автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Вещественные и энергетические преобразования измерительных сигналов

РГ6 од

На правах рукописи

~ * СЕН ТД97

АЛЕЙНИКОВ Александр Федорович

УДК 681.518.3

ВЕЩЕСТВЕННЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ (Теоретические основы и применение в измерительных системах)

Специальность: 05.11.1 б информационно - измерительные системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Новосибирск 1997

Работа выполнена в Сибирском физико-техническом институте аграрных проблем (СибФТИ) и Новосибирском государственном техническом университете (НГТУ).

Научный консультант: - Заслуженный деятель науки и техники РСФСР, действительный член Международной академии информатизации, почетный академик Метрологической академии, доктор технических наук, профессор М.П. Цапенко;

Официальные оппоненты: - Действительный член Международной

инженерной академии д.т.н., проф. А.Н. Серьезное;

- Действительный член Международной академии информатизации,

чл.- корр. Молдавской Академии наук, д.т.н. проф.И.Ф. Клисторин;

- д.т.н., проф. В.Н. Москвин.

Ведущая организация - Сибирский государственный научно-

исследовательский институт метрологии (СНИИМ)

Защита состоится в —- часов на

заседании диссертационного совета Д-063-34-08 при Новосибирском государственном техническом университете (630092, г. Новосибирск-92, пр. К.Маркса, 20).

С материалами диссертационной работы можно ознакомиться в библиотеках Сибирского физико - технического института аграрных проблем и Новосибирского государственного технического университета.

Реферат диссертации разослан "15" августа 1997г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, канд.тех. наук, доцент В.Л. Полубинский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблем. Развитие народного хозяйства и науки зависит в большой степени от наличия и совершенства методов и гредств. измерений (СИ).

Многие задачи в обширной области измерений решаются с по-ющью измерительных систем (ИС). В большинстве случаев качество 1С определяет ее первичное звено - датчик- К датчикам, как правите, предъявляются жесткие и порой противоречивые требования. Так, 1апример, датчики должны иметь приемлемые метрологические харак-геристики, высокую надежность работы в условиях эксплуатации, 10ЛХНЫ быть технологичными и изготавливаться на недорогостоицей элементной базе широкого применения. Датчик должен оказывать ми-шмальное воздействие на исследуемый объект и быть "избиратель-ми" к измеряемой величине и "неизбирательным" ко всем остальным злиящим величинам, поступающим на вход ИС. Вместе с тем при ре-зенш многих научных и производственных задач с использованием ИС 1атчики должны формировать измерительные сигналы о нескольких эходных величинах, действие которых сосредоточено в относительно »большом пространстве. Например, при оценке функционального состояния человека необходимо получать информацию о биоэлектрических ютенциалах, температуре и других величинах в биоэлектрически активных точках [11. В связи с этим желательно, чтобы датчики ИС зоспринимали несколько величин и были миниатюрными. В настоящее зремя имеется серьЭзное отставание в развитии датчиков по сравнено) с другими составными частями ИС; оно частично преодолевается з сенсорах-датчиках, изготавливаемых по микроэлектронной техноло-тии.

Одной из причин, задерживающей надлежащее развитие датчиков, шляется отсутствие основ их проектирования, которые бы позво-шли использовать упорядоченный и систематизированный опыт разра-!отки датчиков разнообразных физических величин и определять дли-•ельную перспективу их развития. Это является очень сложной за-¡ачей, комплексное решение которой в настоящее время не просматривается. При создании ИС в первую очередь необходимо произвести зыбор принципа измерений, т.е. совокупности физических явлений ;ФЯ), на которых основаны измерения. Принцип измерения определяет ¡тратегию создания будущей ИС. Как правило, совокупность физичес-сих явлений реализуется в аналоговой части ИС, включающей датчи-си. Выбор совокупности физических явлений может быть эффективным, юли он опирается на научно-обоснованные физические, математические обобщения, характеризующие процесс измерения самых разнооб-

разных величин. Такие обобщения могут быть полезны при выявлении и использовании методов измерений и при разработке обобщенных показателей для сравнительной оценки этих методов и создавали на их основе HC.

Разработке теоретических основ проектирования СИ посвящены научные труды российских ученых: А.А.Харкевича, Б.С.Сотско?а, Н.Н.Шумиловского, Д.И.Агейкина и др.(г.Москва); П.В.Новицкого, Е.С.Левшиной, В.Г.Кнорринга, Э.М.Исакова, С.А.Спектора, В.Д.Мази-на и др. (г.Санкт-Петербург); К.Б.Карандеева, А.Г. Козачка, И.Ф. Кписторина, А.Н.Серьезнова, В.А.Гридчина, В.Н.Москвина (г.Новосибирск); А.И. Половинкина, A.M. Дворянкина (Волгоград); В.Я. Лож-никова (Омск) и многих других. Из работ зарубежных ученых в данном направлении следует выделить научные труды L.I. Brillouln, L. Flnkelstein, P.K. Stein, S. Mlddlboek, P.H. Sydenham, М.Ф. Зарипова, Ф.Б. Гриневича и др.

