автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Система измерения положения границы раздела и параметров сред на основе датчиков расстояния

084603232

На правах рукописи

Личков Геннадий Геннадьевич

СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА И ПАРАМЕТРОВ СРЕД НА ОСНОВЕ ДАТЧИКОВ РАССТОЯНИЯ

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.11.16 «Информационно-измерительные и управляющие системы (в промышленности)»

- з ИЮН 2010

Тула 2010

004603232

Работа выполнена на кафедре «Радиоэлектроника» в ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный руководитель: - доктор технических наук, доцент

Паринский Анатолий Яковлевич

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Панарин Владимир Михайлович

кандидат технических наук Ряполов Сергей Валентинович

Ведущая организация: ОАО НПП «Связь»

Защита диссертации состоится <¿2» иЮкЯ 2010 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д212.271.07 при Тульском государственном университете по адресу: 300600, г. Тула, пр. Ленина 92 ( 9-101 ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Автореферат разослан «■£» МО.Я 2010 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета

Ф.А. Данилкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время но-многих отраслях промышленности имеется потребность и высокоточном измерении уровня и объема жидких и сыпучих продуктов в закрытых резервуарах. Большой вклад в развитие данного направления внесли О.Н. Новоселов, С.Н. Фальковнч, Г1.А. Бакулев, П. Профос, М.В. Кульгнн, В.В. Никольский, Л.Д. Гольдштейн, Д.В. Пузанков, Л.Н.Толкалпн, М.И. Сколник, I.V. Komarov, S.M. Smolskiy и другие.

Специфика приложений выдвигает ряд требовании к измерительным системам. Высокая точность измерений в различных условиях эксплуатации: широкий диапазон температур, наличие часгнц пылп и испарений между измерительным устройством п объектом измерении, неровным рельеф поверхности раздела. Система должна быть способна измерить большую номенклатуру различных сред.

Сравнительный анализ существующих измерительных систем показал, что их точность не достаточна. Имеющиеся системы не применимы в задачах измерения нестационарной поверхности и поверхности с неровным рельефом, для измерения ряда продуктов, включающих мазут и сжиженный газ. Измерение диэлектрических параметров продукта, диэлектрической проницаемости с и тангенса угла потерь цо, в существующих системах осуществляемся oiдельным контактным датчиком, точность и надежность которого малы, вследствие сильного влияния загрязнения. Для ряда химических и металлургических производств контактное измерение параметров границы раздела сред невозможно. Отмеченные недостатки приводят к снижению экономической эффективности предприятий хранения, транспортировки и переработки нефтепродуктов, сжиженного газа.

В связи с чем, актуальность приобретает задача разработки структуры, средств и способов построения ИИС, обеспечивающих высокую точность измерения при указанных выше условиях эксплуатации, и измеряющих диэлектрические параметры среды дистанционно.

Актуальным является интеграция датчиков системы, объединение функций измерения дальности и параметров сред, диэлектрической проницаемости s и тангенса угла потерь tgö, в одном бесконтактном датчике.

Объект исследования. ИИС для дистанционного измерения параметров различных сред в резервуарах.

Предмет исследования. Математические модели и алгоритмы обработки, структуры, средства и новые способы построения, позволяющие повысить точность ИИС и расширить функциональные^возможности.

Цель работы. Состоит в повышении точности измерения ИИС за счет разработки новых принципов построения ИИС, алгоритмов обработки информации, разработки более точных математических и имитационных моделей функционирования ИИС на основе датчиков расстояния.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ источников погрешностей в ИИС на ДР, выполнить анализ методов повышения эффективности ИИС.

2. Выполнить анализ влияния неоднородностей поверхностей сред и их физических характеристик.

3. Провести моделирование процессов работы ИИС.

4. Выполнить разработку структуры, средств и методов построения ИИС на основе датчиков расстояния, позволяющих повысить точность измерения и функциональные возможности ИИС.

5. Разработать метод повышения точности выделения информационной составляющей из входного сигнала датчика расстояния.

6. Разработать метод бесконтактного измерения уровня среды z, объема V, диэлектрической проницаемости среды г и тангенса угла потерь tg6 при нестационарной границе раздела сред.

7. Разработать алгоритм функционирования и программное обеспечен» ИИС и датчиков расстояния, предназначенных для работы в широкок диапазоне температур, при наличии частиц пыли и испарений между из мерительным устройством и объектом измерения, при неровном рельеф поверхности раздела сред.

На защиту выносятся.

1. Метод эффективного выделения информационной составляющей и входного сигнала ДР.

2. Метод высокоточного измерения уровня среды z, объема V, диэлектриче ской проницаемости среды е и тангенса угла потерь tgS для несовершен ных диэлектриков.

3. Метод оценки точностных параметров ИИС для измерения уровня средь z, объема V и ее электромагнитных параметров е и tg5.

4. Структурная схема и математическая модель ДР на адаптивных фильт pax.

5. ИИС для измерения нестационарной поверхности раздела сред. Методы исследования: в работе использовались методы дифференци

ального и интегрального исчисления, Z - преобразование, быстрое преобразо вание Фурье, кватернионы, применены основы теории очередей для расчет производительности ИИС.

Научная новизна состоит в моделировании ИИС на основе датчико расстояния, измерении положения неоднородной поверхности раздела, объем и диэлектрических параметров сред. Научная новизна работы заключается следующих положениях

1. Созданы новые методы и средства построения ИИС на основе ДР, позв лившие обеспечить высокую точность измерения ИИС положения нео нородной поверхности раздела.

2. Предложены математические модели определения формы и параметро измеряемой границы раздела кластером ДР, размещенным над измеря мой границей раздела, позволившие учесть неоднородность поверхност раздела сред и получить точное значение объема продукта в резервуаре.

3. Реализован метод расчета погрешностей ИИС, позволивший оптимизировать пути повышения ее точностных характеристик.

4. Предложена структура ДР, позволившая повысить его помехоустойчивость за счет использования адаптивной фильтрации.

5. Разработана ИИС, позволившая повысить точность измерения нестационарной поверхности раздела сред в замкнутых резервуарах. Практическая ценность работы заключается в разработке методов построения ИИС, обладающих высокой точностью измерения, расширенными функциональными возможностями и диапазоном применения. Разработанные в диссертации методы оценки точностных параметров ИИС позволяют снизить трудоемкость создания информационно-измерительных систем исследуемого класса и повысить качество проектирования за счет снижения объемов экспериментальных работ.

Внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены в научно-техническом предприятии ЗАО «Лимако», г. Тула, а также в учебный процесс кафедры «Радиоэлектроники» Тульского государственного университета.

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Международных, Всероссийских и региональных научно-технических конференциях:

1. IV Всероссийской научно-технической интернет конференции (г. Тула, 2006 г.).

2. Международной конференции научно-технического общества радиотехники и связи им. A.C. Попова, серия «Цифровая обработка сигналов и ее применение», вып. Х-2, 2008 г., - с.567-569.

3. IV Межрегиональной научно-технической конференции «Информационные технологии, энергетика и экономика» (г. Смоленск, 2007 г.).

4. Труды научно-технического общества радиотехники и связи им. A.C. Попова, вып. LXII, 2007 г.-с. 112-113; вып. LX1I1, 2008 г. - с.241-243.

5. VIII Международной конференции «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации» (г. Курск, 2008 г.).

Опубликована монография «Измерители пространственного положения границ раздела и свойств сред на основе интеллектуальных радиолокационных датчиков» (г. Тула, 2008 г.).

По теме диссертации опубликованы 26 статей в ряде научных изданий, в том числе 8 статей в изданиях, рекомендованных ВАК [2,8,9,10,23,24,25,26].

Структура и объем диссертации: работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений, изложенных на 154 странице основного текста и содержащих 93 рисунка, 6 таблиц и списка литературы из 148 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении к диссертации отражены актуальность темы, определены объект, предмет, методы и задачи исследования, дана общая характеристика работы, обозначены основные положения, выносимые на защиту, а также приведены краткие аннотации разделов диссертации.

В первой главе исследуются общие характеристики и критерии эффективности ИИС на основе ДР для задач измерения положения границы раздела 1, объема V, диэлектрической проницаемость е и тангенса угла потерь , и конкурентоспособность ИИС, концептуальная модель которой приведена на рис. 1.

t°C

Управляющая ЭВМ

i z . i £ 1 г ' 1 У' L

Датчик

Л

L

/////// / Среда s, tgSa, gcp ////////

/

Рис.1. Концептуальная модель ИИС.

С целью минимизации систематической погрешности измерения, предложенная модель включает температурную компенсацию, использующую датчик температуры и компенсацию угловой ошибки, возникающей при монтаже датчиков на резервуаре, использующую инклинометр и математический аппарат кватернионов для точного расчета дальности.

Предложена структурная схема ИИС включающая управляющую ЭВМ и соединенные в сеть ДР. Отмечены аспекты использования в качестве управляющей ЭВМ ПК и промышленного PLC контроллера. Выполнен обзор средств метрологического контроля ИИС рассматриваемого класса. Рассмотрен принцип измерения неоднородной границы раздела сред, рис.2.

