автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.05, диссертация на тему:Принципы построения преобразователей импеданса на основе применения структурных способов

3 сд

На правах рукописи

ХАСЦАЕВ БОРИС ДЗАМБОЛАТОВИЧ

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ИМПЕДАНСА НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ СТРУКТУРНЫХ СПОСОБОВ

05.11.05 - Приборы и методы измерения электрических и магнитных величин

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

г У

Владикавказ - 1996

Работа выполнена в Северо-Кавказском государственном техноло ческом университете

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

доктор технических наук, професс

ЖЕЛВАКОВ И.Н. доктор технических наук, профессс

КУЛИКОВСКИЙ кл. доктор технических наук, профессс ТЮКАВИН А.А. ВНИИ медицинского приборостроен (г.Москва)

Зашита диссертации состоится " " 1997 г,

№ час. в ауд.211 на заседании диссертационного Совета Д 06421 при Ульяновском государственном техническом университете.

Отзывы просим направлять по адресу: 432027, г. Ульяновск, Северный Венец, 32, УлГТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновск» государственного технического университета.

Автореферат разослан " " <-Я-С^^Я^Л- 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 06421.01 д.т.н., профессор

ПЛ. Соснин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Параметры импеданса (модуль, активная и реактивная составляющие, емкость, индуктивность, тангенс угла потерь, добротность и др.) несут богатейшую информацию о свойствах веществ, о качестве различных изделий и технологических процессов, о разнообразных явлениях и изменениях, происходящих в медико-биологических и физических объектах, о примесях, содержащихся в растворах, в почве, о качестве продуктов питания и т.д. В большинстве случаев для измерения параметров импеданса необходимы преобразователи импедапсов с высоким быстродействием, с высокой точностью, с расширенными функциональными возможностями, с простой технической реализацией и пр.

Актуальность проблемы. Преобразователи импеданса (ПИ) являются важным и перспективным классом измерительных преобразователей. Они используются и как автономные автоматизированные приборы, и как элементы информационно-измерительных систем, автоматизированных систем научных исследований, автоматизированных систем управления технологическими процессами, систем диагностики и телеизмерений, систем контроля и первичного сбора данных.

Широкому использованию ПИ в течение ряда десятилетий способствовали видные отечественные ученые, такие как К.Б.Карандеев, Ф.Б.Гриневич, Л.Ф.Куликовский, А.М.Мелик-Шахназаров, Т.М.Алиев, АД.Нестеренко, Г.А.Штамбергер, К.М.Соболевский, Н.Н.Шумиловский, В.М.Шляпдин, Б.И.Швецкий, П.П.Орнатский, СЛЗшлгейн, КХВ.Кнеллер, А .А.Кольцов, А.И.Мартяпшн, Г.И.Передельский и др. Отечественным ученым и специалистам принадлежит ведущая роль в развитии теории и техники построения ПИ. Широкое использование ПИ также связано с высокой информативностью параметров импеданса и с рядом других ценных особенностей импеданса, например с неинвазивностью импедансиых измерений при исследованиях в области биологии и медицины.

Чаще всего в составе различных технических систем ПИ обеспечивают получение первичной информации, поэтому от их свойств и возможностей в значительной мере зависят эффективность управления производственными процессами, результаты контроля качества выпускаемой продукции, достоверность экспресс-анализа, например,

продуктов питания, точность диагностики заболевания, а также решеш задач многих научных исследований. Области применения П непрерывно расширяются. Так, научные исследования, проводимые настоящее время в области медицины, экологаи, биологии, открывал новые сферы применения ПИ, показывая, что параметры импедав несут ценнейшую информацию о свойствах исследуемых диагностируемых объектов и протекаемых в них процессов. В свс очередь, использование в этих исследованиях, в технических систем; ПИ с улучшенными характеристиками (с высокой точность: помехоустойчивостью и быстродействием, с широкими функционал ными возможностями н простой технической реализацией, возможностью измерения импедансных характеристик в различш условиях и т.д.) способствовало бы росту числа новых областей ] применения, повышало бы народнохозяйственное значение от измерительных преобразователей.

Несмотря на имеющиеся успехи в совершенствовании П состояние проблемы преобразования и измерения параметров импедан и в части выпускаемых приборов, и в части научного заде; обеспечивающего их улучшение, явно не соответствует требованиям в открываемым областям применения ПИ, не отвечает требована ближайшего будущего. Причинами этого являются: непрерывный быстрый рост числа новых задач, требующих использования П многообразие требований к ПИ, необходимым для решения этих зад; сложность решения задачи преобразования и измерения параметр импеданса; имеющееся отставание в последние годы в обобщают; работах и теоретических исследованиях.

Возможности применяемых приборов для преобразован параметров импеданса еще незначительны. Большей частью э приборы сложны и дорогостоящи, имеют быстродействие норяд секунды, характеризуются ориентацией на измерение параметров лзи электро-и радиотехнических элементов. Кроме того, для подавляют части решаемых на сегодняшний день задач с помощью ПИ характер измерение только основного параметра объекта исследования. Иначе настоящее время отсутствует парк ПИ с высокими техническими потребительскими характеристиками, предназначенных для широко применения в медико-биологических научных и диагностичесх

исследованиях, для решения рада важных задач, включая экологические, производственные и другие.

Развитие теории и техники построения ПИ с улучшенными характеристиками и расширенными функциональными возможностями обусловлено потребностями различных отраслей народного хозяйства и задачами научных исследований.

Отсутствие до настоящего времени целого ряда (парка) ПИ, соответствующих многим современным требованиям по точности, быстродействию, функциональным возможностям н простоте реализации, связано, в первую очередь, с трудноустраняемыми недостатками известных ПИ. К этим недостаткам относятся: неудовлетворительная сходимость и переменная чувствительность в процессе уравновешивания; ограниченные возможности ПИ в режиме квазиравновесия и неравновесия; переменная чувствительность и нелинейность функции преобразования измерительных цепей, используемых в известных ПИ, в режиме неравновесия; влияние на точность преобразования известных ПИ веинформативных параметров, обусловленных наличием элементов соединения объекта исследования и собственно объектом исследования (например, при медико-биологических исследованиях); влияние на точность измерения аддитивных, мультипликативных н фазовых погрешностей и погрешностей от нелинейных составляющих функции преобразования и тд. Стремление устранить эти недостатки применяемых ПИ длительное время стимулирует поиск новых решений в теории и технике автоматического преобразования импеданса и его составляющих. Анализ этих решений позволил выявить наиболее универсальное и перспективное направление улучшения характеристик ПИ, определенное как структурное. Однако, к сожалению, опыт создания ПИ с улучшенными структурными способами характеристиками до настоящего времени не нашел надлежащего научного обобщения. Недостаточно развиты научные основы анализа и синтеза структурных способов совершенствования ПИ, применения этих способов для улучшения хотя бы части характеристик ПИ разных классов. Не были рассмотрены возможности подхода, предусматривающего комплексное решение проблемы улучшения характеристик ПН.

До настоящего исследования появляющиеся отдельные структурные способы предлагались для улучшения одной конкретной измери-

тельной цепи (ИЦ), чахцр эта структурные способы использовались ИЦ для измерения скалярных величин. Все это сильно ограничивав развитие структурных способов и их применение в ИЦ для юмереш комплексных величин, а данные ИЦ оставались мало эффективными.

Развитие теоретических основ улучшения характеристик П и расширения их функциональных возможностей структурным способами - первая основная задача диссертационной работы.

Практика использования ПИ в различных областях науки техники показала, что одной ИЦ удовлетворить все существуют потребности в преобразовании параметров импеданса невозможн Имеется большая необходимость в разработке парка ПИ улучшенными характеристиками, с различными свойствами функциональными возможностями.

Исследование принципов построения всех возможных ПИ I основе структурного подхода к совершенствованию свойсп базовых ИЦ и разработка парка ПИ с заданными характеры тиками - вторая основная задача диссертационной работы.

Тема диссертационного исследования, связанного с разработю структурного подхода к целенаправленному изменению свойств функциональных возможностей ПИ, с принципами построения ПИ улучшенными характеристиками и расширенными функциональны) возможностями является весьма актуальной как в теоретическом, так в практическом аспектах. Это и определило цель диссертационно работы.

Цель диссертационной работы заключается в разработке, иссл довании и систематизации совокупностей структурных способ улучшения характеристик ПИ и расширения их функциональш возможностей, а также принципов построения на основе этих способ перспективных ПИ, обеспечивающих решение многих важных зад измерения в научных исследованиях и на производстве.

Задачи исследования:

-разработка концептуальных принципов улучшения характерист ПИ на основе структурного подхода к изменению свойств базовых I; и разработка методологии совершенствования ПИ структурны способами;

-разработка, исследование и систематизация совокупное! структурных способов для:

а) улучшения сходимости и чувствительности уравновешиваемых и квазиуравновешивавемых ИЦ, чувствительности и линейности неуравновешиваемых ИЦ, расширения функциональных возможностей ИЦ в режимах квазиравновесия и неравновесия;

б) обеспечения инвариантности к неинформативным параметрам элементов соединения и объектов исследования (в специализированных ПИ, предназначенных для исследования импедансных характеристик биообъектов);

в) коррекции аддитивных, мультипликативных и фазовых погрешностей, ширешностей от нелинейных составляющих функций преобразования;

-разработка принципов построения ПИ с улучшенными характеристиками на основе структурных способов при использовании в ПИ разных ИЦ в различных режимах преобразования;

-разработка различных структур ПИ с заданными свойствами и возможностями, предназначенных для решения широкого спектра задач.