Существующие метода проектирования, как правило, разработаны для одного вида измеряемых величин и позволяют выбрать принципы измерения из известных. Они не в состоянии формировать новые совокупности физических явлений и предполагают разработку комплекса сложных критериев выбора, проведения ранжирования этих критериев для конкретной выбранной величины.

В связи с тем, что при создании ИС используются результаты многих научных направлений, уровень обобщенности описания принципов измерений должен Сыть достаточно высок.

В данной работе для анализа и синтеза совокупности физических явлений, используемых в аналоговых частях ИС, предлагается "вещественно-энергетический" аспект обобщения. При этом понимается, что анергия характеризует, общую количественную меру движения и взаимодействия всех видов материи, а вещество - качественную сущность вида материи. Целесообразность рассмотрения энергетических преобразований в аналоговом измерительном сигнале обусловлена взаимосвязью его энергии и измерительной информации. Преобразование энергии вне вещества, как правило, не происходит. Кроме того энергия и вещество эквивалентны в физическом смысле. Поэтому при рассмотрении измерительных преобразований необходимо одновременно учитывать как энергетические, так и вещественные преобразования.

Предложенное обобщение используется далее при нахождении и описании методов измерений любых физических величин, обладающих "вещественными" и "энергетическими" свойствами. Под такими свойствами понимаются признаки величин, составляющие их отличительную особенность по отношению к веществу или энергии. Например, счита-

ется, что такие электрические величины, как напряжение, заряд, ток, обладают "энергетическими" свойствами, а параметрические величины типа сопротивления, емкости, диэлектрической проницаемости и др. - "вещественными" свойствами. Следует заметить, что введение такой классификации дополняет общепринятую классификацию величин по энергетическому признаку (активные и пассивные). По этому же признаку разделяются и вещества. Но следует особо отметить вещества, способные преобразовывать виды энергии (термоэлектрические, пьезоэлектрические, фотоэлектрические и др.).

В большинстве работ по анализу и синтезу СИ рассматриваются закономерности энергетических преобразований, используя известный негэнтропийный принцип Вриллюэнз, и выводятся соотношения между размером энергии и переносимой ею информацией при различных видах модуляции. При этом, как правило, ограничиваются 2-мя преобразованиями видов энергии различной физической природы при построении конкретных СИ, в качестве критерия оценки эффективности при этом используется информационно - энергетический к.п.д.

В диссертации предполагается,что основой аналоговой информационной техники, являжся не только энергетические преобразования и обмен энергией, но и вещественные преобразования. Под вещественными преобразованиями понимается изменение "энергетических" и "вещественных" свойств материалов чувствительных элементов и других веществ, которые имеют место при измерениях. Вещественные преобразования происходят только совместно с энергетическими преобразованиями. Совместное рассмотрение характерных особенностей вещественных и энергетических преобразований при формализации процесса измерения физических величин может позволить разработать новую методику формирования совокупностей физических явлений и обосновать критерии для оценки эффективности создаваемого СМ. р том числе, и основанного на многократных преобразованиях вещества и энергии. Предлагаемый "вещественно-энергетический" аспект обобщения используется для создания основ синтеза совокупности физических явлений на уровне структуры преобразований, соответствующей конкретному методу измерений. Предполагается, что во всех методах измерений с применением аналоговых СИ имеют место закономерности, которые проявляется в вещественных и энергетических ¡преобразованиях измерительных сигналов. Выявленные закономерности ;ть*лят разработать принцип» действия однофункциинальнпх и мно-г-.-ФУнкциснал!.ных датчик-: в с большим, по сравнению с щадхщхюнн-нл, ?< иич<~ап6ом посл^овсл^льностей преобразований. Такие г^'.^-а'ч..-

вания в аналоговых цепях ИС могут осуществиться над сигналами с различными видами модуляции. Так как в аналоговой части ИС чаще всего используется амплитудная модуляция, то в диссертации ограничились этим видом модуляции.

Несмотря на то, что в России используются около 1млр. СИ, основную массу которых составляют датчики неэлектрических величин, необходимость в создании датчиков, основанных-на новых принципах действия не отпадает . По нашему мнению, в новых методах измерений нуждаются в первую очередь медико-биологические отрасли приборостроения. Зачастую использование существующих методов по прямому назначению (в этой отрасли) не только нэ обеспечивает заданных метрологических характеристик, но и ставит под сомнение достоверность проведения таких измерений. Зло связано с ростом номенклатуры, и спецификой измеряемых физических величин, особенностями объекта исследования и условиями проведения измерительных процедур. Поэтому практическая реализация СИ, подтверждающая основные теоретические положения, акцентирована в диссертации на применении их в первую очередь в медицине и сельском хозяйстве. Даже при изобилии датчиков и СИ в будущем оно не может перекрыть потребность практики в таких средствах,.не удовлетворит комплекс требований по диапазонам измерения, условиям эксплуатации, измеряемым величинам (особенно при оценке состояния живых организмов, космических измерениях и т.п.). Нарастающая потребность в новых датчиках и совершенствовании существующих очевидна. Очевидна также потребность в создании общей теории измерительных преобразователей. В этой связи основы теории вещественных, и энергетических преобразований измерительных сигналов должны сыграть заметную роль в создании такой теории.

