюдается уменьшение ошибки: при со = со0= 5-10-2с"1; етах= 1,2-10_1Утах; 5 = 1,2 %.

Установлены изменения значений параметров при воздействии случайного сигнала со спектральной плотностью:

= -г + -г, (48)

л ц +(й)0-о)У /и-(й}о-0)

где //-коэффициентзатухания среды.

Спектральная плотность ошибки определяется выражением:

Т^а? +2рГсо+\

Т2а? +2рГа+К+\ К

Щи*

1 1

(49)

Тй9 +2рГй)+К+\

где: Ох, И} - дисперсии основного сигнала и помехи.

СКО равна\ё2 = + где ./ - табличные интегралы.

Значения параметров определяются из системы уравнений, образуемой при раскрытии уравнения (49) и приравниванием нулю коэффициентов при производных.

Проведенные исследования показали, что статическая погрешность определяется температурными вариациями параметров как собственно МЭ преобразователя, так и инерционных (жидкостного и твердофазного) элементов. Динамическая погрешность зависит от режимов измерения, уменьшается при введении обратных связей.

В шестом разделе проведена разработка методики расчета параметров и приведены результаты экспериментальных исследований. Установлены формулы для основных параметров инерционного ДП: - характерные размеры измерительного канала:

А. =

V4**/ V ^

- перепад давления: - АРт1„=рИ4л?/2 Хкт,„; ЛРтах =рИ4л?/2 Хктт,

-граничные частоты - у _

- чувствительность:

5 = = -

2пК

Л

18,4яО КГр*

(51)

(52)

(53)

^[г/2®3+(г, + 2/яУ]1+[(г2+2РТТШ УТТ' Исследована АЧХ в диапазоне ¿4/= 0,01-1 Гц. Минимально зарегистрированная величина амплитуды колебаний - Ю-8 м. Расчетная чувствительность 5" =10 В/5у1 определяет значение порога чувствительности Дшл = 10~10м. Сравнительные записи подтвердили преимущества МЭ преобразователей (рис.13,14), их чувствительность в 10 - 100 раз выше штатны х (С БУ - В ).

шив

мшим

жшшт

({ШШШмМ Рис. 13 Записи сейсмических сигналов 1 -МЭИП;2-СБУ-В ;3, 4, 5- послефильтрации

А, дБ

)»

А, дБ

1« да «

** / \

\ Л \ \ N

// -V V

// \

/

О.СЮ1 0.01 0,1 1.0 10(0

Я =1к0м, К^т.к 7>б,3с. Т=ОЖ0=1О -Я=1кОм. ?=10М>.7„=6'.3 с, Т-0Л6с.Р=12-

о.оо1

0,01

0,1

ю ы

Я =1к0м, К =1000. 7, =4.3 с. Г= 0.21 с, 0 =05 -Я =1кОм, г=ШЮ,Т„-63с. Г=о.21с. /8=1.5 -

Рис. 14.АЧХМЭ преобразователя: 1-без ОС, 2-с ОС

В седьмом разделе исследованы схемы пространственно-временных измерений с динамической коррекцией.

Исследование точности измерений с применением ЭВМ следующее:

- определяются реальные динамические характеристики, -устанавливаются характеристики помех.

- проводится сравнение оптимальных и реальных характеристик и устанавливается модель корректирующих воздействий.

Уравнение с переменными коэффициентами имеет вид:

г=0 »--о

Алгоритм управления характеристиками определяется по характеристическому уравнению в параметрическом виде:

а2(')у + аМ)у + = *(')• (55)

С учетом характера управляющего воздействия, возможны следующие значения коэффициентов уравнения второго порядка (55):

- по координате: а^У=а0 +Аа0;а,(1)=а1; аг(/)=а2;

- по скорости: а^У=а0; а/(0=а/+ Д а/(/)>' а^(у=а2;

- по ускорению: а$)ао; а^Уа,; а^у=а2+Д а2{()2;

Спектральные исследования проводим по измененному уравнению (55): = (56)

При управлении по трем параметрам:

а, +Ьао0+Ад0 . . 1 а1 (0=-:—г, «о(0=--—т, Ьй=-

аг +Да2/г' "" аг +6а212' " аг +Ааг12 Пространственные измерения строятся на основе антенных решеток. Схема системы оповещения о динамическом воздействии приведена на рис. 16. Пункт обнаружения ПО содержит измерительный преобразователь типа СПМ-ЗВ и блок обработки информации БОИ. Сигнал через радиотрансляционный пункт РТП предается в пункт регистрации ПР. Схема расположения ПО приведена на рис.17. Расстояние Б0 от пункта обнаружения до пункта регистрации определяется разницей в скоростях прохождения динамической волны К и передачи сигнала на объект Учитывая, что У0 »У5, общее время 1у определяется суммой времени обработки сигнала /„„ передачи и приема („„, формирования управляющего сигнала /^и срабатывания предусмотренной защиты /„:

1о с + (пп + (ус + 1ст (57)

Время передачи (57) составляет в среднем 25 с. С иг нал формируется при превышении заданного порога. Например, для сейсмических волн средняя скорость распространения составляет К. ~ 2,5 км/с. Следовательно, минимальное расстояние = 1у ~ 62,5 км. При равно-

мерном распределении ПО первый рубеж расположен на расстоянии Soi - 70 км, второй - на расстоянии S02 = 50 км.

Алгоритмы и схемы управления характеристикам и явились основой программ автоматизированного контроля и измерения при разработке системы пространственного измерения на основе разработанных инерционных ДП.

ПО РТП БП

ПО - пункт обнаружения сигнала, РТП - радиотрансляционный пункт, СПМ -ЗВ - прием ник с игнала, М ПКУ-В - м олекулярно-электронны й измерительны й преобразователь, ЮИ - блок обработки информации,

ПРДИ-передатчик информации, ПРМК - приемник информации, ПНИ - приемопередатчик, ПР- пункт регистрации, БП - блок питания.

Рис. 16. Схема расположения ПО и взаимодействия системы 1 1 - направление динамической волны -5(/),

Заключение

Основной результат работы - решение научной проблемы построения нового класса измерительных преобразователей сигналов малого уровня (от 10~9м/с, 10"3 Гц) для приборов и систем контроля природных и техногенных динамических процессов, что является важной задачей при реализации программ обеспечения безопасности работы жизнеобеспечивающих объектов и жизнедеятельности населения.

1. На основе анализа физических процессов и закономерностей двойного электрического слоя, получены статические и динам ические характеристики преобразования конвективного переноса электроактивных компонентов в электрический сигнал

2. Предложен принцип построения диффузионного преобразователя динамических воздействий, получена расчетная математическая модель измерительного преобразователя, определены диапазоны измерения.

3. Предложен принцип построения комбинированных преобразователей, определяющий:

-вариантность взаимодействия диффузионного,жидкостного (рабочая среда) и твердофазного инерционных преобразователей; - расширение функциональных возможностей, частотного и динамического диапазонов и уменьшения погрешностей за счет применения внутренней и внешней, пассивной и управляемой положительной обратных связей.

4. Предложены методы коррекции характеристик преобразователя, обеспечивающей построение управляемых систем измерения. Достигнуто повышение чувствительности в 20-100 раз и расширение частотного диапазона до 10-3Гц.

5. Разработан метод аппроксимации исходных математических моделей функцией второго порядка. Погрешность не превышает 5%, время вычислений сокращается на 60%. По обобщенной модели установлены допустимые диапазоны корректируем ости.

6. Разработаны методы стабилизации и повышения точности характеристик МЭП путем суперпозиционного воздействия электрических и электромагнитных полей. Разработка металлопленочных нанометровых электродных структур позволила увеличить срок работоспособности.

7. Получены аналитические выражения ошибок при воздействии детерминированных и случайных на фоне помехи сигналов и оптимизированы значения характерных параметров по минимуму СКО. Разработаны способы ком пенсации тем пературной зависим ости.

8. Экспериментальные исследования подтвердили расчетные характеристики. преобразователи типа ПДС обеспечивают измерение колеба-

тельных процессов в диапазоне 10-3—3 Гц, порог чувствительности -Ю~10 м/с. Чувствительность преобразоателя - (5-10) -10"2 А-сАл, при нагрузке 103 Ом - 50-100 В -с/и.

9. Разработана модификация метода спектрального исследования преобразования с использованием характеристик элементарных звеньев. Определены принципы построения системы регистрации пространственно распределенных сигналов малого энергетического уровня.

10. Результаты проведенных исследований использованы при разработке измерительных устройств: преобразователь диффузионный - ПДС, преобразователь колебательных ускорений - М ПКУ, сейсмо-прием ники -К-214, -215, приемники линейных ускорений СПМ-54, -55, преобразователи угловых ускорений ПЭУУ-100, -110, измерители угловых ускорений ИУУ-3, -5, -7, МЭ преобразователи типа ПДМ, приемник механических сигналов трехкомпонентный - «Изделие 2У-41.1», система автоматического опережающего оповещения о динамической волне -«Система2У-41».

11. По результатам работы поставлена на 2008-2010 годы НИОКР «Структурное и математическое моделирование, конструкторско-технологический синтез нанометровыхМЭ датчиков вибраций и параметров движения», включенная в федеральную целевую программу «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2007-2015 годы».