Методы исследования. Для решения поставленных в диссертации проблем и задач использованы метод обобщенного анализа и синтеза уравновешиваемых ИЦ, метод обобщенных параметров нулевых ИЦ, методы математического анализа, теории графов, теории комплексного переменного, физического моделирования, макетирования и натурных испытаний технических средств.

Научная значимость работы состоит в выявлении возможностей улучшения характеристик ПИ структурными способами, разработке, исследовании и систематизации совокупностей структурных способов улучшения основных характеристик ПИ, принципов и рекомендаций использования структурных способов в ПИ.

Научная новизна

Впервые:

1. Предложены комплексное решение проблемы совершенствования ПИ и единый подход к решению этой проблемы, основанный на целенаправленном изменении структуры ПИ при сохранении особенностей первоначальной ИЦ, определяющих собой основные достоинства и возможности ПИ. Сформулирована концепция построения ПИ с требуемыми свойствами, на основе которой разработана методология построения ПИ с улучшенными

характеристиками с применением структурных способов. Предложен! методы синтеза структурных способов (включая структурно итерационный метод проектирования), обеспечивающих построение Ш с требуемыми характеристиками и свойствами. Методы применимы разных классах ИЦ и разной конфигурации.

2. Разработана, исследована и систематизирована совокупност структурных способов улучшения сходимости, чувствительности : линейности ИЦ, используемых в ПИ, обеспечивающих повышена точности, быстродействия, помехоустойчивости, упрощение реалнзаци и расширение функциональных возможностей ИД. С помощью эти способов выявлены новые свойства исходных базовых ИЦ. На основ разработанного подхода к построению ИЦ получены новые структур; ИЦ с ценными свойствами, в том числе новые классы четырехплечи мостовых ИЦ. На разработанные четырехплечие мостовые ИЦ, частности, получено четыре авторских свидетельств на изобретения.

3. Разработаны, исследованы и систематизированы структурны способы, обеспечивающие построение ПИ, инвариантных неинформативным параметрам элементов соединения в четырехпроводной и трехпроводной схемам включения объест исследования на примере разных классов ИЦ. Получена новая схеь трехпроводного включения объекта исследования, обеспечивают; снижение погрешности измерения до заданной величины. Сформуш ровапы в виде теорем возможности обеспечения инвариантности неинформативным параметрам элементов соединения в ПИ разнь классов. Разработаны новые структуры инвариантных ПИ, на осноз которых построены ПИ с высокой точностью (на 2 преобразовать получены авторские свидетельства на изобретения).

4. Исследованы и систематизированы структурные способы ко рекции мультипликативных, аддитивных и фазовых погрешность шмрешностей от нелинейных составляющих функции преобразована Дня ПИ с использованием линеаризованных и нелинеаризованных И определены различия в функциональных возможностях. Разработа! новые структуры ПИ с коррекцией разного числа погрешностей, одн временно инвариантных к неинформативным параметрам элемент соединения. Для этих ПИ разработаны эффективные схемы управлен

структурами соединений объекта исследования н образцовых элементов на основе мультиплексоров.

5. Исследована и систематизирована вся совокупность возможных структур ПИ в режиме неравновесия с использованием линеаризованных и нелинеаргоованных ИЦ на основе применения функциональных преобразователей типа фазочувствительных, амплитудных и фазовых детекторов, а также ЭВМ. Определены различия в свойствах между ПИ с линеаризованными и нелипеаризованными ИЦ.

6. Исследованы в квазиравновесном режиме возможности четы-рехнлечих мостовых ИЦ, линеаризованных структурными способами, и показано, что возможности этих ИЦ с двумя структурными связями совпадают с возможностями полуравновесных ИЦ. Выявлены две структуры четырехплечих мостовых ИЦ с одной структурной связью, обеспечивающих в режиме квазиравновесия измерение двух параметров импеданса и реализуемых проще, чем структуры мостовых ИЦ с двумя структурными связями. Показаны возможности изменения свойств полуравновесных ИЦ структурными способами. Получены новые структуры подобных ИЦ с требуемыми свойствами.

7. Показана перспективность импедансных измерений, а также важность построения специализированных ПИ для решения медико-биологических задач. Разработаны, исследованы и систематизированы структурные способы, обеспечивающие построение ПИ с улучшенными характеристиками для случаев четырехточечных измерений импедансных характеристик биообъектов. Получены новые способы, реализуемые проще по сравнению с известными, на основе которых построены структуры более эффективных специализированных ПИ, чем известные.

8. Разработано более ста новых структур различных ПИ (одно-канальных и многоканальных) с ценными свойствами, на основе которых возможно создание парка ПИ различного назначения и с разными характеристиками.

Достоверность результатов диссертационной работы

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена результатами математического моделирования, результатами экспериментов и испытаний, а также результатами использования материалов диссертации в учебном процессе, использованием созданных

ПН с улучшенными характеристиками в научных исследованиях, системах контроля и управления технологическими процессами н производстве.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Концепция комплексного решения проблемы улучшения хара* теристик ПИ и синтеза ПИ с новыми функциональными возможное тями и свойствами.

2. Структурный подход к улучшению характеристик ПИ с расшг рением их функциональных возможностей, основанный на целенаг рашхенном изменении структуры ПИ при сохранении особенности исходной ИЦ, определяющей собой основные свойства ПИ.

3. Методы синтеза структурных способов для:

-улучшения сходимости, чувствительности и линейност уравновешиваемых, квазиуравновешиваемых и неуравновешиваемы ИЦ, расширения их функциональных возможностей, упрошрш реализации ПИ;

-обеспечения инвариантности к неинформативным параметра элементов соединения и, собственно, самих биообъектов пр специализированных импедансных измерениях;

-полного или частичного исключения мультипликативны; аддитивных и фазовых погрешностей, погрешностей от нелинейны составляющих функции преобразования;

4. Принципы построения ПИ с улучшенными метрологическим характеристиками, с новыми функциональными возможностями I основе использования структурных способов.

5. Структуры новых ПИ с ценными свойствами и возможностям разработанных на основе простейших, потенциометрических четырехплечих мостовых ИЦ.

6. Принципы построения ПИ для случаев четырехточечнъ специализированных измерений импедансных характеристик объектов области медицины и биологии.

7. Различные варианты реализации ПИ с улучшенными характ ристиками, построенных на основе разработанных новых структур П1 простых (в то же время точных), быстродействующих н многофункцн нальных, предназначенных для применения в промышленности и в быт в медико- биологических научных н диагностических исследованиях, экологии, в пищевой промышленности и т.д.

Практическая значимость работы

1. Предложены методы синтеза структурных способов и алгоритмы их применения, позволяющие строить ПИ с требуемыми свойствами и функциональными возможностями на основе и других классов ИЦ, не рассмотренных в этой работе.

2. Выведены формулы для определения методических погрешностей, возникающих при реализации ПИ в неидеальных условиях, и построены графики зависимостей этих погрешностей, обеспечивающих оптимальный выбор ПИ с точки зрения требуемой точности измерения и аппаратурных затрат.

3. Предложены:

-систематизация структурных способов улучшения сходимости и чувствительности уравновешиваемых и квазиуравновешиваемых ИЦ, чувствительности и линейности неуравновешиваемых ИЦ; -

-систематизация структурных способов обеспечения инвариантности к неинформативным параметрам элементов соединения;

-систематизация структурных способов коррекции мультипликативных, аддитивных и фазовых погрешностей, погрешностей от нелинейных составляющих;

-систематизация структурных способов обеспечения инвариантности к неинформатнвным параметрам объектов исследования в биологии и медицине;

-систематизация структур ПИ с использованием перечисленных структурных способов, которые значительно облегчают выбор ПИ с требуемыми свойствами и возможностями.

4. Разработаны схемы ПИ, которые могут быть использованы для создания широкого спектра ПИ, на основе:

-нулевых ИЦ с прямыми линиями уравновешивания, с чувствнтельностями, независимыми от переменных параметров;

-четырехплечих мостовых ИЦ с линейными функциями преобразования, с практически постоянными чувствнтельностями, с прямыми линиями уравновешивания, с новыми функциональными возможностями в режиме квазиравновесия, полуравновесия и иеравновесия, с свойствами инвариантности к неинформативным параметрам;

-простейших, потенциометрических ИЦ в режиме неравновесия с использованием фазочувствительных, амплитудных и фазовых

детекторов, обеспечивающих преобразование всех возможны параметров импеданса;

-ИЦ с коррекцией мультипликативных, аддитивных, фазовы погрешностей, погрешностей от нелинейных составляющих функци преобразования.

5. Разработаны схемы специализированных ПИ на основе ирос тейшей и четырехплечей мостовой ИЦ, которые могут найти широко применение при четырехточечных прецизионных измерения импедансных характеристик биообъектов.

