автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.05, диссертация на тему:Синтез и обработка сигналов в устройствах измерения параметров электрических цепей

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

^ На правах рукописи

со & л, Л/

ЧУРАКОВ Петр Павлович

СИНТЕЗ И ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ В УСТРОЙСТВАХ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

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

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

ПЕНЗА 1998

Работа выполнена н.а .кафедре «Радиотехника» Пензенского государственного университета.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Коловертнов Ю. Д.; доктор технических наук, профессор Прохоров С. А.; доктор технических наук, профессор Смольский С. М.

Ведущее предприятие — -Пензенский государственный научно-исследовательский институт электронно-механических приборов ЛГНИИЭМП.

Защита диссертации состоятся 22 октября 1998 г.,

е Ю часов, ш, заседании диссертационного совета Д. 063.18.01 Пензенского государственного университета по адресу: 440017, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией мож.ио ознакомиться в библиотеке Псн-зенокото государственного университета. _

Автореферат разослан С^У^кА^ 1998 года.

Ученый секретарь диссертационного совета к. т. н., доцент

Ю. М. Крысин

Актуальность. Определение параметров электрических цепей . требуется при проведении научных физико-химических исследований, при кош-роле параметров радиоэлектронных схем, при измерении неэлектрических неличин с использованием параметрических датчиков, при исследованиях в биологии и медицине, при исследовании свойств веществ и во многих других случаях. Многоэлементные электрические цепи (ЭЦ) являются эквивалентными электрическими схемами замещения объектов при проведении электроснсктрографнчсских, диэлькомстрических, кондуктомст-рических и полярографических исследований в биологии и медицине, электрохимической и технической физике.. Существующие . устройства измерения параметров электрических цепей не в полной мере удовлетворяют современным требованиям по совокупности метрологических характеристик. Указанные причины обусловили актуальность диссертационной работы.

Цель работы. Разработка на основе теории синтеза и обработки сигналов алгоритмов функционирования и методов синтеза устройств измерения параметров многоэлементных линейных и нелинейных электрических цепей (УИПЭЦ), обладающих широкими функциональными возможностями при высоких метрологических характеристиках. Разработка методики инженерного проектирования, теоретического и экспериментального исследования УИПЭЦ. Для достижения поставленной цели предварительно необходимо провести анализ устройств обработки сигналов применительно к синтезу и анализу УИПЭЦ.

Предмет исследования. Алгоритмы функционирования и структуры устройств измерения параметров линейных и нелинейных двух-, трех- и четырехэлементных многополюсиых и двухполюсных ЭЦ при различном соединении элементов для приборов измерения электрических и магнитных величин.

Научная новизна. 1. Разработан обобщенный подход и синтезированы алгоритмы построения УИПЭЦ с селективными, многоканальными и комбинированными методами обеспечения инвариантности.

2. Синтезированы обобщенные схемы УИПЭЦ с селективными методами обеспечения инвариантности без введения дополнительного опорного канала (ДОК), с многоканальными методами обеспечения инвариантности с прямым и обратным направлением преобразования в ДОК и с комбинированными методами обеспечения инвариантности.

3. Синтезированы узлы - обработки (УО) для выделения информативного параметра для УИГ1ЭЦ без ДОК и с прямым па-правлением преобразования в ДОК.

4. Синтезированы узлы фиксации момента компенсации (УФМК) УИПЭЦ с обратным направлением преобразования в ДОК и с комбинированными методами обеспечения инвариантности.

5. Разработаны принципы построения и схемы устройств измерения обобщенных параметров ЭЦ и УИПЭЦ, обеспечивающих требуемую функциональную зависимость между входными и выходными параметрами.

6. Разработаны алгоритмы и схемы определения конфигурации и состава ЭЦ априори неизвестной структуры.

7. Теоретически исследованы УИПЭЦ: определены интервалы инвариантности, статические погрешности и быстродействие для различных видов УИПЭЦ.

8. Определены пути дальнейшего совершенствования УИПЭЦ состоящие: в использовании более сложных измерительных схем и входных воздействий; в анализе выходных сигналов измерительной схемы посредством разложения на ортогональные базисные функции; в использовании стробоскопических методов преобразования и информации о «тонкой» структуре сигналов.

Методика проведения исследования. При разработке алгоритмов функционирования УИПЭЦ использованы методы анализа и синтеза инвариантных систем автоматического регулирования и управления. При синтезе узлов обработки - принципы разделения сигналов по форме. При анализе УИПЭЦ использован математический аппарат обычного и дискретного преобразования Лапласа. При определении конфигурации и состава ЭЦ неизвестной априори структуры использованы корреляционные методы различения сигналов. При анализе погрешностей использоваиы основные положения теории чувствительности и допусков электронных схем. При экспериментальном исследовании использован вероятностный подход к анализу погрешностей.

Практическая ценность: — разработана методика инженерного проектирования и исследования УИПЭЦ;

— разработаны струкгуры УИПЭЦ, решающие ряд нерешенных ранее задач;

— разработанная методика внедрена в учебный.процесс преподавания дисциплин «Устройства генерации и формирования

радиосигналов» и « Автоматизированные системы контроля и управления РЭС» 3].

Реализация в промышленности: Представленные в диссертационной работе исследования проводились и соответствии с Координационным планом НИР Российской академии наук на 19861990 г.г. но проблемам «Измерительные процессы и системы» (шифр 1.12.8) подраздел 1.12.8.2 «Тсбрия и методы организации измерительных процессов и системах управления» и «Теория и методы получения измерительной информации» Подраздел 1.13.1 «Информационное обеспечение отрасли (приборостроение) перспективными средствами измерения механических-параметров».

Цифровой измеритель параметров катушек индуктиь ости внедрен в Отраслевой научно-исследовательской лаборатории автоматизации электрических измерений и контроля Пензенского политехнического института (ныне государственного университета) [12, 331.

Вторичные преобразователи значения индуктивности в частоту и интервал времени для первичных индуктивных измерителей линейных перемещений внедрены в Пензенском филиале научно-исследовательского института физических измерений ( ныне Пензенский научно-исследовательский институт физических измерений) [10, 37].

Инвариантный измеритель значения индуктивности используется в качестве базового в приборе контроля магнитной проницаемости тороидальных сердечников, внедренном на заводе «Ужгородприбор» г.Ужгород Украина [11].

Различные модификации устройства измерения постоянной времени первичных индуктивных преобразователей внедрены на заводе «Ужгородприбор» г.Ужгород Украина, заводе «Тяжпромарматура» г. Пенза и в акционерном обшестве «Электромеханика» г. Пенза в приборах контроля межвитковых замыканий в катушках индуктивности и готовых трансформаторах, а также Пензенском государственном научно-исследовательском институте электронно-механических приборов в приборах контроля межвитковых замыканий н обмотках статоров шаговых электродвигателей [4, 17, 43{'.

Устройство измерения индуктивности с использованием методов фазового детектирования внедрено на заводе «Ужгородприбор» г.Ужгород Украина в приборе измерения и контроля значения индуктивности трансформаторов [14, 44].

Устройство измерения постоянной времени катушек индуктивности для работы с токовихревыми датчиками внедрено в лаборатории «Вибродиагностика» Московского энергетического института (технического университета). Пятиканальное устройство контроля вибрации с аналогичными токовихревыми датчиками внедрено на кафедре «Теоретическая механика» Пензенского государственного университета [21 ].

Устройство измерения емкости емкостных датчиков внедрено на кафедре «Инженерная экология и охрана труда» Московского энергетического институт (технического университета) в приборе контроля вибрации.

Ряд разработанных устройств и узлов внедрены в учебный процесс на кафедре «Радиотехника» Пензенского государственного университета в лабораторном практикуме но дисциплине «Устройства генерации и формирования радиосигналов» [3].

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на ряде Международных, Всесоюзных и Всероссийских конференций, симпозиумов и семинаров [53...67], а также на ежегодных научно-технических конференциях Пензенского политехнического института (ныне государственного университета).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 90 работ, в том числе монография, 2 учебно-методических пособия, 35 авторских свидетельств и 35 статей. Из них 20 работ опубликовано без соавторов..

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных результатов и выводов по работе и двух приложений. Основной текст изложен на 420 листах. Библиография — 270 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ПО ГЛАВАМ

Во введении проведен краткий анализ предмета исследования, сформулированы основные решаемые в диссертации задачи, обоснована их актуальность, указана используемая методика исследования, приведены обоснования научной новизны и ценности работы.

'-В первой главе проведен анализ параметров сигналов. Выявлено, что объем измерительной' информации связан с объемом измерительных сигналов и определяется двойным функциональ-

ным преобразованием физических характеристик сигнала по видам модуляции.

Где 1 - - число параметров сигнала, связанных меж-

ду собой аддитивными зависимостями; j - 1,2,...,N2 - число параметров сигнала, связанных между собой мультипликативными зависимостями, включая всс функциональные зависимости Ф^ ; к -

1,2,...,1Чз - число различных преобразований сигнала, включая нее разновидности модуляции; Ок - динамический дйапазон; АРк -ширина спектра частот; ЛТк - время существования к-ого сигнала. • »

Измерение параметров электрических цепей представляет собой обширнейший раздел электроизмерительной техники. Многообразие вариантов входных воздействий, измерительных схем (ИС) для преобразования параметров ЭЦ в электрические сигналы, алгоритмов обработки и видов промежуточного информативного сигнала обусловили необходимость проведения обзора и анализа существующих УИПЭЦ.

Проведенный аналитический обзор показал:

— УИПЭЦ прямого преобразования обладают низкими функциональными возможностями и применимы лишь для измерения параметров двух- и некоторых трехэлементных ЭЦ;

— УИПЭЦ мостового и компенсационного типа при лучших точностных характеристиках обладают низким быстродействием и невысокой степенью унификации - для каждой конфигурации многоэлементной ЭЦ по существу нужно строить свою схему УИПЭЦ с определенными, достаточно многочисленными регулируемыми мерами пассивных или активных величин;

— УИПЭЦ с использованием совокупных методов измерения, обладая большой универсальностью и широкими функциональными возможностями, требуют больших вычислительных мощностей, хороших навыков программирования и больших'затрат времени, что часто неприемлемо для практики.

Раздельное измерение параметров многоэлементных ЭЦ можно осуществить лишь при наличии на выходе ИС составляющих сигнала, несущих информацию о каждом параметре ЭЦ. Модель измерительного процесса становится многомерной, и для ее

реализации требуется сигнал'с большой'информативной емкостью. Этому требованию удовлетворяет сигнал с внутриимпульс-ной модуляцией, который выбран в качестве основного при построении УИПЭЦ.