Следует отметить, что представленная диссертация является результатом многолетней работы автора, причем некоторые частные задачи в этом направлении были поставлены и рассмотрены в диссертации на соискание им ученой степени кандидата технических наук [143.

Связь с государственными, программами и НИР. Работа по теме диссертации выполнялась в соответствии с государственной научно-технической программой ТЕСТ: "Научные приборы для АПК" . задание 02, утвераденной постановлением ГКНТ СССР от 21.10.91 N1304, конкурсной фундаментальной НИР ЦНП 12.11: "Разработать теоретические основы структурного синтеза биотехнических эколого-совместимых ИИС" и 10 госбоджетными прикладными НИР СО Россельхозакадемии.

Цель работы. Создание основы синтеза и оценки свойств структур вещественных и энергетических преобразований аналоговых сигналов в ИС, позволяющей выбирать известные методы и принципы из-, яерений или находить неизвестные, и разработка новых ИС, предназначенных для оценки жизнедеятельности биологических объектов и условий их обитания.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих основных научных задач:

- обоснование положений и постулатов, позволяющих реализовать методику поиска совокупностей вещественных и энергетических преобразований в измерительных сигналах;

- определение обобщенных физических величин, необходимых и достаточных для составления алгоритмов, характеризующих эти преобразования ; и создания методики оценки эффективности действия принципов измерений;

-разработка рабочих алгоритмов, описывающих основные вещественные и энергетические преобразования измерительных сигналов и вывод базисных алгоритмов, определяющих закономерности протекания гаких пребразований;

- нахождение путей поиска новых совокупностей физических явлений (на основе базисных алгоритмов);

- осуществление поиска (в том числе и автоматизированного) зовокупности физических явлений, определяющей принципы и методы измерений с учетом разработанных путей и методик;

-реализация результатов поиска физических, явлений при разра-5отке датчиков и других СИ, предназначенных для оценки жизнедеятельности биологических объектов и условий их обитания;

- исследование метрологических характеристик разработанных ЗИ и подтверждение их функционального назначения в практике.

Объект исследований. - вещественные и энергетические преобразования аналоговых сигналов в физических явлениях, определяющих летоды измерения физических величин.

Методы исследований в работе включают натурный эксперимент, георию аналогий и подобия, теорию измерений, теорию графов, функ-диональный анализ и моделирование на ЭВМ.

Научная иадизна работы заключается в следующем:

- впервые разработаны, обоснованы и подтверждены результата-га экспериментальных исследований положения и постулаты, предназ-заченные для использования при анализе вещественных и энергети-?еских преобразований сигналов в методах измерения физических

величин;

- создана методика, приемлемая для синтеза совокупностей вещественных и энергетических преобразований, характеризующих принципы измерений СИ разнообразных физических величин;

- предложена и развита однокритериальная методика отбора и оценки эффективности получаемой совокупности физических явлений;

- разработаны алгоритмы, раскрывающие закономерности вещественных и энергетических преобразований измерительных сигналов;

- впервые выявлены и экспериментально подтверждены пути поиска новых методов измерения физических величин.

Практическая значимость. Результаты теоретических и экспериментальных исследований реализованы в научно-производственной практике и в учебном процессе. Разработанная методика позволяет применять ее для поиска новых методов измерений большинства физических величин. На основе предложенной методики получены новые совокупности ФЯ, которые легли в основу структурных схем СИ и конструкций датчиков, испытания которых в производственных условиях дали положительные результата. Создано и внедрено 21 СИ, предназначенное для оценки жизнедеятельности биообъектов и условий их обитания, технические решения которых защищены авторекими свидетельствами и патентами.

Апробация работы. Основные- положения работы докладывались на 3-х международных (Германия, Болгария), 12 всесоюзных и республиканских научно-технических конференциях, симпозиумах и семинарах, в том числе и на научно-технических конференциях МИС-91, ИИС-Э4.

Публикации. По результатам исследований автором лично и в соавторстве опубликовано 108 печатных работ, включая 2 монографии и 53 авторских свидетельства на изобретения, под научным руководством автора и лично написано более 20 научно-исследовательских отчетов.

На защиту выносятся:

основы вещественных и энергетических преобразований измерительных сигналов в аналоговых СИ;

методика поиска состава вещественных и энергетических преобразований измерительных сигналов и алгоритмы их использования в аналоговых СИ;

оценка эффективности алгоритмов вещественных и энергетических преобразований измерительных сигналов;

пути поиска совокупностей физических явлений и методика их использования при выборе или создадим неизвестных ранее принципов измерения;

патентнозащиценные структуры и конструкции СИ, предназначенные для оценки жизнедеятельности биологических объектов и условий ж обитания.