Реализация результатов работы Результаты диссертации и практические рекомендации использс

валы:

-при разработке преобразователей температуры и аналоговы трактов информационных систем в п/о "Микроприбор" (гЛьвов) экономическим эффектом в 200 тыс. руб/год (1979 г.);

-при разработке простого линейного преобразователя емкости проводимости объекта исследования в аналоговые унифицирований сигналы, внедренного в Филиале авиационной медицины ГосНИ гражданской авиации (г.Москва) для медико-биологических исследов; пий (1978 г.). Возможности преобразователя позволили расширить кр; решаемых задач, упростили их решение и значительно повысил достоверность исследований. Компактность и автономность преобразс вателя обеспечили проведение исследований состояния здоровья летч! ков в предполетных условиях. Преобразователь может быть успешв использован и в других областях научных исследований;

-при разработке системы контроля и управления технологачесю ми процессами добычи руды, в системах контроля за температуре мощных двигателей подъемных машин и водоотливных установок руднике "Комсомольский" Норильского комбината с ожидаемым зю номическим эффектом 100 млн. рубУгод (1996 г.).

Научные и практические результаты диссертационной работ внедрены в учебный процесс в Северо-Осетинском государственнс униврентете, в Северо-Осетинском государственном аграрном униве ситете, в Северо-Осетинской государственной медицинской академии.

Практическое использование результатов диссертационной работ подтверждено соответствующими документами о внедрении.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и получили одобрение на XXII и XXIII научно-технических конференциях молодых ученых Института проблем управления (Москва, 1976, 1977 гг.), на конкурсе научных работ Института проблем управления (Москва, 1978 г.), на УП Всесоюзном совещании по проблемам управления (Минск, 1977 г.), на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Вопросы теории и проектирования аналоговых преобразователей параметров электрических сигналов и цепей" (Ульяновск, 1978 г.), на УШ Конгрессе ИМЕКО (Москва, 1979 г.), на I Международной школе молодых ученых (София, 1984 г.), на научных конференциях СевероКавказского государственного технологического университета (Владикавказ, 1993, 1994, 1995 гт.), на Международной конференции "Измерительные информационные системы ИИС--94" (Москва, 1994 г.), на УН симпозиуме ИМЕКО (Прага, 1995 г.), на II Международной конференции "Безопасность и экология горных территорий" (Владикавказ, 1995 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 35 работ, среди которых 2 монографии, 27 статей, 6 авторских свидетельств (29 работ опубликовано без соавторов).

Личный вклад. Все результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. В работах, опубликованных в соавторстве, диссертантом выполнены: в [1 - 4] -разработка, теоретическое и экспериментальное исследование линеаризованных четырехплечих мостовых ИЦ, в [5, 12] - синтез и анализ структурных способов улучшения сходимости, чувствительности и линейности четырехплечих мостовых ИЦ, исследования свойств четырехплечих мостовых ИЦ, улучшенных структурными способами.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав и заключения, содержит 331 стр. машинописного текста, 11 таблиц, 82 рис., список литературы из 165 наименований, 6 приложений.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Первая глава посвяшрна анализу основных направлений улучшения характеристик ПИ, выбору пути улучшения характеристик и постановке задачи исследования диссертационной работы.

В главе рассмотрены необходимость и важность задач! совершенствования ПИ, а также причины, вызывающие их недостатки На основании построенной модели ПИ, состоящей из четырех чаете! (ИЦ, используемой в ПИ; функциональных преобразователей; объект: исследования; элементов соединения объекта исследования с ИЦ) проанализировано влияние каждой части на свойства, возможности I метрологические характеристики преобразователей импеданса I показано, что многие недостатки и трудности, возникающие при т построении, связаны с особенностями составных частей ПИ.

Проанализированы основные пути устранения недостатков ПИ отмечены главные их достоинства и недостатки. В результат исследований выбран перспективный путь улучшения характеристи] ПИ, названный структурным, а способы, относящиеся к этому пути структурными. Обоснована необходимость исследования выбранног! пути улучшения характеристик ПИ, показана его актуальноетт Выбраннй путь для устранения недостатков составных частей П1 основан на введении в структуру ПИ дополнительных устройств : связей при сохранении конфигурации исходной структуры Пй которой определялись их ценные свойства.

Разработана концептуальная модель улучшения характеристик П1 структурными способами, на ее основе предложена общая методологи улучшения характеристик ПИ. Главное достоинство методологии использование подхода комплексного решения проблемы улучшена характеристик ПИ, предусматривающего устранение недостатков все их составных частей (с целью улучшения характеристик) с последовг тельностью, зависящей от приоритетности составной части.

В главе приведена краткая классификация структурных способо: рассматриваемых в работе, показана сложность и важность теори структурного улучшения характеристик ПИ, а также возможное! построения ПИ разными структурными способами. На основали результатов первой главы определена цель диссертационной работ! сформулированы основные задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены вопросы улучшения сходимост чувствительности и линейности ИЦ структурными способам принципы построения на основе этих способов ИЦ с улучшенным характеристиками. В начале главы приведен синтез структурнъ

способов улучшения сходимости, чувствительности и линейности ИЦ, основанный на поиске структурных способов изменения выходной величины ИЦ Ав в Кг раз (Кг - коэффициент, зависящий от переменных параметров ИЦ), при сохранении принятого ранее построения ветвей и условия равновесия для уравновешиваемых ИЦ.

Необходимость такого изменения выходной величины ИЦ связана с тем, что недостатки ИЦ (существенно изменяющиеся в пределах измерения чувствительности, плохая сходимость или (и) нелинейная функция преобразования ИЦ) являются следствием характера зависимости выходной величины ИЦ А„ от ее переменных параметров: измеряемых (.*,}>) и регулируемых (р,<?). Причина заключается в том, что при классической структуре нулевой ИЦ, представляемой двумя параллельными ветвями с коэффициентами КК2, вид функции ИЦ А„=А,Р(х,у,р^)=1К2(х,у>р,д)-К](х,у,р,д)]А3 (где А, -активная величина, питающая ИЦ; Р - функция преобразования ИЦ; ¡(2=^2'Кг) определяется основными требованиями к функциональным и метрологическим возможностям требуемой ИЦ. Удовлетворив этим требованиям, вид зависимости коэффициентов К[ и Кг от переменных параметров ветвей бывает часто нежелательным с точки зрения обеспечения хорошей сходимости, чувствительности или линейности. Так, если при этом в ветви с передачей Кг оказывается участок с обратно пропорциональной зависимостью передачи Иг от регулируемой комплексной величины, то линии уравновешивания ИЦ являются окружностями, и отсюда следуют все известные трудности обеспечения хорошей сходимости ИЦ. Если ИЦ используется как неуравновешенная, то ее функция преобразования будет нелинейной уже при появлении Кг с обратно пропорциональной зависимостью от какого - либо скалярного преобразуемого параметра (х или у). В обоих случаях указанные недостатки можно было бы исключить, разделив дополнительно А„ на величину Кг, Анализ многих ИЦ показал, что изменение выходной величины ИЦ на величину к'г, зависящую от переменных параметров ветви, при сохранении принятого исходного построения ветвей, обеспечивает улучшение сходимости уравновешиваемых ИЦ и линейности функции преобразования неравновесных ИЦ, а также целенаправленное изменение характера зависимости чувствительностей нулевой ИЦ от переменных параметров (обеспечение постоянства или (и) повышение чувствительности) [1,5,12].

Предложенный метод синтеза структурных способов улучшена сходимости, чувствительности и линейности позволил разработат совокупность этих способов с различными свойствами и особенное тами, получена их систематизация, выявлены ранее неизвестные спосс бы, исследованы свойства и особенности совокупности структурны способов, рекомендации по их практическому применению.

Разработана методика улучшения сходимости, чувствительности линейности ИЦ структурными способами, на основе которой построе пы новые ПН с улучшенными характеристиками.

Одна из особенностей рассмотренных структурных способов обеспечение улучшения сходимости, чувствительности и линейности бе изменения условия равновесия ИЦ, что легко показывается на пример улучшения чувствительности ИЦ. Выражения для выходных величи нулевых ИЦ, улучшенных структурными способами, имеют вид:

л -А

Тогда выражение для чувствительности любой ИЦ к отклоненш какого-либо ее скалярного параметра "с" будет иметь вид: • ¿-.

а .

ъ ~ дс~ . „ * Ал

В точке равновесия ИЦ (Кг-Кх)=0, следовательно

• _д(к,~к,) 1 ■ в

-^--р или о =

» ¿2

где 5 - чувствительность к параметру "с" исходной ИЦ (с учетом того

что ¿2=^2).

С использованием структурных способов построен клаа четырехплечих мостовых ИЦ с не только улучшенной сходимостью, н< и с более высокой и менее изменяющейся в пределах диапазон: измеряемых или регулируемых величин чувствительностью, а также ( линейной зависимостью выходной величины от измеряемой иммитанса. Для класса четырехплечих мостовых ИЦ выявлеиь структурные способы, не требующие использования усилителей ( большими коэффициентами усиления и на основе которых строята простые в реализации ПИ. Показано, что для максимального улучшенш свойств четырехплечих мостовых ИЦ возможно использование

комбинаций разных структурных способов (число одновременно используемых структурных способов в таких ИЦ - 2)[2-4, 6-17].