Составляющие выходного сигнала ИС существуют параллельно во времени и имеют перекрывающиеся спектры. Разделение таких составляющих предложено осуществлять, базируясь на ирииципах разделения сигналов по форме или характеру их изменения во времени, используя методы временного анализа [21.

При синтезе алгоритмов использованы принципы инвариантности, сформулированные Б.Н. Петровым. На рис.1 приведена обобщенная схема УИПЭЦ [1]. При реализации принципов инвариантности путем построения математической модели (нижняя связь) унифицирующий преобразователь УП воздействует на ИС,

П[Х,У].

ИС УО 1

БфД) I

Ф(р;П[Х,У];П.) \ \. п

П.;Э(р) ---*

0 0 0, 0.

ЕЛ

Рисунок 1

изменяя или значение опорного элемента или энергетического воздействия или того и другого попеременно. На ИС также может воздействовать УО, изменяя место включения , тип и значение опорного элемента. При воздействии ситнала унифицирующего преобразователя на УО могут изменяться опорный интервал времени интегральная характеристика Бц, частота ^ или фаза сро опорного сигнала. В УИПЭЦ с реализацией физической модели под воздействием ситнала унифицирующего преобразователя УП изменяется структура УО; число ДОК или последовательность операций обработки сигналов. В УИПЭЦ селективной инвариантности обратные связи отсутствуют, УО выполняет нелинейные функциональные преобразования выходного сигнала ИС с выде-

лением промежуточной величины 0, определяющей информативный параметр ЭЦ.

Селективная инвариантность может обеспечиваться как в самой ИС, так вне ее в специальном УО. В этом случае (рисунок 2а) реализуются различные операторы Кх(р) и Ку(р) УО ио ин-

Э(Р)

И С

Ф[..]

I 5(рД)

-*

УО ■ |

Ку(р)-0)

0у ~ с —> О

а)

Э(р)

ИС ВУ

—5 Ку(Р)*<> Кх(р) = 0 —> г

3?рХ)

УО

Д0(р).- = БхСр.Х)

б)

15)

Рисунок 2

формативным X и неинформативным Y параметрам ЭЦ в выходном сигнале ИС.

|0у(р) = Ку(р) • Sy(р, А.) = е -> 0.

При реализации физической модели с прямым направлсни-ем преобразования в ДОК ( рисунок 26) можно использовать как симметричные так и несимметричные каналы. Для двухканальных УИПЭЦ с несимметричными каналами промежуточные параметры определяются выражением

©i(p) = Klx(p).Sx(p,X)+ К1у(р)-8у(рД); ®2(р) = К2х(р)• S'x(рД) + К2у (р) • Sy (рД).

Операторы каналов необходимо выбрать таким образом, чтобы Kly(p)sK2y(p) и К.1х(р) ^ К2х(р). В этом случае на выходе вычитающего усилителя BV:

а©=0,(Р)-е2(Р) = |к1х(р)-K2x(p)]-sx(p,x).

В УИПЭЦ с симметричными каналами в одном из каналов необходимо осуществить дополнительное преобразование L(p)*l над информативной составляющей выходного сигнала ИС. Тогда

0,(р)= K(p)[L(p)Sx(p,A) + Sy(p,A.)J ©2(p) = K(p)[sx(p,x)+sy(p,x)].

Разность промежуточных сигналов определяет информативный параметр ЭЦ

А0(р) = ©^р) - 02(р) = K(p)S,(p, ^)[L.(p>-ijl ;

Наиболее сложные УИПЭЦ с обратным направлением преобразования содержат (рисунок 2в) дополнительную ИС2, ДОК для формирования компенсирующих сигналов и вычитающий усилитель ВУ. Управление генератором компенсирующих сигналов ДОК. осуществляется УФМК, в который вводится мера промежуточного параметра Д0у. Для двухканальных УИПЭЦ такого типа

[©, (р) - К 1х(рК(р, +к .у (р^, (р, 1 ©2(р)=кдок(р)Э2(р)м0(Р).

Если энергетические воздействия на каналы одинаковы Э](р)= э2(р)= Э (р), то сигнал на выходе ДОК определяется параметрами регулируемой меры Мо(р) ИС2: 82(рА)=Э(р)Мо(р). В момент компенсации К1у(р)8у(рД)=Кдок(р)82(р, X) и выходной сигнал вычитающего усилителя ВУ определяется информативной составляющей выходною сигнала И С! АО -

В УИПЭЦ с реализацией математической модели может использоваться пространственное и временное разделение каналов с параметрическим или энергетическим доопределением исходно неразрешимой системы уравнений, описывающей г?роцес;; измерения. Наиболее часто в таких устройствах используется принцип временного разделения каналов ■

в'(р) = Кх(р)8х(р, X) + Ку (р)ву (р, X) 0"(р) = Кх(р)[8х(рД) ± Л8х(рД)] + Ку (р)[8у(рД)± А8у(рД)}

Для выделения информативной составляющей выходного сигнала ИС необходимо произвести математическую обработку полученных промежуточных параметров, считая известными приращения параметров по каждой составляющей сигнала

ЛЭ = 0'(р)±0"(р) = ±Кх(р)А8х(рД)± Ку(р)Л8у(р,к) 50 = 0"(р)/0'(р).

При определении параметров многоэлементных ЭЦ вычисления оказываются достаточно сложными, поэтому УИПЭЦ с реализацией математической модели обычно используются для измерения параметров двухэлементных ЭЦ.

Первый раздел второй главы посвящен выбору ИС с линейным оператором, которые строятся как без обратных связей с использованием токового воздействия или логометрического метола вычисления отношения напряжений так и с использованием отрицательной или положительной обратной связи. В работе в основном рассматриваются И С для преобразования в электрические

сигналы параметров многоэлементных двухполюсных ЭЦ с операционным усилителем (ОУ) , полагая при этом, что многополюсную ЭЦ всегда можно свести сначала к трехполюсной, а затем к двухполюсной. ИС с ОУ представляют собой делитель напряжения, одно из плеч которого включено между выходом и инвертирующим входом ОУ. Для удобства записи оператора ИС выведены обобщенные формулы дня операторной формы записи сопротивления последовательно-параллельных и проводимости па-раллсл ы ю-последовател ы I ых М1 югоэлсмс! гп I ых Э Ц.

В заключительной части раздела рассмотрено автоматическое устройство [27] для выбора оптимальной конфигурации ИС с ОУ по критериям полной информативности и разделяемости составляющих выходного сигнала ИС.

Во втором разделе второй главы представлены результаты синтеза УО и функциональных схем УИПЭЦ с селективными методами обеспечения инвариантности [1, 6, 8, 11, 22, 56]. Информативной составляющей является мгновенное значение выходного напряжения ИС или его производных в определенный момент времени. Такими информативными составляющими могут являться максимальное, минимальное или квазиустановившееся значение выходного сигнала ИС, а также перепад напряжения или размах амплитуд сигналов положительной и отрицательной полярности. Аналогично строятся и УИПЭЦ с дополнительным преобразованием координат путем интегрирования или дифференцирования выходного сигнала ИС.

При синтезе УИПЭЦ селективной инвариантности используются УО со стробированием, со стробированием-интегрированисм, а также с детектированием размаха и перепада амплитуд и фаз одно- или двуполярного выходного сигнала ИС.

Синтезированные УО со стробированием [1, 29, 33, 51] позволяют выделить линейноизмсняющуюся составляющую выходного сигнала ИС при наличии перепада и квазиустановившегося сигнала. УО со стробированием и интегрированием выделяет [39] квазиустановившееся значение выходного сигнала ИС. УО с амплитудным детектированием выделяет перепад напряжения инвариантно линейноизменяющейся и квазиустановившейся составляющей выходного сигнала ИС [11]. Синтез этих УО позволил решить задачу инвариантного измерения параметров катушек индуктивности (КИ), представленной четырехэлементной схемой . замещения [1]. Прй использовании УО с амплитудным детектиро-

панисм решена задача обеспечения требуемых начальных условий на резонансной ЭЦ пугсм уменьшения времени воздействия опорного сигнала на ИС с последующим шунтированием КИ.

УИПЭД с дифференцированием и амплитудным детектированием [18, 36, 41, 49] просто и с достаточной точностью решают задачу измерения дифференциальных параметров нелинейных ЭЦ. Для выполнения необходимых условий измерения введено дополнительное смещение в ИС, уменьшено время воздействия и амплитуда опорного тестового сигнала.

Спецификой УИПЭЦ с фазочувствитсльным выпрямлением является использование ИС с токовым воздействием.

УИПЭЦ селективной инвариантности обладают высоким быстродействием, но невысокой точностью, поскольку составляющие выходного сигнала ИС ортогональны ли1иь частично. Кроме этого такие УИПЭЦ обладают малой универсальностью.

В третьей главе рассмотрены более универсальные УИПЭЦ с многоканальными методами обеспечения инвариантности.

В УИПЭЦ с прямым направлением преобразования в ДОК методами селективной инвариантности выделяется сигнал, определяющий неинформативные параметры ЭЦ, который затем вычитается из выходного сигнала ИС. ДОК строится таким образом, чтобы были различными операторы УО по соответствующим параметрам ЭЦ. Принцип построения ДОК определяется характером функции влияния неинформативных параметров. При мультипликативном характере функции влияния возможны три варианта построения ДОК с последовательным включением дифференциатора с переменными параметрами и интегратора, с последовательным включением дифференциатора и интегратора с переменными параметрами или с последовательным включением и дифференциатора и интегратора с переменными параметрами. Интефатор с переменными параметрами реализуется аналогично УО со стробированием-интегрированием, а дифференциатор с переменными" параметрами - аналогично УО со стробированием. УИПЭЦ с переменными параметрами дифференциатора обладают широкими функциональными возможностями, но значительными погрешностями инвариантности. УИПЭЦ с переменными параметрами интегратора имеют меньшие погрешности инвариантности, но ограниченные функциональные возможности. При аддитивном характере функции влияния неинформативных параметров в ДОК используются двуполярный амплитудный детектор

или детектор перепада напряжений. УИПЭЦ с прямым направлением преобразования в ДОК могут иметь несколько каналов с параллельным, последовательным и смешанным включением [28, 29, 35, 56] и по свойствам аналогичны УИПЭЦ с селективными методами обеспечения инвариантности. Особенностью этих устройств является использование установившегося режима работы ИС.

В УИПЭЦ с обратным направлением преобразования в ДОК вводится обратная связь через узел фиксации момента компенсации (УФМК) составляющих выходного сигнала ИС1 [1, 34, 38, 40, 50, 62]. Если ИС2 построена аналогично ИС1 и имеет в своем составе регулируемую меру Мо(р), то УО и этом случае представляет собой регулируемую физическую модель ЭЦ. Однако при измерении параметров многоэлементных широкодиапазонных ЭЦ такое построение ИС2 нецелесообразно, так как требуется использование широкодиапазонных мер сопротивления, емкости, индуктивности. Поэтому предпочтительнее компенсацию осуществлять посредством синтеза соответствующих сигналов, а ИС2 заменить генератором компенсирующих функциональных напряжений.