Основные публикации материалов диссертации Ведущие научные журналы:

1. Желонкин А.И. Инвариантный метод спектрального анализа преобразования сигналов // Технология приборостроения. - 2003. №4 (8). - С.24 -30.

2. Желонкин А.И. Молекулярно-электронные преобразователи сигналов малого энергетического уровня // Электромагнитные волны и электронные системы. -2004. №5.-С. 46-53.

3. Желонкин А.И. Оптимизация цифровой обработки сигналов // Приборы и системы: - 2004. №4. - С.34 - 39.

4. Желонкин А.И. Инвариантный метод исследования динамических систем // Приборы и системы:Управление, контроль, диагностика. -2004.№6.-С. 23 - 27.

5. Желонкин А.И. Математическое описание многоканальных измерительных систем // Приборы и системы: Управление, контроль, диагностика. - 2007. № 2.-С.44-46.

6. Желонкин А.И. Минимизация цифровой обработки сигналов // Приборы и системы: Управление, контроль, диагностика - 2007.№ 5.-С.62 -64.

7. Желонкин А.И. Моделирование конвективных процессов электрохимических преобразователей//Технология приборостроения. - 2006. №4. - С. 27 - 31.

8. Желонкин А.И. Методы обнаружения полезных сигналов // Технология приборостроения. - 2006. №.4. - С. 32 - 35.

9. Желонкин А.И. Методы обработки поверхностей и объемов молекулярно-электронных структур//Нано- и микросистемная техника.-2007.№1.- С.53 - 57.

10. Желонкин А.И. Молекулярно-электронные преобразователи неэлектрических сигналов // Нано- и микросистемная техника - 2006. №12. - С. 20 - 25.

11 .Желонкин А.И., Лобачев Д.Ю. Математическая модель МЭ инерционного преобразователя//Наукоемкие технологии - 2007. № 7- С. 18-23.

12. Желонкин А.И Молекулярно-электронные преобразователи механических сигналов в системах регистрации волновых процессов//Наукоемкие технологии.-2007. №10.-С. 26-31.

13. Желонкин А.И. Система сейсмического мониторинга с использованием молекулярно-электронных преобразователей // Экологические системы и приборы. - 2007. №2. - С.24 -29.

14. Желонкин А. И. Разработка преобразователей механических сигналов на принципах молекулярной электроники//Экологические системы и приборы.-2006. №8.-С. 36-40.

15. Желонкин А.И. Мониторинг динамического состояния объектов и сооружений // Приборы и системы: Управление, контроль, диагностика. - 2007. № 8. -С.44-46.

16. Желонкин А.И. Динамические процессы МЭ преобразователя с конвективным переносом заряда // Измерительная техника. - 2008. № 1. - С. 12 - 18.

17. Желонкин А.И. Инвариантное моделирование динамических процессов и систем//Естественные и технические науки. - 2008. № 2. - С. 55 -58.

18. Желонкин А.И. Мониторинг динамического состояния масштабных объек-тов//Экологические системы и приборы. - 2008. №7. - С.24 - 29.

19. Желонкин А.И. Аппаратурные методы пространственного измерения колебательных процессов//Экологические системы и приборы.-2008.№8.-С.24 - 29.

20. Желонкин А.И. Динамические процессы МЭ с конвективным переносом заряда// Измерительная техника. - 2008. № 8. - С. 21-28.

Монографии и статьи:

1. Желонкин А.И. Молекулярно-электронные аналоговые преобразователи неэлектрических сигналов. - М.: Квадрат - С, 2004. - 140 с.

2. Желонкин А.И. Инфранизкочастотные преобразователи систем измерения сигналов нанометрового уровня - М.: Спутник +, 2008. - 100 с.

3. Желонкин А.И., Тарасенко А.П., Обухов И.В. Инвариантная модель динамических систем // Метрология-2007. №6 - с. 19 - 26.

4. Желонкин А.И., Тарасенко А.П., Обухов И.В. Анализ измерительных сигналов по инвариантной модели // Метрология. - 2007. №.7 - С. 22 - 27.

5. Желонкин А. И., Тарасенко А. И. Анализ метрологических характеристик цифровой обработки сигналов // Новые технологии. Журнал МГОУ регистр номер ПИ №77 - 1883. - 2005. №2. - С.23 - 27.

6. Желонкин А.И. Разработка и исследование электрохимического датчика для систем регулирования расхода // Средства автоматизации производства источников тока. М., Информэлектро, 1975. - С.24 - 26.

7. Желонкин А.И., Крылов В.М. 1) Аналитическое описание температурных зависимостей первичных преобразователей. 2) Стабилизация и контроль пара-

метров МЭ преобразователей И Новые методы получения энергии. Всесоюз. бюлл. Вып.4. М.,1988.- С. 14- 17,23-27.

8. Желонкин А.И., Петькин Н.В. Анализ схем построения МЭ преобразовате-лей//Новые методы получения энергии. Вып.4. М.,1988. - С. 35 - 38.

9. Желонкин А.И., Московкина JI.A. Определение параметров МЭ преобразо-вателей//Физические основы жидкостных и твердотельных измерительных систем. - М.: МФТИ, 1994. - С.75 - 79.

10. Желонкин А.И., Московкина JI.A. Динамические характеристики МЭ сейс-мопреобразователей // Физические процессы жидкостной и лазерной измерительной техники. - М.: МФТИ, 1995. - С.140 - 150.

11. Желонкин А.И. 1) Механизм электромагнитной коррекции преобразователей. 2) Компьютерная обработка сигналов. 3) Анализ статистических характеристик сигналов. Труды LV Научной сессии, посвященной Дню радио. М.: ИПРЖР, 2000.-С. 144-147,152-155.

12. Желонкин А.И. 1) Полиинвариантная математическая модель динамических систем. 2) Суперпозиционное электродинамическое воздействие на характеристики МЭ преобразователей // Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот. М.: МНТОРЭС им. A.C. Попова, 2002, т. 10, №3 (35). - С. 213-220.

13. Желонкин А.И. Взаимодействие электрохимических процессов, электрических и электромагнитных полей // Автономная энергетика. Технический прогресс и экономика. - 2000. № 10 -11. С 23 -28.

14. Желонкин А.И., Кудашкин Б.В. Преобразователи неэлектрических сигналов с конвективным переносом заряда // Автономная энергетика. Технический прогресс и экономика. - 2006. № 21. - С. 12-18.

15. Кудашкин Б.В., Кузьмин В.А., Желонкин А.И. Электрокинетический акселерометр с электроосмотической обратной связью//Автономная энергетика. Технический прогресс и экономика. - 2007. № 23. - С. 45-64.

Авторские свидетельства и патенты (в соавторстве и индивидуальные): Авт. св.: №№ 61183, 61358, 254910, 269871, 272023, 277714, 286857, 344364, 448766, 552836, 581519, 632912, 632913, 632258, 641517, 671502, 746291, 775765, 843003, 930125, 932410, 940274, 984308, 1027785, 1099769, 1103153, 1112320, 1125667, 1212173, 1295343. Патенты РФ: №№ 2081455, 2083988, 2091324.

Учебные и методические пособия:

1. Желонкин А.И. Аналоговые измерительные устройства. Учебное пособие. -Москва - Прокопьевск. МГОУ, 2006. - 312с.

2. Желонкин А.И. Преобразование измерительных сигналов. Учебное пособие. - М.: МГОУ, 2008.- 184с.

Отпечатано в ООО «Компания Спутник+» ПД № 1-00007 от 25.09.2000 г. Подписано в печать 11.01.09. Тираж 100 экз. Усл. пл. 2 Печать авторефератов: 730-47-74,778-45-60

Введение.

1. Концепция мониторинга инфранизкочастотных динамических процессов.

1.1. Аппаратурное обеспечение информационно — измерительной системы.

1.2. Основные требования к функциям измерительных преобразователей. \д

1.3. Анализ электрохимических принципов преобразования энергетических воздействий.:.

1.4. Выводы.

2. Моделирование диффузионных преобразователей.

2.1. Физические основы и принципы построения электрохимических преобразователей.

2.2. Динамические процессы диффузионного преобразователя.

2.3. Математическая модель измерительного диффузионного преобразователя.

2.4 .Исследование характеристик диффузионных преобразователей.

2.5. Выводы.

3. Принцип построения комбинированных структур измерительных диффузионных преобразователей.

3.1. Характеристики электроосмотического преобразователя.

3.2. Моделирование и разработка управляемых структур преобразования.

3.3. Аппроксимация: исходных математических моделей

3.4. Разработка обобщенной модели измерительного диффузионного преобразователя.

3.5. Математическое моделирование комбинированных управляемых структур.

3.6. Обобщенная модель инерционного диффузионного преобразователя мя степенями свободы.

3.7. Исследование динамических характеристик комбинированных диффузионных преобразователей.

3.8. Автоматизированное моделирование измерительных диффузионных преобразователей.

3.9. Выводы.

4. Конструктивно-технологические принципы построения измерительных электрохимических преобразователей.

4.1. Принципы построения конструктивных вариантов.

4.2. Стабилизация параметров и динамических свойств.

4.3. Суперпозиционного взаимодействия электрохимических процессов, электрических и электромагнитных полей.

4.4. Технологические способы стабилизации параметров и характеристик электрохимических преобразователей.

4.5. Способы компенсации температурной зависимости характеристик преобразователя.

4.6. Выводы.

5. Анализ погрешностей измерительного диффузионного преобразователя и методы их уменьшения.