Во второй части главы исследованы общие свойства ИЦ, улучшенных структурными способами, в частности, исследована устойчивость ИЦ с обратной связью на примере класса четырехплечих мостовых с обратной связью. Показано, что в ИЦ, образованных трехэлементными ветвями, пределы изменения регулируемых параметров п диапазоны рабочих частот ограничены запасами устойчивости. Построены графики, показывающие взаимосвязь этих частот и коэффнцевтов активных элементов цепей обратных связей и обеспечивающие оптимальный выбор диапазонов изменения переменных параметров ИЦ. Для улучшения устойчивости ИЦ с обратными связями предложено строить ветви ИЦ четырехэлементными.

На примере четырехплечих мостовых ИЦ выведены основные расчетные соотношения для определения погрешностей линеаризации ИЦ структурными способами, построены графики погрешностей и даны практические рекомендации по выбору параметров ИЦ с учетом требуемой точности реализации желаемой зависимости выходной величины ИЦ от ее переменных величин. Для данного класса ИЦ с обратными связями показано значительно меньшее влияние паразитных емкостей вершин ИЦ па точность измерения.

В третьей главе исследованы вопросы построения инвариантных ПИ с использованием структурных способов на примере построения ПИ, инвариантных к неинформативным параметрам, свойственным элементам соединения объекта исследования с ИЦ. Предложенный в главе метод синтеза структурных способов, обеспечивающих инвариантность в ПИ к этим неинформативным параметрам, назван структурно-итерационным методом. Он основан на развитии структуры преобразований сигналов в ПИ с пошаговым (итерационным) приближением к структуре с требуемыми свойствами и возможностями при сохранении особенностей и достоинств ИЦ, лежащей в основе ПИ, при использовании только двух дополнительных соединений на каждом таге итерации и минимизации структуры преобразований сигналов после завершения всех шагов итерации. Процессы построения ПИ в значительной мере определяются классом ИЦ, используемых в ПИ, и видом зависимости выходной величины ИЦ от переменных

параметров. Поэтому вопросы построения инвариантных ПИ на основе разных классов ИЦ рассмотрены отдельно[9,14,18,28].

Построение инвариантных ПИ на основе линеаризованных ИЦ а. ПИ на основе простейшей ИЦ

Простейшая ИЦ показана на рис.1а, а ее модель в виде графа - на рис.16. Из функции преобразования этой ИЦ: V х^з^+Ъх+^-г) видна необходимость получения новой выходной величины, инвариантной к неинформативным параметрам ИЦ -21 и 7,2, но пропорциональной Ъх.

Для синтеза структурных способов, обеспечивающих инвариантность ПИ к указанным неинформативным параметрам, использован граф ИЦ. Так как функция преобразования этого графа имеет вид: Ац=^{3(Ъ1+Хх+Ъг), где А$-выходпая величина графа, соответствующая выходному напряжению ИЦ -I] х) А,-входная величина графа, соответствующая току питания ИЦ, то несложно представить, что задача синтеза сводится к выявлению структурных способов, обеспечивающих построение на основе исходного графа графов с

* I *

функцией преобразования: Ав= А/2Х.

Синтез структурных способов обеспечения инвариантности и построение структур инвариантных ПИ на основе простейшей ИЦ с использованием структурно-итерационного метода показаны на рис.1. Получено 3 структурных способа, которые условно обозначены -способы 1, 2 и 3.

Способ 1 предусматривает использование сигналов узлов "а" и "б". Граф простейшей инвариантной ИЦ, построенный по способу 1, показан на рис.1в. ИЦ, построенная на основе этого графа, будет инвариантной к и ¿2 при любых их значениях. Однако структурно-итерационный метод наиболее ярко выражается в способах 2 и 3.

Способ 2 предусматривает использование сигналов узлов "а" и "в". Первый шаг итерации способа 2 показан на рисЛг, а второй - на рисЛд. Как видно, первая итерация (получаемая при ней величина А« =А3(Х1+Хх) ), обеспечивает лишь приближение к желаемой величине, однако которое недостаточно, из-за чего и использована вторая итерация, обеспечивающая максимальное приближение к желаемой величине А'в при Ъ^Ъг.

Способ 3 предусматривает использование сигналов узлов "б" и "в". Построение графа с желаемыми свойствами на основе графа исходной ИЦ в атом случае видно из рис.1ж, з, и.

Рис. 1

Рис. 2

Способ 1 основал на использовании четырехироводной схемы включения объекта исследования, а способы 2 и 3 - трехпроводной.

Рассмотрены свойства и особенности реализации полученных структурных способов, при этом возможности использования способов 1 - 3 в ИЦ достаточно легко определяются с помощью сформули-ровнных теорем.

Теорема 1. Если в исходном графе ИЦ можно выделить подграф, содержащий ребро с информативным параметром и параллельно с ним соединенные ребра с неинформативными параметрами Ъ\ и 2,-+;, имеющий входную величину, не зависящую от неинформативных параметров, то в такой ИЦ возможно способом 1 формирование новой выходной величины, не зависящей от неинформативных параметров при любых их соотношениях.

Теорема 2. Если в исходном 1рафе ИЦ можно выделить подграф, содержащий ребро с информативным параметром Zx и параллельно с ним соединенные ребра с неинформативными параметрами и 2^1, имеющий входную величину, не зависящую от неинформативных параметров, то в такой ИЦ возможно способом 2 и 3 формирование новой выходной величины, менее зависящей от неинформативных параметров (полная независимость этой величины от неинформативных параметров возможна при равенстве этих параметров).

Доказательство теорем в работе рассмотрено на основе потенциометрической ИЦ с питанием от генератора тока.

б. Построение ПИ на основе потенциометрической ИЦ с питанием от генератора тока. Потенциометрическая ИЦ показана на рис2а, а ее модель в виде графа - на рис 26. На основе этой ИЦ строятся ПИ с функцией преобразования: 11х=1э(7;^-Х^У^-Яг^Х-^), где Z^ - 7,4 -неинформативные параметры элементов соединения объекта исследования Хх и образцового элемента Задача здесь сводится к построению ИЦ с функцией преобразования: Ь'х - 13- ( Z0 - Ъх).

Для доказательства сформулированных теорем и использования результатов, полученных на примере простейшей ИЦ, исходный граф потепциометрпческой ИЦ (см. рис.2б) достаточно представить в виде преобразованного графа с соответствующими подграфами (таком)' графу соответствовал бы граф, изображенный на рис2в, но без узлов, обозначенных буквами "п", "ш" и "е", и ребер, подходящих к этим узлам). Такое представление обосновано тем, что исходную ИЦ можно

замелить двумя одинаковыми простейшими ИЦ с питанием от одного и того же генератора тока и с одной и той же задачей - устранение влияния неинформативных параметров 2,+/, ¿=1 - 3) на функцию преобразования ИЦ. На основе преобразованного графа уже несложно построить графы инвариантных ИЦ и доказать теоремы 1 и 2. Построение структур инвариантных ПИ на основе потенциометричес-кой ИЦ с линейной функцией преобразования иллюстрировано с помощью рис .2. В главе рассмотрены свойства и особенности реализации полученных структурных способов, возможности построенных на их основе ПИ, выведены формулы для расчетов погрешностей, возникающих при неидеальных условиях реализации способов 2 и 3.

Построение инвариантных ПИ на основе нелинеаризованных ИЦ. Потенцнометрическая ИЦ с питанием от генератора напряжения и четырехплечая мостовая ИЦ. Потенцнометрическая ИЦ с нелинейной функцией преобразования моделируется графом, на основе которого нетрудно показать, что применение способов 1 - 3 в ИЦ не приводит к устранению влияния неннформатнвных параметров. Причиной этого является зависимость сигнала на входе выделенного подграфа ИЦ от информативных и неинформативных параметров, иначе - наличие "хвоста" графа. Устранение указанной нежелательной зависимости возможно путем ввода в структуру ИЦ структурных связей, разработанных в главе 2 и обеспечивающих избавление от "хвоста" графа. Полученный таким образом граф будет преобразованным. Построение на основе графа потенциометрической ИЦ преобразованных графов возможно путем использования и отрицательной, и положительной обратной связи, поэтому на основе данного класса ИЦ можно построить 6 структур инвариантных ПИ. Специфика построения возможных структур инвариантных ПИ с желаемыми свойствами на основе потенциометрической ИЦ с питанием от генератора напряжения: позволяет сформулировать теорему 3.

Теорема 3. Если в графе ИЦ можно выделить подграф, содержащий ребро с информативным параметром 7.х и параллельно соединенные с ним ребра с неинформативными параметрами и имеющий активную входную величину, зависящую от неипформативных параметров, то в такой ИЦ формирование способами 1 - 3 новой

выходной величины, не зависящей или менее зависящей от неинформативных параметров, возможно после дополнительного структурного изменения ИЦ, приводящего к независимости активной величины на входе выделенного подграфа от неинформативных параметров.

Доказательство теоремы рассмотрено на основе четырехплечей мостовой ИЦ, в которой даже применение многопроводных схем включения объектов исследования к ИЦ лишь снижает влияние рассматриваемых неинформативных параметров на точность преобразования информативного параметра. Причина - зависимость входной активной величины выделенного подграфа от неинформативных параметров. Поэтому и в случае использования четырехплечей мостовой ИЦ для решения задачи построения инвариантных ПИ достаточно применение отрицательной или положительной обратной связи. Так как в четырехплечих мостовых ИЦ возможно использование двух видов обратных связей, то для данного класса ИЦ получено 12 структур инвариантных ИЦ и разработана методика построения инвариантных ПИ с использованием различных ИЦ. На основе методики показано, как целенаправленно строить структуры инвариантных ПИ в виде графов, получая при этом ранее неизвестные структуры ПИ. В главе рассмотрены принципы построения на основе полученных структур измерительных цепей с требуемыми характеристиками.

