автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Разработка и исследование преобразователей параметров трехэлементных электрических цепей в унифицированные сигналы

Введение.

Глава 1. Обзор методов и средств преобразования параметров сложных электрических цепей.

1.1. Обзор и анализ методов преобразования параметров сложных электрических цепей.

1.2. Инвариантные преобразователи.

1.3. Преобразователи с селективной формой инвариантности в устройстве обработки информации.

Актуальность работы и состояние проблемы

Измерение и контроль параметров сложных электрических цепей (СЭЦ) является одним из важнейших разделов современной информационно-измерительной техники. Измерение параметров СЭЦ необходимо при контроле параметров узлов и устройств радиоэлектронного оборудования в процессе его производства и эксплуатации, при проведении научных физико-химических исследованиях, при исследованиях в биологии и медицине, при исследовании свойств веществ. Измерение и контроль параметров СЭЦ широко используются в различного рода информационно-измерительных системах с резистивными, емкостными и индуктивными датчиками, при определении паразитных параметров образцовых элементов. Без дальнейшего совершенствования методов и средств измерений параметров СЭЦ в настоящее время немыслим прогресс в области измерений параметров различных неэлектрических величин электрическими методами.

Приборостроение, техническая кибернетика, химическая и нефтедобывающая промышленность, медицина и геофизика — вот далеко неполный перечень отраслей, где требуется измерение и контроль параметров СЭЦ.

В общем случае, СЭЦ может характеризоваться как обобщенными параметрами (модуль и аргумент полного сопротивления, активная и реактивная его составляющие), так и параметрами отдельных элементов. Причем, зная структуру СЭЦ и параметры ее элементов, во всех случаях можно определить нужный обобщенный параметр, в то время как обратная задача может быть решена лишь для некоторых частных случаев.

Вследствие этого, особое значение приобретает задача разработки методов и средств получения информации о параметрах СЭЦ заранее заданной, достаточно сложной топологии. 5

Решение такой задачи возможно как путем совершенствования известных решений, так и путем разработки новых принципов получения информации о параметрах СЭЦ.

В связи с непрерывным возрастанием требований к количественному составу информации, получаемой с помощью средств измерений, одной из задач является проблема раздельного, независимого измерения параметров многоэлементных двухполюсных электрических схем [1, 2].

В настоящее время наиболее полно разработаны преобразователи параметров двухэлементных электрических цепей (ДЭЦ) в различные унифицированные сигналы. Хорошо зарекомендовали себя преобразователи, схемы которых строятся по разомкнутой структуре. В схемах таких преобразователей используются источник опорного воздействия, от которого подается напряжение синусоидальной, треугольной формы или типа меандр, активная измерительная цепь и устройство обработки выходного напряжения для разделения информации о параметрах СЭЦ [3]. Преобразователи подобного типа просты в структурном и схемотехническом плане, кроме этого обладают хорошими метрологическими характеристиками, широким диапазоном соотношений измеряемых параметров СЭЦ и расширенными функциональными возможностями.

В случае использования данных преобразователей для преобразования параметров датчиков, имеющих трехэлементную схему замещения, в выходном сигнале будет присутствовать методическая погрешность, обусловленная нелинейностью выходного сигнала измерительной цепи (ИЦ), влияющая на процесс преобразования информативных параметров трехэлементных электрических цепей (ТЭЦ). Эта погрешность является следствием дополнительного влияния цепи, характеризующей, например, емкость перехода датчик-«объект измерения» [4, 5]. Поэтому, в последние годы одной из актуальных задач стало преобразование параметров СЭЦ, имеющих трехэлементную схему замещения. 6

Следует отметить, что наиболее значимые результаты в создании теории и практики данного научного направления получены коллективами, руководимыми Л. И. Волгиным, Ф. Б. Гриневичем, В. Ю. Кнеллером, А. А. Кольцовым, А. И. Мартяшиным, Е. П. Осадчим, К. М. Соболевским, А. А. Тюкавиным, В. М. Шляндиным, Г. А. Штамбергером. В результате проведенных исследований решен ряд теоретических и практических вопросов, касающихся методов уравновешивающего и прямого преобразования параметров ТЭЦ.