5.1. Расчет погрешностей цепи преобразования.

5.2. Оценка точности преобразования случайных процессов.

5.3.Оптимизация параметров измерительного диффузионного преобразователя.

5.4. Спектральные характеристики управляемого процесса преобразования.

5.5. Выводы.

6. Экспериментальные исследования измерительных преобразователей.

6.1. Расчет параметров и характеристик измерительных преобразователей.

6.2. Исследование характеристик преобразователя угловых ускорений.

6.3. Экспериментальные исследования устройства измерения динамических воздействий.

6.4. Выводы.

7 Принцип построения системы контроля пространственно распределенных сигналов.

7.1. Спектральный анализ системы преобразования.

7.2. Исследование многоканального процесса преобразования.

7.3. Разработка структуры пространственных измерений динамических процессов.

7.4. Методы статистического синтеза случайного расположения приемников сигнала.

7.5. Разработка системы контроля динамических процессов.

7.6. Выводы.

Одной из значимых народно-хозяйственных задач, определяющих научно-технический прогресс, является развитие и переход к комплексному управлению сложными технологическими процессами. Для решения общесистемных задач применяется метод декомпозиции, заключающийся в разработке локальных моделей различных по физическим принципам действия элементов и устройств. На этих локальных решениях отрабатывается весь системный аппарат, а отдельные специфические направления, включая структуры- первичного преобразования, доводятся до конкретного математического описания. Теоретические основы и методы решения локальных и системных задач динамических процессов применительно к информационно-измерительным и управляющим системам разработаны и изложены в трудах Трапезникова В.А., Котельни-кова В.А., Солодовникова В.В., Воронова А.А., Попова Е.П. и др. Принципы, методы и системы обработки и исследования информации измерительных сигналов представлены в работах Шеннона К.Е., Френкса Л., Орнатского П.П., Темникова Ф.Г. и др. авторов [1-6].

Существующие системы обеспечивают измерения различных физических процессов в широких динамических и частотных диапазонах.

Общие методы разработки и исследования первичных преобразователей различных физических принципов изложены в трудах Агейкина Д.И., Гаври-лова А.Н., Браславского Д.А., Туричина A.M. и др. В области приборов и методов контроля природной среды и технологических процессов известны работы Кардашева Г.А., Михайлова П.Е. по исследованию физических методов и моделированию технологических процессов, Латышенко К.П. по синтезу и исследованию контрольно-измерительных методов и приборов, Бабишева В.И., Попова А.А., Чернова С.Ф. по задачам исследования измерительных и управляющих систем, Шатерникова В.Е. по разработкам мониторинга параметров окружающей среды и технологических процессов, Саркисова П.Д. по математическому моделированию и программированию и другие.

Регистрация и изучение инфранизкочастотных динамических процессов — вибраций, сейсмических, акустических, гидроакустических — естественных и искусственных волн является важным этапом в решении проблем прогнозирования различных природных процессов - землетрясений, цунами, тайфунов, а также при контроле эксплуатационных характеристик различных объектов и несанкционированных механических воздействий. Глобальная сеть регистрации на основе интегрирования региональных сетей колебательных процессов позволит решать многие фундаментальные задачи природного и техногенного мониторинга.

Определяющее значение имеют характеристики аппаратуры, в том числе по частотному и динамическому диапазонам, линейности преобразования, собственным шумам, стабильности работы и идентичности преобразования сигнала случайного распределения на фоне помех. Перспективы технического совершенствования приборов1 и устройств измерительной техники, расширения функциональных возможностей и повышение информационных показателей, особенно первичных измерительных преобразователей, расширяются с применением теории обратных связей и процессов автоматизированного синтеза и исследования1

Методы проектирования и исследования качественной аппаратуры, применяемой при измерениях силовых динамических процессов, являются приемлемыми и для^других смежных областей — в акустических, гидроакустических исследованиях, при разработке навигационных устройств и т. п.

Наиболее развитые направления первичного преобразования сигналов, использующие физические процессы твердого тела, удовлетворяют многим задачам преобразования. Но требования к расширению областей изучения и измерения различных естественных и искусственных процессов выдвигают задачи по расширению функциональных возможностей и диапазонов измерения и по разработке новых методов преобразования, согласованного взаимодействия« элементов различной физической природы и построения высокоэффективных измерительных структур. Расширение диапазонов исследования волновых механических процессов и параметров движения выдвигает задачу повышения эффективности преобразования неэлектрических процессов малого энергетического уровня в электрический сигнал.

Построение систем пространственного измерения распределенных процессов, использующих многоканальные сети с оптимальным размещением приемников-преобразователей, выдвигает требования, как по точности, так и по идентичности преобразования случайных сигналов, что достигается с помощью коррекции динамических свойств преобразователей и измерительных цепей гибкой внутренней и внешней обратной связью.

Традиционные принципы преобразования - электродинамические, магнитоэлектрические, пьезоэлектрические, емкостные и другие - доведены до высокой степени совершенства, практически до уровня их предельных возможностей. При этом,уменьшение энергетического порога преобразования достигается разработкой уникальных конструкций, весьма ограниченного применения, требующих постоянно настройки и специфичных условий эксплуатации.

Задача создания экономичных с высоким коэффициентом преобразования, пригодных для' промышленного производства, устройств и систем измерения акустических, сейсмических процессов и параметров механического движения решается на базе нового научно-технического направления - молекулярной электроники (МЭ). Теоретической основой МЭ являются физические процессы в молекулярных средах, на границе раздела фаз с участием электронов электродных структур.

Основные теоретические положения и пути исследования такого типа преобразователей информации, базирующие на фундаментальных работах А.Н. Фрумкина, Я.И. Френкеля и др., [7-9] разработаны и развиты в нашей стране в работах Н.С. Лидоренко, Б.М. Графова, П.Д. Луковцева [10-12], и др. отечественных (Б.Б. Дамаскин, О.А. Петрий, Р.М.Нигматулин, В.С.Боровков, Б.М.Смольский, В'.П. Попов, А.П. Шорыгин) и зарубежных (Дебай П., Делахей П., Ларкам С., Иоахим К.) ученых [13-17]. Результаты исследований, проводимых в Hi ill «Квант», институте электрохимии РАН (ИЭЛАН), институте проблем управлении (ИПУ), Московском физико-техническом университете (МФТУ), Казанском государственном техническом университете (КГТУ) им. А.Н. Туполева, институте океанологии (ИОРАН) им. П. П. Ширшова, Московском открытом университете (МГОУ) и в других предприятиях, позволили обосновать методы математического моделирования физических процессов и построения различных типов устройств преобразования весьма малых энергетических воздействий, что позволяет расширить современный арсенал средств измерения, регулирования, управления, используемых в научных исследованиях и в промышленности [10 - 12, 18 - 20, 35 - 57]. Физические основы этого направления определили разработку различных устройств - элементов электронной. техники, сенсоров и диагностических устройств на основе ионообменных систем, а также преобразователей и приборов для измерения механических и акустических сигналов малого энергетического уровня в низком и инфранизком частотном диапазонах, где возможности твердотельной электроники ограничены.

Основой построения электрохимических измерительных преобразователей давления, перепада давления, параметров механического движения и т. п. являются закономерности диффузионного, электрокинетического и электроосмотического (обратного) принципов преобразования гидродинамического смещения рабочей жидкости в пропорциональный электрический сигнал.

В разделах работы изложены результаты исследований и разработки электрохимических измерительных преобразователей динамических сигналов малого уровня (до Ю-10 g), являющиеся частью научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, выполненных в НЛП «КВАНТ» и в Московском государственном открытом университете — МГОУ. В результате выполнения ОКР разработаны, изготовлены и поставлены на эксплуатацию несколько типов преобразователей линейных и угловых механических сигналов и изделий на их основе (ПДС, ИУУ-М, К-214, К-215 и др.). Проведенные в работе исследования были использованы и при выполнении в НПП «Квант» ОКР

Система автоматического опережающего оповещения о динамических процессах», шифр «Волна».

Регистрация и изучение пространственных колебательных процессов (от Ю-9 м/с, 10-10g, от Ю-3 Гц), определяемых волновым распространением сейсмических, акустических, гидроакустических, естественных и искусственных волн, является важной народно-хозяйственной задачей для решения проблем прогнозирования различных природных процессов, контроля несанкционированных механических воздействий и динамического состояния объектов. Необходимость решения данной задачи определена «Федеральной программой «Сейсмобезопасность территории России» (2002-2010 годы)», федеральной целевой программой «Снижение рисков и смягчения последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 20Г0 года», рядом региональных программ по обеспечению безопасности работы жизнеобеспечивающих объектов и жизнедеятельности населения.

Актуальной проблемой'для^изученшкпространственного распространения сейсмических, акустических и гидроакустических сигналов является исследование идентичности характеристик МЭ измерительных устройств. Перспективным направлением можно считать разработку методов гибкой коррекции и разработку адаптивных систем, обеспечивающих устойчивую работу в изменяющихся условиях.

В работе проводятся исследования, направленные на наиболее полное использование возможностей МЭ систем в устройствах преобразования механических параметров. Расширение частотного и динамического диапазонов, повышение точности достигается построением системы согласованного взаимодействия МЭ и инерционного преобразователей, а также с помощью обратных связей, обеспечивающих коррекцию динамических свойств общей цепи.