УИПЭЦ с обратным направлением преобразования в ДОК отличаются, в основном, способом построения УФМК неинформативной ^составляющей выходного сигнала ИС1. При амплитудном преобразовании в УФМК используются принципы развертывающего и следящего ( рисунок З.а ) преобразования, фиксируются и сравниваются выходные напряжения ИС или вычитающего усилителя ВУ в моменты времени отстоящие друг от друга на четверть периода входного воздействия. Если напряжение на выходе ИС или ВУ начинает спадать, то напряжение на первом амплитудном детекторе АД1 становится больше, чем на втором ДЦ2. Появляется сигнал на инвертирующем выходе компаратора напряжений КН и реверсивный счетчик РСТ переключится на вычитание до момента времени, когда напряжение на первом амплитудном детекторе АД1 станет меньше напряжения на втором АД2. Реверсивный-счетчик РСТ переключится на сложение. Установится режим динамического равновесия. Код на выходе РСТ воз.эдйствуег на дискретно-управляемое сопротивление ДУС и соответствует значению параметра ЭЦ, составляющая сигнала которого компенсируется.

ДЧ

Г/п

Ин

->Г

Г

Ы—Ц -П 03! I Л «2 __

ВУ. НС |.

АД1

кн г~1 аз

' !Г<

и

— ДЧ Г/2»1

РСТ

:ДУС

ДЧ О

Дч глин

*Уп

ДЧ

КН

Ин1,

8.1

8,2

-Е

——>

!<л1

Кл2

СИ

-ж—

Ин 2<

ПНС

Г 12а

б)

ВУ, ИС {/2п

ДЧ „ ГЛИН

{/2п

КН

&1

&2

в)

ГОЧ {'

[г-

Г^С

РСТ

;дус

ВУ, ИС

Ь'2п ДЧ Г /2п

ДЧ (Ь

¿М

!ИН1,

&1

&2

-Е.вь—^

Кл1 К л 2

Пси

-*КлЗ

ПНС

—

! I

Г)

Рисунок: 3

УФМК с компаратором напряжений и амплитудно-временным преобразованием используют сравнение интервалов

времени или пропорциональных им значений кодов. В УФМК дополнительно введен генератор линейнойзменяющегося напряжения ГЛИН. При аналоговой компенсации (рисунок З.б ) с помощью ГЛИН и компаратора напряжений КН , инвертора Ин1 и схем совпадений &] и &2 в положительные полупериоды выходного напряжения ИС выделяются интервалы времени, пропорциональные мгновенным значениям сигнала на выходе ИС или ВУ. С помощью ключей Кл1 и Кл2 , сумматора-интегратора СИ эти интервалы времени преобразуются в напряжение, которое в отрицательный полупериод через третий ключ КлЗ воздействует на аналоговый преобразователь напряжение-сопротивление ПНС. В этом УФМК компаратор напряжений КН восстанавливает в ГЛИН начальные условия, изменяя период выходных импульсов. Информативными являются два интервала времени, пропорциональные разности выходных напряжений ИС или ВУ между очередными срабатываниями компаратора напряжений КН.

УФМК с компараторами фаз (КФ) критичны ( рисунок З.в ) к форме выходного напряжения ИС и ВУ и обычно реализуемы для сигналов состоящих из перепада и линейноизменяющегося напряжения. При этом в момент компенсации перепада напряжений фазовый сдвиг между сигналами с выхода ИС и ВУ и переключателем ПК1 должен составлять четверть периода. При наличии на выходе ИС гармонической составляющей УФМК с КФ принципиально не применимы из-за многократного срабатывания компаратора фаз КФ. При наличии на выходе ИС экспоненциальной составляющей применение компараторов фаз затруднительно , поскольку фазовый сдвиг сигналов изменяется пропорционально постоянной времени экспоненциальной составляющей, т.е. зависит от параметров исследуемой ЭЦ.

В УФМК с использованием амнлитудно-времеиного преобразования ( рисунок 3. г ) посредством компаратора К с парафаз-ным выходом, инвертора и схем совпадения &1 и &2 выделяются интервалы времени до и после срабатывания компаратора К. Затем эти интервалы времени преобразуются в напряжение, управляющее преобразователем напряжение-сопротивление ПНС. В работе также синтезированы УФМК с компараторами временных интервалов и кодов на основе реверсивных счетчиков и схем сравнения кодов. При сложной форме выходного сигнала ИС предложено проводить анализ выходного сигнала дифференциа-

тора, включенного па выходе ИС. Это позволяет упростить форму сигнала, анализируемого с помощью УФМК.

Выбор того или иного способа построения УФМК зависит от выбранного метода преобразования, формы представления выходной информации (аналоговая или цифровая) и определяется требуемой точностью, быстродействием и диапазоном изменения параметров исследуемой ЭЦ.

На основе разработанных УФМК синтезированы схемы: УИПЭЦ с линейно спадающим напряжением ГЛИН, обеспечивающее более широкий диапазон соотношении информативных и неинформативных параметров ЭЦ; устройства лли измерепии информативных параметров трех соединенных последовательно или параллельно резисгивного, емкостного и индуктивного датчиков; устройства для измерения параметров катушек индукп гвности, представленных трехэлементной схемой замещения.

Достоинством УИПЭЦ с обратным преобразованием в ДОК является возможность получения информации сразу о всех параметрах ЭЦ и высокая точность, недостатками - низкое быстродействие и ограниченные функциональные возможности, в частности невозможность измерения параметров колебательных цепей.

Для преодоления указанных недостатков разработаны структуры УИПЭЦ комбинированной инвариантности, сочетающие в себе преимущества многоканальных и селективных методов обеспечения инвариантности. Для получения высокого быстродействия предпочтительнее совмещать селективный и многоканальный метод с прямым направлением преобразования в ДОК [7 19, 23, 42, 46, 47, 50, 52]. Пример такого УИПЭЦ с уравнениями напряжений на выходах узлов представлен на рис.4. УИПЭЦ содержит" ИС с исследуемой четырехэлементной ЭЦ на входе ОУ и опорным конденсатором в цепи отрицательной обратной связи, двух-полярный амплитудный детектор ДАД , детектор перепада напряжения ДПН, дифференциатор Д1 с переменными параметрами , дифференциатор Д2,вычитаюший усилитель ВУ и два амплитудных детектора АД1 и АД2. Входное воздействие на ИС задается с помощью генератора Г и переключателя ПК

Четвертая глава работы посвящена разработке алгоритмов 1; структур измерителей обобщенных параметров ЭЦ (постоянных времени и добротности), а также устройств измерения неэлектрических величин с параметрическими датчиками.

Устройства измерения постоянных бремени строятся с использованием многоканальных методов обеспечения инвариантности с прямым направлением преобразования в ДОК [30, 31, 32]. При мультипликативном характере функции влияния используются ДОК с переменными параметрами дифференциатора и интегратора. Для ИС с аддитивным характером функции влияния ДОК содержит или двуполярный амплитудный детектор или детектор перепада напряжения.

Синтез устройств измерения постоянных времени упрощается поскольку на выходах узлов уже имеем сигналы, пропорциональные двум параметрам ЭЦ. Эти сигналы обычно выделяются па выходах вычитающего усилителя и дифференциатора или ин-тефатора с переменными параметрами в ДОК и поступают на входы дополнительного вычитающего усилителя ВУ2. Для получения линейной зависимости необходимо, чтобы один из сигналов был постоянен во времени, а другой линейно изменялся во времени. При использовании промежуточного преобразования постоянной времени в частотно-временной сигнал неизменная составляющая на выходе ВУ2 должна выделяться в цепи положительной обратной связи, а изменяющаяся во времени - в цепи отрицательной обратной связи. В противном случае не выполняется баланс фаз и генерация не возникает. Устройства измерения постоянных времени можно использовать как множительно-делительные и функциональные устройства с частотным выходным сигналом.

Добротность ЭЦ определяется добротностью индуктивных элементов цепи. Измерение добротности катушек индуктивности (КИ) необходимо производить на высокой рабочей частоте. ИС с ОУ на такой частоте работать не могут, поэтому были разработаны ИС без активных элементов на основе колебательных контуров. В устройстве [45] с выхода узла усреднения на ИС поступает импульс тока ¡о от источника тока. В возбуждаемом переходном процессе участвуют два источника энергии: катушка индуктивности L и опорный конденсатор СО. На выходе ИС имеем сложный сигнал с внутриимпульсной частотной и амплитудной модуляцией. Параметры этого сигнала определяются параметрами КИ: -- U,,c(t)—0.5 i(j R cos cot • exp (-Rt/2L), где о = 1/л/ЬС0 .

С помощью детектора огибающей, амплитудного детектора, делителя и компаратора напряжений выделяется интервал време-

ни, определяющий значение постоянной времени КИ Этот интервал времени кодируется частотой м с выхода формирователя

—+—(1 - е ^К2С2) + —-— .Со со1 ' ЩСо.

и =

Г* 1> Г* Т>

идан(0= Е0С,/С0 . идАд(1)= Е0тд1/С0я,.

иву(1) = Е0С2[1-е-^с2]/е0. иАД1(0 = иВу(1-=Т/2)=ЕоС2/Со-

идд2(0 =

Ь0тд2

СпЯ

0^2

Рисунок 4

импульсов. В счетчике фиксируется число N = п О (п - число измерений, задаваемое узлом усреднения, О - значение добротности КИ). При использовании в узле усреднения десятичных счетчиков с максимальной емкостью п = 102+т младшие т десятичных разрядов могут быть опрошены или использованы для индицирова-ния малых значений добротности.

В высокоточном измерителе добротности КИ ¡48] совмещены селективные методы обеспечения инвариантности со стробоскопическими методами преобразования частоты. Синтезатор частоты вырабатывает гармонические сигналы трех частот. Напряжение высокой частоты преобразуется в ток, воздействующий на КИ. Напряжение, несущее информацию о комплексном сопротивлении КИ, преобразуется с помощью преобразователя частоты в низкочастотный сигнал фиксированной частоты, на которой осуществляется фазовое детектирование. Отношение сигналов на выходах фазовых детекторов определяет значение добротности КИ.

В диссертации предложен алгоритм определения добротности, состоящий в вычислении значения натурального логарифма отношений амплитуд выходного сигнала колебательной ИС [5] в двух примыкающих полупериодах свободных колебаний. Рассмотрены устройства для реализации указанного алгоритма на базе процессора обработки сигналов К1813ВЕ1А и на базе аналоговых перемножителей сигналов и логарифмических усилителей.