Вместе с тем, разработанные к настоящему времени средства преобразования, обеспечивающие возможность получения информации о параметрах ТЭЦ, достаточно сложны в структурном и схемотехническом плане и требуют индивидуального решения.

В силу этого, задача создания измерительных преобразователей параметров ТЭЦ, обладающих в сравнении с известными более широкими функциональными возможностями, диапазоном соотношений параметров и характеризующихся в то же время максимальной простотой в реализации, является актуальной. При этом не теряет актуальности проблема поиска путей совершенствования измерительных преобразователей параметров ТЭЦ с целью дальнейшего улучшения метрологических характеристик, помехоустойчивости и технологичности.

Цели работы и задачи исследований

1. Поиск новых структурных способов получения раздельной информации о параметрах двух и трехэлементных электрических цепей.

2. Разработка обобщенного представления и математическое описание метода синтеза входных воздействий с целью получения аналитических выражений опорного сигнала для каждой из существующих ТЭЦ.

3. Исследование возможности аппаратного создания опорного воздействия, представленного математической моделью. 7

4. Исследование методических погрешностей, влияющих на процесс преобразования информативных параметров ТЭЦ, с целью выявления условия их минимизации и разработки соответствующих рекомендаций.

5. Исследование возможности функционального расширения области применения метода синтеза опорных воздействий.

6. Разработка и экспериментальное исследование ряда измерительных преобразователей, реализующих предлагаемый метод.

Структура и краткое содержание диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, приложения и содержит 120 страниц основного текста, иллюстрируемого рисунками и таблицами на 50 страницах. В приложении внесены документы, подтверждающие результаты внедрения.

4.4. Основные выводы и результаты

1. Предложен ряд функциональных схем ИП параметров ТЭЦ с временным и пространственным способами достижения инвариантности, использующих синтезированное опорное воздействие.

2. Предложены функциональные схемы ИП параметров ТЭЦ, в которых с целью уменьшения методической погрешности, обусловленной нелинейностью характеристики выходного сигнала ИЦ, выделяется наиболее линейной части выходного сигнала ИЦ и оценивается его среднее значение.

3. Проведено экспериментальное исследование свойств разработанных устройств, в результате чего были подтверждены исходные посылки и результаты теоретических исследований ИП.

160

Заключение

В соответствии с целями и задачами исследования, изложенными во введении и в первой главе диссертационной работы, были получены следующие основные результаты:

1. Проведена систематизация способов инвариантного преобразования с селекцией в УОИ, что позволило с единых и общих позиций рассмотреть известные результаты и наметить возможные подходы к разработке ИП, обладающих новыми свойствами.

2. Предложено обобщенное представление метода синтеза опорных воздействий, который предполагает предварительное определение исходных и производных схем замещения, на основе чего формируется опорный сигнал, представляющий собой сумму напряжений (токов), при этом одно служит опорным воздействием на производную схему замещения, а второе компенсирует влияние неинформативного параметра исходной ТЭЦ.

3. Разработано математическое описание метода синтеза и получены аналитические выражения опорных сигналов для всех смешанных ТЭЦ. Проанализированы возможности создания опорных сигналов, представленных математическими моделями, и выделена группа ТЭЦ, для которых существует целесообразность создания подобного опорного сигнала.

4. Исследовано влияние погрешности, обусловленной несоответствием соотношений реальных параметров преобразуемой ТЭЦ в момент проведения измерений, с теми, для которых была проведена настройка параметров составляющих опорного сигнала, на точностные характеристики ИП, в основе которых лежит временной и пространственный способы разделения информативных сигналов, и на основании полученных результатов были определены требования к составляющим опорного сигнала.