Структура и объём работ. Диссертационная работа включает введение, семь глав и заключение, имеет 226 страниц машинного текста, 20 таблиц, 43'рисунка, список литературы (155 наименований) и приложения на 155 страницах.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАЩЕ РАБОТЫ Введение. Во введении определена цель диссертационной работы, обоснована актуальность темы и выбранного направления исследований, дана краткая характеристика содержания диссертации, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

ГЛАВА 1. ВЫБОР СОСТАВА ВЕЩЕСТВЕННЫХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ.

1.1. Обоснование концепции проектирования датчиков.

Анализ существующих методов проектирования показал, что для осуществления эффективного автоматизированного проектирования датчиков величин, различных по физической природе, необходимо разработать стратегию проектирования, основанную на обобщениях, позволяющих раскрыть сущность и отличительные особенности методов измерений, принципов действия датчиков и формализовать их, описать структуру и алгоритмы функционирования, разработать методы анализа и синтеза таких технических средств.

В течение многих лет интенсивно развивается подход в методике проектирования, при котором в основе классификации средств измерений лежат виды энергии в измерительных сигналах. К наиболее ранним работам российских ученых в данном направлении следует отнести работу проф.Харкевича А.А.(1948), в которой утверждается, что "преобразование энергии является основой техники".Развитию этого подхода посвящены работы проф.М.Ф.Зарипова, в.Н. Мильштей-на, В.О. Арутюнова, В.Я.Ложникова и.др. Из работ зарубежных ученых в этом направлении следует отметить недавно опубликованные работы Р. Стайна, П.Сиденхема и С.Щцлхока. Метод "энергетической матрицы", разработанный этими учеными, вошел в состав интеллектуального проектирования датчиков.

В настоящее время появились публикации, в которых говорится о становлении "науки о сенсорах", как "основы всей измерительной техники и приборостроения", и утверадается, что при разработке теоретических основ этой науки, при моделировании и описании принципов действия датчиков необходимо выполнение анализа и рас-

смотрение "фор энергии и видов веществ" (Дж.Макги,199б).

Подобную точку зрения высказывал и автор в начале 80-х годов 131. Преимуществами вещественно-энергетического подхода при построении систем автоматизированного проектирования датчиков являются высокий уровень обобщения, позволяющий произвести систематизацию и классификацию измеряемых величин различной физической природы; возможность выражения новых знаний в алгоритмической форме и в использовании эмпирических методов и правил для принятия решений.

Действительно, любое СИ можно представить в виде набора измерительных преобразователей, в которых происходят направленные вещественные и энергетические преобразования измерительных сигналов. Конечной целью таких преобразований в большинстве случаев является получение на его выходе электрического сигнала. Математической моделью датчика может быть структура вещественных и энергетических преобразований измерительных сигналов, которая описывается математически и характеризует различные совокупности ФЯ. В предлагаемой концепции проектирования аналоговых датчиков при поиске принципов их действия предполагается производить синтез структур вещественных и энергетических преобразований измерительных сигналов. В соответствии, с полученными структурами формируются комбинации ФЯ, список материалов, в которых проявляются эти явления, с полным описанием свойств этих материалов, с возможностью их классификации по заданным признакам. По разработанным критериям осуществляется оценка эффективности найденной совокупности ФЯ. Следует заметить, что поиск принципов действия датчиков автоматизируется на ЭВМ. Процесс же разработки конструкции датчиков не автоматизируется, а проводится с использованием соответст-вувдих сведений из базы знаний.

1.2.Методика выбора вещественных и энергетических преобразований.

В основе существующей теории измерительных преобразователей рассматриваются механическая, электрическая, магнитная и тепловая энергии и вводятся понятия обобщенной силы, перемещения и скорости (A.A. Харкевич,1948).На практике возникает необходимость разработки обобщающих величин для цепей акустической, оптической, ионизационной и химической природа.

Предлагаются следущие основные положения методики вещественных и энергетических преобразований измерительных сигналов в ИС (рабочая гипотеза): а) выделяются механический, тепловой, акустический, электрический, магнитный,оптический, ионизационный (ра-