Особенности физических процессов молекулярно-электронных преобразователей позволяет довольно широко применять не только отрицательную обратную связь, но и положительную, дающую возможность проводить управляемую коррекцию динамических свойств преобразователя.

Основной теоретической задачей является разработка обобщенной для различных схем взаимодействия математической модели, позволяющей проводить синтез и анализ систем измерения для различных диапазонов входных сигналов на фоне шумов и помех.

Проведенный анализ физических процессов в различных электрохимических системах определил направления исследований и разработку методов технологической коррекции характеристик МЭ преобразователей. Рассмотрены механизмы и получены аналитические выражения суперпозиционного воздействия электрических и электромагнитных процессов на основной (электрохимический) процесс преобразования.

Одной' из главных задач работы является обоснование математического описания и построение моделей с различным взаимодействием МЭ и других физических принципов преобразователей. Разработка обобщенной, описывающей различные пог принципу действия и сложности структуры, математической модели позволяет перейти к единой методике автоматизированного проектирования и исследования измерительных систем практически любого назначения, существенно упрощая синтез, анализ, инженерные расчеты и сокращая сроки проектирования.

Разработка методов моделирования и расчета многоканальных МЭ измерительных систем, применяемых для измерения параметров динамических волновых полей различной природы, определяется актуальностью задач защиты локальных и распределенных объектов от несанкционированных воздействий, прогнозирования стихийных явлений и др. процессов.

В настоящее время проводится совершенствования автоматизированных методов управления-характеристиками системы преобразования и обработки информации при многоканальных пространственных измерениях.

Работы ведутся кафедрой ИСИТ Московского государственного открытого университета (МГОУ) совместно с НПП «КВАНТ» в рамках НИР «Разработка и исследование МЭ информационно-измерительных систем преобразования».

В первом разделе работы рассматриваются концептуальные решения мониторинга сейсмических процессов, определяются основные требования к функциям и характеристикам первичных измерительных преобразователей и приборов для измерительных систем. Проведен функциональный анализ моле-кулярно-электронного способа преобразования неэлектрических сигналов и показана перспективность молекулярно-электронного (МЭ) принципа преобразования силовых воздействий в конвективное смещение подвижной, потому и чувствительной жидкостной фазы, образуемой совестно с твердым телом двойной электрический слой.

Во втором разделе исследуются теоретические положения, определяющие основные характеристики диффузионных процессов в окислительно-восстановительных системах; получена математическая модель инерционного МЭ преобразователя, исследования которой установили возможность повышения эффективности преобразования при взаимодействии твердофазного инерционного и диффузионного преобразователей. Приведены структуры построения различных вариантов взаимодействия. Разработан комплекс математических моделей синтезированных структур, включая аппроксимирующую обобщенную модель второго порядка.

В третьем разделе изложены результаты исследований МЭ преобразователей с обратной связью, обеспечивающей коррекцию динамических свойств и расширение функциональных возможностей; получены аналитические выражения, устанавливающие характер и диапазоны влияния обратной связи на характеристики преобразования; показано, что МЭ обратная связь, воздействуя на различные параметры системы, позволяет расширить частотный диапазон и увеличить коэффициент преобразования. Проведен сравнительный анализ различных по структуре систем, заключающийся в сопоставлении обобщенных характерных параметров, определяемых по эквивалентной математической модели пониженного порядка, полученной из исходных функций методом приравнивания интегральных квадратичных оценок переходных процессов.

В четвертом разделе исследуются технологические и конструктивные способы стабилизации и коррекции характеристик. Обоснованы способы построения комбинированных МЭ преобразователей и разработаны конструктивные варианты преобразователей. Установлено математическое описание образования вихревого движения жидкости по поверхности преобразующего элемента, разработан и реализован способ уменьшения влияния неизмеряемых конвективных потоков рабочей жидкости на процесс преобразования. Рассмотрены способы термокомпенсации МЭ' преобразователей. Предложены оригинальные решения по созданию электролитических измерительных устройств с резистивным и емкостным считыванием, обеспечивающие измерение постоянно действующих механических величин. Данные конструктивные решения явились основой создания высокоточных преобразователей для устройств измерения угла наклона.

Получены аналитические зависимости и приведены результаты исследований взаимодействия электрохимических, электрических и электромагнитных полей. Приведено описание процессов в электрохимической ячейке при воздействии на основной процесс переменного электрического тока.

Рассмотренные процессы определили разработку методов технологической корректировки основных характеристик ДП преобразователей. Контактная электромагнитная обработка рабочих жидкостей позволяет установить режим технологического процесса, определяемый зависимостью времени ЭМ воздействия от параметров, физических и геометрических свойств жидкости:

Суперпозиционное динамическое воздействие переменного тока позволяет уменьшить время выхода на рабочий режим диффузионных преобразователей путем подачи импульса с амплитудой до нескольких ампер, длительностью меньше времени разложения жидкостной основы электролита. Переменный ток позволяет уменьшить адсорбцию поверхностно активных веществ на поверхности электродов, обеспечивая повышение точности и расширения температурного диапазона. Получено выражение, устанавливающее значение частоты переменного тока для конкретных параметров преобразователя.

Пятый раздел посвящен оценке точности МЭ преобразователей. Определены статические и динамические погрешности для различных режимов работы; установлена аналитическая зависимость влияния обратной связи на точность преобразования. Проведена оптимизация параметров инерционной МЭ системы по минимуму СКО при воздействии случайного сигнала на фоне помехи.

Расчеты элементов конструкции преобразователей различного исполнения, базирующиеся на полученных математических моделях и зависимостях, рассматриваются в шестом разделе. Здесь же приведены результаты экспериментальных — лабораторных и натурных — исследований и технические характеристики эксплуатируемых устройств на их основе.

Математическое описание многоканальных измерительных систем, моделирование измерительного канала, включающего приемник сигналов на основе МЭ преобразователя, системы устройства обработки и передачи информации; характеристики входных сигналов, необходимые для машинного исследования; особенности цифровой обработки и оценка погрешности преобразования приведены в седьмом разделе работы. Здесь же представлены методы геометрического и статистического синтеза для построения системы пространственных измерений динамических (сейсмических, акустических и т.п.) волн. Разработанные эквивалентные математические модели измерительных систем измерения на основе МЭ преобразователей, проведенные теоретические и практические исследования использованы при разработке «системы автоматического контроля». На основе анализа требований технического задания к системе разработан трехкомпонентный МЭ преобразователь типа СПМ. Выбор типа преобразователя определялся конкретными требованиями, включая характеристики измеряемого процесса, параметры контролируемого объекта, геофизическую обстановку. Разработанная методика позволяет, изменяя характеристики или используя другой тип преобразователя в качестве обнаружителей, проектировать и исследовать аналогичные системы с другими техническими требованиями.

7.6. Выводы

Решение задачи фиксации заданного уровня пространственных сигналов сводится к построению многоканальных измерительных систем. Статистический анализ эквивалентной помехи, представляющей собой суммарное воздействие возмущений, проводится по известным динамическим характеристикам и случайным воздействиям с помощью спецпроцессора и ЭВМ. В процессе эксплуатации осуществляются следующие операции: определяются реальные динамические характеристики, устанавливаются характеристики помех, проводится сравнение оптимальных данных с реальными характеристиками и устанавливается математическая модель корректирующих воздействий.

Реализация оптимальной многоканальной системы проводится введением единого корректирующего устройства, включенного в цепь суммирования сигналов по всем входам. Обработка массива данных, передача и регистрация сигналов проводится путем цифровой обработки, что обеспечивает сокращение времени и увеличение объема информации. Операции цифрового преобразования эффективны при использовании моделей с полиномами пониженного порядка, так как упрощается процедура восстановления.

Исследования волновых полей проводится группами измерительных приемников. Рассмотрены основные виды и принципы построения антенных решеток (АР) при регистрации распределенной динамической волны. Для обнаружения сигналов на фоне помех использовался метод задержек, величина которых устанавливается в зависимости от направления сигнала и метода суммирования.

Проведенные исследования показали, что разработанные устройства могут быть использованы в системах пространственного измерения сигналов волновых полей. Для обнаружения динамических сигналов разработана автоматическая система опережающего оповещения о распространении динамической волны от удаленных эпицентров.

Заключение

Основной результат работы - решение научной проблемы построения нового класса измерительных преобразователей сигналов малого энергетического уровня (порядка Ю-10 м/с, Ю-3 Гц) для приборов и систем контроля динамических параметров природной среды и технологических процессов.

В результате решения- актуальной задачи создания* новых средств, дополняющих современный арсенал устройств преобразования сигналов, измерительных и управляющих систем, и расширяющий области научных и практических исследований, разработаны, методы теоретического исследования, полифункциональных преобразователей с использованием электрохимического принципа преобразования. Особенностью данного класса преобразователей является высокая управляемость внутренней структуры и согласованность взаимодействия с элементами преобразования различной физической природы.

Получены следующие результаты.

1. Установлены соотношения, определяющие значения-- характерных параметров МЭ преобразователей» в зависимости от режимов и диапазонов- воздействия. На основе анализа физических процессов- преобразования получены аналитические выражения зависимости характеристик преобразования-от геометрических параметров измерительного канала и электродных систем-, определены оптимальные конструктивные исполнения преобразователей-потока рабочей жидкости в электрический сигнал.