/1 л

'2 /3 ГУ У 2 /3

N

Рп

i I ' Л

z ч

' - Н А

ь ч

h

г 1 <

Рис.2. Принцип измерения уровня среды и ее параметров, где: 1 - ДР; 2 - антенна; 3 - информационная линия; 4 - резервуар; 5 - измеряемая среда (жидкий продукт); 6 - измеряемая среда (сыпучий продукт); Р„ -излучаемый сигнал; Рот- отраженный сигнал.

Проведена сравнительная критическая классификация дистанционных методов измерения по критериям точности и конкурентоспособности. Рас-

смотрены фазовый, импульсный и частотный метод измерения. Обосновано преимущество радиолокационного метода измерения с частотной модуляцией несущей частоты.

Предложен метод измерения на основе частотного метода, позволяющий параллельно с измерением положения границы раздела сред г и объема V и скоростью движения границы раздела, измерять диэлектрическую проницаемость е и тангенс угла потерь tgS. Отмечено, что разделения информационной и доплеровской составляющих входного сигнала позволяет повысить точность измерения дальности. Отмечено, что предлагаемый метод применим в оптическом, ультразвуковом и радио диапазоне.

Изложены результаты метрологического исследования дистанционных датчиков оптического, ультразвукового и радио диапазонов.

Формы излучаемого и отраженного сигналов частотного метода приведены на рис.3. А р

Рис.3. Частотный метод измерения уровня среды и ее параметров, где Гн - начальная частота развертки; (~к - конечная частота развертки; 1~изл - частота излучаемого сигнала; Готр - частота отраженного сигнала; I, - время задержки отраженного сигнала; Т„ - период модуляции; ДРМ - девиация частоты; РБ - частота биений.

Установлено, что дальность однозначного измерения равна

й

: -с ■ Т..

Уровень среды относительно установочной высоты //

Объем, заключающий измеряемую среду

!'= \к(х,у)с1з

(1)

(2) (3)

где 51 - сечение резервуара; И - поверхность границы раздела;

Кх, у) = Л - г(х, у) - возвышения измеряемой среды в точке л-,)' над нулевой

плоскостью.

Выполнен критический анализ методов измерения с помощью датчиков расстояния: ультразвукового, лазерного, изотопного и радиолокационного. Обосновано, что наибольшую точность, надежность, номенклатуру измеряемых

сред в наиболее жестких условиях эксплуатации обеспечивают радиолокационные методы.

Датчик расстояния рассматривается как основа построения ИИС рассматриваемого класса. Отличительной особенностью датчика расстояния, построенного на основе предлагаемых моделей, является возможность измерения положения границы раздела сред г, диэлектрической проницаемости е и тангенса угла потерь tgS одним прибором. В данном случае ИИС представляет собой распределенную вычислительную сеть, состоящую из дистанционных датчиков, объединенных информационной линией связи и устройство отображения, хранения и передачи измерительной информации.

Во второй главе приведена функциональная схема ДР, рис.4. Исследован вопрос состава ИИС. Рассмотрены средства контроля параметров ИИС, на базе метрологического стенда, пути снижения методической погрешности измерения, разработан программный продукт для метрологической поверки ИИС.

Установлены плотности распределения погрешности измерения отдельных звеньев, суммарная плотность распределения погрешности

■4.,ч,)= (4)

Предложены методы построения ИИС на основе ДР. Отмечается, что для проектирования современных ИИС необходим ДР, способный осуществлять комплексные измерения, обработку и хранение результатов измерений. Сформулированы требования к конфигурированию ДР в системе и возможности предоставления вычислительных ресурсов ДР для формирования вычислительной сети ДР, работающих в мультипрограммном режиме.

Рис.4 Функциональная схема ДР, где: ПР - программа формирования частотной развертки; РУР - регистры управления разверткой; СЧ - синтезатор частоты; КГ - термостабилизирован-ный кварцевый генератор; ГУН - генератор, управляемый напряжением; УСГ-устройство стабилизации генератора; Т - передающая антенна; R - приемная антенна; AI, А2 - усилители СВЧ; ПФ1, ПФ2 - полосовые фильтры; ГЕТ - гетеродин; М - смеситель; ПФЗ - перестраиваемый фильтр; A3 - усилитель; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; DSP - цифровой сигнальный процессор; АФ - адаптивный фильтр; ГПК - генератор построечных коэффициентов АФ; БВС - блок выделения информативного сигнала; БК - блок коррекции; ИНК -

инклинометр; 10 - датчик температуры; РХ - регистры хранения; ИП - интерфейсная программа.

Применение температурной компенсация позволило снизить систематическую погрешность и повысить точность измерений за счет более точного моделирования параметров блоков ДР, зависимых от температуры, волноводно-антенного тракта, опорного генератора.

Исследуются математические и имитационные модели ДР, ИИС. Выделены следующие показатели качества: точность, надежность, функциональность.

Исследованы неоднородные поверхности раздела, установлен закон распределения плотности частот волн для более плотных нефтепродуктов

¿■.(¿у) = 2л-^т-ехр

' со6

4,575

(5)

2 1 1>. СО /?,

Плотность распределения частот волн для менее плотных нефтепродуктов, таких как бензины

схр

-1,25| ^

со

(6)

Рассмотрена ошибка измерения дальности вследствие влияния доплеров-ской составляющей для рассмотренных выше распределений.

Выполнено математическое моделирование и построена имитационная модель для исследования влияния нестационарной границы раздела на точность

ДР для частотных диапазонов от ЮГГц до 1 ЮГГц.

' (7)

Рассмотрены точностные характеристики ДР и преимущества реализации ДР в соответствии с предлагаемой моделью. Отмечено, что применение предлагаемых методов и математических моделей позволяет расширить функциональные возможности ДР по измерению уровня среды г, объема V, возможностью измерения диэлектрической проницаемости с, тангенса угла потерь tgS .

Одним из основных направлений повышения эффективности ИИС рассматривается разработка моделей обработки принятого сигнала и выделения информационных составляющих.

В ходе экспериментальных исследований на промышленных объектах и в лаборатории с использованием метрологического стенда установлено, что для повышения точности ДР необходимо снизить уровень ложных сигналов. Для решения этой задачи предложено использовать адаптивную фильтрацию рис.5.

В качестве оценки сигнала принято среднеквадратическое отклонение

(8)

где: \¥к - вектор значений весовых коэффициентов в момент времени к; Хк -вектор входных значений; Л - корреляционная матрица входного сигнала; gt -прогнозируемое значение информационного сигнала в момент времени к.

1 2

+

Рис.5. Адаптивная фильтрация информационного сигнала, где: 1 - входной сигнал; 2 - фильтр; 3 - сумматор; 4 - алгоритм стабилизации информационного сигнала; 5 - алгоритм коррекции вектора весовых коэффициентов фильтра.

Установлено, что наилучшее подавление ложных сигналов обеспечивает адаптивный фильтр, адаптация которого осуществляется градиентным поиском методом наискорейшего спуска.

Для адаптации весовых коэффициентов в фильтре информационного сигнала предложено использовать следующую расчетную формулу

IУш = (I + , (9)

где: I - единичная матрица.

Весовые коэффициенты вектора оптимальных решений IV' для нечетного значения £ автором предложено рассчитывать по следующей формуле

Я! = о

(Ю)

т * 0

где: т = к

¿-1

; Хс =шах(Я^Дс.); Хъ = тт(Д40,Яс.); ХЛФ - частота основной спек-

тральной составляющей выходного сигнала АФ; Хс - узкополосный эталонный сигнал, формируемый алгоритмом стабилизации опорного сигнала рис.5.

Экспериментально установлено, что данный метод позволил повысить точность измерения на порядок

Неточность монтажа ДР на фланце резервуара, нестационарность пространственного положения ДР во времени, имеющая место на морских танкерах, вызывают систематическую ошибку измерения дальности. Для компенсации предложено использовать инклинометр. Введение инклинометра также позволяет определять объема продукта с использованием перемещаемого (портативного) ДР. Наклон оси прибора вычисляется комбинацией угловых перемещений по осям х,у,г измеряемым инклинометром:

Я*=Ях-Чг-Чг> С11)

где: - кватернионы поворотов относительно осей х,у,г, получаемые

от инклинометра.

По комбинации угловых перемещений можно вычислить направление нормали к границе раздела

^г=Чг-е\'Ч'г , О2)

где: е, - единичным вектор нормали к антенне ДР равный(0,0,1) в системе координат датчика, с^ нормирован.

Искомая дальность равна

.- = г,-у3. (13)

где: V, - вектор измерения дальности, равный (0,0,г,).

Применение аппарата кватернионов позволило снизить вычислительную нагрузку на процессор, поскольку умножение кватернионов требует 16 операций умножения и 12 сложений; умножение матриц требует 27 операций умножения и 18 сложений.