В устройствах измерения добротности с использованием сигнального процессора узел управления воздействует на узел возбуждения, который подает напряжение на ИС в виде параллельно соединенных КИ и опорного конденсатора. По окончании заряда конденсатора узел возбуждения отключается от ИС, в которой возникает колебательный экспоненциально затухающий переходной процесс. Узел операционных усилителей обладает большим входным сопротивлением и уменьшает влияние на ИС узла амплитудных детекторов, в котором фиксируется максимальное значения амплитуды положительной и отрицательной полярности сигнала на выходе ИС в примыкающие полупериоды свободных колебаний. Выделенные сигналы постоянного напряжения-через узел повторителей напряжения и узел аналоговых мультиплексоров поступают па два - аналоговых входа сигнального микропроцессора. В аналоговой части микропроцессора происхо-

дит преобразование выделенных амплитуд сигналов в код. В цифровой части происходит вычисления значения добротности по формуле <3 = л/2!п|Л]/А2|.

Далее в главе представлены результата разработки устройства измерения магнитной проницаемости с индуктивным датчиком и селективными методами обеспечения инвариантности с использованием методов фазового детектирования; устройства контроля наличия межнитковых замыканий в КИ, трансформаторах и статорах шаговых электродвигателей с индуктивными и трансформаторными датчиками [4, 17, 43) , использующие многоканальные методы обеспечения инвариантности' с прямым направлением преобразования в ДОК; устройства измерения и контроля параметров вибрации с емкостными и токовихревыми датчиками [К, 21). Предложенные методы инвариантного измерения параметров ЭЦ позволяет повысить точность измерения неэлектрических величин за счет существенного уменьшения влияния иеинформа-тивных параметров датчиков и соединительных линий. Малое время преобразования позволяет использовать разработанные устройства при измерении и контроле быстропротскающих физических и химических процессов.

В работе проведен анализ и выведены уравнения преобразования для всех перечисленных устройств измерения параметров неэлектрических величин.

В диссертационной работе предложена и реализована мето- • дика инженерного анализа разработанных УИПЭЦ, включающая в себя:

1. Анализ и оптимальный выбор ИС с учетом типа опорного элемента и входного воздействия.

2. Определение конфигурации и состава исследуемой ЭЦ.

3. Определение интервалов инвариантности.

4. Анализ статических погрешностей.

5. Анализ быстродействия (времени преобразования).

Первый этап рассмотрен в разделе 2.1 при анализе ИС. Остальные разделы анализа рассмотрены в пятой главе диссертации.

Задача правильного определения конфигурации и состава ЭЦ особенно актуальна при составлении эквивалентной электрической схемы замещения объекта исследования при проведении медикобиологических исследований [67], исследовании различ-

ных физикотехнических и физико-химических процессов, при исследовании электрических машин.

В диссертации определение конфигурации и состава ЭЦ рассмотрено на примере корреляционных многоканальных различителен сигналов с параллельным анализом и адаптивных компенсаторов помех, построенных по критериям наименьшей срел-неквадратической ошибки и максимального отношения мощностей сигнала и помехи. Однако в таких устройствах определение конфигурации резонансных ЭЦ требует разработки генераторов сигналов с чрезмерно большим диапазоном изменения выходной частоты, значение которой априори неизвестно ,что трудно реализуемо на практике.

Наиболее универсальными являются устройства [27, 67], построенные на принципах анализа выходного сигнала ИС. Алгоритм функционирования такого устройства состоит из трех подпрограмм. Подпрограммы выбора опорного воздействия, места включения ЭЦ в ИС, характера и значения опорного элемента, в которой анализируется выходной сигнал ИС в определенные моменты времени. Подпрограммы определения формы выходного сигнала ИС, в которой осуществляется проверка соответствия ИС определенным звеньям регулирования. Подпрограммы идентификации двухполюсной тт«ехэлементной ЭД, в которой анализируются состояния узлов, используемых в предыдущих подпрограммах. Для облегчения выполнения второй подпрограммы проведена минимизация числа возможных вариантов выходного сигнала ИС. В результате для 20 видов трехэлементных ЭЦ выходной сигнал ИС сведен к 8 видам. По результатам анализа выходного сигнала ИС и его производных устройство определяет наличие на выходе ИС: перепада, линейно- и квадратично-изменяющегося напряжения, гармонического сигнала, экспоненциально-нарастающего и экспоненциально-спадающего напряжения. Для перехода от выходных сигналов ИС к конфигурациям трехэлементных ЭЦ анализируются состояния элементов схемы по принципам логического синтеза цифровых дешифраторов.

Важным этапом исследования является определение'интервалов инвариантности, исходя из обеспечения условий функционирования, максимальной погрешности инвариантности и параметров используемых ОУ. В диссертации определены интервалы инвариантности для УИПЭЦ с инвариантностью в ИС, с допол-шгтельной обработкой сигнала, с амплитудным и амплитудно-

временным преобразованием, с переменными параметрами дифференциатора и интегратора, с компараторами фаз и напряжений [20, 26, 65].

Интервалы инвариантности УО со стробированием устройства измерения значения индуктивности, представленной трехэлементной схемой замещения [26], определяется временем, в течение которого ОУ ИС находится в состоянии насыщения и не несет информации о параметрах КИ:

А1ШШ е (2[ивых/У- тс +2,3тс 1ё(-Ут/еивь1Х)] + + 9Ь/АЯ0 + Ып(ивыхК0/УЬ)/Я£; Ц/З^/Я« },

где: и„ых - амплитуда выходного сигаала ИС; V - скорость нарастания выходного напряжения ОУ ИС; тс = 1/2д['с;

= ^/(Ь/ЯоТ + 1) - сопрягающая частота операционной схемы, определяемая через частоту ^ одиночного усиления ОУ, параметры Ь и Я<) ИС и входного воздействия г; А - коэффициент усиления ОУ без обратной связи; — И.; + Кд +К-ВЫх > ^ - внутреннее сопротивление источника входного воздействия; Ид - сопротивление опорного резистора; Квых - выходное сопротивление ОУ; е - относительная погрешность установления выходного напряжения ОУ; ед - относительная погрешность инвариантности относительно сопротивления потерь Я КИ.

С использованием методов теории чувствительности проведен анализ статических погрешностей разработанных УИПЭЦ [65]. Для каждой из подгрупп УИПЭЦ определены погрешности инвариантности относительно неинформативных параметров ЭЦ. Проведенный анализ позволил выявить характер взаимовлияния и весовые коэффициенты каждой из составляющих результирующей погрешности [25].

Для УИПЭЦ с обратным направлением преобразования и компараторами напряжения в ДОК при измерении емкости параллельной ИС уравне!гае преобразования имеет вид:

С = С0Т/4ти + АСц,

где ДСЯ = С0Т(КсуКпкн /ти - К£у /ЯС0)/4 - абсолютная погрешность инвариантности относительно неинформативного сопротивления Л. В этих выражениях: Со - значение емкости

опорного конденсатора; тц - постоянная 15рсмели интефлторл; Т -период следования Импульсов (промежуточный параметр); и К£у - коэффициенты передачи суммирующею усилителя по первому и второму входам; Кпк1! - коэффициент передачи преобразователя код-напряжение ДОК.

Используя методы теории чувствительности определим относительную погрешность

бС = бКоу +5КН + 5С0 + 5ти + 5Са,

где бКоу и 8К(,{ - соответственно погрешности от нсиде-альпости ОУ ИС и интегратора; 5С0 и 6т и - погрешности задания значений опорной емкости и постоянной времени интегратора.

Относительная погрешность инвариантности относительна сопротивления Я

5СК = АСк/Сцд = КсуК.пкп -КсуТи/ЯС0.

Уравнение преобразования относительно значения сопротивления

^ ___К оу Ксу 10п К дд, К дд2 /Со_

(^АД1 _^АД2)КсуКоуСуС0 -^вКсуК1Ш1/тн + Д1!кн /Е0 Обозначим выражение в знаменателе

А = (Кдд1 "Кддг^КсуК-оуС/Со -1овКсуК.пкн/ги 4- дию1/Е0 .

Взяв частные производные по всем переменным параметрам и поделив их на исходное выражение получим уравнение относительной погрешности

Ж - 5К0У +(1- 1ов/АтиКпки)5Гов -

/АК.р\гС/Сг> + К. Д П1

АЕ0------- Д бКдя, +

0 АК£уК0уС/С0 т

+ АКЦ^С/С0 4-КДД2 ^КАД2 бСди^)-

АКсуК0уС/С0 АЕ0

(8ти-5КЬУ)-6С& +

+£(8к„у+^+§с)

В этих выражениях: Коу и Ки, 6Коу и 6КИ - коэффициенты передачи и погрешности, вносимые ОУ ИС и интегратора; К^у и К£у, 5Ксу и 5К£у - коэффициенты передачи и погрешности суммирующего усилителя; АИкн и 8(лики) - порог чувствительности компаратора напряжений и его нестабильность; К дд, и К дд2 , оК дд, и йК дд2 - коэффициент передачи амплитудных детекторов и их относительные погрешности; Е0 и 5Е0, и 5(01$, ти и 5ти - значения и погрешности задания напряжения опорных источников, длительности импульса одновибра-тора и постоянной времени интегратора.

Проведен анализ времени преобразования параметров ЭЦ. Минимальное время преобразования ограничивается интервалами инвариантности каждой конкретной схемы УИПЭЦ через параметры ИС, УО, информативные и неинформативные параметры ЭЦ. УИПЭЦ селективной инвариантности и с прямым направлением преобразования в ДОК по быстродействию аналогичны устройствам время им пульс I г ого преобразования; УИПЭЦ с обратным направлением преобразования в ДОК аналогичны устройствам уравновешивающего преобразования.

Так например, в УИПЭЦ с обратным направлением преобразования в ДОК и компаратором напряжений число тактов компенсации определяется разрядностью и шагом изменения дополнительной регулируемой меры (дискретноуправлясмого сопротивления) по условию полной компенсации.

-пком)•- 1]/К0КдуснС, - = 0.

Откуда число тактов до полной компенсации

"ком = N0 - 0,5(ноаДУСНс1го/д1+1).

Время преобразования определяется суммой периодов выходных импульсов до полной компенсации. При алгоритме рабо-

гы с возрастающим периодом колебаний время преобразования будет меньше суммы периодов установившихся колебаний.

Значение времени преобразования определим как сумму членов арифметической про1рессии

м ГПУ

1п = £ Тх [п] = 0,5п ком |ТХ [п Х(Ж. ] + Тх [0]|.