2. Получены дифференциальные уравнения и передаточные функции разработанных систем с согласованным взаимодействием твердофазного и МЭ преобразователей: В основу модели МЭ системы положены известные уравнения- гидродинамических и электрохимических процессов на границе раздела твердой и- жидкой фаз. Разработаны алгоритмы, структурные, функциональные схемы и конструктивные решения оптимального соединения моле-кулярно-электронного и твердофазного инерционного преобразователей для различных режимов работы. Установлено, что такие системы обладают повышенной чувствительностью, увеличенным частотным диапазоном и соотношением сигнал/шум.

3. Исследованы и разработаны способы статической и динамической — внутренней и внешней коррекции характеристик МЭ преобразователей путем суперпозиционного управляемого воздействия на основной процесс прямых и обратных связей различной физической природы - электрохимической, механической, магнитной.

4. Синтезированы математические модели различных структурных построений комбинированных МЭ инерционных преобразователей. Получены алгоритмы вычисления оптимальных параметров прямого и обратного преобразователей для различных режимов и диапазонов работы.

5. На основании анализа методов решения дробно-рациональных описаний динамических процессов проведена оценка качества решения по приближенным моделям, полученным методами разложения передаточных функций в бесконечные ряды и определения дробно-рациональных приближений передаточных функций заданной структуры.

6. Разработан метод аппроксимации исходных передаточных функций с характеристическим уравнением высокого порядка ((apn +.+1), п > 3) функцией с уравнением пониженного порядка. Сравнительная оценка исходных и аппроксимирующей моделей проведена с помощью квадратичных интегральных оценок переходных процессов и установила их высокоточную сходимость.

7. Предложенный метод получения обобщенной математической модели пониженного порядка, учитывающий взвешенные значения всех коэффициентов исходного уравнения, позволяет упростить моделирование, синтез и анализ (включая машинные методы) сложных измерительных систем любого типа с сохранением точности исследований. Сравнение АЧХ, рассчитанных по исходным и инвариантным моделям с применением программы AlgEq ехе показали, что точность аппроксимации составляет от 0 до 5 %, время вычислений сокращается до 40 %.

8. Исследованы структуры и конструктивные способы построения по полученным математическим моделям комбинированных МЭ преобразователей с расширенными функциональными возможностями, преобразователей постоянно действующих сигналов - широкополосных и повышенной чувствительности резонансного типа. Проведена структурно-конструктивная оптимизация МЭ преобразователя угловых ускорений, обеспечивающая расширение динамического диапазона и улучшения эксплуатационных качеств.

9. Разработаны технологические методы стабилизации характеристик МЭ преобразователей. При этом рассмотрены физические механизмы взаимодействия электрохимических процессов, электрических и электромагнитных полей. Определены алгоритмы расчета параметров взаимодействующих процессов, оптимизирующих динамику преобразования основного сигнала.

10. Предложены технологические приемы повышения стабильности и точности. Преобразователи, диффузионного типа, выполненные на основе титановых сплавов с окисным покрытием и пленочными электродами, обеспечили увеличение срока работоспособности и снижение расхода драгоценных металлов и открывают перспективу использования приемов нанотехнологии.

11. Получены аналитические выражения'статических и динамических ошибок, позволяющие установить значения погрешностей МЭ преобразователей для различных режимов при воздействии детерминированных и случайных на фоне помехи сигналов и оптимизировать значения характерных параметров по минимуму СКО.

12. Анализ погрешностей МЭ преобразователей позволил определить пути их уменьшения за счет совершенствования конструктивных и схемных решений, а также с помощью коррекции характеристик систем преобразования. Разработаны, способы компенсации температурной зависимости, связанной с изменением коэффициента диффузии и вязкости рабочей жидкости, путем автоматического изменения-концентрации электроактивных компонентов и регулировки гидросопротивления и площади электродов. Схема с гальванически развязанными электродами, фиксирующая конвективные процессы различного направления, уменьшает погрешность и предопределила построение многокомпонентной структуры преобразования с общей электрохимической системой.

13. Проведены экспериментальные исследования разработанных МЭ измерительных устройств. Лабораторные и натурные испытания измерителей угловых ускорений (ИУУ) на основе разработанной конструкции ударопрочного преобразователя типа ПЭУУ-100 подтвердили расчетные характеристики. Данные приборы используются в устройствах стабилизации подвижных объектов и в навигационных системах.

Спроектированные и изготовленные по разработанной схеме соединения диффузионного и твердофазного преобразователей изделия К-214-С, К-21'5-С в течение нескольких лет используются в> системах регистрации сейсмических сигналов различной природы.

14. Предложенные методы повышения точности и стабильности характеристик МЭ преобразователей определили принципы* построения системы регистрации пространственно распределенных сигналов.малого энергетического уровня.- При рассмотрении способов группирования и построения антенных решеток регистрации сигналов сейсмической волны разработаны вероятностная модель измерительного канала. Анализ погрешностей измерительного канала (ИК) определил требования по идентичности ИК и преобразователей.

15.Разработаны аппаратурные методы построения пространственных измерительных структур, проведен геометрический синтез и оптимизация.размещения преобразователей-приемников сигналов. Рассмотрены различные конфигурации и разработан метод статистического синтеза случайных антенных решеток (АР), а также способы формирования и управления диаграммой направленности.

16. Исследованы методы описания и построения математических моделей систем преобразования детерминированного и статистического исследования-и синтеза в спектральной области. Обоснованы методы построения алгоритмов и разработки программ с применением аппарата быстрых преобразований. Рассмотрены методы расчета спектральных характеристик сигналов и систем в ортонормированных базисах.

17. На основании разработанных обобщенных математических моделей и положений спектральной теории разработана модификация метода структурного спектрального исследования системы преобразования, определяемая последовательным представлением системы в различных частотных областях с использованием спектральных характеристик элементарных звеньев.

18. Результаты проведенных исследований использованы при разработке по заданным техническим требованиям "система автоматического опережающего оповещения о сейсмической волне от удаленных землетрясений" — шифр «Волна». При этом рассмотрены возможности применения различных типов МЭ преобразователей. Для конкретной системы разработан электрокинетический преобразователь с дополнительной инерционной массой и с электромагнитной обратной связью типа СПМ.

19. По разработанной структурной модели и общим техническим требованиям определены геометрия размещения пунктов.обнаружения (ПО), требования по параметрам обнаружителя, содержащего МЭ преобразователь, твердофазный инерционный преобразователь, электромагнитную систему обратной связи и калибровки и устройство обработки информации. Установлено, что характеристики обнаружителя обеспечивают надежную работу ПО в заданных динамических диапазонах и условиях эксплуатации.

20. В дальнейшем результаты работы могут быть использованы при разработке и исследованиях как МЭ измерительных устройств различного назначения, так и при проектировании измерительных, контролирующих, регулирующих систем, основанных на других физических принципах.

1. Трапезников В.А. Управление исследованиями, разработкой и внедрением новой техники. М.: Наука, 1977. - 215 с.

2. Темников Ф.Е., Афонин В.А., Дмитриев В.И. Теоретические основы информационной техники. М.: Энергия; 1979. - 327 с.

3. Солодовников В.В. и др. Спектральные методы расчета и проектирования систем управления М.: Машиностроение, 1996. — 347 с.

4. Анализ и оптимальный синтез на ЭВМ систем управления / Под ред. А.А. Воронова и И.А. Орурка. М.: Наука, 1984. - 348 с.

5. Бесекерский.В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления. — СПб.: Профессионал, 2003. 747с.

6. Теория автоматического управления./ С.Е. Душиц, Н.С. Зотов, Д.Х. Имаев и др.; Под ред. В.Б. Яковлева. М.: Высшая школа. 2003.-315 с.

7. Приборостроение и средства автоматики. Под общей ред. А.Н. Гаврилова. -М.: Машиностроение. 1964. Справочник в пяти томах.

8. Кардашев Г.А. Виртуальная электроника. Компьютерное моделирование аналоговых устройств. М.: Горячая линия - Телеком, 2002 - 255 с.

9. Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химической промышленности. М.: Машиностроение, 1983- 424 с.

10. Латышенко К.П. Принципы построения и разработка амплитудных, частотных и импульсных кондуктоиетров для контроля природной среды и технологических процессов: Дис. .док. техн. наук. Москва,2006 -237 с.

11. Фрумкин А.Н. и-др. Кинетика электродных процессов. М.: Изд. МГУ, 1952. Введение. Основные свойства поверхностного слоя на границе между металлами и растворами электролитов. Диффузионная кинетика. С.5 - 29, 60-95.

12. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. — Д.: Наука. 1997. 592 с.

13. Графов Б.М. Теория квазиравновесных электрохимических реакций. Диссертация на соискание ученой степени доктора химических наук. М.: ИЭЛАН, 1970. - 345 с.

14. Лидоренко Н.С. Современное состояние и перспективы развития молекулярной электроники. Тезисы докладов. IX Всесоюзная научно-технич. конференция по молекулярной электронике. М.: Информэлектро, 1978. - С. 3 - 5.

15. Боровков B.C., Графов Б.М., Добрынин Е.М. Электрохимические преобразователи первичной информации. М., Машиностроение, 1969. - 199 с.

16. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А. Введение в электрохимическую кинетику. М.: Высшая школа, 1975. - 324 с.

17. Larcam C.W. Teoretical Analysis of the Solion Polarised.Cathode Acjustic Linear Transducher. 1965. Vol 37, № 4, P. 664 678.