Рассмотрены аспекты применения приведенного выше математического аппарата кватернионов для перспективных ДР портативного исполнения. Разработана математическая модель измерения поверхности раздела сложной формы перемещаемым (портативным) ДР. Приведены математические модели измерения портативным ДР сложной поверхности раздела методом углового сканирования.

Отмечено, что применение инклинометра позволило повысить точность измерений ДР в составе ИИС, применяемых в условиях наличия угловых п вибрационных составляющих ошибки: на морских танкерах, перемещаемых платформах и аналогичных применениях, расширить функциональные возможности перемещаемых (портативных) ДР.

В третьей главе рассмотрен алгоритм функционирования ДР с точки зрения точности, надёжности, функциональности. Приведена блок схема алгоритма и схема взаимодействия программных компонентов ДР. Рассмотрена структурная схема ИИС на основе ДР. Отмечены преимущества сети произвольной топологии для подключения измерительных модулей. Измерительным модулем предложено считать кластер либо совокупность кластеров ДР на данном резервуаре.

Исследованы параметры стационарных и нестационарных ложных сигналов. Проведена классификация их влияния на измеряемую дальность по сред-неквадратическому отклонению. Сформулированы требования к частоте развертки излучаемого сигнала ДР, обеспечивающие статистическую стационарность отраженного сигнала.

Проведено моделирование входящих в структурную схему ИИС информационных устройств.

Разработана ма!сл.«...-.^..аЯ модель ИИС и предложена структурная схема. ИИС представляет собой систему с дискретным временем, уравнение ИИС имеет вид

Д/^Щ.,,^), (14)

где - отображение, осуществляемое ИИС; - множество состояний системы в момент времени; X, - множество параметров системы, измеренное в момент времени /. Вычисление отображения Г осуществляется высокопроизводительным сервером.

Рассмотрена управляющая программа ИИС с точки зрения точности, функциональности, надежности. Предложен алгоритм нагрузочного тестирования серверной программы ИИС, рис.6.

Рис.6. Серверная программа ИИС, где: 1 - модуль обработки клиентских запросов; 2 - модуль ведения журнала; 3 - модуль расчета измеряемых величин; 4 - модуль расчета вычисляемых величин; 5 - модуль опроса; 6 - модуль обработки ошибок; 7 - интерфейсный модуль; 8 - дистанционные датчики.

Проведена оценка производительности ИИС с использованием теории очередей. Установлено, что вероятность поступления информационного сообщения подчиняется закону Пуассона.

Среднее число Ь сообщений в очереди в общем случае равно:

У

где: ß - интенсивность распределения времени обработки сервером поступившего сообщения; s - вероятность, что сообщение будет успешно обработано.

Для реализованной на практике сети экспериментально установлено, что значение s = 0.999997. Рассмотрены основные параметры информационной системы, Tq - среднее время, которое сообщения проводят в системе и Та - среднее время, которое сообщение ожидает обработки от среднего количества сообщений в системе q и количества сообщений, ожидающих обработки в очереди а для различного распределения времени обработки сервером.

Рассмотрены методы развертывать сети ДР на основе стандартного протокола Modbus и вопросы расширения сети произвольной топологии. Предложен рекурсивный алгоритм расширения адреса узла ДР за счет включения в него адреса подсети. Исследованы аспекты применения в ИИС протокола обмена между интеллектуальными устройствами и устройствами отображения HART.

Исследованы проблемы передачи измерительной и служебной информации в ИИС. Проведены экспериментальные исследования функционирования ИИС в условиях повышенных электромагнитных помех. Для повышения досто-

верности передачи информации предложено развертывать информационную сеть ИИС в соответствии со стандартом передачи данных 1ЕС 61158.

Практика показала, что поверхность раздела сыпучего продукта в резервуаре имеет неровный рельеф. Это обстоятельство искажает плоскую поверхность сред и вносит дополнительную ошибку в определение объема продукта, заполняющего резервуар.

Исследованы способы размещения ДР над измеряемой границей раздела Исследован ряд структур ДР для измерения границы раздела, имеющей квазиволновой рельеф. В качестве базовой структуры предложен кластер ДЦ размер-

Рис.7. Кластер ДР,

где: 1-21 датчики расстояния; 22-24 - кластеры ДР; 25 - информационная линия; 26 - преобразователь интерфейсов; 27 - управляющая ЭВМ.

Предложен алгоритм увеличения числа ДР для более сложных поверхностей, методом комбинации кластеров размерностью Ик, =7, исследованы методы расчета объема.

Предложено использовать эрмитову интерполяцию набора высот с использованием кусочных кубических полиномов, для повышения точности при расчете результирующего объема по формуле (3).

1) = а„1'+Ь/+с1,1 + е1к. (16)

Исследовано применение кусочной эрмитовой интерполяции для повышения точности измерения поверхности раздела сложной формы кластером ДР

О7)

В результате проведенных исследований установлено, что данная интерполяция позволила снизить среднеквадратическую ошибку измерения объема продукта в 14,72раз по сравнению с классическим методом усреднения показаний ДР. Расчет объема осуществлялся в соответствии с (3).

Сформулированы ограничения формы зондирующего воздействия на измеряемую систему, так как передатчики и приемники имеют ограниченный

диапазон перестройки частоты. В этой связи отмечена необходимость примене ния периодического закона частотной модуляции.

. Предложены математические модели, позволяющие проводить измерени расстояния до границы раздела г и доплеровское смещения Пл без усложнени аппаратной реализации ДР с использованием треугольной модуляции, рис.3.

сдвиг; ч>„г{}\(рт,М) - фазовые коэффициенты излучаемого и принимаемого сиг налов.

Лабораторные исследования точности измерения нестационарных гранш раздела показали, что уменьшение погрешности измерения г составило 83%.

В четвертой главе проведено исследование метрологических характери стик системы, обоснованы пути повышения точности ИИС и приведены ре зультаты внедрения разработанных ИИС в производство.

Отмечено, что помехоустойчивость системы характеризуется минималь ным (пороговым) отношением а\ мощности сигнала к мощности шума па вхо де приемной части ДР (в удвоенной полосе 2ГС спектра зондирующего) при ус ловии, что погрешность системы ¿Ене превосходит допустимую. Максимум помехоустойчивости соответствует минимум показателя а02.

Достижение минимума обеспечивается совместным выбором помехо устойчивых форм зондирующего сигнала - приема отраженного сигнала и эко номичных (с малой избыточностью) методов выделения информационной со ставляющей совместно с методами фильтрации помех, а также с выбором рабо чих параметров соответствующих алгоритмов и устройств.

Предложено принять критерием точности ИИС наихудшую точность кла стера ИИС. Связь между инструментальной погрешностью ИИС и инструмен тальной погрешностью ДР определена как

где &, - инструментальная погрешность ДР; п - число ДР в ИИС.

Установлено, что случайная составляющая погрешности вызвана боль шим числом факторов, действующих в каждом отдельном измерении различ ным образом. Установлено, что случайная составляющая погрешности измере ния дальности наиболее точно описывается гауссовским законом:

(18)

Здесь (гу,-й)2)г и (су,+<уг)г представляют собой постоянный фазовьп

(19

Предложено использовать расчетную формулу определения г:

где г - расстояние до измеряемой границы раздела; с - скорость света; '/',, -время формирования зондирующего возмущения; д/-„ - величина частотной развертки; Р, - частота биений.

Исследованы методы повышения точности измерения частоты информационного сигнала соа алгоритмом выделения «>„ на основе спектрального преобразования Фурье.

На основе работ Гольдшейна Л.Д, Никольского В.В., предложен метод измерения диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь. Для случая нормального падения волны на границу раздела сред коэффициент отражения по мощности Я по формуле Френеля

(22)

где: - волновое сопротивление среды 1, в которой расположен ДР; 7.п1 -волновое сопротивление измеряемой среды 2.

£ =

Предложено использовать расчетную формулу для tgS :

(23)

tgS*-$-, (24)

cos

где: g - проводимость среды; а - циклическая частота зондирующей волны.

Рассмотрены вопросы точности измерения. Получены формулы для относительной погрешности измерения расстояния до границы раздела Sz, объема 8V диэлектрической проницаемости 8е и тангенса угла потерь SigS для несовершенных диэлектриков

где: Sh - ошибка значения частоты биений; 8Т - ошибка значения времени формирования ЛЧМ сигнала; 8 -ошибка значения частотной девиации.

SV = -^-6z, (26)

h '

где: S - площадь резервуара; h - уровень продукта в резервуаре.

& = 2^ (27)

1-Д '

где: R - коэффициент отражения;

8lgS = -8e, (28)

Рассмотрены и классифицированы составляющие погрешности измерения ДР: по размерности абсолютные и относительные погрешности; по характеру связи с измеряемой величиной - аддитивные, мультипликативные, степен-

ные, периодические; по закономерности появления - систематические и случайные; по причинам появления - методические и инструментальные (конст-рукторско-технологические); по условиям появления - статические и динамические.