и

диационный) и химический вады энергии; б) все вида энергии математически афинно-подобны и могут быть описаны эквивалентными формулами; в) сформированные сигналы отражают причинно-следственные связи протекающих вещественных и энергетических преобразований в ИС; на основе анализа этих связей возможен вывод обобщенных физических величин и построение эквивалентных математических уравнений, необходимых при описании вещественных и энергетических преобразований измерительных сигналов различных по физической природе в ИС; д) методы измерения любых физических величин построены на общих закономерностях преобразований видов энергии и свойств веществ; е) в закономерностях преобразований в веществе видов энергии проявляются свойства однородности и изотропности преобразований, причем под однородностью преобразований понимается равная возможность участия всех видов энергии при построении структуры преобразований любой физической величины, а под изотропностью - равноправие всех комбинаций (сочетаний) видов энергии в выявляемых закономерностях вещественных и энергетических преобразований измерительных сигналов в аналоговой части ИС. Изменение видов энергии происходит обязательно с участием вещества. Именно вещественные преобразования определяют алгоритм /функционирования датчиков. По энергетическому признаку вещества можно разделить на активные и пассивные. Активные вещества имеют способность преобразовывать один вид энергии в другой без воздействия на вещество дополнительной энергии, что имеет место в пассивных веществах. Другим важным классифштрюнным признаком веществ с точки зрения их использования в цепи вещественных и энергетических преобразований измерительных сигналов является их агрегатное состояние (твердые, жидкие и газообразные вещества). В работе при решении конкретных задач по проектированию датчиков используются и другие классификационные признаки веществ. Например, при проектировании многофункциональных датчиков весьма полезным оказалась классификация веществ по признаку их электропроводности.

При изучении любого явления, проявляющегося во взаимодействии двух величин, допускается принять одну величину в качестве причины (воздействия), а другую - в качестве следствия (реакции). В данном случае изучаемым процессом является в первую очередь процесс вещественных и энергетических преобразований, происходящих в аналоговой части ИС, который характеризуют носители информации - потоки энергии сигналов. Эта потоки энергии представлены в виде двух величин: воздействия и реакции.

При анализе эффективности синтезируемых методов измерений

применяется теория измерительных преобразователей, представляемых в виде электрических четырехполюсников, поэтому в таблице I приведена систематизация величин для различных видов энергии, в которой физическим величинам придается смысл обобщенных напряжения

(и), тот (I), заряда и сопротивления (Б). Напряжение рассма-* « * *

тривается, как воздействие (по аналогии с механической силой), а ток, - как решсцш (скорость измерения электрического заряда).

Под обобщенным же зарядом д понимается свойство материи к

*

взаимодействия, способность реагировать на различные воздействия в течение времени. Например, для химической энергии обобщенным зарядом является концентрация вещества. Чем выше концентрация вещества, тем больше ее способность к химическим превращениям

(реакциям). Обобщенное сопротивление й для любого вида энергии

*

определяется отношением воздей/твия к вызванной реакции. Эта обобщенная величина характеризует присущую материи способность оказывать сопротивление внешним воздействиям (У.Томсон, 1900).

При синтезе принципов действия любых технических систем необходимо определиться в критериях, оценивающих эффективность создаваемой системы. Приведенная систематизация и вывод обобщенных физических величин для различных видов энергии позволили использовать известную теорию преобразователей, разработанную на базе достижений теоретической механики, для составления исходных уравнений преобразований и анализа эффективности получаемых принципов измерений. При рассмотрении СИ в виде цепи измерительных преобразователей их также можно представить в виде набора обобщенных параметрических и генераторных четырехполюсников. Возможно применить при синтезе принципы согласования сопротивлений, определяя так называемую эффективность преобразований, характеризующую условия наиболее эффективной передачи энергии в аналоговой части ИС.

Принцип согласования обобщению: сопротивлений предлагается использовать в качестве основного критерия оценки эффективности наЯденю: совокупностей ФЯ. Элементарная цепь вещественных и энергетических преобразований измерительных сигналов датчиков в работе представляется в виде четырехполюсника, в котором происходит преобразование энергии одного вида в другой. Тогда можем написать следующие исходные уравнения:

Таблица I-

Систематизация обобщенных величин

Обобщенные величины Вид энергии Воздействие и * Реакция I * Заряд * Сопротивление Н * Энергия э * Поток энергии Р *

Элек-три-чес- г, кая е и аг q = С-и и к = - I и • ч и • I

Магнитная \ ЙФ лг Ф =1/1 ъ йФ/йХ р. ф р -й® ь аг

Механическая Э£ Р у = аг г= Б я г Нг= у ¥ • 1 р- у

Акустическая ЭР 1» Р # ж йХ 7 № V р Р • V р-Щ аг

Тепловая Э^ и Ф?ас1 8 : 1-V # г • № V — ^ А/У № Ф-ааеЮц * qraa8lYг;

Оптическая г, 1 » Н а(*«7/Е)* V = - 1 аг № J 3 25 — Е » ш- Н В = - 1 3- п » Н • з # Н-у,

Ионизационная эг О п * От аг *> ш Б * В - п Г бт/йг № О -т П * В -з® п

Химическая Э с # с!эе .у си № А1 Я са№/аг аг № азе.у.аг? аг аг

Р - магнитодвижущая сила; Ф - магнитный поток; Ь

Л 5'

индуктивность; V - скорость; I - перемещение; Б жесткость; р -звуковое давление; V - объём; ¿гай 8 - градиент температуры; Су-теплоёмкость; X - коэффициент теплопроводности; Н - энергетическая экспозиция; 3 - сила света; Е - энергетическая освещенность; В -доза излучения; т - масса; От/сТЬ - шток ионизирующего излучения; эе-коэффициент диффузии; У - концентрация; л - поток фотонов. Примечание: "*" - введение обосновано автором.