В рассмотренных случаях построения 1рафов ПИ, инвариантных к неинформапшным параметрам элементов соединения, выполнялось с постоянными весовыми коэффициентами шагов итерации, в частности равными 1. Однако построение подобных графов возможно и с переменными коэффициентами, что означает снижение весовых коэффициентов по мере приближения к графу с требуемыми свойствами. Показаны случаи применения этого способа и зависимость минимального весового коэффициента шага итерации от отклонений неинформативных параметров друг от друга и от заданной погрешности преобразования импеданса.

Четвертая глава посвящена расширению функциональных возможностей ИЦ структурными способами в режиме неравновесия и исследованию общих принципов построения в этом режиме ПИ с наиболее простой реализацией. Подобные ПИ строятся на основе

простейших и потенциометр ических ИЦ, работающих в режиме неравновесия. Такие ПИ обеспечивают не самую высокую точность измерения, однако для решения ряда задач оказываются более оптимальными по сравнению с высокоточными и дорогими ПИ [35].

Принципы построения ПИ, предлагаемые в главе, иллюстрированы примерами (рис.За и б), предусматривающими использование в ПИ линеаризованных и нелинеаризоваиных ИЦ, а также фазочувствитель-ных (ФЧД), амплитудных (АД) и фазовых детекторов (ФД), фазовращателя (ФВ), обеспечивающих преобразование типа "вектор-скаляр". Как видно пз рис .36, использование нелинеаризоваиных ИЦ в ПИ приводит к применению большого числа функциональных преобразователей, АЦП а вычислительного устройства (ВУ), выполняющего как функции управления структурой ПИ (по выходу, обозначенному СУ), так и арифметические функции (по выходу - Ах). Рассмотрены особенности и возможности предложенных путей построения ПИ и разработана методика, с использованием которой и построены ПИ с различными функциональными возможностями на основе разных ИЦ.

Построение ПИ на основе простейшей и потенциометричеекой

ИЦ. В режиме неравновесия на основе этих ИЦ возможно построение ПИ, обеспечивающих одновременное преобразование не менее двух параметров импеданса объекта исследования, путем дополнения структуры ИЦ двумя ФЧД и одним ФВ или АД и ФД. Выходная величина ФЧД (Л) пропорциональна проекции вектора входной величины Ux на вектор опорной величины Von - A~ReüonUx (Aj~ImjüonUx). Выходная величина амплитудного детектора (А) пропорциональна амплитуде (модулю) входной величины Ar" ¡Ux/, Выходная величина фазового детектора (С= f х) пропорциональна фазовому сдвигу между входной {Ux ) и опорной величинами (JJ0n) • С~ Vx " Ьоп.

В главе показаны принципы построения такого важного класса ПИ на основе потенциометричеекой линейной ИЦ, как ПИ, ипвариаптпые к параметрам соединительных проводов п обеспечивающие преобразование отклонений параметров импеданса от заданных (исходных) зпачешгя в активные аналоговые величины.

Нелинейные ИЦ не обеспечивают преобразование хотя бы одного параметра импеданса в активную скалярную величину, поэтому

Рис.3

Lo—ю- '77

-rOAß

а.

-ю-

£п

-ю-

Fr

ni

-Ю-

4(Ä

ВУ

if.

Рис. 4

ВУ

-к>

9zi

\28

рассмотрело расширение функциональных возможностей нелинейных Щ структурными способами, разработанными в главе 2, на примере готеициометрической нелинеаризованной ИЦ и на ее основе построены излитые по своим функциональным возможностям аналоговые ПИ.

Построение цифровых ПИ на основе нелинеаризованной ютенциометрической ИЦ. До недавнего времени эта ИЦ практически ^пользовалась только для построения аналоговых ПИ (после линеаризации ее функции преобразования), однако в последние годы с бурным >азвитием вычислительных устройств данная ИЦ (даже без линеари-ации) начинает широко применяться для построения цифровых ПИ. 1ополнеиная рядом функциональных преобразователей, она )беспечнвает формирование активных скалярных величин, которые doiyr быть использованы для определения параметров импеданса. Так, ;сли структуру ИЦ дополнить четырьмя ФЧД, на выходах которых 5удут скалярные величины: Aj=Re^onUx, Л2=1т^оп17х, A3=Re^onU0, i^Rej^i/o, где ¿^-падение напряжения на объекте, ¿/„-падение тапряжения на образцовом элементе ИЦ, 1/оч-опорное напряжение, то эпределение составляющих импеданса возможно по формулам:

ReZx=Z0[(A,A,+A2 А4)/(Л32+А4% JmZx=R0[(A2ArA1A4)/(A32+A4)].

Если в структуру ИЦ ввести 3 ФЧД, то измерением на их выходах скалярных величии: Ai=Rei,gnfJ0f А2=1т^оп(]х, A3=Re6ontJ0j возможно определение параметров импеданса.

Также возможно определение параметров импеданса, если структуру ИЦ дополнить только двумя ФЧД с выходными величинами: AjsReOonUx, A2=ImjuonUx-

Построить ПИ можно и в случае дополнения ИЦ тремя АД с выходными величинами: Ау= \VX\, A2=IU0I, Аз=\1]э). На основе теоремы косинусов выводятся формулы для расчетов параметров импеданса:

ReZx=[(RJA2)(A3+A2-A1)/(2A2)]-Ro>

ImZx=(A3/A2>R^I.((A32+A22-At2)/(2A2)f .

Измерение параметров импеданса возможно и в случае дополнения ИЦ двумя ФД с выходными величинами: Cj=(jx*ij0nt С2-=иолиоп. На

основе теоремы синуса можно вывести формулы для расчета параметров импеданса:

ImZx=(sin С/sin С 2) Ro sin(C¡+C2).

Использованием в рассматриваемой IIЦ двух АД и двух ФД также возможно определение параметров импеданса.

В главе приведены выводы всех расчетных формул, определяющих параметры импеданса. Из формул легко увидеть, что сложность расчетов связана с используемыми в ПН функциональными преобразователями, с их числом.

Построены структуры шести ПИ в виде графов, обеспечивающих преобразование действительной и мнимой составляющих импеданса с использованием вычислительных процедур. Эти ПИ отличаются друг от друга, главным образом, технической реализацией, числом вычислительных операций, а значит и сложностью выполнения вычислительных процедур. В построенных ПИ рассмотрены вопросы минимизации схем, используя при этом ряд критериев. Приведена классификация неравновесных ПИ, значительно упрощающая выбор ПИ.

В пятой главе рассмотрены вопросы коррекции погрешностей ПИ (мультипликативных, аддитивных, фазовых погрешностей и погрешностей от нелинейности функции преобразования) структурными способами и принципы построения неуравновешпваемых ПИ с коррекцией погрешностей на основе линеаризованных и нелинеаризованных ИЦ. Основные пути построения таких ПИ показаны на рис.4, при этом на рис.4а изображена модель ПИ с функцией преобразования Fn, зависящая от погрешностей (о, в, с -коэффициенты, определяющие аддитивные, мультипликативные погрешности и погрешности от нелинейных составляющих). На рис.4б показана модель ПИ, построенного путем дополнения исходной структуры ПИ автономными каналами измерения с образцовыми элементами Z0¡ - Z0¡ и с соответствующими функциями преобразования Fni - Fn¡ и вычислительным устройством ВУ. На рис.4в приведена модель ПИ, построенного путем дополнения исходной структуры ПИ лишь образцовыми элементами Z0¡ - Z0¡, мультиплексором и вычислительным устройством ВУ.

ПИ, построенным по этим моделям, соответствуют системы уравнении:

(у И = К (Ъ) (У21=Рп(2х)

У12 = Рш (2ы) У22 = К (101)

; . : .

^УЛ" = (2о1) , = р„ (20г) ,

где ул...ул, У21---УИ - преобразованные сигналы первой и второй модели ПИ. Исследованы особенности и возможности двух путей коррекции погрешностей ПИ (аддитивных, мультипликативных, фазовых погрешностей и погрешностей от нелинейных составляющих функции преобразования), первый из которых наиболее предпочтителен для создания точных аналоговых ПИ и при случайных помехах, а второй -для создания цифровых ПИ с коррекцией нескольких погрешностей и основан на использовании вычислительного устройства для проведения расчетов и управления структурой ПИ на время измерений [34-35].

Исследованы принципы построения ПИ с коррекцией погрешностей на основе наиболее простых классов ИЦ (линеаризованных и нелилеаризованных). Разработана методика построения ПИ с коррекцией погрешностей. Показано, как строятся ПИ с коррекцией разного числа погрешностей. К примеру, построены ПИ с коррекцией мультипликативной погрешности на основе потенциометрической ИЦ и логометра, ПИ с коррекцией погрешностей на основе применения вычислительного устройства н линеаризованной потенциометрической ИЦ, одновременно инвариантной к параметрам элементов соединения. Основное внимание в главе уделено построению ПИ с вычислительным устройством. Так построены многоканальные ПИ для измерения двух составляющих импеданса с коррекцией двух погрешностей. В этих ПИ за N тактов обеспечивается измерение следующих величин: и01=1,201, V„2=1,2а2, их1=1}2л1, их„ =1Э2Х„ (гае п - число объектов иследовання), которые после преобразования используются для точного определения параметров импеданса. Число образцовых элементов в ПИ определяется числом корректируемых погрешностей. Обработка измеренных величин возможна по формуле: Р(=ФогУаУФ01-Ьгде {/х, - падение напряжения на ¿-том объекте исследования.