Рассмотрена модель зондирующего сигнала с линейной модуляцией частоты. Получен энергетический спектр выходного шума:

где 5ф((у) - спектр сигнала на выходе согласованного фильтра.

Рассмотрено применение оконных функций Хемминга, Блэкмана, Хен нинга, Блэкмана-Харриса для повышения точности измерения. Установлено что наибольшую точность дает применение оконной функции Хемминга вида:

Применение данной функции в рассматриваемых ДР позволило повысит точность измерения на порядок.

Рассмотрен информационный показатель К ИИС.

где: Я, - количества поступающей информации от кластера /; Я"ю - полно количество измерительной информации, которая может быть получена от ¿-г кластера; N — число кластеров в ИИС.

Установлено, что для проектирования ИИС, расчетные параметры кото рых должны отвечать заданным, следует:

1. Проектировать ИИС с запасом, в расчете на возможные отклонения ха рактеристик модели в худшую для системы сторону. В этом случае классы про цессов, выбранные в качестве моделей, должны быть достаточно широкими.

2. Проектировать ИИС так, чтобы она была нечувствительна к измененш характеристик модели. Данные системы известны как робастные.

3. Проектировать ИИС так, чтобы в ходе ее функционирования она могл автоматически подстраивать свои параметры, алгоритмы и структуру к изме няющимся по сравнению с моделью характеристиками сообщений, а также общем случае к характеристикам сигналов, помех и внешней среды (наличию области луча испарений, пыли, изменениям температуры). Данные системы яв ляются адаптивными (самоприспосабливающимися). Подстройка осуществля ется на основе получения системой управляющих воздействий.

Разработаны ДР, работающие в частотных диапазонах от 15 до 110 ГГц Абсолютная ошибка измерения составляет 0,5мм в лабораторных условиях Экспериментально установлено, что ИИС сохраняет точность измерения 0.91 мм в диапазоне температур -55...+65°С. Аналогичные ИИС имеют точност измерения 10мм в диапазоне температур -20...+50°С. Ошибка измерения 8г = 0,01% для предложенной ИИС и& = 0,1% для аналогичных ИИС.

В заключении приведены основные результаты и выводы, полученные диссертационной работе.

(29)

(30)

(31)

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

В диссертации решена научно-техническая задача разработки перспективных ИИС, алгоритмов обработки, построения математических моделей ДР и ИИС, позволяющие повысить точность получаемой информации и ряд других показателей эффективности ИИС.

Полученные в работе результаты позволили существенно повысить точность ИИС, функциональность, стабильность, помехоустойчивость, степень интеграции, надежность, расширить функциональность, диапазон измеряемых физических величин без усложнения аппаратной реализации.

Основные научные и практические результаты, большинство которых получено впервые при создании ИИС на основе датчиков расстояния, состоят в следующем:

1. Проведен критический анализ источников погрешностей в ИИС на ДР, выполнен анализ методов повышения точности и функциональности ИИС.

2. Выполнен анализ влияния неоднородностей поверхностей сред и их физических характеристик на точностные параметры ИИС.

3. Разработаны структура, средства и методы построения ИИС па основе ДР, позволившие повысить точность ИИС на порядок.

4. Предложен метод повышения точности выделения информационной составляющей из сигнала в ДР, позволивший учесть неоднородность поверхности раздела сред.

5. Разработан метод измерения уровня среды ъ, объема V, диэлектрической проницаемости среды е и тангенса угла потерь для неоднородной поверхности раздела, что позволило получить усреднение результатов измерения параметров поверхности раздела сред, имеющей неоднородный рельеф.

6. Разработан и исследован алгоритм функционирования и программное обеспечение ИИС и ДР с точки зрения обеспечения точности измерения.

7. Разработаны, изготовлены и сертифицированы ИИС на основе ДР.

8. Результаты экспериментальных исследований серийных ИИС подтвердили на имитационной модели исследований эффективность разработанных структур, средств и методов повышения точности и перспективности систем различного исполнения.

В целом в работе достигнута поставленная цель, а также полностью решены задачи исследований, необходимые для достижения высокой точности измерений для широкого диапазона температур, при наличии частиц пыли, испарений между измерительным устройством и объектом измерения, неровного рельефа поверхности раздела сред разработаной в диссертационной работе ИИС.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Личков Г.Г., Полынкин A.B., Кудряшов А.Н. Повышение точности сии теза волноводно-диэлектрического резонатора с запредельными связям! (ВДРЗС)-прототипа. // ТулГУ. XVI научная сессия. Тула, 1999,- с.б.

2. Личков Г.Г, Лнбермаи В.В. Радарные уровнемеры. Прошлое, на стоящее, будущее. // Промышленные контроллеры АСУ. Научтехлнтиздат 2006. №8. С.57-60.

3. Личков Г.Г. Использование адаптивной фильтрации в радиолокацион ных измерительных системах. // Приборы и управление. Сборник статей моло дых ученых. ТулГУ. 2006. Вып.4. С.124-126.

4. Личков Г.Г., Паринский А.Я. Измерение параметров границ раздел сред методом непрерывной локации на СВЧ. // Приборы и управление. Сборни статей молодых ученых. ТулГУ. 2006. Вып.4. С.126-129.

5. Личков Г.Г. Адаптивная фильтрация в измерительных системах СВ диапазона. // Труды / IV Всероссийской научно-технической интернет конф ренции. Тула, 2006. С. 13-14.

6. Личков Г.Г., Паринский А.Я. Измерение геометрических параметро многослойных структур радиолокационным методом.' // Труды / IV Всероссий ской научно-технической интернет конференции. Тула, 2006. С.14-16.

7. Личков Г.Г. Построение мультисенсорной измерительной системы дл контроля технологического процесса. // Труды / IV Всероссийской научн технической интернет конференции. Тула, 2006. С.58-60.

8. Личков Г.Г. Применение адаптивного фильтра в измерительны системах СВЧ и оптического диапазонов. // Известия ТулГУ. Серия Ради техника и радиооптика. Т. VIII. Вып.2. Тула, 2006. С.7-10.

9. Личков Г.Г., Паринский А.Я. Измерение геометрических парамет ров многослойных структур методом непрерывной локации на СВЧ. // И' вестия ТулГУ. Серия Радиотехника и радиооптнка. Т. VIII. Вып.2. Тул-2006. С.10-13.

10. Личков Г.Г. Построение мультисенсорной измерительной сист мы. // Известия ТулГУ. Серия Радиотехника и раднооптика. Т. VIII. Вып. Тула, 2006. С.137-141.

11. Личков Г.Г., Паринский А.Я. Информационно-измерительная систем параметров многослойных сред на интегральных интеллектуальных датчиках. 4 межрегиональная научно-техническая конференция «Информационные те нологии, энергетика и экономика». Смоленск, 2007. Т. 2. С.23-25.

12. Личков Г.Г., Паринский А.Я. Телекоммуникационная сеть информ ционно-измерительной системы с управлением конечным множеством датш ков. // 4 межрегиональная научно-техническая конференция «Информационнь технологии, энергетика и экономика». Смоленск, 2007. Т. 2. С.33-36.

13. Личков Г.Г., Паринский А.Я. Информационные проблемы передачи повышения точности в системах измерения параметров многослойных сред основе интеллектуальных радиолокационных датчиков. // Труды / РНТОРЭ им. A.C. Попова. М„ 2007. Вып.ЬХИ. С.112-113.

14. Личков Г.Г. Программный комплекс информационно-измерительно» системы параметров сред на основе интеллектуальных датчиков. // Приборы и управление: Сборник статей молодых ученых. ТулГУ. 2007. Вып.5. С.56-59.

15. Личков Г.Г., Паринский А.Я. Интеллектуальный радиолокационный датчик для измерения параметров границ раздела сред. Н Приборы и управление: Сборник статей молодых ученых. ТулГУ. 2007. Вып.5. С.59-61.

16. Личков Г.Г., Паринский А.Я. Компоновочная схема интеллектуального радиолокационного измерителя параметров сред. // Вестник ТулГУ. Сер. Радиотехника и радиооптика. ТулГУ. 2007. T.IX. С.39-43.

17. Личков Г.Г., Паринский А.Я. Точностные характеристики информационно-измерительной системы параметров сред. // Вестник ТулГУ. Сер. Радиотехника и радиооптика. ТулГУ. 2007. T.IX. С.99-101.

18. Личков Г.Г., Паринский А.Я. Алгоритм функционирования информационно - измерительной системы параметров многослойных сред на интеллектуальных радиолокационных датчиках. // Вестник ТулГУ. Сер. Вычислительная техника. Информационные технологии. Системы управления. Вып. 1. ТулГУ. 2007. С.28-32.

19. Личков Г.Г. Обработка информации в системе измерения параметров сред. // Труды / РНТОРЭС им. А.С.Попова, Сер. «Цифровая обработка сигналов и ее применение» Москва, 2008. Т.Х-2. С. 567-569.