162

1. Мартяишн А. И., Шахов Э. К., Шляндин В. М. Преобразователи электрических параметров для систем контроля и измерения — М.: Энергия. 1976.

2. Волгин Л. И. Методы топологического преобразования электрических цепей. — Саратов: Изд-во Саратовского ун-та, 1982.

3. Путилов В. Г. Структурные методы совершенствования измерительных преобразователей параметров двухэлементных электрических цепей. Автореф. дис. . . . канд. техн. наук. — Пенза: Пенз. гос. техн. ун-т, 1994.

4. Лопатин Б. А. Теоретические основы электрохимических методов анализа. — М.: Высшая школа, 1975.

5. Биохимические системы. Теория и проектирование / Под ред. В. М. Ахутина. — Л.: ЛГУ, 1981.

6. Карандеев К. Б. Мостовые методы измерений. — Киев: Гостехиздат УССр, 1953.

7. Нестеренко А. Д. Основы расчета электроизмерительных схем уравновешивания. — Киев: Изд-во АН УССР, 1953.

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

9. Гриневич Ф. Б. Автоматические мосты переменного тока. — Новосибирск: Изд-во СО АН СССР, 1964.10 .Кнеллер В. Ю. Автоматическое измерение составляющих комплексного сопротивления. — М.-Л.: Энергия, 1967.

10. И.Тюкавин А. А. Измерение параметров трех- и четырехэлементных двухполюсников мостами переменного тока. — Саратов: Изд-во Саратовского ун-та, 1988.

11. Переделъский Г. И. Мостовые цепи с импульсным питанием. — М.: Энергоатомиздат, 1988.163

12. ХА.Тюкавин А. А. Мост для измерения параметров трехэлементных CRC двухполюсников. // Методы и средства преобразования и обработки аналоговой информации: Тр. межд. конф. — Ульяновск, 1999.

13. Джикаев Г. В., Тюкавин А. А. Способ сходимости мостов переменного тока для измерения параметров трехэлементных двухполюсников. / Методы и средства преобразования и обработки аналоговой информации: Тр. межд. конф. — Ульяновск, 1999.

14. Гриневич Ф. В., Доброе Е. Е., Карандеев К. Б. Автокомпенса-ционные мостовые цепи. // Автометрия, № 5, 1965.

15. Скобелев О. П. Методы получения информации из переходных процессов в простейших апериодических системах. Труды КуАИ. Вып. XXII. — Куйбышев, 1966.

16. Куликовский К. Л., Шахмурадов А. Б. Тестовые преобразователи индуктивности и емкости с информационной избыточностью. // Приборы и системы управления. 1979. № 12.

17. Гитис Э. И. Преобразователи информации для электронных цифровых вычислительных устройств. — М.: Наука, 1965.

18. Кнеллер В. Ю., Боровских Л. П. Определение параметров многоэлементных двухполюсников. — М.: Энегроатомиздат, 1986.

19. Цветков Э. И. Процессорные измерительные средства. — Л.: Энегроатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1989.

20. Мартяшин А. И., Орлова Л. В., Шляндин В. М. Преобразователи параметров многополюсных электрических цепей. — М.: Энергоиздат, 1981.

21. Основы инвариантного преобразования парметров электрических цепей / А. И. Мартяшин, К. Л. Куликовский, С. К. Куроедов, Л. В. Орлова; Под ред. А. И, Мартяшина. — М.: Энергоиздат, 1990.

22. Мартяшин А. И., Чернецов В. И., Куликовский К. Л., Данилов А. Ю. Принципы построения многопараметровых измерительных преобразователей датчиков // Датчики систем измерения, контроля и управления. — Пенза: Пенз. политехи, ин-т, 1985.

23. Фролов И. Н., Чернецов В. И. Способ раздельного преобразования двухполюсных электрических цепей // Цифровая информационно-измерительная техника. Межвуз. сб. науч. тр. — Пенза: Пенз. политехи, ин-т, 1983 — Вып. 13.