Разработаны, систематизированы и исследованы структуры соединений образцовых элементов и объекта исследования для коррек-

дни различных погрешностей и в разных НЦ для случаев использования вычислительного устройства в ПИ. Показано, что структурные способы коррекции отличаются числом используемых образцовых элементов, структурами соединения между собой образцовых элементов и объекта исследования, схемами управления структурами соединений. Приведены более шестнадцати формул для расчетов параметров импеданса в ПИ с коррекцией одной, двух и трех погрешностей. Для этих ПИ разработаны эффективные оригинальные схемы управления структурами соединений образцовых элементов и объектов исследования на основе мультиплексоров.

Число арифметических процедур, используемых в расчетах для определения искомых величин в ПИ с нелннеаризованными ИЦ, намного больше, чем в ПИ с линейными ИЦ. Показана также сильная зависимость числа выполняемых арифметических процедур от числа корректируемых погрешностей. Так, если для коррекции одной погрешности достаточно проведение одного дополнительного измерения и одной арифметической процедуры, то для одновременной коррекции трех погрешностей уже необходимо произвести три вспомогательных измерения и в среднем более четырнадцати арифметических процедур, включая такие, как возведение числа в квадрат. На примере построения лилейных ПИ с коррекцией аддитивных, мультипликативных и фазовых погрешностей, обеспечивающих преобразование двух составляющих импеданса, легко показать сложность определения параметров импеданса по результатам измерений, причем проводимых в 4 такта. Расчетные формулы в этом случае имеют вид:

у,")(У<'- У;) + (У/- Г>)(Г4'~у;;

¥")(у' - + (¥' -

= " (¥• - ¥;)(¥,•- ¥,")+(¥,'-¥;)(¥/- У,") '

где К,'-преобразованные величины по двум каналам измерения (/ -I - 4, £=1,2). В зависимости от конкретного назначения ПИ возможна корректировка только тех погрешностей, которые в наибольшей мере, влияют на точность преобразования требуемых параметров импеданса объекта исследования. Подобные алгоритмы корректировки отличаются

меньшим числом тактов измерений, меньшим объемом необходимых вычислений, пониженными требованиями к образцовым элементам У01\

В шестой главе рассмотрены вопросы расширения функциональных возможностей квазиравновесных ИЦ структурными способами и построение на их основе ПИ с улучшенными характеристиками. При этом исследованы свойства и возможности широкого класса обычных и линеаризованных четырехплечих мостовых ИЦ, определены принципы построения на их основе простых ПИ с различными особенностями и функциональными возможностями.Исследовано использование структурных способов для изменения свойств известных полуравновесных ИЦ.

В обычных н линеаризованных четырехплечих мостовых ИЦ рассмотрены все случаи квазиравновесия, обеспечивающие определение хотя бы одного параметра импеданса. Исследовано 4 типа мостовых ИЦ с одной цепью обратной связи. В этих ИЦ обратной связью охватывается ветвь сравнения или ветвь, содержащая объект исследования. Наибольшими функциональными возможностями исследуемые ИЦ обладают в случае, когда с помощью ФЧД устанавливается синфазность или квадратура между напряжением разбаланса и падением напряжения на одном из плеч четырехплечей мостовой ИЦ. В этом случае обычные четырехплечие мостовые ИЦ обеспечивают определение лишь одного параметра импеданса по пассивной величине. Четырехплечие мостовые ИЦ с обратными связями обладают большими функциональными возможностями. К примеру, они обеспечивают получение как пассивной, так и активной величин (постоянного и переменного тока), пропорциональных преобразуемому параметру импеданса, позволяют по выходной активной величине определить отношение составляющих или одной из составляющих импеданса, обеспечивают при использовании одного логометрического преобразования получение величин, пропорциональных составляющим импеданса, определение составляющей и отношения составляющих импеданса.

Приобретаемые новые функции преобразования, свойства и возможности четырехплечими мостовыми ИЦ зависят от используемого в ИЦ структурного способа и от того, какая ветвь охватывается обратной связью, от числа используемых обратных связей. При этом наибольший интерес представляют четырехплечие мостовые ИЦ с функциями преобразования, линеаризованными отпосптельпо иммитансов обеих

ветвей (четырехплечие мостовые ИЦ с двумя обратными связями), Исследования этих ИЦ показали, что свойства данных ИЦ во многом совпадают со свойствами известных полуравновесных ИЦ с активными элементами в ветвях. С использованием линеаризованных четырехплечих мостовых ИЦ возможно создание простых ПИ с широкими функциональными возможностями, к примеру, преобразователей модуля импеданса в широких пределах измерения (так как возможна масштабирование), преобразователей не менее двух параметре! импеданса (с отсчетом параметров как по пассивной, так и по активной величинам) и тд. Результаты исследований полуравновесных четырехплечих мостовых ИЦ распространяются и на другие известные полуравновесные ИЦ. Построены возможные структуры исследованных четырехплечих мостовых ИЦ с обратными связями, обладающие ценными свойствами. Даны рекомендации по их практическому использованию. На основании выявленных структур квазиравновесных.четырехплечих мостовых ИЦ с- улучшенными характеристиками построенк варианты аналоговых ПИ, простых в реализации [10, 11, 24-26].

В главе также исследована применимость структурных способо! (разработанных в главе 2) для целенаправленного изменения свойств в возможностей известных полуравновесных ИЦ. Примеры синтез; структур таких ПИ с требуемыми свойствами показаны на рис.5.

В седьмой главе исследованы актуальность и значимость, возмоа ности и перспективность импедансных измерений в области медицины биологии, приборное оснащение импедансного метода, электричеекг модели импедапсов биообъектов. Выявлено более ста задач медик« биологического характера, решаемых в настоящее время импедансны методом п показывающих целесообразность разработки специализ] рованных ПИ для импедансных измерений. Рассмотрены основные пуз коррекции погрешностей измерения импеданса, возникающих пр исследованиях биообъектов, оценены достоинства и недостатки эта путей, области их наиболее эффективного применения. Выбраны приз цнпы построения и структуры специализированных ПИ, иллюстрпруемь на рис.6, из которого видно, что создание ПИ возможно двумя путям Первый путь (рис .6а) предполагает дополнение структуры ПИ блока ИЦ с группой измерительных электродов и аналоговым функциональны преобразователем (ЛФП), обеспечивающим определение аналоговс

Ь **

6 8~х

Рис.5

Зг/

/ >

ои ---у г п блок иц "Р5-* ДФП

-----т

а.

<5.

2кг

I

Г-Й-С

Т-кц

г

I

¿хз

В.

ои к 2-» иц &

1 1 '/7,

1 1 1 —0 -у-

ШУ

А&

величины, пропорциональной измеряемому импедансу. Второй ну! (рис.66) предполагает включение в структуру ПИ одной ИЦ, групп измерительных электродов, мультиплексора М, обеспечив аюшр] коммутацию электродов, и вычислительного устройства ВУ, которое г шине управления ШУ адресует входы М, а также обеспечива« обработку результатов измерений по заданному алгоритму с цель повышения точности измерения [22,23,31,33].

Разработана методика построения специализированных ПИ н; примере ПИ, обеспечивающих измерение импедансных характеристш мягких и костных тканей. Рассмотренные в главе ПИ предназначен для проведения измерений в четырех точках биообъекта. Возможно проведение измерений в меньшем числе точек, однако это будет приводить к методическим погрешностям измерения. Для этих случае] выведены формулы для расчета погрешностей измерения. И в аналога вых, и в цифровых ПИ на основе модели импеданса бпообъекто] (рис.бв) нетрудно определить, что точное измерение информативного параметра возможно при проведении четырех измерений, а имение величин, равных: иаг^ЦХы+Ъг+Хх&ХхЗ+Хкг), йаб=1(Хк1+Хх2+Хкз) Иб,=1(2кз+£х1+%к4), ивг=1(Хк4+%хз+2кг) и их обработке не

формуле:

I>,1= й6в +1/ог-иай -йвг = 2 11Х1.

Каждый из рассмотренных путей построения ПИ по сравнению ( другим имеет свои достоинства и недостатки, связанные с простото! технической реализации, точностью, быстродействием. Так в ПИ, построенном по первому пути, ИЦ будет значительно сложнее ИЦ ПИ построенного по второму пути. Однако быстродействие ПИ построенного по первому пути, в несколько раз будет выше.

Разработаны высокоэффективные импедансные приборы дай мониторинга качества продуктов питания и исследования биожидкостей, а также построены структуры новых ПИ для широкогс применения в различных областях медицины и биологии, в экологии, 1 химии, биофизике и тд., предназначенных для исследования и шучеши самых разных проблем, процессов, протекающих в живом организме для микробиологического анализа качества продуктов питания экспресс-анализа биожидкостей, примесей в разных веществах I тл.[ 15-20,26,27,29,30,32].