20. Личков Г.Г., Паринский А.Я. Архитектура телекоммуникационной измерительной системы параметров многослойных структур на основе интеллектуальных радиолокационных датчиков. // Труды / РНТОРЭС им. А.С.Попова. Москва, 2008. T.LXI1I. С. 241-243.

21. Личков Г.Г., Либерман A.B., Паринский А.Я. Измерители пространственного положения границ раздела и свойств сред на основе интеллектуальных радиолокационных датчиков. Тула: ТулГУ, 2008. 84 с.

22. Личков Г.Г., Паринский А.Я. Точностные параметры телекоммуникационной системы измерения границ раздела объектов на основе интеллектуальных радиолокационных датчиков. // Сборник материалов VIII Международной конференции «Распознавание - 2008». КурскГТУ. 2008. 4.2. С.43-45.

23. Личков Г.Г. Дистанционная система измерения свойств сред в ограниченном объеме радиолокационным методом. // Известия ТулГу. Технические науки. ТулГУ. 2008. Выи.4. С.282-287.

24. Личков Г.Г., Паринский А.Я. Моделирование информационно-измерительной системы с очередью сообщении. // Известия ТулГу. Технические науки. ТулГУ. 2008. Выи.4. С.288-292.

25. Личков Г.Г., Паринский А.Я. Информационно-измерительная система пространственной структуры и свойств диэлектрических объектов на интеллектуальных радиолокационных датчиках. // Известия Волгоградского ГТУ. Сер. Электроника, измерительная техника, радиотехника и связь. Вып.З. ВолгГТУ. 2009. №3(51). с.88-90.

26. Личков Г.Г., Паринский А.Я. Моделирование множества измерительных систем с очередью к серверу для определения границ раздела и параметров сред на основе радиолокационных датчиков. // Физика волно-

вых процессов п радиотехнических систем. Т.12. ПГАТИ. 2009. №4. С. 7882.

Изд. лиц. ЛР №020300 от 12.02.97. Подписано в печать 14.04.10 Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1.2 Уч.-изд. л. 1.0 Тираж 100 экз. Заказ 059

Тульский государственный университет. 300600, г.Тула, просп. Ленина, 92.

Отпечатано в Издательстве ТулГУ 300600, г.Тула, просп. Ленина, 95,

ВВЕДЕНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И КРИТЕРИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ РАЗДЕЛА И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СРЕД НА ОСНОВЕ ДАТ

ЧИКОВ РАССТОЯНИЯ

1.1. Состав ИИС положения поверхности раздела и параметров сред

1.2. Методы измерения уровня границы раздела и диэлектрических параметров сред

1.3. Датчик расстояния (радиолокационного типа). Общий вид системы измерения на основе датчиков расстояния

1.4. Научные задачи, вытекающие из выбранного типа ИИС

1.5. Модели ИИС. Показатели качества ИИС

Выводы

2. АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ И ПАРАМЕТРОВ ДАТЧИКОВ

РАССТОЯНИЯ ИИС

2.1. Модель датчика для измерения расстояния до поверхности раздела и диэлектрических параметров жидких и сыпучих сред

2.2. Точностные характеристики датчика измерения расстояния до поверхности раздела и диэлектрических параметров сред

2.3. Функциональная схема датчика расстояния ИИС и способы повышения его точности и стабильности

2.4. Определение объема жидкого и сыпучего продукта по рельефу поверхности

2.5. Задача о размещении датчиков над поверхностью сыпучего продукта, обеспечивающее оценку объема продукта и точности оценки его объема

2.6. Алгоритм функционирования (радиолокационного) датчика расстояния

2.7. Обоснование необходимости применения в датчиках расстояния программируемых адаптивных фильтров

Выводы

3. АНАЛИЗ И РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ, СРЕДСТВ И СПОСОБОВ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ФОРМЫ ПОВЕРХНОСТИ РАЗДЕЛА И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СРЕД

3.1. Математическая модель ИИС. Разработка структурной схемы ИИС

3.2. Серверная программа управляющей ЭВМ ИИС

Задача повышения точности измерения поверхности раздела сред сложной формы. Оптимальное количество датчиков, размещаемых над поверхностью раздела

3.4. Оценка производительности ИИС на основе теории очередей

3.5. Временные характеристики и согласование датчиков ИИС

3.6. Протоколы обмена и организации обработки вычислительной информации

3.7. Каналы передачи измерительной информации и оптимизация протоколов

Выводы

4. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТОЧНОСТИ ИИС ПОЛОЖЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ РАЗДЕЛА И ПАРАМЕТРОВ СРЕД НА ОСНОВЕ (РАДИОЛОКАЦИОННЫХ) ДАТЧИКОВ РАССТОЯНИЯ

4.1. Критерии точности ИИС

4.2. Математические модели измерения уровня z поверхности раздела

4.3. Математические модели измерения диэлектрической проницаемости е и tgS среды

4.4. Относительная погрешность измерения ö z

4.5. Относительные погрешности измерения 8е и ötgö

4.6. Пути повышения результирующей точности и расширения функциональных возможностей датчиков расстояния

4.7. Практическое внедрение результатов работы в народное хозяйство и учебный процесс

Выводы

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время во многих отраслях промышленности имеется- потребность в высокоточном измерении уровня и объема-жидких и сыпучих продуктов в закрытых резервуарах. Большой вклад в развитие данного направления внесли О.Н. Новоселов, С.Е. Фалькович, П.А. Бакулев, П. Профос, М.В. Кульгин, В.В. Никольский, Л.Д. Рольдштейн, Д.В. Пузанков, Л.Н-.Толкалин; М.И. Сколник, I.V. Komarov, S.M. Smolskiy и другие.

Специфика приложений выдвигает ряд требований к измерительным* системам. Высокая точность измерений в различных условиях эксплуатации: широкий диапазон температур, наличие частиц пыли и испарений между измерительным устройством, и объектом измерения, неровный* рельеф поверхности раздела. Система должна быть способна измерять большую номенклатуру различных сред.

Сравнительный анализ существующих измерительных систем показал, что их точность не достаточна. Имеющиеся системы не применимы в задачах измерения* нестационарной поверхности и поверхности с неровным рельефом, для измерения ряда продуктов, включающих мазут и сжиженный газ. Измерение диэлектрических параметров продукта, диэлектрической проницаемости е и тангенса угла потерь tgS, в существующих системах осуществляется отдельным контактным датчиком, точность и надежность которого малы, вследствие сильного влияния загрязнения. Для ряда химических и металлургических производств контактное измерение параметров границы раздела сред невозможно. Отмеченные недостатки приводят к снижению экономической эффективности предприятий хранения, транспортировки и переработки нефтепродуктов, сжиженного газа.

В связи с чем, актуальность приобретает задача разработки структуры, средств и способов построения ИИС, обеспечивающих высокую точность измерения при указанных выше условиях эксплуатации, и измеряющих диэлектрические параметры среды дистанционно.

Актуальным является интеграция датчиков системы, объединение функций измерения дальности и параметров сред, диэлектрической проницаемости £ и тангенса угла потерь tg5, в одном бесконтактном датчике.

Основным требованием к ИИС рассматриваемого класса, определяющим актуальность работы, является повышение точности ИИС для различных условий эксплуатации; широкого диапазона температур; наличие частиц пыли и испарений между измерительным устройством и объектом измерения, неровный рельеф поверхности раздела сред и расширении функциональных возможностей измерений для указанных выше условий эксплуатации.

Объект исследования.

ИИС для дистанционного измерения параметров различных сред в резервуарах.

Предмет исследования диссертации.

Математические модели и алгоритмы обработки, структуры, средства и новые способы построения, позволяющие повысить точность ИИС и расширить функциональные возможности.

Цель работы.

Состоит в повышении точности измерения ИИС за счет разработки новых принципов построения ИИС, алгоритмов обработки информации, разработки более точных математических и имитационных моделей функционирования ИИС на основе датчиков расстояния.

Задачи исследований.

Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ источников погрешностей в ИИС на ДР, выполнить анализ методов повышения эффективности ИИС.

2. Выполнить анализ влияния неоднородностей поверхностей сред и их физических характеристик.

3. Провести моделирование процессов работы ИИС.

41 Выполнить разработку структуры, средств и методов построения ИИС на основе датчиков расстояния, позволяющих повысить точность измерения и функциональные возможности ИИС.

5. Разработать метод повышения точности выделения информационной составляющей из выходного сигнала датчика расстояния.

6. Разработать метод бесконтактного измерения уровня среды ъ, объема V, диэлектрической проницаемости среды б и тангенса угла потерь для условий эксплуатации, указанных выше.

7. Разработать алгоритм функционирования и программное обеспечение ИИС и датчиков расстояния в широком диапазоне температур при наличии частиц пыли и испарений между измерительным устройством и объектом измерения, устойчивость к неровному рельефу поверхности раздела сред.

На защиту выносятся.

1. Метод эффективного выделения информационной составляющей из входного сигнала ДР.

2. Метод высокоточного измерения уровня среды ъ, объема V, диэлектрической проницаемости среды е и тангенса угла потерь для несовершенных диэлектриков.