SR I,

Е11иг' *. *

(2)

где CR= *

R11 Й12

l' * ,c-

Бг1 кгг

г *сс

"'I

k=R12= R21-

1 = 0; коэффициент * преобразования.

В данном случае индекс 1 указывает принадлежность к входной стороне четырехполюсника соответствующей величины, а индекс 2 - к выходной. Как видно из уравнения (1), воздействие взаимосвязано с реакциями на обеих сторонах. Определим входное сопротивление четырехполюсника, разделив первое уравнение (1) на 1(:

= + ^ ' " (3)

Отношение I / I определяется из второго уравнения (1):

.21

W

R.

(4)

г г

Вводится понятие нагрузочного сопротивлени К = —

* I,

и,

учитывая определение (4), получим :

R = R ■ *' *

Кг / Е,

(5)

Можно показать, что,если СИ представлены в виде цепи многократных преобразователей, входное сопротивление выражается в виде

непрерывной дроби:

♦ ♦ ♦ * --

кгг - г

Rg3 К3

R

44

(6)

Следует заметить, что для оценки эффективности принципа измерения необходимо составить исходные уравнения для всех видов преобразований энергий, заложенных в синтезируемой совокупности ФЯ СИ и определить их обобщенные входные сопротивления 16]. Сое-

тавление исходных уравнений для каждого ФЯ требует вывода математических выражений, описывающих это явление, с последующим нахождением коэффициентов преобразований.. Учитывая то, что количество известных ФЯ, используемых на практике, велико, задача нахождения коэффициентов преобразования требует больших временных затрат.

Рассмотренный выше подход к описанию ФЯ позволяет упростить ремение этой задачи, если коэффициенты преобразования выражать не через обобщенные сопротивления, характеризующие природную способность веществ оказывать сопротивление воздействию, а через отно-

*

шение обобщению: варябаВ (К), характеризующее реакцию веществ на воздействие ( обобщенную величину, "противоположную" обобщенному сопротивлению). Тогда выражение (6) будет иметь вид:

V В -* ■ »■ ■

[5'

г *г \*г

>- ^ I "1

>-••4

(7)

Корректность выражения (7) подтвердил проведенный в диссертации анализ размерностей его составляющих для преобразователей различной физической природы.

Результаты вышеописанной методики синтеза вещественных и энергетических преобразований измерительных сигналов при поиске новых методов и принципов действия разнообразных СИ использованы в настоящей работе в дальнейшем.

ГЛАВА 2. ВЕЩЕСТВЕННЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В ОДНОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ДАТЧИКАХ.

Было проанализировано более 200 методов измерений неэлектрических величин с "вещественными" и "энергетическими" свойствами (влажность, температура, усилие, концентрация газов и т.п.;. При анализе использовались переработанные уточненные и расширенные постулаты [14): а) принцип действия аналоговой части ИС отражает состав и характер протекающих в ней вещественных и энергетических преобразований; б) аналоговая часть ИС представляет собой вещественно - энергетическую материальную систему, предназначенную, главным образом, для восприятия входных величин и преобразования их в измерительные сигналы, которые обладают "вещественными" и (или) "энергетическими" свойствами; в) восприятие измеряемых величин и (или) преобразование их в сигналы невозможно без

изменения энергии и (или) свойств вещества; г) каждый вид энергии в аналоговой части ИС может преобразовываться в любой другой; д) существуют материалы (вещества), в которых проявляются ФЯ, характеризующие связь между различными видами энергии. Кроме того принималось, что все вещественные и энергетические преобразования измерительных сигналов должны описываться рабочими алгоритмами. Рабочие алгоритмы должны описывать необходимое и достаточное количество преобразований энергии и свойств веществ, приводящее к формированию выходного сигнала и в свою очередь основываться на базисных алгоритмах. Базисные алгоритм* должны содержать минимальное количество вещественных и энергетических преобразований измерительных сигналов, имеющих место в датчиках, и характеризовать основные закономерности таких преобразований. Приведем пример из диссертации классификационного перечня основных физических величин с "вещественными" и "энергетическими" свойствами. Например, физические величины, такие, как: акустическое (звуковое) давление; акустическая энергия; плотность акустической энергии; поток акустической энергии; плотность потока акустической энергии; акустическая мощность; плотность потока акустической мощности (интенсивность звука); акустическая скорость (мгновенная, колебательная, объёмная) относятся к акустическим величинам с "энергетическими" свойствами (Э ). Акустическими величинами с "вещественными" свойствами (В ) приняты: акустическое сопротивление; акустическая масса (инертность); акустическая проницаемость; акустический коэффициент поглощения; акустический коэффициент отражения; акустический коэффициент рассеивания. Следует заметить, что изменение параметров (свойств) веществ - преобразователей в большинстве случаев характеризуется классификационным перечнем основных величин Э^.В^.