18. Ioachim K. Das Solion Elektronik, v.l 1, №1. 1962, P. 21 - 25

19. Bogenschutz A.F., Krusemark W. Elekrochemischei Bauelemente. Weinheim, Verlag Chemie. 1976. - 247 s.

20. Дебай П. Полярные молекулы. Пер. с нем. — М. JL: ГНТИ, 1931. 214 с.

21. Лидоренко Н.С. и др. Введение в молекулярную электронику. М.: Энерго-атомиздат, 1985. - 165 с.

22. Желонкин А.И. Молекулярно-электронные аналоговые преобразователи неэлектрических сигналов. Структурное и математическое моделирование, кон-структорско-технологический синтез. -М.: Квадрат-С, 2004. 140 с.

23. Желонкин А.И. Молекулярно-электронные преобразователи сигналов малого энергетического уровня // Электромагнитные волны и электронные системы. -2004. №5.-с. 46-53.

24. Кобаси Н. Введение в нанотехнологию. Пер. с японского А.В. Хачояна. Под ред. Л.Н. Патрикеева. М.: БИНОМ, 2005. - 134 с.

25. Аппаратура и методика сейсмометрических наблюдений. Сб. Института физики Земли. М.: Наука, 1974. - 248с.

26. Сейсмические приборы. Аппаратура для регистрации сейсмических процессов. Отв. Ред. Е.С. Борисевич, Д.П. Кирнос. -М.: Наука, 1969. 173с.

27. Бибер JI.А., Жданова Ю.Е. Низкочастотные маятниковые виброметры. М.: Энергия, 1980.- 123 с.

28. Рыков А.В. Повышение стабильности сейсмометра обратной связью вблизи границ его устойчивости // Сейсмические приборы. — 1972. Вып.6. С. 26 — 32.

29. Ефремов В.А. Прибор для регистрации землетрясений. Патент РФ № 2034312. 30.04. 1995.

30. Белоносов А.И., Чистяков В.А. Сейсмометр с цифровым интегратором. Патент РФ № 2179731. 20.02 2002.

31. Лидоренко Н.С. Электрохимические датчики приема акустических сигналов и измерения малых перемещений//Электротехника. 1965.№ 3. — С. 3-5.

32. Петухов Б.С. Теплообмен и сопротивление при ламинарном течении жидкости в трубах. М.: Энергия, 1967. - 411 с.

33. Повх И.Л. Техническая гидромеханика Л.: Машиностроение, 1969. - 524 с.

34. Воронков Г. Я., Гуревич М.А., Федорин В.А. Хемотронные устройства (электрохимические преобразователи). -М.: ВНИЭМ, 1965. 165 с.

35. Попов В.П. и др. Исследование массообмена при движении жидкости в катодном канале электрохимического диффузионного датчика. — Минск. Сб. Термодинамика. 1970.- С.178 -222.

36. Смольский Б.М., Попов В.П. Вопросы массообмена в электрохимических диффузионных преобразователях. Сб. Проблемы тепло- и массообмена, М.: Энергия. 1970, С. 123 - 136.

37. Желонкин А.И. Математическое моделирование конвективных процессов электрохимических преобразователей // Технология приборостроения. 2006. №4. - С.35 -40.

38. Желонкин А.И. Динамические процессы молекулярно электронного преобразователя (МЭ) с конвективным переносом заряда // Измерительная техника. - 2008. № 1. - С. 12 - 18.

39. Желонкин А.И. Инвариантное моделирование динамических процессов и систем // Естественные и технические науки. — 2008. № 4. — С. 28 31.

40. Желонкии А.И. Инфранизкочастотные преобразователи, систем: измерения сигналов-нанометрового уровня М.: Спутник +, 2008. — 100 с.

41. Желонкин; А.И., Тарасенко А.П, Обухов И.В. Инвариантная модель динамических систем И Метрология. 2007. №6.- С. 19 - 26.

42. Желонкин А.И., Тарасенко А.П., Обухов И.В. Анализ измерительных сигна-лов-по инвариантной модели // Метрология;,- 2007. №.7 С. 22 - 27.

43. Желонкин А.И., Лидоренко I I.C., Ильин Б.И. Электрохимический датчик малых механических сигналов. А.с. № 448766 (СССР) Зарегист. в Госреестре 5.06.74.

44. Желонкин А.И. и др: А.с. № 552836 (СССР)' Электрохимический датчик, механических сигналов;. Зарегист. ВТосреестре:5Ю6:74^

45. Желонкин А.И., Ильин Б.И. Синтез МЭшреобразователя^механических воздействий: X Всесоюзная конференцияшомолекулярнойэлектронике. М;: Информэлектро. 1986. - С. 11 -12.

46. Желонкин А.И. Анализ схем построения МЭ преобразователей. «Новые методы получения энергии». Всесоюзный бюллетень. Вып.4. М.: ВНИИТ. 1988. — С. 24-26.

47. Желонкин А.И., Иволгин В.М. Вертикальный сейсмоприемник с газовым подвесом. IX Всесоюзная научно-техническая конференция по молекулярной электронике. М.: Информэлектро, 1978. - С. 58 - 60.

48. Желонкин А.И., Ильин Б.И., Мирошниченко Н.К.! Многокомпонентные МЭ преобразователи механических величин. X Всесоюзная конференция по молекулярной электронике. М.: Информэлектро. 1986. - С. 12 - 14.

49. Желонкин А.И. Применение МЭ преобразователей угловых и линейных ускорений в системах контроля и управления технологическими процессами. X Всесоюзная конференция по молекулярной, электронике. — М.: Информэлектро, 1986.- С. 35- 36.

50. Желонкин А.И., Осипов Ю.Н. Компенсация температурной погрешности МЭ преобразователей. X Всесоюзная конференция по молекулярной электронике. Ч.И. -М.: Информэлектро. 1986. С. 32 - 34.

51. Желонкин А.И., Киселев С.С. Расчет и проектирование корректирующих устройств МЭ преобразователей. X Всесоюзная конференция по молекулярной электронике. М.: Информэлектро. 1986. С.

52. Желонкин А.И. 1. Аналитическое описание температурных зависимостей первичных преобразователей. 2. Стабилизация и контроль параметров МЭ преобразователей. «Новые методы получения энергии». Всесоюзный бюллетень. Вып.4. -М.: 1988.-С. 23-25, 38 40.

53. Желонкин А.И. 1) Оптимизация динамического диапазона измерения.

54. Исследование процесса преобразования измерительным каналом.

55. Инвариантная математическая модель измерительной системы.

56. Динамическая коррекция МЭ преобразователя.

57. Труды LV1 Научной сессии, посвященная Дню радио. М.: ИПРЖР, 2001. - С. 23-26,28-36.

58. Желонкин А.И. Вибрационный МЭ преобразователь угловой скорости. «Перспективы научно-технического развития МГО КВАНТЭМП». Сб. докладов научно-технической конференции. -М.: КВАНТ. 1991. - с. 34 - 37.

59. Желонкин А.И. Диффузионный преобразователь с переменной геометрией измерительного канала. IX Всесоюзная научно-техническая конференция по молекулярной электронике. М. : Информэлектро. 1978. С. 23 - 25.

60. Трейер В.В. Электрохимические приборы. М., Советское радио. 1978. 87 с.

61. Bioelectrical Impedance Analysis in Body Copmasition measurement. NIN Tech-nol Assess Statement. 1994. - December 12 - 14.

62. Антохин А.Ю., Козлов В.А. Неравновесный шум в молекулярно-электронных преобразователях. // Физические основы жидкостных и твердотельных измерительных систем. Сб. МФТИ. 1994. С. 37 - 43

63. Козлов В.А., Сахаров К.А. Собственные шумы молекулярно-электронных преобразователей диффузионного типа. // Физические основы жидкостных и твердотельных измерительных систем. Сб. МФТИ. 1995. С. 150 - 155.

64. Желонкин А.И., Кудашкин Б.В. Преобразователи неэлектрических сигналов с конвективным переносом заряда // Автономная энергетика-2006. № 21 -С.12-18.

65. Желонкин А.И. Электрохимический датчик механических воздействий. Авторское свидетельство № 581519, 1977.

66. Рапопорт Э. Я. Структурное моделирование объектов и систем управления с распределенными параметрами. — М.: Высшая школа, 2003.

67. Рапопорт Э. Я. Альтернативный метод в прикладных задачах оптимизации. -М.: Наука, 2000.187 с.

68. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. — М.: Наука, 1978.256 с.

69. Математическая модель подвижного узла осевого акселерометра с внутренним подвесом. Гуськов А.А., Былинкин С.Ф. Вестн. ПГТУ. Аэрокосм, техника. 2000, № 6.G.34 41.

70. Бабаков И. М. Теория колебаний. М., Наука. 1980, Гл. 111. Малые колебания систем с несколькими степенями свободы. С. 89 153.

71. Измерение параметров физических объектов на основе идентификации и синтеза электрических моделей. Балтянский С.Ш. —Пенза. Изд-во Пензенс. гос. ун-та. 2000, 179с.

72. Lukaski Н.С. Metohods for the assessment of human body composition: traditional and new// Am J. Clin Nutr. 1987. - Vol.46. - P. 537 - 556.