3. Метод оценки точностных параметров ИИС для измерения уровня среды г, объема V и ее электромагнитных параметров е и

4. Структурная схема и математическая модель ДР на адаптивных фильтрах.

5. ИИС для измерения нестационарной поверхности раздела сред.

Методы исследования.

В работе использовались методы дифференциального и' интегрального исчисления, Z - преобразование, быстрое преобразование Фурье, кватернионы, применены основы теории очередей для расчета производительности ИИС.

Научная новизна.

Состоит в моделировании ИИС на основе датчиков расстояния, измерении положения неоднородной поверхности раздела, объема и диэлектрических параметров сред. Научная новизна работы заключается в следующих положениях

1. Созданы новые методы и средства построения ИИС на основе ДР, позволившие обеспечить высокую точность измерения ИИС положения неоднородной поверхности раздела.

2. Предложены математические модели определения формы и параметров измеряемой границы раздела» кластером ДР, размещенным над измеряемой границей раздела, позволившие учесть неоднородность поверхности раздела сред и получить точное значение объема продукта в резервуаре.

3. Реализован метод расчета погрешностей ИИС, позволивший оптимизировать пути повышения ее точностных характеристик.

4. Предложена структура ДР, позволившая повысить его помехоустойчивость за счет использования адаптивной фильтрации.

5. Разработана ИИС, позволившая повысить точность измерения нестационарной поверхности раздела сред в замкнутых резервуарах.

Практическая ценность работы.

Заключается в разработке методов построения ИИС, обладающих высокой точностью измерения, расширенными функциональными возможностями и диапазоном применения. Разработанные в диссертации методы оценки точностных параметров ИИС позволяют снизить трудоемкость создания информационно-измерительных систем исследуемого класса и. повысить качество проектирования за счет снижения объемов экспериментальных работ.

Внедрение результатов работы.

Результаты работы внедрены в научно-техническом предприятии ЗАО «Лимако», г. Тула, а также в учебный процесс кафедры «Радиоэлектроники» Тульского государственного университета.

Апробация работы и публикации.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Международных, Всероссийских и региональных научно-технических конференциях:

1. IV Всероссийской научно-технической интернет конференции (г. Тула, 2006 г.).

2. Международной конференции научно-технического общества радиотехники и связи им. A.C. Попова, серия «Цифровая обработка сигналов и ее применение», вып. Х-2, 2008 г., - с.567-569.

3. IV Межрегиональной научно-технической конференции «Информационные технологии, энергетика и экономика» (г. Смоленск, 2007 г.).

4. Труды научно-технического общества радиотехники и связи им. A.C. Попова, вып. LXII, 2007 г. - с. 112-113; вып. LXIII, 2008 г. - с.241-243.

5. VIII Международной конференции «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации» (г. Курск, 2008 г.).

Опубликована монография «Измерители пространственного положения границ раздела и свойств сред на основе интеллектуальных радиолокационных датчиков» (г. Тула, 2008 г.) [143].

По теме диссертации опубликованы 26 статей в ряде научных изданий, в том числе 8 статей в изданиях, рекомендованных ВАК [124,130,131,132,145,146,147,148].

Структура иобъем диссертации.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений, изложенных на 154 странице основного текста и содержащих 93 рисунка, 6 таблиц и списка литературы из 148 наименований.

Содержание работы.

Во введении отражены актуальность темы, определены объект, предмет, методы и задачи исследования, дана общая характеристика работы, обозначены основные положения, выносимые на защиту, а также приведены краткие аннотации разделов диссертации.

В первой главе исследуются общие характеристики и критерии эффективности ИИС на основе ДР для задач измерения положения границы раздела г, объема V, диэлектрической проницаемость е и тангенса угла потерь tgS, и конкурентоспособность ИИС.

Во второй главе приведена функциональная схема ДР. Исследован вопрос состава ИИС. Рассмотрены средства контроля параметров ИИС, на базе метрологического стенда, пути снижения методической погрешности измерения, разработан программный продукт для метрологической поверки ИИС.

В третей главе рассмотрен алгоритм функционирования ДР с точки зрения точности, надёжности, функциональности. Приведена блок схема алгоритма и схема взаимодействия программных компонентов ДР. Рассмотрена структурная схема ИИС на основе ДР. Отмечены преимущества сети произвольной топологии для подключения измерительных модулей.

В четвертой главе проведено исследование метрологических характеристик системы, обоснованы пути повышения точности ИИС и приведены результаты внедрения разработанных ИИС в производство.

В заключении приведены основные результаты и выводы, полученные в диссертационной работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В' диссертации решена научно-техническая задача разработки- перспективных ИИС, алгоритмов обработки, построения математических моделей ДР и ИИС, позволяющие повысить точность^ получаемой информации и ряд других показателей эффективности ИИС.

Полученные в работе результаты позволяют повысить точность ИИС, функциональность, стабильность, помехоустойчивость, степень интеграции; надежность, конкурентоспособность. Расширить функциональность, диапазон измеряемых физических величин без усложнения аппаратной реализации.

Основные научные и практические результаты, большинство которых получено впервые при создании ДР и ИИС, состоят в следующем:

1. Проведен анализ источников погрешностей в ИИС на ДР, выполнен анализ методов повышения'эффективности ИИС.

2. Выполнен анализ влияния неоднородностей поверхностей сред и их физических характеристик.

3. Проведено моделирование процесса работы ИИС.

4. Выполнена разработка структуры, средств и методов построения. ИИС на основе ДР, позволившая повысить эффективность ИИС.

5. Предложен метод повышения точности выделения информационной составляющей из сигнала в ДР.

6. Разработан метод дистанционного измерения уровня среды г, объема V, диэлектрической проницаемости среды е и тангенса угла потерь для несовершенных диэлектриков.

7. Разработан алгоритм функционирования и программное обеспечение ИИС и ДР.

8. Разработаны, изготовлены и сертифицированы ИИС на основе ДР.

Метрологические исследования показали, что разработанная ИИС имеет точность измерения нестационарной границы раздела 1мм, точность аналогов ИИС при измерении нестационарной границы раздела составляет 10мм. Конкурентоспособность - это отношение показателя качества к стоимости. В сравнении с аналогами, разработанная ИИС имеет показатель конкурентоспособности выше в 10 раз. Рассматриваемые ИИС используются для измерения параметры ряда вредных и ядовитых сред. В целом в работе достигнута поставленная цель, а также полностью решены задачи исследований, необходимые для достижения поставленной цели диссертационной работы.

Теоретические результаты диссертационной работы проверены экспериментально и внедрены на научно-техническом предприятии ЗАО «Лимако», г. Тула, осуществляющем разработку и серийное производство сертифицированных ДР и ИИС. Рассматриваемая система поставлена ОАО «Норильскгазпром», экономическая эффективность внедрения составила 100000 рублей. Также данные системы поставлены ОАО «Международный аэропорт Шереметьево», с/

ОАО "Северо-западные магистральные нефтепроводы", ООО "ТУЛЬСКИИ НПЗ", ОАО "Щекиноазот".

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры «Радиоэлектроники» ТулГУ. Издано методическое указание, а также поставлена лабораторная работа «Исследование распространения сигналов в линии связи» по дисциплине «Телекоммуникационные технологии и системы».

1. Новоселов О.Н., А.Ф. Фомин. Основы теории и расчета информационно-измерительных систем. 2-е изд., перераб. и доп., М.Машиностроение, 1991. 331 с.

2. Фалькович С.Е., Д.Н. Хомяков. Статистическая теория измерительных систем. М.: Радио и связь 1981. 288 с.3*. Коростелев Jl:A. Пространственно-временная теория радиосистем: учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1987. 320с.

3. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы. М.: Энергоатомиздат, 1985. 439 с.

4. Дворяшин Б.В. Основы метрологии и радиоизмерений. М.: Радио и связь, 1993. 320с.

5. Ахметьянов В.Р., Рудницкий Б.Е. Оптимальная фильтрация по критерию минимума среднеквадратичной нормы ошибки смещенной оценки // Изв. Вузов. Приборостроение, 1987, №11. С.3-6.

6. Зограф И.А., Новицкий П.В. Оценка.погрешностей результатов измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1991.304 с.

7. Балашов Е.П. Проектирование информационно-управляющих систем. М.: Радио и связь, 1987. 254 с.

8. Маркина Н.В. Математическая модель информационно-измерительной системы // Приборы и управление. Сб. статей молодых ученых. Вып. 4 / Под общ. ред. Е.В. Ларкина. Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. 208 с.

9. Тихонов В.И., Харисов В.Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем: учебное пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1991. 608 с.

10. Никольский В.В., Никольская Т.И. Электродинамика и распространение радиоволн. Учеб. пособие для вузов. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1989, С.142-146.

11. Журавлев А.К., Лукошкин А.П., Поддубный С.С. Обработка сигналов в адаптивных антенных решетках. Л.: Изд-во Ленинград, ун-та, 1983. 240 с.