24. А. с. 363047 СССР. Измеритель реактивностей / Черняк С. П., Семенов А. А. // Открытия, изобретения. 1973, №3.

25. А. с. 679897 СССР. Измеритель параметров RXCX(LXCX) цепей / Беккер В. В., Мартяшин А. И., Морозов А. Е., Путилов В. Г., Рябов В. Ф., Шляндин В. М. // Открытия, изобретения. 1979, №30.166

26. А. с. 779912 СССР. Преобразователь параметров КЬ-, ЯС-цепей в частотно-временные сигналы / Кулапин В. И., Мартяшин А. И., Рябов В. Ф. // Открытия, изобретения. 1980, №42.

27. Жадаев А. А., КрысинЮ.М., Путилов В. Г. Преобразователь параметров емкостных датчиков в напряжение // Датчики систем измерения, контроля и управления. Межвуз. сб. науч. тр. — Пенза: Пенз. политехи, ин-т, 1986. — Вып. 6.

28. А. с. 1629878 СССР. Измеритель емкости, шунтированной сопротивлением / Путилов В. Г., Петров Ю. И., КрысинЮ.М., Малахов А. А. // Открытия, изобретения. 1991, №7.

29. А\.Крысин Ю. М., Ломтев Е. А., Путилов В. Г. Измеритель параметров КХСХ (КХЬХ) цепей. II Вопросы теории и проектированияаналоговых измерительных преобразователей. Межвуз. науч. сб. — Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1987.

30. Путилов В. Г., Крысий Ю. М. Преобразователь параметров емкостных датчиков в напряжение // Информационно-измерительная техника: Межвуз. сб. науч. тр. — Пенза: Пенз. гос. ун-т, 1998

31. АЗ.Путников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. —Л.: Энергия Ленингр. отд-ние, 1980.

32. А. с. 1629879 СССР. Преобразователь параметров параллельных КС цепей в напряжение / Путилов В. Г., Петров Ю. М., Крысин Ю. М., Малахов А. А. // Открытия, изобретения. 1991, №7.

33. Путилов В. Г., Крысин Ю. М. Об одной возможности измерения параметров параллельных /?С цепей. / Цифровая информационно-измерительная техника. Межвуз. сб. науч. тр. — Пенза: Пенз. политех, ин-т, 1988.

34. А. с. 763821 СССР. Устройство для регистрации вольт-фарадных характеристик / Путилов В. Г., Рыжов В. Ф., Цыпин Б. В., Рябинин В. И. II Открытия, изобретения. 1980, №34.167

35. Фельдберг С. М. Исследование и разработка методов и средств измерения параметров МДП-структур. Автореф. дис. . . . канд. техн. наук. — Пенза: Пенз. политехи, ин-т, 1980.

36. А. с. 898342 СССР. Измеритель сопротивления кондуктометри-ческого датчика / Е. Д. Абросимов, А. М. Мартяишн, А. В. Светлов, Б. В. Цыпин, В. М. Чайковский II Открытия, изобретения. 1982, №2.

37. Рябов В. Ф. Особенность использования импульсных воздействий в преобразователях параметров емкостных датчиков // Цифровая информационно-измерительная техника: Межвуз. сб. науч. тр. — Пенза: Пенз. политехи, ин-т, 1985. — Вып. 15.

38. Толстое Г. П. Ряды Фурье — М.: Наука, 1980.51 .Бессонов Л. А. Линейные электрические цепи. — М.: Высшая школа, 1974.

39. Кольцов А. А. К теории электрических схем уравновешивания // Электроизмерительные цепи и устройства контроля и автоматизации нефтяной промышленности: Сб. науч. тр. — Уфа: Уфим. нефтян. ин-т, 1970.

40. Абрамов И. А. Об одной возможности преобразования параметров электроемкосных датчиков в напряжение // Датчики систем измерения, контроля и управления: Межвуз. сб. науч. тр. — Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2000. — Вып. 18.