п=0

Подставив в это выражение значения пком, Тх[пКОЛ4], и Тх[0], аналогично [6] для N»1, получим

Г

о(1 ~ КдуснС]

ЩС2+-

1

_|—

1"-2

Результаты исследований показали, что по совокупности параметров разработанные УИПЭЦ не уступают существующим, значительно превосходя их по диапазонам изменения неинформативных параметров ЭЦ.

В шестой главе представлены результаты экспериментального исследования и внедрения устройств.

В цифровом измерителе параметров КИ {12] использованы варианты УО со (пробированием, амплитудным детектированием, со стробированием и интегрированием. Прибор служит для инвариантного измерения значений индуктивности, емкости и сопротивления обмоток КИ и о трансформаторов по трехэлементной схеме замещения. Характеристики прибора приведены в таблице.

В приборе для измерения и донускового контроля индуктивности КИ и трансформаторов [14,15] использован УО с фазочув-ствительным детектированием. Прибор обладает следующими характеристиками: диапазон измерения индуктивности 10 7 ... 1. Гн; относительная погрешность - 1%; ширина поля допуска - 5, 8.10,20,50%; время измерения - 0,25'с.

В устройствах контроля межвитковых замыканий в обмотках КИ, трансформаторов и статоров шаговых электродвигателей [4] использован многоканальный метод измерения добротности индуктивного датчика. Устройства позволяют обнаружить один ко-

Таблица

Параметр Диапазон значений при измерении

индуктивности емкости сопротивления

Индуктивность, Гн ю-2...ю2 Ю-2... Ю2 10-2...Ю2

Сопротивление, Ом <10 ... 1000 10 ... 1000 10 ... 1000 10 ...104*

Емкость, Ф <10« 10"10 ... Ю-8 1010 ... 10-6* <10-8

Погрешность нелинейности, % 0,5

0,2* 0,2* 0,1*

Класс точности 0,5/0,2

0,3/0,2» 0,2/0,1* 0,1/0,05*

♦ Параметры при.отсутствии неинформативных параметров

роткозамкнутый виток: при минимальном диаметре провода 0,1 мм и возможном числе витков в обмотке до 25000.

Устройство измерения и контроля параметров вибрации [21] построено с использованием многоканальных методов обеспечения инвариантности относительно неинформативных параметров токовихревого датчика и соединительных-линий. Особенностью устройства является ИС мостового типа на ОУ. Устройство имеет следующие характеристики: число контролируемых каналов - 5; диапазон амплитуды вибрации - ±100 мкм; относительная погрешность - 2 %; частота вибрации объекта - 0 ... 5 кГц; диапазон выходных напряжений - ±5 В.

Параметры остальных устройств приведены в монографии [1]. В следующем разделе главы приведены результаты разработки устройств формирования сложных сигналов для корреляционных устройств определения конфигурации и состава ЭЦ и для стробоскопических измерителей добротности КИ£13,бО,61].

При определении путей совершенствования УИПЭЦ выделены два направления, состоящие в повышеьии метрологических характеристик и в расширении функциональных возможностей.

Для повышения точности при построении ИС рекомендуется в каждом конкретном случае в зависимости от вида ЭЦ выби-

27

рать операционный преобразователь с различными видами обратных связей [9] и с использованием обоих входов дифференциального ОУ [24]. Повысить точность также можно использованием алгоритмов с компенсацией неинформативных составляющих сигнала в самой ИС посредством управляемых источников тока и напряжения.

Для повышения быстродействия рекомендуется использовать алгоритмы с многократным изменением параметров регулируемой меры в течение каждого полупериода входного воздействия на ИС.

Повышения точности можно достичь использованием методов разложения выходного сигнала И С на базисные ортогональные функции с последующей их обработкой специальными процессорами.

При использовании функциональных развертывающих напряжений имеется возможность построения функциональных УИПЭЦ, входные и выходные величины которых связаны определенными математическими зависимостями [16]. В главе рассмотрены варианты построения генераторов функциональных напряжений с использованием ОУ и аналоговых перемножетелей сигналов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработана обобщенная теория синтеза алгоритмов функционирования УИПЭЦ, состоящая в последовательном определении конфигурации и состава ЭЦ, оптимальном построении ИС для получения соответствующих электрических сигналов, выборе способа обеспечения инвариантности и построении УО выходного сигнала ИС. Синтезированы обобщенные схемы УИПЭЦ, использующие различные методы обеспечения инвариантности.

2. Исследованы возможные и выявлены перспективные варианты ИС для получения электрических сигналов соответствующих параметрам многоэлементных ЭЦ.

3. Разработаны обладающие высоким быстродействием УИПЭЦ с селективными методами обеспечения инвариантности. Синтезированы УО со стробированием, со стробированиемг и интегрированием , а также с детектированием амплитуды и фазы, размаха и перепада амплитуд выходного сигнала ИС и его производных.

4. Разработаны многофункциональные УИПЭЦ с прямым направлением преобразования в ДОК. Синтезированы ДОК с использованием операций дифференцирования и (или) интегрирования с переменными параметрами, с фиксацией перепада или мгновенного значения сигнала (или его производных) на выходе ИС.

5. Разработаны позволяющие получить информацию о нескольких параметрах УИПЭЦ с обратным направлением преобра-зовапи}.' в ДОК. Синтезированы УФМК нсинформативного сигнала с использованием принципов амплитудного, временного, амплитудно-временного и время-импульсного преобразования со сравнением напряжений, токов или фаз.

6. Разработаны УИПЭЦ с комбинированными методами обеспечения инвариантности, сочетающие преимущества многоканальных и селективных методов и обладающие исключительно широкими функциональными возможностями.

7. На основе селективных и многоканальных методов обеспечения инвариантности синтезированы устройства измерения постоянных времени, которые при простой реализации обладают высокой точностью, быстродействием и широким диапазоном изменения параметров ЭЦ. С использованием селективных методов обеспечения инвариантности в сочетании со стробоскопическими методами и методами обработки сигналов с внутриимпульсной модуляцией синтезированы работающие на высокой частоте высокоточные устройства измерения добротности катушек индуктивности с большими потерями.

8. На основе селективных и многоканальных методов обеспечения инвариантности синтезированы устройства измерения параметров резистивных, индуктивных, емкостных, трансформаторных и токовихревых датчиков для устройств измерения и контроля неэлектрических величин. Разработанные устройства обеспечивают высокую точность и быстродействие при больших диапазонах изменения неинформативных параметров датчиков и соединительных линий.

9. Разработаны методы и синтезированы структуры автоматических устройств для выбора места включения, тепа и значения опорного элемента ИС и для определения конфигурации и состава трехэлементных ЭЦ неизвестной структуры с использованием корреляционных различителен сигналов и устройств, работающих по программной логике анализа выходного сигнала ИС.

10. Предложена и реализована методика теоретического исследования УИПЭЦ, состоящая и последовательном определении интервалов инвариантности, анализе статических погрешностей, анализе динамики и быстродействии. Проведенными расчетами установлено, что по точности и быстродействию разработанные УИПЭЦ не уступают существующим, значительно превосходя их по допустимым значениям нсинформативных параметров.

11. Разработаны и внедрены на ряде предприятий УИПЭЦ, позволяющие за счет обеспечения инвариантности решить ряд нерешенных ранее практических задач. Большинство внедренных устройств защищены ангорскими свидетельствами, что подчеркивает новизну и оригинальность проведенных исследований.

12. На основе методов синтеза и анализа разработаны синтезаторы сигналов различной ()юрмы с требуемым разносом частот для корреляционных устройств определения конфигурации и состава ЭЦ и стробоскопических измерителей добротности.

13. С использованием средств аналоговой электроники разработаны принципы построения функциональных УИПЭЦ, входные и выходные сигналы которых связаны требуемой математической зависимостью. Эти устройства имеют высокое быстродействие и перспективны в информационно-вычислительных системах с параметрическими дат тиками.

14. Определены пути дальнейшего совершенствования УИПЭЦ состоящие: в использовании более сложных ИС и входных воздействий; в анализе выходного сигнала ИС посредством разложения на базисные ортогональные функции; в использовании информации о тонкой структуре сигналов с внутриимпульс-ной и структурной модуляцией.

о

Основные положения диссертации отражены в публикациях.

Книги и брошюры.

1. Чураков П.П., Свистунов БИзмерители параметров катушек индуктивности - Пенза: Из-во Пенз. гос. ун-та, 1998.-180 с. (Монография).

2. Чураков П.П. Зондирующие сигналы навигационных и локационных радиотехнических систем: Учебное пособие/ Под ред. А.И. Мартяшина. - Пенза: Пенз. политехи. Ин-т, 1991. - ббе.

3. Чураков П.П., Живодроп С.Н., Чураков В.П. Устройства формирования радиосигналов: Лабораторный практикум. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. техн. ун-та, 1996. - 89 с.

Статьи

4. Глевский Ю.С., Мартяшин Л.И., Чураков П.П. Приборы обнаружения межвитконых замыканий в катушках индуктивности ПОКЗВ-2 и обмотках статоров ПО КЗ 13-3 // Технический про-lpecc в атомной промышленности. Серия: Организация производства и прогрессивная'технология в приборостроении. 1990. Вып 7-8 (234-235). С. 61-62.

5. Губайдуллин Ш.И., Чураков П.П. Повышение точности измерения добротности катушек индуктивности на высоких час-тотах//Дспонир. рукопись. - 7с. ЦНИИТЭИ приборостроения. Деп. 10.05.90, №4873 - пр. -90.

6. Ермина Е.С., Мартяшин А.И., Чураков П.П., Шляндин

B.М. Преобразователи параметров двухполюсных электрических цепей в унифицированные сигналы// В книге «Метода и средства аналого-цифрового преобразования параметров электрических сигналов и цепей» - Саратов: Изд-во Сарат. Гос. ун-та, 1976. -

C. 76-81.

7. Ермина Е.С., Мартяшин А.И., Чураков П.П., Шляндин В.М. Преобразователь для получения информации о параметрах трехэлементных двухполюсников// Приборы и системы управления, 1978. №2. С. 22-23.

8. Ермина Е.С., Чураков П. П. Частотно-временной преобразователь для емкостных датчиков// Межвуз. сб. научн. тр. «Средства автоматизации технологических процессов в нефтяной промышленности». - Уфа, Из-во Уфимск. нефт. ин-та, 1987. - С. 106-112.

9. Ермина Е.С., Чураков П.П. О погрешностях операционных преобразователей. // Межвуз. сб. научн. тр. -«Устройства и системы автоматизированной обработки информации» Вып.1, -Пенза, ППИ, 1976. - С. 58-63.