12. Воскресенский Д.И. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток. Учеб. пособие для вузов, 3-е издание. М.: Радиотехника, 2003. 632 с.

13. Гольдштейн Л.Д., Зернов Н.В. Электромагнитные поля и волны. М.: Сов. радио, 1971. 661 с.

14. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. 2-е издание; перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат, 1988. 303 с.

15. Хохлов В.К. Обнаружение, распознавание и пеленгация объектов в ближней локации. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. 536 с.

16. Лукошкин А.П. Обработка сигналов в радиотехнических системах. Л.: Изд-во ЛГУ, 1987.399 с.

17. Теория обнаружения сигналов. П.А. Бакут и др.. М.: Радио и связь, 1984. 440 с.

18. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высш. шк., 1988. 448 с.

19. Диткин В.А., Прудников А.П. Операционные исчисления. М.: Высш. шк., 1966. 407 с.

20. Левин Б.Р., Шварц В. Вероятностные модели и методы в системах связи и управления. М.: Радио и связь, 1985. 312 с.

21. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах. Справочник. М.: Радио и связь, 1990. 309 с.

22. Цифровая обработка сигналов: Справочник./ Л.М. Гольденберг и др.. М.: Радио и связь, 1985. 312 с.

23. Основы цифровой обработки / Д.И. Солонина и др.. Изд. 2-е, испр. и перераб. СПб.: БХВ Петербург, 2005. 768 с.

24. Микропроцессорные системы: Учебник для вузов / Д.В. Пузанков и др.. СПб.: Политехника, 2002. 935 с.

25. Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральныхмикросхем. Справочник: Т. 1,2/ В.А.Шахнов и др:. М.: Радио и связь, 1988. Т. 1.368 с, Т. 2: 368 с.

26. Соловьев В.В. Проектирование цифровых систем на основе программируемых логических интегральных схем. М.: Горячая линия Телеком; 2001.636 с.

27. Кульгин М. Технологии корпоративных сетей. Энциклопедия. СПб: Питер, 2000. 704 с.

28. Бакулев П.А. Радиолокационные системы. Учебник для вузов, М.: Радиотехника, 2004. 320 с.

29. Сколник М. Справочник,по радиолокации. Том.1. Основы радиолокации. М., Сов. радио, 1976. 456 с.

30. Сколник М. Справочник по радиолокации. Том 2. Радиолокационные антенные устройства. М., Сов. радио, 1977. 408 с.

31. Сколник М. Справочник по радиолокации. Том 3. Радиолокационные антенные устройства. М., Сов: радио, 1978. 528 с.

32. Сколник М. Справочник по радиолокации. Том 4. Радиолокационные станции и системы. М., Сов. радио, 1978. 376 с.

33. Бауман Г.В., Мастеренко Д.А. Передача измерительной информации с подвижных объектов и бесконтактная индуктивная связь. // Датчики и системы №1 (116). 2009. С.26-29.

34. Соколов Г.А., Сигалев H.A. Система бесконтактного измерения расхода сыпучего материала. //Датчики и системы №5 (108). 2008. С.12-18.

35. Гадзиковский В.И., Калмыков A.A. Датчики уровня жидкости в резервуаре на основе нелинейного радиолокационного дальномера. // Датчики и системы №11 (114). 2008. С.12-15.

36. Гарри Лэм. Аналоговые' и цифровые: фильтры., Изд-во Мир, 1982. G.349-372.

37. Уровнемер: пат. 2126145 Рос. Федерация: №97114261/28; заявл. 20.08.97; опубл. 10.02.99.

38. Профос П. Измерения вшромышленности. Т. 2 Способы измерения и аппаратура. 2-е изд. гюрераб. и доп; М.: Металлургия, 1990. с.34-35.

39. Кудрявцев A.M., Пашев Г.П. Анализатор спектра со следящим гетеродином; // Измерительная техника № 3, 2009; С.65-67.

40. Кудрявцев A.M., Никулин СМ. Интеллектуальные информационно-измерительные системы ВЧ- и СВЧ-диапазона. Н. Новгород: НГТУ, 2006. С.8.

41. Беляев1 В.В., Ужахов T.C. Особенности методики калибровки; открытых радиолокационных измерительных« комплексов при проведении измерений диаграмм рассеяния крупногабаритных объектов. // Измерительная техника № 3, 2009. С.67-69.

42. Толкалин Л.Н. Вопросы наземной радиолокации. Тула: Изд-во ТулГУ, 2005. 145 с.

43. Бережинская М:В., Данилов A.A. Теоретические основы экспериментального определения погрешности от временной нестабильности средств измерений. // Измерительная техника № 3, 2009. С.11-12.

44. Новицкий П.В., Зограф И.А., Лабунец B.C. Динамика погрешностей средств измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1990. 398 с.

45. ГОСТ Р ИСО 5725-1 2002. Точность (правильность и прецензион-ность) методов и результатов измерений. Основные положения ^определения. М.: Изд-во стандартов, 2002. 25 с.

46. Артемьев Б.Г., Лукашов Ю.Е. Справочное пособие для работников метрологических служб. М.: Изд-во стандартов, 2004. 24 с.

47. Лапсарь А.П. Оценка точности измерительных систем при исследовании нестационарных процессов. // Измерительная техника № 3, 2009. С.67-69.

48. Дмитриенко Г.В., Анисимов В.Г. Измерение диэлектрической проницаемости низкоимпедансных композиционных материалов на СВЧ. // Измерительная техника'№ 2, 2009. с.44-48.

49. Васильев E.H. Возбуждение тел вращения. М.: Радио и связь, 1988.482 с.

50. Денисенко В.В. Динамическая погрешность средств измерений. // Измерительная техника № 1, 2009. С.3-6.

51. ГОСТ 8'.256-77. ГСИ. Нормирование и определение динамических характеристик аналоговых средств'измерений. Основные положения. М.: Изд-во стандартов, 1991. 58 с.

52. Бузановский В.А. Структурные схемы измерительных систем физико-химического состава и свойства веществ с «простыми» измерительными каналами. // Измерительная техника № 1, 2009. С.67-71.

53. Юрчук Э.Ф., Арсаев И.Е. Обеспечение единства измерений в микроволновой радиометрии. // Измерительная техника № 1, 2009. С.51-56.

54. ГОСТ Р 563-96. ГСИ. Методики выполнения измерений. М.: Изд-во стандартов, 1996. 24 с.

55. МИ 2605-2000. Государственная поверочная схема для средств измерений спектральной плотности энергетической яркости и яркостных температур в микроволновой области спектра 18,1-118,3 ГГц.

56. Данилов A.A. Способы регламентации характеристик погрешности сложных измерительных каналов измерительных систем. // Измерительная техника №5, 2008. С.58-61.

57. ГОСТ Р 8.596-2002. ГСИ. Метрологическое обеспечение измерительных систем. Основные положения: Ml: Изд-во стандартов^ 2002. 48с.

58. МИ< 2083-90 ГСИ. Измерения косвенные. Определение результатов измерений^ оценивание их погрешностей. 1990. 127с.

59. Беляев В.В. О возможности интерпретации результатов измерений радиолокационных характеристик объектов сложной формы с использованием математических моделей. // Измерительная техника № 3, 2008: С.44-46.

60. Швыдун В.В: Вероятностно-статистических подход- при оценке влияния- точности- исходных данных на- результаты определения показателей достоверности. // Измерительная техника № 8, 2008. С.8-12.

61. Тойберт П. Оценка точности результатов измерений. М.: Энерго-атомиздат 1991. С.156-173.

62. ЗемельмашМ.А. Метрологические основы технических измерений. М.: Изд-во стандартов 199 Г. 34с.

63. Александров-B.С., Трунов H.H., Лобашев А.А. Системный подход к метрологии квантовых многочастотных систем. // Измерительная техника,№ 4, 2008. С.3-6.

64. Тарбеев Ю.В. Российская метрологическая энциклопедия. СПб.: Лики России, 2001.С.9.

65. Прохоренко A.M., Качала Н:М. Влияние классификационных характеристик случайных процессов на точность обработки результатов измерений. // Измерительная техника № 6, 2008. С.3-7.

66. Гутников B.C. Фильтрация измерительных сигналов. Л.: Энерго-атомиздат, 1990. 136 с.

67. Булычев Ю.Г., Елисеев A.B., Лапсарь А.П. Метод обработки измерений при, структурно-неопределенной помехе. // Измерительная техника № 6, 2008. С.7-11.

68. Блинов И.Ю., Гончаров A.C. Об оценке суммарной погрешности территориально распределенного группового эталона единиц времени и частоты. // Измерительная техника № 6, 2008. С.24-26.

69. ГОСТ 8.381-80'(CT СЭВ'403-76). ГСИ. Эталоны. Способы выражения-погрешностей. М-.: Изд-во стандартов; 1990. 27 с.

70. Левин С.Ф. Обеспечение единства, измерений при испытаниях средств измерений. // Измерительная техника № 10, 2008: С. 13-17.