При формальном описаний преобразований алгоритмов используются следующие условные обозначения: Эх (В ) - "энергетическое" ("вещественное") обобщенное свойство измеряемой величины; -

виды энергии различной физической природы с известным диапазоном изменения их размера; Э^- энергия с фиксированным нормированным размером; - приращение энергии; Вп- пассивное вещество (ве-

щество с параметрическими свойствами); В - активное вещество (вещество с генераторными свойствами); В - присутствующее или добавляемое при преобразовании вещество; В+,В*- видоизмененное состояние вещества (агрегатное, фазовое и т.п.) или вещественного свойства; В*Вх - композиция вещества и вещественного свойства, обладающая новыми свойствами, не присущими им по отдельности;

•" - знак связи при описании последовательности преобразований.

Приведем наиболее распространенные рабочие алгоритмы вещественных и знергпшяеасих преобразований измерительных сигналов при восприятии и преобразовании "энергетических" свойств измеряемых величин: А1э:Эх-»-Вг-»-3{; +

Агэ:Эх — В^—» АЭ{; АзэгЭ^.—• Вп—> Вп — ДЭ{;

^ .КГ1.Ч _.г, _„ ^ . ^ Адэ:Э В„-> В„— Э,;

—' ^п—> ЭJ, э° ж п Ап ./'

{ <8>

I 1

В диссертации алгоритмы (8) приведены с их словестным описанием и примерами, где они имеют место. Например, первый рабочий алгоритм А1э в последовательности (8) имеет следующее семантическое описание: энергетическое свойство Эх измеряемой величины воздействует на вещество .Вг, способное преобразовать это свойство в другой ввд энергии Э{ - выходной сигнал (измерение температуры с помощью термоэлектрического термометра: 3^= Э^; Эе). Наиболее распространенные рабочие алгоритмы преобразований при восприятии и преобразовании "вещ/эственных " свойств имеют вид: А1в:В — ДЭ,; Агв:В — В+ —> Э,; Азв: В — В4-* ДЭ,;

X I .XX J ,Х I

Э£ Э£ Э{ Э(

л АЙВ:В —» В —>(В "В)_—» ДЭ,; А4в:Вх— В —(В;В)Г—Эг; * ^ п г

Аьв:в —>в -^(в; в э(; э,

| Атв:В —♦ В+—* Э,; Авв:Вх-(В;В)п-ЛЭ{;

Эг Г * I

А9В:В —(В'В)„-* ДЭ, В;Э, В'Э{ (9)

!о

В,Э£ ЭJ

Анализ рабочих алгоритмов (8,9) показал, что с точки зрения принятых постулатов, прослеживается их закономерное развитие, которое характеризуется базисными алгоритмами.

Базисные алгоритмы при восприятии и преобразовании "вещественных" свойств, имеют ввд: А1бв: В^-»- ДЭ{; Агов: В -*• В -*■ В "В; |

Щ (10)

Азбв: В_—В*; Адов: В_

I Т

э{ в

Например, первый в последовательности (10) базисный алгоритм А1бв характеризует известный спектрометрический метод измерения влажности (В^), который основан на том, что спектр поглощения водяного пара имеет несколько зон поглощения. Интенсивность излучения (Эр, на выбранной частоте проходящего через поглощаемую среду, изменяется по экспоненциальному закону !ЛЭ{).

Базисные алгоритма при восприятии и преобразовании "энергетических" свойств следуюдие:А1 бэ:Э^-* Вп; Агбэ:Эх-*-Вг-»- Э{; Азбв:Эх-»- В -»• В+ * * (11)

В данном случае базисный алгоритм А) бе характеризует вещественно - энергетическое преобразование.протекающее, например, в термометрах сопротивления при измерении температуры без подключения его к источнику электрического тока. Для получения электрического сигнала с выхода термометра сопротивления (АЭе) необходимо применить базисный алгоритм А1бв.

На основе базисных алгоритмов (10),(11) возможно формирова-' ние .рабочих алгоритмов, неприменяемых ранее в СИ, например, при восприятии "энергетических" свойств измеряемой величины могут иметь место следующие алгоритмы, необнаруженные в методах, подвергнутых нами анализу:

Айэ:Э —»В—>(В+ )—Э»; Абэ:Э —»В—>Э.; Атэ:Э -*В-»-(В',")-»-Э,.