73. Бакланов В.Ф. О понижении порядка дифференциальных уравнений и передаточных функций САР. Киев. Автоматика. 1968. №5, С. 3 - 10.

74. Gwinner К., Vereitachung von Modellen dunamischer Susteme. Regebungstech-nik, Heft 10, Hamburg, 1976. S. 325-333.

75. Renganathan S. Technique for reduction order of line sustems. J. Cjntrol. 1972. Vol. 16, №3.-P. 475-479.

76. Imporvability of feedback system. Eun Yondsoon, Kamamba Pierre Т., Meerkov Semyon M. J. Math. Anal. and^Appl. -2000. № 2. C. 912 - 928.

77. Иванов B.A. и др. Математические основы теории автоматического регулирования. М.: 1977. Гл. V. Дифференциальные уравнения систем автоматического регулирования.

78. Горовиц A.M. Синтез систем с обратной связью. М.: Советское радио, 1970-С. 45-280.

79. Желонкин А.И. Инвариантный метод исследования динамических систем. Приборы и системы: Управление, контроль, диагностика. 2004. №6 - С.23-27.

80. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. -М.: Наука. 1971. 124 с.

81. Желонкин А.И. 1) Динамическая коррекция МЭ преобразователей. 2)Инвариантная математическая модель измерительной системы. LV11 Научнаясессия, посвященная Дню радио. Москва, 15-16 мая 2000.: — Труды, т.1 М.:ИПРЖР, 2002. С. 243 - 246.

82. Оценка, точности робастных алгоритмов адаптации с параметрической обратной связью. Королева О. Н. Изв. РАН. Теория и системы управления. 2001. №4.-С. 64-68.

83. Желонкин А.И. Полиинвариантная математическая модель динамических систем. Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот. 2002. т. 10, №3 (35).-С. 213-216.

84. Булычев Ю.Г., Бурлай И.В. Системный подход к моделированию стохастических объектов с использованием инвариантов // Автоматика и телемеханика. 2001. №12. С.11 -20.

85. Петров Б.Н и др. Принцип инвариантности в измерительной технике. М.: Наука. - 1976.-214 с.

86. Желонкин А.И. Оптимизация динамического диапазона измерения. LV1 Научная сессия, посвященная Дню радио. Российское НТО «Радиотехника, электроника и связь» им. А.С. Попова. М.2001. С.36 - 40.

87. Searching for robust minimal-order copmpensators. Wang Qian, Stengel Robert F. Tras. ASME. J. Dyn. Syst., Meas. and Contr. №2. 2001C. 233 236.

88. Ortega R. Robustness of adaptive controllersa survey // Automatica. № 9. 1989.

89. Joannou P.A. Kokotjvic P.V. Instability analysis and improvement of robustness of adaptive control // Automatica. 1984. №5. V.20.

90. Лаврентьев M.A., Шабой Б.В. Проблемы гидродинамики и их математические модели. R& -С Dynamics. М.: 2003. - 416 с.

91. Разевиг В.Д. Применение программ P-CAD и Р Spice для схемотехнического моделирования. М.: Радио и связь. 1992. - 137 с.

92. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования Micro-Cap 6. М.: Телеком. 2001.- 164 с.

93. Желонкин А.И. Молекулярно-электронный преобразователь. Авторское свидетельство № 1103153, 1984.

94. Желонкин А.И., Лидоренко Н.С. Датчик колебательных движений: Авторское свидетельство № 632912, 1977.

95. Желонкин А.И., Боднер В.А. Датчик параметров движений. Авторское свидетельство № 632913, 1977.

96. Желонкин А.И., Устройство измерения параметров механического колебания. Авторское'свидетельство № 746291, 1980.100. Желонкин А.И., Ильин Б.И., Куприянов В.Н. Преобразователь параметров механического движения. Авторское свидетельство № 932410, 1982.

97. Ильин Б.И., Григин А.П., Желонкин А.И. Молекулярно-электронный-преобразователь. Авторское свидетельство № 1099769, 1984.

98. Желонкин А.И. Стабилизация.параметров электрокинетических преобразователей. V Научно-техническая конференция «Информационные технологии в промышленности и учебном процессе». Сб. научных трудов. М. 2000: с.35 38i

99. ЕрофеевР.С. Роль нанотехнологии-в создании эффективных преобразователей энергии // Нанотехника. 2005. №3. -£.96- 100.

100. Кудашкин Б.В., Кузьмин В.А., Желонкин А.И. Электрокинетическишакселерометр с электроосмотической обратной связью // Автономная энергетика. Технический прогресс и экономика. 2007. № 23. - С. 45 - 64.

101. Желонкин А.И. Синтез МЭ преобразователей электролитического типа. LV111 Научная сессия, посвященная Дню радио. Москва, 14-15 мая 2003: Труды, т. 1 М.:ИПРЖР, 2003, с. 127 129.

102. Юб.Желонкин А.И., Петькин Н.В. МЭ преобразователь ускорений. Патент РФ №2083988,1997.

103. Желонкин А.И., Петькин Н.В'., Кутузов В.К. МЭ преобразователь угловых ускорений. Авторское свидетельство № 1827641, 1986.

104. Желонкин А.И., Петькин Н.В. Молекулярно-электронный измерительный преобразователь. Авторское свидетельство № 1295343, 1987.

105. Козлов В:А., Харламов А.В. Анализ амплитуд внешних гармоник.и нелинейные искажения в выходном токе молекулярно-электронной ячейки // Физические процессы жидкостной и лазерной измерительной техники // Сб. МФТИ/ 1995. С. 163- 169.

106. Желонкин А.И., Федорин В.А. Мембрана для электрохимического датчика. Авторское свидетельство № 632258, 1978.

107. Желонкин А.И., Осипов Ю.Н. Диффузионный преобразователь. Авторское свидетельство № 641517, 1979.

108. Желонкин А.И., Осипов Ю.Н. Измерительный электрод для диффузионных преобразователей. Авторское свидетельство № 930125, 1985.

109. Величко А.А. и др. Наноструктуры на основе материалов с переходом металл-изолятор. Нанотехнологии — производству 2005. Труды международной научно-практической конференции Москва: Коцерн «Наноиндустрия», «Янус-К», 2005.С. 285-297.

110. Химия и технология нанодисперсных оксидов; Попов В.В., Шабанова Н.А., Саркисов П.Д. М. Академкнига. 2006. -309 с.

111. Желонкин А.И., Осипов Ю. Н., Музалев Ю. М. Диффузионный преобразователь с пленочными электродными структурами. IX Всесоюзная научно-техническая конференция по молекулярной электронике. — М.:Информэлектро. 1978. С. 53-55.

112. Лазарев В.Б. и др. Электропроводность окисных систем и пленочных структур. -М.: Наука. 1979. 1.4.1. Окислы титана. С. 31 -35.

113. Желонкин А.И., Осипов Ю.Н. 1) Диффузионный датчик сигналов. Авторское свидетельство № 1125667, 1984. 2) Чувствительный элемент диффузионного датчика. Авторское свидетельство № 940274, 1984.

114. Пул Ч., Оуэне Ф. Мир материалов и технологий. Нанотехнологии. М.: Техносфера. 2004. - 328 с.

115. Желонкин А.И., Петькин Н.В. Молекулярно-электронный датчик механических сигналов. Авторское свидетельство № 843003, 1982.

116. Желонкин А.И., Осипов Ю.Н. Диффузионный датчик механических сигналов. Авторское свидетельство № 775765, 1980.

117. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. Гл. VII. Квазистационарное электромагнитное поле, с.278-309. Гл. X. Распространение электромагнитных волн,с. 401-451. Гл. XV. Рассеяние электромагнитных волн. М.: Наука. - 1982. С.562-589.

118. Цундель Г. Гидратация и межмолекулярное взаимодействие. М.: Мир. 1972. - Гл. 111. Вода. С.40 - 47. Гл. IV. Гидратация солей. С. 69 - 132.

119. Галуза А.А., Мазманишвили- А.С. Инвариантные временные свойства электромагнитных импульсов, распространяющихся в рассеиваемой по глощающей неоднородной среде // Электромагнитные волны и электронные системы. 2001. №1, т.6. - С. 21 - 27.

120. Бучаченко А.Л., Сагдеев Р.З., Салихов К.М. Магнитные и спиновые эффекты в химических реакциях. Тр. Новосиб. 1973.

121. Шван Х.П., Фостер К.Р. Воздействие высокочастотных полей на биологические системы: Электрические свойства и биофизические механизмы // ТИИР. 1980. Т. 68,- №1. с. 121 - 132.

122. Желонкин А.И., Григин А.П. Молекулярно-электронный датчик магнитного поля. Авторское свидетельство № 1212173, 1985.

123. Желонкин А.И. Механизм электромагнитной коррекции преобразователей // LV Научная сессия, посвященная Дню радио «Радиотехника, электроника на рубеже тысячелетия». Российское НТО «Радиотехника, электроника и связь им. А.С. Попова». 2000. - С. 154 - 157.

124. Желонкин А.И. Суперпозиционное воздействие переменного электрического тока на электрохимические процессы // V Научно-техническая конференция «Информационные технологии в промышленности и учебном процессе». Сб. научных трудов. 2000. С. 67 - 70.

125. Желонкин А.И. Суперпозиционное электродинамическое воздействие на характеристики МЭ преобразователей. Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот. 2002. т. 10, №3 (35). С. 216 - 220.