10. Мартяшин А.И., Морозов А.Е., Чураков П.П., Шляндин В.М. Преобразователь индуктивности катушек в период следования прямоугольных импульсов, инвариантны! относительно паразитных параметров // Информационно-измерительная техника: Межвуз. сб. научн. тр. - Пенза: Пенз. политехи, ин-т., 1975.Вып. 5. - С. 67-75.

П. Мартяшин А.И., Чураков П.П., Шляндин В.М. Инвариантные преобразователи параметров катушек индуктивности// Технология производства элементов автоматических устройств: Материалы семинара. - М.: МДНТП, 1976. - С. 75-80.

12. Мартяшин А.И., Чураков П.П., Шляндин В.М., Калита Е.Д. Цифровой измеритель параметров катушек индуктивности// Приборы и техника эксперимента, 1976. №5. С.59.

13. Беляков С.А., Чураков П.П. Функциональный генератор сигналов инфранизкочастотиого диапазона // Приборы и техника эксперимента. 1985. №2. С. 142-145.

14. Мартяшин AM., Светлов A.B., Чураков П.П. Прибор для измерения и контроля значений индуктивности катушек // Ин-форм листок № 83-11. Пензенский ЦНТИ. Пенза, 1983.

15. Светлов A.B., Чураков П-П. Устройство донускового контроля //Приборы и систем!,! управления, 1984. №10. С. 31-32.

16. Чураков П.П., Морозов А.Е., Петров Ю.И. Термистор-ный преобразователь температуры в частоту// Информационно-измерительная техника: Мсжвуз. Сб. научн. тр. - Пенза: Пснз. политехи. ин-т., 1977.Вып. 7. - С. 105-108.

17. Чураков П.П., Ефимов A.B. Контроль наличия межвит-ковых замыканий в трансформаторах с электростатическими экранами // Приборы и t четемы управления, 1979. №8. С. 36.

18. Чураков П.П. Частотный преобразователь знании., емкости нелинейной электрической цепи // Устройства и системы автоматизированной обработки информации: Межвуз. сб. научн. тр. - Пенза, Пенз. политехи, ин-т, 1979. Вып.5. - С. 132-138.

19. Чураков П.П. Устройство для исследования варикапов// Устройства и системы автоматизированной обработки информации: Межвуз. сб. научн. - Пенза, Пснз. политехи, ин-т, 1982. Вып.8, - С. 127-134.

20. Чураков П.П. Интервалы инвариантности измерительных схем преобразователей параметров пассивных электрических цепей// Цифровая измерительная техника: Межвуз. сб. научи, тр. -Пенза, Пенз. политехи, ин-т, 1986. Вып. 16, - С. 70-74.

21. Чураков П.П., Чураков В.П. пятиканалыюе устройство контроля вибрации// Информ листок № 63-95. Пензенский ЦНТИ. Пенза, 1995.

• 22. Чураков П.П., Голышевский O.A. Автогенераторные преобразователи параметров двухполюсных электрических цепей//

Информационно - измерительная техника: Межвуз. сб. научн. тр. - Пенза, Из-во Пенз. гос. техн. ун-та, 1997. Вып.21, - С. 103-107.

23. Чураков П.П. Преобразователь параметров четырехэле-менгных двухполюсных электрических цепей в напряжение // Приборы и системы управления, 1997. №4. С. 32-34.

24. Чураков П.П. Нормирующий преобразователь параметров емкостных датчиков с измерительной схемой на мостовом операционном усилителе// Датчики систем измерения, контроля и управления: Межвуз. сб. научн. тр. - Пенза, Из-во Пенз. гос. техн. ун-та, 1997. Вып. 17, - С.81-85.

25. Чураков П.П. Анализ погрешностей инвариантных преобразователей параметров электрических цепей// Информационно-измерительная техника: Межвуз. сб. научн. тр. - Пенза, Из-во Пенз. гос. техн. ун-та, 1998. Вын.22, - С. 76-80.

26. Чураков П.П. Выбор операционного усилителя для амплитудного преобразования параметров электрических цепей// Информационно-измерительная техника: Межвуз. сб. научн. тр. -Пенза, Из-во Пенз. гос. техн. ун-та, 1998. Вып.22, - С. 117-121.

27. Чураков П.П. Устройство для определения адекватной электрической эквивалентной схемы объекта исследования// Устройства и системы автоматизированной обработки информации: Межвуз. сб. научн. тр. - Пенза, Пенз. гос. ун-та, 1998. Вып.21, -С.А7-Б7.

Авторские свидетельства

28. А.с. 425344 (СССР). Преобразователь взаимоиндутегивно-сти в период/ А.И. Мартяшин, А.Е. Морозов, БЛ. Свистунов, П.П. Чураков и В.М. Шляндин // Открытия, изобретения. 1974. №15.

29. А.с. 426128 (СССР). Преобразователь параметров трехэлементных цепей в унифицированные сигналы / А.И. Мартяшин, А.Е. Морозов, БЛ. Свистунов, П.П. Чураков и В.М. Шляндин // Открытия, изобретения. 1974. №15.

30. А.с. 429525 (СССР). Преобразователь тангенса угла потерь электрических конденсаторов в унифицированные сигналы/ А.И. Мартяшин, А.Е. Морозов, П.П. Чураков и В.М. Шляндин // Открытия, изобретения; 1974. №19.

31. А.с. 456232 (СССР). Преобразователь постоянной времени двухэлементных электрических цепей в период следования прямоугольных импульсов / А.И. Мартяшин, А.Е. Морозов,

БЛ. Свистунов, П.П. Чураков и В.М. Шляндин // Огкрытия, изобретения. J 975. №1.

32. A.c. 461387 (СССР). Преобразователь постоянной времени сложных электрических цепей в частоту / А.И. Мартяшин, А.Е. Морозов, Б.Л. Свистунов, П.П. Чураков и В.М. Шляндин // Открытия, изобретения. 1975. №7.

33. A.c. 481000 (СССР). Измеритель индуктивности катушек / А.И. Мартяшин, А.Е. Морозов, В.И.Рябинин, П.П. Чураков и В.М. Шляндин // Открытия, изобретения. 1975. №30.

34. A.c. 490266 (СССР). Преобразователь параметров трехэлементных двухполюсников в код /В.И. Кукин, А.И. Мартяшин, АЕ. Морозов, П.П. Чураков и В.М. Шляндин // Открытия, изобретения. 1975. №48.

35. A.c. 497535 (СССР). Преобразователь параметров RLC-цепей в постоянное напряжение /Е.С.Ермина, А.И. Мартяшин, А.Е. Морозов, П.П. Чураков и В.М. Шляндин // Открытия, изобретения. 1975. №48.

36. A.c. 512440 (СССР). Измеритель емкости полупроводниковых приборов /В.И. Кукин, А.И. Мартяшин, А.Е. Морозов, П.П. Чураков и др. // Открытия, изобретения, 1976. №12.

37. А-с. 512564 (СССР). Преобразователь параметров комплексных эдектричесю-х цепей в унифицированные сигналы /Е.С,£рмцца, А-И- Мартяшин, БЛ. Свистунов, П.П. Чураков и В.М, Шляндин // Огкрытия, изобретения. 1976. №12.

38. A.c. 581580 (СССР). Преобразователь параметров конденсаторов в унифицированные сигналы /Е.С.Ермина,

A.И. Мартяшин, Б.Л. Свистунов, П.П. Чураков и В.М. Шляндин // Открытия, изобретения. 1977. №43.

39. A.c. 598235 (CCÖP). Преобразователь активных потерь конденсаторов и катушек индуктивности в период колебаний /Е.С.Ермина, Ю.А. Колобанов, А.И. Мартяшин, П.П. Чураков и

B.М. Шляндин // Открытия, изобретения. 1978. №10.

40. A.c. 648916 (СССР). Устройство для измерения параметров двухэлементных нерезонансных электрических цепей /Е.С.Ермина, АИ. Мартяшин, П.П. Чураков и В.М. Шлйндин // Открытия, изобретения. 1979. №7.

41. A.c. 699455 (СССР). Измеритель емкости полупроводниковых приборов / Н.В. Громков, А.И. Мартяшин, В.М. Тростян-ский, П.П. Чураков и В.М. Шляндин // Открытия, изобретения. 1979. №43.

42. A.c. 708267 (СССР). Устройство для измерения параметров варикапа / Н.В. Громков, А.И. Мартяшин, В.М. Тростян-ский, П.П. Чураков и В.М. Шляндин // Открытия, изобретения. 1980. №1.

43. A.c. 711498 (СССР). Преобразователь для устройств контроля наличия межвитковых замыканий в трансформаторах /А. И. Мартяшин, П. П. Чураков и В.М. Шляндин и др.// Открытия, изобретения. 1980. №3.

44 A.c. 898343 (СССР). Измеритель индуктивности катушек /А. И. Мартяшин, П.В: Машошин, А.В.Светлов, В.М Чайковский и П.П. Чураков // Открытия, изобретения. 1982. №2.

45. A.c. 935825 (СССР). Измеритель добротности катушек индуктивности /А.И. Мартяшин, П.В. Машошин, А.В.Светлов, В.М. Чайковский и Г1.П. Чураков // Открытия, изобретения. 1982. №22.

46. A.c. 938199 (СССР). Преобразователь параметров четы-рехэлементных двухполюсников в напряжение /А.И. Мартяшин, В.М. Чайковский и П.П. Чураков // Открытия, изобретения. 1982. №23.

47. A.c. 938201 (СССР). Преобразователь параметров электрометрического датчика /А.И. Мартяшин, В.М. Чайковский и П.П. Чураков // Открытия, изобретения. 1982. №23.

48. A.c. 1087923 (СССР). Измеритель добротности катушек индуктивности /И.М. Белогурский, С.А.Беляков, А.И. Мартяшин, П.В. Машошин, и П.П. Чураков // Открытая, изобретения. 1984. №15.

49. A.c. 1147930 (СССР). Устройство для измерения амплитуды вибрации /И.М. Белогурский, А.И. Мартяшин, П.В. Машошин, и П.П. Чураков // Открытия, изобретения. 1985. №12.

50. A.c. 1149182 (СССР). Преобразователь параметров двухэлементных электрических цепей в код /И.М. Белогурский, А. И. Мартяшин, А-В.Светлов и П.П. Чураков // Открытия, изобретения. 1985. №13.

51. A.c. 1161901 (СССР). Измеритель индуктивности /И.М. Белогурский, С.А.Беляков, А.И. Мартяшин, C.B. Митрохин, и П.П. Чураков // Открытия, изобретения. 1985. №22.