41. Абрамов И. А., Крысин Ю. М. Способ преобразования параметров электроемкостных датчиков в напряжение. // Информационно-измерительная техника: Межвуз. сб. науч. тр. — Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2000. — Вып. 25.168

42. Диткин В. А., Прудников А. П. Интегральные преобразования и операционное исчисление. — М.: Физматгиз, 1961.

43. Конторович М. И. Операционное исчисление и процессы в электрических цепях. Учебн. пособие для вузов. — М.: Сов. Радио, 1975.58Дёч Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа и 2-преобразования. — М.: Наука, 1971.

44. Лопатин Б. А. Теоретические основы электрохимических методов анализа. Учеб. пособие для ун-тов. М., 1975.

45. Беспрозванный Б. С., Андреев В. С. Бесконтактные кондукто-метрические преобразователи из материалов с высокой диэлектрической проницаемостью // Измерительная техника, 1969, №3, с. 51-53.

46. Новицкий С. П. и др. Установка для быстрой регистрации и обработки частичных зависимостей электродного импеданса // Электрохимия. Т. XXI, вып. 12, 1985.

47. Коломбет Е. А., Юркович К., Зодл Я. Применение аналоговых микросхем. — М.: Радио и связь, 1990.

48. Абрамов И. А., Крысин Ю. М., Путилов В. Е. Анализ и расчет точностных характеристик преобразователя параметров параллельных .КС-цепей // Датчики и системы, №8, 2000.169

49. Абрамов И. А., Крысин Ю. М, Нежданов К. С., Путилов В. Г. Преобразователь параметров параллельных ЯС цепей с токорасщепительными цепями // Проблемы сертификации и управление качеством: Тез. докл. Всеросс. науч.-техн. конф. — Ульяновск, 1998.

50. Абрамов И. А., Крысин Ю. М, Путилов В. Г. Преобразователи параметров параллельных КС, цепей в напряжение. // Информационно-измерительная техника: Межвуз. сб. науч. тр. — Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1999. — Вып. 24.

51. Ю.Абрамов И. А., Крысин Ю. М. Способ преобразования параметров сложных электрических цепей в напряжение // Датчики систем измерения, контроля и управления: Межвуз. сб. науч. тр. — Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2000. — Вып. 18.

52. Х.Абрамов И. А., Крысин Ю. М., Путилов В. Г. Об одном способе преобразования параметров электроемкостных датчиков в напряжение // Приборы и системы управления, № 2, 1999.

53. Абрамов И. А., Крысин Ю М., Путилов В. Г. Реограф-глюкомер. // Тез. докл. Всеросс. науч. практ. конф. "Одиннадцатые научные чтения памяти академика Н. Н. Бурденко". — Пенза, 1998.

54. Абрамов И. А., Крысин И. А., Путилов В. Г. Индикатор концентрации сахара в крови у детей. // Радиоэлектроника в медицине: Тез. докл. Межд. науч.-техн. конф. — М., 1999.

55. А.Березовский В. А., Колотгиюв Н. Н. Биофизические характеристики тканей человека. Справочник. — Киев, Наукова думка, 1990.170

56. Путилов В. Г., Абрамов И. А., Балыкова А. А., Путилова Т. И., Петров Ю. И. Индикатор концентрации сахара в крови. // Информационный листок Пенз. ЦНТИ N 298-96.

57. Суровицкая Г. В. Разработка и исследование процессорных средств измерения параметров элементов сложных двухполюсных электрических цепей. Автореф. дис. . канд. техн. наук. — Пенза: Пенз. гос. тех. ун-т, 1996.

58. Светлов А. В. Принципы построения преобразователей параметров многоэлементных двухполюсных электрических цепей. — Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1999.

59. Справка выдана для представления в Специализированный совет ПГУ.1. Зав. аспирантурой1. Зав. отдела ВТ1. Путилов В. Г.1. Торгашина Т. Ф.

60. Утверждаю» За~СЮ «Инсайт» "рапчина Л.В.1. Акто внедрении законченных научно-исследовательских работ