126. Желонкин А.И. Взаимодействие электрохимических процессов, электрических и электромагнитных полей // Автономная энергетика. Технический прогресс и экономика. 2000. № 10 - 11. С. 40 - 42.

127. Желонкин А.И., Михеев В.Ю. Способ электромагнитной обработки веществ. Патент РФ № 2091324, 1997.

128. Дэвис мл., Буччирелли мл. Применение нестационарного спектрального анализа для линейных динамических систем. Ракетная техника и космонавтика. М.: Мир, 1975.Т. 13, № 1.-С.ЗЗ-42.

129. Теория вероятностей и математическая статистика./ Под ред. В.И. Ермакова. М.: Инфра, 2004. - 248 с.

130. Дмитриев В.М., Зайченко Т.Н., Гарганеев А.Г. и др. Автоматизация функционального проектирования электромеханических систем и устройств преобразовательной техники. Томск: Изд-во ТГУ, 2000. — 247с.

131. Путилин А.Б. Введение в теорию преобразования и обработки сигналов. М.: Квадрат-С, 2000. 147 с.

132. Винник Л.П. Телесейсмические предельные волны и вопросы строения земли. Диссертация на соискание уч. степени доктора физ.-мат. наук. М.: 1974.

133. Балл Г.А. Аппаратный анализ случайных процессов. — М.: Энергия, 1989. — 220 с.

134. Аранович А.Н. и др. Определение динамических параметров очагов близких и удаленных землетрясений по спектрам продольных волн. Аппаратура, методы и результаты сейсмометрических наблюдений. Сейсм. приборы. Вып. 12. М.: Наука, 1979. С. 167 183.

135. Анализ геодезических параметров предвестников землетрясений. Герасименко А.В., Жутяева Т.С. LV Научная сессия, посвященная Дню радио. Москва, 17-19 мая 2000: Труды, т.1 М.:ИПРЖР, 2000. - С. 194 - 197.

136. Френке JI. Теория сигналов. М.: Советское радио. 1974. Гл.6, 7 Числовые характеристики сигналов. Представления случайных процессов. С. 131 194.

137. Желонкин А.И. Характеристики сигналов волновых полей в измерительных системах. Расчет спектра волновых полей. VI Научно-техническая конференция «Информационные технологии в промышленности и учебном процессе». Сб. материалов. М. 2001. С. 36 - 39.

138. Желонкин А.И. Анализ статистических характеристик сигналов. LV Научная сессия, посвященная Дню радио «Радиотехника, электроника на рубеже тысячелетия». Москва, 17-19 мая 2000: Тр., т.1 М.:ИПРЖР, 2000. С. 196 197.

139. Касахара К. Механика землетрясений. М.: Мир, 1985. - 264с.

140. Желонкин А.И., Тарасенко А.П. 1. Оптимизационные задачи цифровой обработки сигналов. 2. Динамическая адаптация измерительной системы. С.с105 -107 109. LV111 Научная сессия, посвященная Дню радио. Труды, т.1 ИПРЖР. 2003.-С. 87-91.

141. Ишинбаев Н.А., Коловертов Г.Ю. Развитие детерминированной теории многомерных измерений. LV1 Научная сессия, посвященная Дню радио. Труды, 2001. т.1. С. 10-12.

142. Желонкин А.И., Ильин Б.И. Устройство измерения ускорения. Авторское свидетельство № 984308, 1984.

143. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. -М.: Мир. 1998.-257 с.

144. Желонкин А.И. Исследование процесса преобразования измерительным каналом. LV1 Научная сессия, посвященная Дню радио. Труды, т.1. 2000.1. С. 94-99.

145. Фрадков А.Л. Адаптивное управление в сложных системах. М.: Наука. 1990.-278 с.

146. Желонкин А.И., Тарасенко А.П. Компьютерная обработка сигналов. LV Научная сессия, посвященная Дню радио «Радиотехника, электроника на рубеже тысячелетия». Труды, 2000. т.1. С. 188-189.

147. Желонкин А.И., Ильин Б.И. Датчик механических сигналов. Авторское свидетельство № 1027785, 1984.

148. Федорин В.А., Большаков Э.А. Экспериментальные исследования МЭ вертикальных скважинных сейсмоприемников типа ПДС. X Всесоюзная конференция по молекулярной электронике. М.: Информэлектро. — 1986. С. 34 37.

149. Лидоренко Н.С., Ильин Б.И., Петькин Н.В. и др. Короткопериодный МЭ скважинный вертикальный сейсмоприемник К-214-С. X Всесоюзная конференция по молекулярной электронике. М.: Информэлектро. -1986. С. 7 - 9.

150. Гулд X., Тобочник Я. Компьютерное моделирование в физике: ч.2. Пер. с англ. М.: Мир, 1990. - 400 с.

151. Сирота А.А. Условия робастности обобщенных алгоритмов фильтрации по отношению к статистике поступления полезных и ложных наблюдений // Радиотехника (Москва). 2001. № 8,. С. 17 - 21.

152. Comparison of Kalman-filter-based multisensor data fusion. Gan Qiang, Harris Chris J. IEE Trans. Aerosp. and Electron. Syst. 2001, 37, № 1. C. 273 279.

153. Цыпкин Я.З. Информационная теория идентификации .- М.: Наука, 1995.-336 с.

154. Parametric identification of linear system operating under feedback control. Zheng Wei Xing. IEE Nrans. Circuits and Syst. 1. 48. 2001. - C. 451 - 458.

155. Дмитриев A.H. и др. Машинные методы расчета и проектирования систем электросвязи и управления. М.: Радио и связь, 1990. - 273 с.

156. Желонкин А.И. Оптимизация цифровой обработки сигналов // Приборы и системы: Управление, контроль, диагностика. 2004. №3. С.34 - 39.

157. Желонкин А. И., Тарасенко А. И. Анализ метрологических характеристик цифровой обработки сигналов.// Новые технологии. Журнал МГОУ регистр номер ПИ №77 1883. 2005. №2. С.23 - 27.

158. Зотов М.Г. Конструирование множества управляющих устройств из оптимума критерия качества // Приборы и системы: Управление, контроль, диагностика. 2001. № 10.- С. 23 -34.

159. Григорьев В.А. Комбинированная обработка сигналов в системах радиосвязи. М.: ЭКО-ТРЕДЗ, 2003 - 186 с.

160. Draft manual for seismic information system development. Sugita Hideki. NIST Spec. Publ. 2001. № 963. C. 63-76.

161. Миллер Б.М., Панков A.P. Теория случайных процессов. М.: Физматгиз, 2002.-318 с.

162. Дидук Г.А. Машинные методы исследования автоматических систем. JL: Энергоатомиздат, 1983. - 176 с.

163. Степанов А.В., Матвеев С.А. Методы компьютерной обработки сигналов систем радиосвязи. М.: COJIOH-Пресс, 2003. - 208 с.

164. Танеев P.M. Математические модели в задачах обработки сигналов. М.: Горячая линия - Телеком, 2002. - 85 с.

165. Йордон Эд., Аргилла Карл. Структурные модели в объектно-ориентированном анализе и проектировании. СпБ.: Питер, 1998. - 135 с.

166. Желонкин А.И. Математическое описание многоканальных измерительных систем. // Приборы и системы: Управление, контроль, диагностика. 2007. № 2. — С. 44-46.

167. Желонкин А.И. Минимизация процесса цифровой обработки сигналов // Приборы и системы: Управление, контроль, диагностика. 2007. №5 С. 62 - 64.

168. Желонкин А.И. Методы обнаружения полезных сигналов // Технология приборостроения. 2006. №4. С.27 — 31.

169. Желонкин А.И. Метод пространственного измерения неэлектрических сигналов // Электромагнитные волны и электронные системы. 2006. № 6. —1. С. 34-39.

170. Новосов О.Н., Фомин А.Ф. Основы теории и расчета информационно-измерительных систем. М.: Машиностроение, 1991. - 336 с.

171. Краус М., Вошни Э. Измерительные информационные системы. М.: Мир. 1975.-230 с.

172. Обработка данных в автоматизированной системе для сейсмического мониторинга с помощью малоапертурной группы. Кушнир А. Ф., Хайкин JI.M. Вычислительная сейсмология. 2000. № 31. С. 273 - 289.

173. Universal-Mesgerat. DE: Elektromeiser + dtch. Elektrochandwerk. 2000., №23.-С. 76-77.

174. Желонкин А.И., Михеев В.Ю. Устройство защиты от несанкционированного воздействия. Патент РФ № 2083988, 1997.

175. Автоматизированная информационно-измерительная сейсмическая система. Белоносов А.И., Михайлов В.Н. Технический прогресс. М.: 1990. № 10.1. С. 12-21.

176. Госсард Э., Хук С. Волны в атмосфере. М.: Наука, 1978. - 217 с.

177. Бреховских JI.M. Волны в слоистых средах. — М.: Наука, 1973. 196 с.

178. Содин Л.Г. Антенны. Вып. 15. М.: Радио и связь," 1971. 314 с.

179. Материалы предварительных испытаний: системы 2У-41., изделия 2У-41.1., комплекса обработки информации системы 2У-41.4.1. М.: НЛП «КВАНТ». 1994.

180. Желонкин А.И. Система сейсмического мониторинга с использованием молекулярно-электронных преобразователей // Экологические приборы. 2006. № 2. С. 26-29.