52. A.c. 1626189 (СССР). Преобразователь параметров варикапа в напряжение / С.А.Беляков, Е.С. Ерминэ, А.И. Мартяшин, и П.П. Чураков // Открытия, изобретения. 1991. №5.

Тезисы докладов

53. Беляков СЛ., Чураков П.П. Частотно-временной преобразователь параметров двухэлементных электрических пеней// Тезисы докладов зонального семинара «Интегрирующие частотные время-импульсные преобразователи и цифровые средства измерения на их основе». - Пенза, 1987. - С.75.

54. Беляков С.А., Чураков П.П. Автогенераторный преобразователь параметров электрических цепей// Тезисы докладов VI Всесоюзной школы-семинара слудентов и молодых ученых «Автоколебательные системы и усилители в радиопередающих устройствах»-. - Рязань, 19S7. - С.23.

55. Ганькин А.В., Чураков П.П. Расширение диапазона показаний импульсных ультразвуковых уровнемеров// Тезисы докладов II Всероссийской научно-техн. конф. «Методы и средства измерений физических величин». ч.2, С.7-8. Нижний Новгород, 1997.

56. Ермина Е.С., Мартяшин А.И., Чураков П.П., Шляндцн В.М. Преобразователи параметров двухполюсных электрических цепей в частотно-временные сигналы с временным выделением информативного параметра// Материалы II Всесоюзного симпозиума «Проблемы создания преобразователей формы информации» - Киев: Наукова ду мка, 1976, ч.2, С.145-151.

57. Мартяшин А.И., Машошин П.В., Чураков П.П., Щетинин В.Г. Устройство для измерения индуктивности// Применение микропроцессорных систем для управления технологическими процессами: Всесоюзная конференция. - Смоленск: Смоленск. Филиал МЭИ, 1979.

58. Машошин П.В-, ЧураковП.П. Применение микрокаль-куляторных БИС в приборах для измерения параметров электрических цепей// Методы и средства аналого-цифрового преобразования параметров эле^рических цепей и сигналов: И Всесоюзная научно-техн. конф. - М.:1981.

59. Машошин П.В., Чураков П.П. Преобразователь для емкостных влагометров // Методы и средства измерений физических величин: II Всероссийская научно-тенх. Конф. - Нижний' Новгород, 1997. чЛ, С.З.

60. Михотин ВД., Чувыкин Б.В., Чураков П.П. Измерительный -синтезатор частоты// Синтезаторы частоты: III семинар молодых ученых. - Москва, 1979.

61. Михотин В.Д., Чураков П.П. Использование узлов вы-Зорки и хранения в синтезаторах частоты// Вопросы стабилизаци частоты: Всесоюзная конференция ЦООНТИ «Экое». - Горький, 1985.

62. Чураков П.П. Пути улучшения метрологических характеристик устройств для измерения параметров нелинейных электрических цепей// Структурные методы повышения точности, быстродействия и чувствительности измерительных устройств и систем: IV республиканская НТК. - Киев, 1981. С. 67.

63. Чураков П.П; Устройство измерения и контроля выходных параметров первичных параметрических преобразователей// Измерения в машиностроении: Зональный семинар. - Новочеркасск, 1986. - С.21.

64. Чураков П.П. Особенности динамического режима преобразователей параметров датчиков// Измерение перемещений в динамическом режиме: Семинар но теории машин и механизмов. - Каунас, 1987. - С. 47.

65. Чураков П.П. Применение теории чувствительности для анализа погрешностей преобразователей параметров электрических цепей// Проблемы теории чувствительности электронных и элекгронномеханических систем: Всесоюзное совещание молодых ученых и специалистов. - Москва. 1987. С.23.

66. Чураков П.П. Расширение интервалов инвариантности преобразователей параметров индуктивных датчиков// Обработка информации в автоматизированных системах научных исследований. - Пенза, 1989. С. 73-74.

67. Чураков П.П. Определение эквивалентной электрической схемы объекта при медикобиологических исследованиях// Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств н систем: Междунар. НТК. - Пенза. 1996. ч.2. С. 165.

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

: Президиум С,- ■■.'•'■

| I »ешение от" ' •■ 93 ^

| ученуш стпиш-гнь /.'у На правах рукописи

! _

| Нач^иик унра»ле»н^ВА К Ро ^с

ЧУРАКОВ ПЕТР ПАВЛОВИЧ

СИНТЕЗ И ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ В УСТРОЙСТВАХ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Специальность 05.11.05 - Приборы и методы измерения электрических и магнитных величин

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

ПЕНЗА -1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список сокращений .................................... 4

Введение ............................................. б

Глава 1. Параметры и обработка сигналов, устройства измерения параметров электрических цепей (УИПЭЦ) .............................. 18

1.1. Параметры и устройства обработки сигналов .. 18

1.2. Обзор и анализ существующих УИПЭЦ .......... 35

1.3. Синтез алгоритмов построения

инвариантных УИПЭЦ ......................... 5 8

Основные результаты и выводы по главе 1 ............. 77

Глава 2. УИПЭЦ с селективными методами

обеспечения инвариантности.................7 8

2.1. Синтез измерительных схем и выбор опорных воздействий................................ 7 8

2.2. Синтез узлов обработки и функциональных

схем УИПЭЦ селективной инвариантности ..... 107

Основные результаты и выводы по главе 2 ............ 138

Глава 3. УИПЭЦ с многоканальными методами обеспечения

инвариантности ............................ 140

3.1. Синтез узлов обработки и функциональных схем УИПЭЦ с прямым направлением преобразования в ДОК...................... 14 0

3.2. Синтез узлов обработки и функциональных схем УИПЭЦ с обратным направлением преобразования в ДОК...................... 164

3.3. УИПЭЦ с комбинированными методами обеспечения инвариантности ................ 18 8

Основные результаты и выводы по главе 3 ........................199

Глава 4. Устройства измерения обобщенных

параметров ЭЦ ...........................................................201

4.1. Устройства измерения постоянной

времени ЭЦ................................................................201

4.2. Устройства измерения добротности ....................212

4.3. Устройства для работы с параметрическими датчиками..................................................................231

Основные результаты и выводы по главе 4 ........................247

Глава 5. Исследование инвариантных УИПЭЦ ......................24 9

5.1. Определение конфигурации ЭЦ ..............................24 9

5.2. Определение интервалов инвариантности ..........2 68

5.3. Анализ погрешностей..............................................294

5.4. Быстродействие инвариантных УИПЭЦ ..................307

Основные результаты и выводы по главе 5 ........................313

Глава б. Практическая реализация и перспективы

совершенствования УИПЭЦ ......................................315

6.1. Внедрение разработанных УИПЭЦ ..........................315

6.2. Перспективы совершенствования УИПЭЦ ..............352

6.2.1. Повышение метрологических характеристик . 352

6.2.2. Расширение функциональных возможностей .. 369

Основные результаты и выводы по главе б ........................384

Основные результаты и выводы по работе ..........................387

Литература ..................................................................................3 90

Примечание ..................................................................................420

Приложение 1. Внешний вид разработанных УИПЭЦ ............421

Приложение 2. Данные о внедрении ......................................431

СПИСОК СОКРАЩЕНИИ

АД - амплитудный детектор

АП - аналоговый перемножитель сигналов

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика

ВУ - вычитающий усилитель; вычислительный узел

Г - генератор

ГКС - генератор компенсирующего сигнала

ГЛИН - генератор линейно изменяющегося напряжения

ГОС - генератор опорных сигналов

ГРН - генератор развертывающего напряжения

ДАД - двухполярный амплитудный детектор

Д - дифференциатор

ДН - делитель напряжения

ДО - дифференциатор-ограничитель

ДПН - детектор перепада напряжения

ДУО - дифференциальный усилитель-ограничитель

ЕД - емкостной датчик

И - интегратор

ИД - индуктивный датчик

Ин - инвертор

ИН - источник напряжения

ИС - измерительная схема

ИТ - источник тока

ИТУН - источник тока, управляемый напряжением

ИТУТ - источник тока, управляемый током

К - компаратор

КИ - катушка индуктивности

Кл - ключ

КН - компаратор напряжения КТ - компаратор токов ЛЗ - линия задержки

НПОР - набор переключаемых опорных резисторов ОВ - одновибратор

ООС - отрицательная обратная связь

ОНП - обратное направление преобразования

ОУ - операционный усилитель

ОФ - оптимальный фильтр

ПК - переключатель

ПН - повторитель напряжения

ПНП - прямое направление преобразования

ПНС - преобразователь напряжение-сопротивление

СИ - сумматор-интегратор

СУ - суммирующий усилитель

СФ - согласованный фильтр

ТВД - токовихревой датчик

УИПЭЦ - устройство измерения параметров ЭЦ УО - узел обработки

УФМЕС - узел фиксации момента компенсации ФАПЧ - фазовая автоподстройка частоты ФВ - фазовращатель

ФОН - формирователь опорных напряжений ФЧВ - фазочувствительный выпрямитель ФЧХ - фазочастотная характеристика ЧАПЧ - частотная автоподстройка частоты ЭЦ - электрическая цепь

ЭЭСЗ - эквивалентная электрическая схема замещения

ВВЕДЕНИЕ

Определение параметров электрических цепей требуется при проведении научных физико-химических исследований, при контроле параметров радиоэлементов электронных схем, при исследованиях в биологии и медицине, при исследовании свойств веществ и т.д. Многоэлементные электрические цепи (ЭЦ) являются эквивалентными электрическими схемами замещения различных параметрических датчиков неэлектрических величин и большого числа объектов измерений при проведении электрографических, диэлькометрических, кондуктомет-рических и полярографических исследований в биологии и медицине, электрохимической и технической физике.

Традиционным способом описания многомерных объектов является задание их передаточных функций, частотных или временных характеристик. Однако во многих практических случаях многомерные объекты более целесообразно представлять в виде пассивных линейных и .нелинейных многоэлементных ЭЦ. В этом случае необходимо пользоваться многомерным описанием электрических сигналов. Развитию и совершенствованию устройств измерения параметров электрических цепей (УИПЭЦ) посвящено большое число научных трудов [71, 84, 92, 100, 118, 119,120, 121, 127, 138,141, 142, 143, 151, 169, 170,196,236,240,253,260,263]. Значительный вклад в теорию и практику данного научного направления внесли коллективы, руководимые в разное время Т.М.Алиевым, М.А.Гаври-люком, Ф.Б.Гриневичем, К. Б.Карандеевым, В.Ю. Кнеллером, А.А.Кольцовым, К. JT.Куликовским, А.И.МартЯшиным,

А.М.Мелик-Шахназаровым, К.М.Соболевским, , Г.И.Передель-ским, М.П.Цапенко, Б.И.Швецким, В.М.Шляндиным, Г.А.Штам-бергером и др. Среди работ последних лет следует отметить

диссертационные работы Л.П.Некрасова [160], А.И.Новика [162], А.Ф.Прокунцева [172], В.Л.Свирида [182], A.A.Тюка-вина [197] и Б.Д.Хасцаева [203]. Хронологию развития разработок УИПЭЦ можно проследить по подборке авторских свидетельств [1. . .60] .