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Главным итогом диссертационной работы является разработка методов синтеза структурных способов, комплексов этих способов, обеспечивающих улучшение большинства основных характеристик ПИ, принципов построения на основе этих способов структур ПИ с улучшенными характеристиками и новыми функциональными возможностями, большого числа разнообразных ПИ для решения широкого спектра научных и производственных задач.

Основные выводы и итоги

1. Впервые для улучшения характеристик известных и широко применяемых ПИ разных классов предложены подход комплексного решения проблемы улучшения их основных характеристик и единый путь решения этой проблемы, названный структурным, предусматривающий целенаправленное изменение структуры ПИ при сохранении основных свойств исходной ИЦ. Способы решения проблемы, названные также структурными, получили в работе дальнейшее развитие и научное обобщение. Предложена концептуальная модель улучшения характеристик ПИ структурными способами, на основе которой разработана методология улучшения характеристик ПИ разных классов.

2. Впервые разработана, исследована и систематизирована совокупность структурных способов, обеспечивающих:

-выпрямление пиний уравновешивания ИЦ до идеальных прямых; повышение чувств ите льностеи, их постоянство, независимость точности измерения от регулируемых параметров в уравновешиваемых и квазиуравновепшваемых ИЦ;

-линеаризацию функции преобразования ИЦ в режиме неравновесия, повышение чувств ите льпостей ИЦ и их меньшее изменение в пределах измерения в этом режиме;

-расширение функциональных возможностей уравновешиваемых, квазиуравновешиваемых и неуравновепшваемых ИЦ.

Разработана методика улучшения сходимости, чувств ите льностеи и линейности ИЦ структурными способами. Приведены примеры уравновешиваемых ИЦ с улучшенной сходимостью, с постоянными чувств ите лъпостямн по двум параметрам. Показаны возможности повышения точности, быстродействия, помехоустойчивости, упрощения схемной реализации ПИ структурными способами.

3. Построены новые классы четырехплечих мостовых ИЦ с одное и с двумя обратными связями, обладающие: прямыми линиям? уравновешивания, малоизменяющимися и достаточно высоким! чувств ительностями по каждому из двух параметров I уравновешиваемых и квазиуравновешиваемых режимах; линейным! функциями преобразования и постоянными чувствительностямн I режиме неравновесия; более широкими функциональным! возможностями в режимах квазиравновесия и неравновесия. Для эти? классов четырехплечих мостовых ИЦ выведены расчетные формулы дш определения погрешностей и построены их графики, используемые дш улучшения сходимости и линейности функции преобразования в случа ях неидеальных условий реализации структурных способов Разработаны практические рекомендации по выбору параметре] четырехплечих мостовых ИЦ и активных элементов, используемых дш реализации структурных способов.

4. Впервые предложен структурно-итерационный метод проекта рования с постоянными и переменными весовыми коэффициентами позволяющий строить ПИ, инвариантные к неинформативныъ параметрам элементов соединения. Выявлены и сформулированы дв( теоремы о существовании возможностей обеспечения в ИИ инвариантности к неинформативным параметрам элементов соединения первая - при любых соотношениях этих параметров, вторая - при ш равенстве. Выявлено и сформулировано в виде теоремы отсутствт возможности обеспечения в ИЦ полной инвариантности к неинфор мативным параметрам элементов соединения и возможность использова ния для обеспечения инвариантности структурных способов. С приме нением структурно-итерационного метода проектирования разработан; и систематизирована совокупность структурных способов обеспечена инвариантности в ПИ с четырехпроводной и трехпроводной схемам] включения объекта исследования. Получен новый способ трехпро водного включения объекта исследования, обеспечивающий снижена погрешности измерения до заданной величины. Разработана методик использования предложенного метода для построения инвариантны; ИЦ, на основе которой и показано целенаправленное построена структур инвариантных ПИ в виде графов, получение при этом ране неизвестных структур ПИ. Построены и систематизированы совокуп ности структур инвариантных ПИ на основе простейшей (одноплечей

л потенциометрической ИЦ, четырехплечих мостовых ИЦ с одной обратной связью. При этом на основе простейшей ИЦ получена одна новая структура ИЦ, на основе потенцнометрнческой ИЦ - б новых структур, на основе четырехплечих мостовых ИЦ - 12 новых структур. На основе разработанных структур инвариантных ИЦ построены более 15 оригинальных ПИ, а на основе структуры четырехплечей мостовой ИЦ с двумя обратными связями - схема многоканального инвариантного ПИ с четырехпроводной схемой включения.

5. На основе простейшей, потенцпометрических (линеаризованной н нелинеаризованной) измерительных цепей в режиме неравновесия при использовании фазочувствнтельных, амплитудных и фазовых детекторов построены и систематизированы совокупности возможных структур ПИ. Показано, что по сравнению со структурами ПИ с линеаризованными ИЦ структуры ПИ с нелинеаризованнымп ИЦ содержат почти в два раза большее число функциональных преобразователей и ЭВМ, необходимую для выполнения арифметических процедур с целью определения измеряемых параметров импеданса и представления результатов измерения в цифровой форме. На основе линеаризованных ИЦ построены аналоговые ПИ с простой схемной реализацией.

6. Для класса ПИ, реализуемых на основе нелинеаризованных потенциометрических ИЦ в режиме неравновесия, выведены расчетные формулы для определения не менее двух параметров импеданса (с максимальным числом арифметических процедур, равным 15) при разных используемых функциональных преобразователях и при разном их числе. Использование структурных способов, предусматривающих применение обратных связей (отрицательной и положительной), в потенциометрических ИЦ устраняет необходимость проведения расчетов, применения ЭВМ, что существенно упрошдет реализацию ПИ.

Разработана методика построения ПИ с требуемыми функциональными возможностями в режиме неравновесия и получено более 10 новых структур ПИ с простейшими (одноплечими) и потен-циометрическими ИЦ, обладающих существенными преимуществами перед известными (инвариантностью к импедансам элементов соединения, использование минимального числа функциональных преобразователей, большими функциональными возможностями).

7. Рассмотрены два метода коррекции погрешностей ПИ (муть типликативных, аддитивных и фазовых погрешностей, погрешностей о' нелинейных составляющих функции преобразования), нредусматрива ющих проведение вспомогательных измерений с использование* дополнительных каналов измерения. По первому методу структуры Ш дополняются автономными каналами измерения, по второму - на вхо; ПИ по тактам измерения подключаются разные объекты измерения. Дл второго метода исследована и систематизирована совокупност] структур соединений образцовых мер и объектов исследования используемых для коррекции разных погрешностей и в различных ПИ Показано, что структуры соединений отличаются числом используемы: образцовых мер и объекта исследования, схемами соединения этш элементов между собой, схемами управления переключением структур а также расчетными формулами для коррекции погрешностей.

8. Разработана методика построения ПИ с возможностями кор рекции погрешностей, на основании которой получены и системати зированы структуры ПИ с коррекцией разного числа погрешностей ( использованием простейших (одноплечих), потенциометрически? линеаризованных и нелинеаризованных ИЦ. На основе линеаризованных ИЦ построены ПИ с возможностью коррекции погрешностей г одновременно инвариантных к неинформатавным параметрам элементо! соединения. Показано, что ПИ на основе нелинеаризованных И11 характеризуются более сложными расчетными формулами, чем ПИ с линеаризованными ИЦ. Разработаны схемы управления переключением структур соединений образцовых элементов и объектов исследованш на основе мультиплексоров.

9. Впервые расширены функциональные возможности четы-рехплечих мостовых ИЦ структурными способами в режиме квазиравновесия. Построено более 16 новых структур четырехплечш мостовых ИЦ (с одной обратной связью), обеспечивающих получение как пассивной, так и активной величин (в том числе и на постоянном токе), пропорциональных составляющим импеданса, а также обеспечивающих преобразование отношения составляющих импеданса I активную величину.

Разработано более 12 новых структур четырехплечих мостовых ИЦ в режиме полуравыовесия (с двумя обратными связями), обеспечивающих преобразование в активные скалярные величины модуля

отношения составляющих импеданса в широких пределах измерения, преобразование двух составляющих импеданса, одной составляющей н отношения составляющих. Выявлены возможности целенаправленного изменения свойств известных полуравновесных ИЦ структурными способами. Построены новые структуры полуравновесных ИЦ с различными функциональными возможностями, обладающие преимуществами по сравнению с известными.

На основе разработанных структур четырехплечих мостовых ИЦ с улучшенными свойствами в режиме квазиравновесия построены различные варианты упрощенных преобразователен параметров импеданса в аналоговые величины с высокими техническими характеристиками.

10. Впервые для случаев исследования мягких а костных тканей разработаны и исследованы структурные способы, обеспечивающие построение специализированных ПИ с различными методическими погрешностями и основанные на проведении измерений пмпедансов в четырех точках объекта исследования. Показаны принципы построения ПИ с использованием разного числа ИЦ и аналогового арифметического функционального преобразователя, определены алгоритмы обработки измеряемых величин для ПИ с разными числами ИЦ (с разными структурами ПИ). Показаны принципы построения цифровых ПИ (с использованием ЭВМ) с разными числами тактов измерения, а значит с разной степенью коррекции погрешностей измерения. Предложена методика построения специализированных ПИ, на основании которой построено более восьми структур специализированных ПИ с использованием простейшей (одноплечей) и четырех-плечей мостовой ИЦ.