71. ГОСТ Р 50779.21-2004. Статистические методы. Правила^определения и методы расчета статистических характеристик по выборочным данным. Часть 1. Нормальное распределение.М.: Изд-во стандартов, 2004. 29 с.

72. Патюков В.Г., Патюков Е.В., Леглер В.В. Повышение эффективности оценок частотно-временных-параметров сигналов частотных датчиков.// Датчики и системы № 7, 2008. С.3-6.

73. Надеев М.А. и др. Многофункциональный- интеллектуальный" маг-нитострикционный датчик. // Датчики и,системы № 7, 2008: С.58-61.

74. Кононенко С.В: Обработка измерительной информации преобразователей поыложения. // Датчики и системы № 5, 2002. С.23-25.

75. Ларионов В.А. Калибровка интеллектуальных датчиков, технологических производств. // Датчики и системы № 8, 2008. С. 17-19;

76. Рудько И.М. Выбор параметров входного согласующего фильтра цифровой измерительной системы. // Датчики и системы №8,2008. С. 19-22.

77. Уразбахтина Ю.О:, Хрусталева Е.С. Адаптивный алгоритм обработки измерительной информации, // Датчики и системы № 8, 2008. С.22-25.

78. Грановский В.А., Сирая Т.Н. Методы обработки экспериментальных данных при,измерениях. Л.: Энергоатомиздат, 1990. 288 с.

79. Шахин В.А. Адаптивный магнитоконтактный датчик для гибких производственных модулей неразрушающего контроля. // Датчики и системы №9, 2008. С.8-11.

80. Гадзиковский В.И., Калмыков A.A. Датчик уровня жидкости в резервуаре на основе нелинейного радиолокационного дальномера. // Датчики и системы № 11, 2008. С. 12-14.

81. Б.В. Жуков. СВЧ-диэлектрометр для экспресс-анализа октановых чисел автомобильных топлив. // Датчики и системы № 11, 2008. С.15-17 .

82. ГОСТ 511-82. Топливо для^вигателей. Моторный метод определения октановых чисел. М.: Изд-во стандартов, 1982. 47 с.

83. ГОСТ 8226-82. Топливо для двигателей: Исследовательский метод определения,октановых чисел. М.: Изд-во стандартов, 1982: 51 с.

84. Зацерклянный О.В. Интеллектуальные датчики давлениях элементами управления. // Датчики и системы № 11, 2008. С. 19-23.

85. Мекид. С. Повышение структурного интеллекта кластера датчиков в промышленном производстве. // Датчики и системы № 4, 2007. С.50-64.

86. Полянский М:А. Особенности применения термометров сопротивления и* термоэлектрических преобразователей. // Датчики, и системы № 12, 2008. С.34-37.

87. Чекушин В.В., Алексеева П.Г. Коррекция погрешностей в измерительных приборах. // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика №5,2008. С.9-13.

88. Ларионов В.А. Цифровая фильтрация шумов в интеллектуальных датчиках. // Датчики и системы № 3, 2009. С. 12-15.

89. Бауман Г.В., Мастеренко Д.А. Передача измерительной информации с подвижных объектов и бесконтактная индуктивная связь. // Датчики и системы № 1,2009. С.26-28.

90. Вунш Г. Теория систем. М.: Сов. радио, 1978. 288 с.

91. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1984. 312 с.

92. Уидроу Б., Стирнз С. Адаптивная обработка сигналов. М.: Радио и связь, 1989. 440 с.

93. Харкевич A.A. Борьба с помехами. М.: Либроком, 2009. 280 с.

94. Бендат Д., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. М.: Мир, 1989. 540 с.

95. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. 2-е изд. пере-раб. и доп. М.: Сов. Радио, 1970. 731 с.

96. Блейхут Р. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов. М.: Мир, 1989. 448 с.

97. Оппенгейм А., Шафер Р. Цифровая обработка сигналов. 2-е изд. пре-раб. и доп. М.: Техносфера, 2007. 856 с.

98. Олссон Г. Пиани Д. Цифровые системы автоматизации и управления. СПб.: Невский диалект, 2002. 254 с.

99. Хемминг Р.В. Цифровые фильтры. М.: Сов. Радио, 1980. 224 с.

100. Френке Л.' Теория сигналов. М.: Сов. Радио, 1974. 731 с.

101. Колос М.В., Колос И.В. Методы оптимальной линейной фильтрации. М.: МГУ, 2000. 102 с.

102. Зверев В.А., Стромков A.A. Выделение сигналов из помех численными методами. Н.Новгород: ИПФ РАН, 2001. 188 с.

103. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М.: Радио и связь, 1982.624 с.

104. Белодедов М.В. Методы проектирования цифровых фильтров. Волгоград: ВолГУ, 2004. 60 с.

105. Марпл С. Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1990. 584 с.

106. Методы цифрового моделирования и идентификации стационарных случайных процессов в информационно-измерительных системах / А.Н. Лебедев и др.. Л.: Энергоатомиздат, 1988. 64 с.

107. Купер Д., Макгиллем К. Вероятностные методы анализа сигналов и систем. М.: Мир, 1989. 376 с.f 116. Mahalik N.P. Fieldbus Technology: Industrial Network Standards for

108. Real-Time Distributed Control. Springer, 2005. 628 p.

109. Reynders D. Practical Industrial Data Communications: Best Practice Techniques. Butterworth-Heinemann, 2005. 432 p.

110. Manolakis D.G. Statistical and Adaptive Signal Processing: Spectral Estimation, Signal Modeling; Adaptive Filtering and Array Processing. N.Y.: Artech. House, 2005. 816 p.

111. Bharath. Development of an airborne multichannel- FMCW radar for highresolution mapping of internal layers in glacial ice. UML: ProQuest, 2006. 90 p.

112. Dimitris G. Manolakis. Statistical and Adaptive Signal Processing: Spectral Estimation, Signal Modeling, Adaptive Filtering and Array Processing. Artech House, 2005. 816 p.

113. АН H. Sayed. Fundamentals of Adaptive Filtering. Wiley-IEEE Press, 2003.1168 р.

114. Eskelinen H. Microwave Component Mechanics. Artech House: New York, 2003. 392 p.

115. Laverghetta T. Microwave Materials And Fabrication Techniques. Artech House: New York, 2000. 304 p.

116. Личков Г.Г., Полынкин A.B., Кудряшов A.H. Повышение точности синтеза4 волноводно-диэлектрического резонатора с запредельными связями (ВДРЗС)-прототипа. // ТулГУ. XVI научная сессия. Тула, 1999. С.6.

117. Личков Г.Г, Либерман В.В. Радарные уровнемеры. Прошлое, настоящее, будущее. // Промышленные контроллеры АСУ. Научтехлитиз-дат. 2006. №8. С.57-60.

118. Личков Г.Г. Использование адаптивной фильтрации в радиолокационных измерительных системах. // Приборы и управление. Сборник статей молодых ученых. ТулГУ. 2006. Вып.4. С.124-126.

119. Личков Г.Г., Паринский А.Я. Измерение параметров границ раздела сред методом непрерывной локации на СВЧ. // Приборы и управление. Сборник статей молодых ученых. ТулГУ. 2006. Вып.4. С.126-129.

120. Личков Г.Г. Адаптивная, фильтрация в измерительных системах СВЧ диапазона. // Труды / IV Всероссийской научно-технической интернет конференции. Тула, 2006. G. 13-14.

121. Личков Г.Г., Паринский А.Я'. Измерение геометрических параметров многослойных структур радиолокационным методом. // Труды 7 IV Всероссийской научно-технической интернет конференции. Тула, 2006. С. 14-16.

122. Личков' Г.Г. Построение мультисенсорной-измерительной системы для контроля технологического процесса. // Труды / IV Всероссийской научно-технической интернет конференции. Тула, 2006. С.58-60.

123. Личков Г.Г. Применение адаптивного фильтра в измерительных системах СВЧ и- оптического диапазонов. // Известия ТулГУ. Серия Радиотехника и радиооптика. Т. VIII. Вып.2. Тула, 2006. С Л-10.

124. Личков Г.Г. , Паринский« А.Я. Измерение геометрических параметров многослойных структур методом'непрерывной, локации на'СВЧ: // Известия ТулГУ. Серия Радиотехника и радиооптика. Т. VIIL Вып.21 Тула, 2006. С.10ПЗ.

125. Личков Г.Г. Построение мультисенсорной измерительной системы. // Известия ТулГУ. Серия Радиотехника и радиооптика. Т. VIII. Вып.2. Тула, 2006. С.137-141.

126. Личков Г.Г., Паринский А.Я. Интеллектуальный^ радиолокационный датчик для' измерения* параметров, граница раздела, сред. // Приборы, и управление: Сборник статей молодых ученых. ТулГУ. 2007. Вып.5. С.59-6Г.

127. Личков Г.Г., Либерман A.B., Паринский А.Я. Измерители пространственного положения границ раздела и свойств сред на основе интеллектуальных радиолокационных датчиков. Тула: ТулГУ, 2008. 84 с.