ЭЦ при отсутствии в ней источников тока и напряжения и без предварительно накопленной электрической и магнитной энергии является пассивной. Поэтому информация о значениях ее параметров может быть получена лишь путем проведения активного измерительного эксперимента, в ходе которого с помощью источников энергии формируется опорное электрическое воздействие и анализируется реакция измерительной схемы на это воздействие.

В зависимости от назначения выделим следующие задачи при измерении параметров ЭЦ: измерение и контроль всех или одного параметра ЭЦ, измерение обобщенных параметров (постоянной времени, добротности, резонансной частоты, волнового сопротивления), снятие вольткулонных, вольтам-перных и веберамперных характеристик, измерение неэлектрических величин с параметрическими, пьезоэлектрическими и другими типами датчиков.

УИПЭЦ используют следующие принципы работы [61,105] :

- определение комплексного сопротивления по отношению напряжения и тока;

- сравнение двухполюсной ЭЦ с образцовой (мостовые методы);

- моделирование активного эквивалента ЭЦ соответствующими сигналами (компенсационные методы);

- определение координат характерных точек частотных характеристик (резонансные УИПЭЦ и УИПЭЦ с генераторами

качающейся частоты);

- измерение напряжений и (или) токов на входе и выходе четырех- или трехполюсной ЭЦ;

- разделение падающей и отраженной волн;

- выделение падающих волн на входе и выходе;

- анализ картины стоячей волны.

По времени прохождения сигнала по исследуемой ЭЦ можно выделить цепи с сосредоточенными параметрами - время прохождения сигнала значительно меньше его периода и цепи с распределенными параметрами - время прохождения сигнала соизмеримо с периодом входного воздействия. Это деление во многом условно и в значительной мере определяется частотой входного воздействия на исследуемую ЭЦ.

В дальнейшем ограничимся рассмотрением устройств для измерения параметров ЭЦ с сосредоточенными параметрами, поскольку задание состава и топологии ЭЦ для многих сложных физических объектов более содержательно, чем передаточные функции, частотные и временные характеристики, так как отражает внутреннюю структуру и позволяет глубже изучить процессы в нем. Для подтверждения актуальности разработки таких устройств рассмотрим подробнее конкретные ЭЦ, параметры которых необходимо определять в различных отраслях науки и техники.

При измерении и контроле параметров различных радиоэлементов пользуются [61] эквивалентными схемами, приведенными на рис.В.1. Так резистор (рис. В.1.а) представляется сопротивлением Я, шунтиированным емкостью корпуса Ск, последовательно соединенным с индуктивностью Ь8 выводов. Электрический конденсатор(рис.В.1.б)имеет многоэле-

ментную схему: Ьэ - эквивалентная последовательная индуктивность выводов; Яэ - эквивалентное активное сопротивление потерь выводов; С0 - геометрическая ёмкость; ДС, -цепочки, моделирующие виды поляризации, сопровождающиеся потерями. Катушка индуктивности (рис. В.1.в) характеризуется индуктивностью Ь, активным сопротивлением потерь в проводах Лп и сердечнике и паразитной, в основном

межвитковой, емкостью С. Эквивалентная схема кварцевого резонатора (рис. В.1.г) состоит из параллельного соединения последовательных резонансных контуров на основной (Л^ЦС^ и высших (ДХгСг) механических гармониках кварца и

статической емкости С0 . Полупроводниковый диод (рис. В.1.д) представлен эквивалентной схемой р-п перехода (Сп - диффузионная или барьерная ёмкость; - активное

сопротивление потерь на переходе; Ду - активное сопротивление выводов) с ёмкостью корпуса Ск, и индуктивностью выводов. На рис.В.2 представлены эквивалентные электрические схемы замещения диэлектрического материала и структуры металл-диэлектрик-полупроводник. Эквивалентная схема диэлектрика (рис.В.2.а) содержит: емкость С, обусловленную мгновенной поляризацией; сопротивление Я, характеризующее сквозную проводимость; цепочки ДС, , определяющие медленно устанавливающуюся поляризацию. Схема замещения МДП структуры (рис.В.2.б) содержит емкость диэлектрика С0, емкость области пространственного заряда С5 и цепочку , определяющую растекание тока смещения [261] .

На рис. В.З.а показаны эквивалентные электрические

схемы различных электрохимических систем [121,252,269]. На рисунке - сопротивление раствора; С¿дС - емкость

адсорбции; - сопротивление реакции; Сдв ~ емкость

двойного электрического слоя на поверхности электрода; ЯдС - сопротивление десорбции; Я± и Я2 , сопротивления, характеризующие соответственно первую и вторую стадии реакции; Хцг - импеданс Варбурга. На рис. В.З.б приведена схема, используемая при исследовании диэлектрических свойств биологических тканей. Здесь полезную информацию несут параметры и , а параметры Я2 и С2 характеризуют коаксиальный емкостной датчик.

На рис.В.3.в...ж приведены соответственно эквивалентные схемы асинхронной электрической машины, емкостного и индуктивного датчика влажности, гигрометрического и кондуктометрического датчиков.

Цель работы . Разработка алгоритмов функционирования и методов синтеза инвариантных устройств измерения параметров электрических цепей (УИПЭЦ) , обладающих широкими функциональными возможностями при высоких метрологических характеристиках. Разработка методики инженерного проектирования, теоретического и экспериментального исследования инвариантных УИПЭЦ.

Для достижения поставленной цели предварительно необходимо провести анализ устройств обработки сигналов применительно к синтезу и анализу УИПЭЦ.

Задачи исследования:

- разработка обобщенной теории синтеза инвариантных УИПЭЦ;

-СШН

R

а

L* R-

C,

R,

I

Hi

le, :

X.

к С;

Rn

:Cn

б

Cl R, L',

I' 1 " "I M "

' Ci Ri Lt

HI

cn

Ф-

>Rn Ri

H u I-

u

yvYW^

Рис.В.1

R

I

С

с,

Ci

to

"II—CHH

o,

Rp

К

1

Zw

rO

Ro A-l-V

Сда

I

СИ—CZH>'

ÜAAt

^Afc „ с АДС

г1=М

4

Ro

HZIH*

R.

,<413

Сдь

Zw R» С «u¡

[=3-0—11-

ÍZf

I

Сдь

Cs

fti R2

e-

б

i

CZJ

a i

зН1

Ra C¡

jK

Яд L

a

HZZh

,4

r4 С. f-czHH f

$

CÍ

¿-PDP "—¿

ж

- разработка УИПЭЦ с использованием селективных методов обеспечения инвариантности;

- разработка УИПЭЦ с использованием принципа много-канальности и пространственного разделения каналов;

- разработка УИПЭЦ, сочетающих многоканальные и селективные методы обеспечения инвариантности;

- разработка методики определения конфигурации и состава ЭЦ априори неизвестной структуры;

- разработка методики определения интервалов инвариантности, статических погрешностей и быстродействия инвариантных УИПЭЦ;

- экспериментальное подтверждение теоретических положений и внедрение разработанных инвариантных УИПЭЦ в производство;

- определение направлений дальнейшего совершенствования инвариантных УИПЭЦ.

Научная новизна.

1. Разработан обобщенный подход и синтезированы алгоритмы построения УИПЭЦ с селективными, многоканальными и комбинированными методами обеспечения инвариантности.

2. Синтезированы обобщенные схемы УИПЭЦ с селективными методами обеспечения инвариантности без введения дополнительного опорного канала (ДОК), с многоканальными методами обеспечения инвариантности с прямым и обратным направлением преобразования в ДОК и с комбинированными методами обеспечения инвариантности.

3. Синтезированы узлы обработки (УО) для инвариантных УИПЭЦ без ДОК и с прямым направлением преобразования (ПНП) в ДОК.

4 . Синтезированы узлы фиксации момента компенсации (УФМК) УИПЭЦ с обратным направлением преобразования в ДОК.

5. Разработаны принципы построения и схемы устройств измерения обобщенных параметров ЭЦ и УИПЭЦ, обеспечивающих требуемую функциональную зависимость между входными и выходными параметрами.

6. Разработаны алгоритмы и схемы определения конфигурации и состава ЭЦ априори неизвестной структуры.

7. Теоретически исследованы инвариантные УИПЭЦ - определены интервалы инвариантности, погрешности и время измерения для каждой разновидности.

8. Определены пути дальнейшего совершенствования инвариантных УИПЭЦ, состоящие: в использовании более сложных измерительных схем (ИС) и входных воздействий; в анализе выходных сигналов ИС посредством разложения на ортогональные функции; в использовании стробоскопических методов преобразования и информации о "тонкой" структуре сигнала.

Практическая ценность:

- разработана методика инженерного проектирования и исследования УИПЭЦ;

- разработаны структуры УИПЭЦ, решающие ряд нерешенных ранее задач;

- разработанная методика внедрена в учебный процесс преподавания дисциплины "Устройства генерации и формирования радиосигналов" и "Автоматизированные системы контроля и управления РЭС" [231,232] .

Реализация в промышленности

Цифровой измеритель параметров катушек индуктивности

внедрен в Отраслевой научно-исследовательской лаборатории автоматизации электрических измерений и контроля (ОНИЛАЭИК) Пензенского политехнического института ( Пензенского государственного университета) [147].

Вторичные преобразователи значения индуктивности в частоту и интервал времени для первичных индуктивных преобразователей линейных перемещений внедрены в Пензенском филиале Всесоюзного научно-исследовательского института физических измерений (ныне Пензенский научно-исследовательский институт физических измерений) [146,243].

Инвариантный измеритель значения индуктивности используется в качестве базового в приборе контроля магнитной . проницаемости тороидальных сердечников, внедренном на заводе "Ужгородприбор" г.Ужгород, Украина [244].

Различные модификации устройства измерения постоянной времени первичных индуктивных преобразователей внедрены на заводе "Ужгородприбор", заводе "Тяжпромарматура" [249] и в акционерном обществе "Электромеханика" г.Пенза - для контроля наличия межвитковых замыканий в катушках индуктивности и готовых трансформаторах [2Щ] , а также в Пензенском государственном научно-исследовательском институте электронно-механических приборов - для контроля наличия межвитковых замыканий в обмотках статоров шаговых электродвигателей [248].

УИПЭЦ с использованием методов фазового детектирования внедрено на заводе "Ужгородприбор" г.Ужгород, Укр