И. С применением теоретических положений, выводов и результатов, полученных в работе, разработаны: ПИ для мониторинга качества продуктов питания (с коррекцией погрешностей измерения, инвариантный к параметрам элементов соединения, с определением восьми параметров импеданса исследуемого образца и т.д.); ПИ для исследования биожидкостей (с прямыми линиями уравновешивания, с линейным отсчетом измеряемых величин и т.д.), а также другие приборы. В целом с использованием структурных способов построено более ста различных вариантов оригинальных, одноканальных и многоканальных ПИ с улучшенными характеристиками, предназначен-

ных для широкого применения в различных областях науки и техник* включая медицину и биологию, химию и биофизику, экологию : производство и тд. Эта ПИ могут обеспечивать изучение самых разны проблем, включая процессы, протекающие в живом организме диагностику болезней, микробиологический анализ качества продукте питания, исследование процессов культивирования микроорганнзмог зкспресс-анализ биожидкостей и растворов, исследование содержали примесей в веществах и т.д.

В диссертационной работе таким образом получила решени имеющая важное теоретическое и народнохозяйственное значени проблема построения высокоэффективных ПИ, ПИ с улучшенным свойствами и метрологическими характеристиками, ПИ расширенными функциональными возможностями, с простой схемно] реализацией путем разработки новых методов структурного синтеза ] анализа ПИ. Разработаны методики улучшения характеристик ГО структурными способами, позволяющие строить ПИ на качествен» новом, научно обоснованном уровне. Приведены итоги практнческог внедрения полученных научных положений и результатов.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1.Кнеллер В.Ю., Боровских Л.П., Хасцаев БД. Совершенство ванне средств измерения комплексных величин на основе использовали преобразователей МПО в скалярные величины и структурных методо улучшения сходимости/Отчет по НИР.-Гос.-регастр.№72045558.-Инв. № Б 490743.-М.: Институт проблем управления АН СССР.-1975.-32 С.

2.Кнеллер В.Ю., Хасцаев БД. Устройство для измерени комплексных сопротивлений. А. с.№563638.-БИ.-1977.-№24.-С. 24.

3.Кнеллер В.Ю., Хасцаев БД. Четъгрехплечий измерительны мост. А. с. № 563639.-БИ.-1977.-№24.-С. 24-25.

4.Кнеллер В.Ю., Хасцаев БД. Четъгрехплечий измерительны мост. А. с. № 586391.-БИ.-1977.-№48.-С. 137-138.

5.Кнеллер В.Ю., Хасцаев БД. Структурные методы улучшеш характеристик измерительных цепей преобразователей/Тезисы доклад« УП Всесоюзного совещания по проблемам управления, Минск 1977. кл2, "Институт проблем управления - Москва, Институт техническс кибернетики - Минск ". - С. 348-351.

6. Хасцаев БД Структурный метод улучшения сходимости четырехплечих мостовых измерительных цепей/В кн.- Моделирование и управление в развивающихся системах.-М.: Наука.-1978.-С.213-220.

7. Хасцаев БД. Мостовые преобразователи составляющих комплексного сопротивления в аналоговые сигналы с линейной характеристикой/ Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического семинара "Измерительные преобразователи параметров электрических цепей".-Ульяновск.-Ульяповскнй политехнический институт.-1978.-С. 35-36.

8. Хасцаев Б.Д. Четырехплечпе мостовые измерительные цепи с линеаризованными характеристиками //Приборы и системы управления.-1978.-N10.-C.34-37.

9. Хасцаев Б.Д. Синтез на основе структурного подхода линеаризованных мостовых цепей, нечувствительных к изменению сопротивлений подводящих проводов/В кн.-Отчет по НИР.-Гос.-решстр. №77000287.-Инв.№Б767962.-М.: Инсттпут проблем управления АН СССР.- 1978.-10 С.

10. Хасцаев Б.Д. Улучшение сходимости, чувствительности и линейности преобразователей параметров комплексных сопротивлений структурными способами. Диссертация на соиск. учен. степ. к.т.н., М.: Институт проблем управлення.-1979.-151 С.

11. Хасцаев БД. Улучшение сходимости, чувствительности и линейности преобразователей параметров комплексных сопротивлений структурными способами. Автореферат диссертация на соиск. учен, степ. к.т.н., М.: Институт проблем управления.-1979.-24 С.

12. Kneller V.Yu., Khastsaev B.D. Improving the characteristics of measuring circuits by structural methods/Measuring for progress in science and technology. ACTA IMEKO VIII 21-27 May 1979,-Moscow, vol.II.-Budapest.-Изд-во АН Венгрин-1980.

13. Хасцаев БД. Четырехплечий измерительный мост. А.с. N 725030. -БИ.-1980.-И12.

14. Хасцаев БД. Линеаризованные мостовые цепи, инвариантные к влиянию соединительных проводов//Приборы и системы управления.-1984.-N8.-C.15-16.

15. Хасцаев БД. Структурные способы повышения точности измерения в системах автоматизации биологического эксперимента/Сб. трудов. - Тезисы докладов I Международной школы молодых ученых. -София: Болгарская AH.-19S4.

16. Хасцаев БД. О некоторых возможностях повышения досто верности экспериментальных данных/Сб. - Приборы для исследований области физико-химической биологии и биотехнологии. - Пущине АН СССР.-1986.

17. Хасцаев БД. Преобразователь добротности в напряжение. А.с Ш205070.-БИ.-1986.-Ы2.

18. Хасцаев БД. Устройство для измерения температуры. А.с N1362957 .-БИ.-1987 .-N48.

19. Хасцаев БД. Мостовой преобразователь /Сб.-Приборы : лабораторное оборудование для научных исследований по новьв направлениям биолопш и биотехнолоши.-Пущано.-АН СССР.-1990.

20. Хасцаев Б. Д. Импедансный метод для определения примесей веществах/В кн.- Материалы НТК СКГМИ к 100-летию со дн рождения проф. Агеенкова В.Г. - Владикавказ: Терек.-1993.

21. Хасцаев БД. Четырехплечие мостовые цепи с двойным операционными усилителями/Тезисы докл. международной конференци "Измерительные информационные системы ИИС-94".-М.- 1994.

22. Хасцаев БД. Импедансный метод в медико-биологическн исследованиях/В кн. - Электронные приборы и устройства в промыш ленности. Тезисы докладов юбилейной конференции. - Владикавказ Терек.-1994.

23. Хасцаев БД. Особенности технической реализации импедан сного метода в медико-биологических исследованиях/В кн.-Элект ронные приборы и устройства в промышленности. Тезисы докладо юбилейной конференции. - Владикавказ: Терек.-1994.

24. Хасцаев БД. Кондуктометр с цифропечатью/В кн.-Электрон ные приборы и устройства в промышленности. Тезисы докладов юбп лейной конференцни.-Владикавказ: Терек.-1994.

25. Хасцаев БД. Измерительный преобразователь с четырехпро водной схемой включения датчика/В кн.-Электронные приборы ] устройства в промышленности. Тезисы докладов юбилейной конферен ции.-Владикавказ.: Терек.-1994.

26. Хасцаев Б. Д. Импеданс кожи и аналоговые мостовые устрой ства для его измерения//Медицинская техника.-1995.-№ 2.-С. 20-23.

27. Хасцаев БД. Малогабаритный измеритель проводимости ] емкости жидких сред/Тезисы докладов научно-технической конферен

mm СКГТУ, посвященной 50-летню Победы над фашистской Германией. - Владикавказ: Терек.-1995.-С.8-9.

28. Khastsaev B.D. Synthesis of impedance meters invariant to uninformative parameters/Труды симпозиума ИМЕКО.- Прага.-1995. 29. Хасцаев БД. Многоканальный прибор для контроля качества пищи /Тезисы докладов участников Н-ой Международной конференции "Безопасность и экология горных территорий" 25-30 сентября 1995. -Владикавказ. -1995.- С. 299-300.

30. Хасцаев БД. Схема для тестирования импеданса почвы/Гезисы докладов участников П-ой Международной конференции "Безопасность и экология горных территорий" 25-30 сентября 1995.-Владикавказ.-

1995.-С.584-585.

31. Хасцаев БД. Введение в моделирование импеданса биообъектов и применение его информационных свойств в медицине и биологии. -Владикавказ: Терек.-1995.-107 С.

32. Хасцаев БД. Аналоговые линейные инвариантные измерители импеданса//Измерительная техника.-1996.-Н 2.-С.48.

33. Хасцаев БД. Импедансный метод в медико-биологических исследованиях и его приборное оснащение//Медицинская техника.-

1996.-N 3.-С.34-40.

34. Хасцаев БД. Линеаризованный инвариантный измеритель проводимости и емкости жидких веществ//Измерительная техника.-1996.-N 9.-С.44-45.

35. Хасцаев БД. Основы теории построения преобразователей импеданса в режиме неуравновешивания с коррекцией погрешпостей.-Владикавказ: Терек.-1996.-110 С.

Подписано в печать 09.01.97 г. объем 1,8 п.л. Заказ 394. Тираж 100 экз. Изд-во "Терек", СКГТУ, 362021, г.Владикавказ, ул.Николаева,44.