X Г I X .1 ^ X . Г

т т

Э{ Э{ (12)

Аналогично можно найти рабочие алгоритмы при восприятии и преобразовании "вещественных" свойств:

А,ав:В-(В; В>„- АЭ^ Аив:В - В^-СВ -В^-Э,;

Э^ ,в э ^ э^ в

А1гв:В — В+ — (В+-В).,— ДЭ,; А13в:В — В+ —(В+-В)„-^ АЭ, ■ X ж П I' X ,х X. П J

' ' т Т Тв

В Э{ В э^

В соответствии с предложенными основами и методикой выбора структур вещественных и энергетических преобразований измерительных сигналов в алгоритмах (8-13) могут иметь место энергии Э{ различной физической природы. Поэтому рабочие алгоритмы представлены в работе в виде конечных подмножеств Шв> и {Акэ), которые в каждом конкретном случае описываются математически с помощью основных приёмов комбинаторики: сочетаний или размещений. Например, подмножество первого в последовательности (8) алгорит-

(13)

ма А13 содержит конечное число базисных алгоритмов, которое соответствует числу сочетаний из количества рассматриваемых ввдов энергии "п" по количеству видов энергии "т" подлежащих комбинированию (замене одного вида энергии на другой), т.е.

{А1э}=С™(А1э)=Сд(А1Э):Эх~* В-*Эе; Эх-*-В-*Эн; Э -*В-»-Э.; Э ; Э Э -»-В-..Э,; Э ~»-В-*Э ; Э-*-В->Э .

к I х р х и X 1 X X* X с

При наличии в рабочем алгоритме двух видов энергии, подлежащих комбинированию, например, Азв, его подмножество формировалось с помощью размещения так как известно, что различные сочетания отличаются только входящими в них элементами последовательности конечного множества, а порядок их следования безразличен. В алгоритме Азв порядок следования в построении структуры вещественных и энергетических преобразований имеет существенное значение, что и учитывалось нами при формировании подмножества <Азв) с помощью размещения. Алгоритмы (8-13) могут описывать структуру вещественных и энергетических преобразований измерительных сигналов при

измерении "вещественных" и "энергетических" свойств измеряемых

*

величин. В работе выведен обобщающий алгоритм Ав,э, описывающий такие преобразования при восприятии "вещественных" и "энергетических" свойств основных физических величин, который имеет следующий вид:

Ав,э = с [{А1В>,{Агв>,...Шв>];[{А1э>,{А2э},..ЛАкэН.(14)

где с знак содержания множества (У^); 1,к - число рабочих алгоритмов соответственно при восприятии вещественных и энергетических свойств измеряемых величин; а - общее число рабочих алгоритмов в их множестве; ь= л,г___с - число, соответствующее количеству рабочих алгоритмов в формируемой структуре вещественных и энергетических преобразований измерительных сигналов, определяющей принципы измерений величин (задается при выборе структуры).

Следует заметить, что, с целью наглядности и упрощения описания алгоритмов, начиная с выражения - 14, вместо знаков конъюнкции и дизъюнкции использован знак "•".

Поясним использование выражения (14) при раскрытии структуры вещественных и энергетических преобразований измерительных сигналов. Например, в одном из спектрометрических методов измерения концентрации вещества (В^), основанном на сжигании пробы (Э^—► В В+) и определении спектра излучения (Эр, заложен алгоритм с

символической записью: В —• В+ — Э,— В„—» ДЭ

х 1 .71 &

1

Э« С (15)

Этот алгоритм основан на последовательном сочетании рабочего алгоритма Агв (9) при восприятии "вещественных" свойств и рабочего алгоритма Агэ (8) при восприятии "энергетических" свойств входных величин. Ограничениями при формировании из выражения (14) структур вещественных и энергетических преобразований измерительных сигналов являлись согласование по виду входной и выходной энергий двух смежных рабочих алгоритмов и число ъ = 2(количество рабочих алгоритмов при формировании структуры). Следует заметить, что в структуре вещественных и энергетических преобразований измерительных сигналов может иметь место последовательность, взятая из подмножества одного и того же базисного алгоритма, например, Агбэ (11). Структура преобразований известного огггико-акустичес-кого метода измерения концентрации газов характеризуется следующей символической записью:

^ (16) Э

г

Как видно из выражения (16), в нем используются три реализации базисного алгоритма А2<5э:Э{-»Вр-*Э^ с использованием дополнительной энергии Эг.

Полученный обобщенный алгоритм, описываодий преобразования СИ при восприятии "энергетических" и "вещественных" свойств измеряемых величин, был применен при нахождении неизвестных ранее методов измерений веэлектрических величин. Это.отражено в материалах главы 4 диссертации.

Выявленные базисные алгоритмы могут быть применены при формировании образцовых сигналов, действующих на чувствительный элемент датчика без его отключения от ИС, при компенсации и коррекции погрешностей измерения, что было затруднено при реализации известного алгоритмического метода образцовых сигналов.

Рассмотрим конструкцию датчика давления, приведенную на рис. 1 [423, в случае применения базисного алгоритма Агбэ:Эя-»-Вг-»- Э{.

Датчик давления состоит (рис.1,а) из корпуса 1 с мембраной 2, силопередаидего элемента 3, чувствительного элемента 4 с тензоре-зисторами 5, узла 6 поджатая элемента 3, выполненного в виде полой резьбовой втулки и узла 7 создания принудительных образцовых деформаций с электрическими выводами 8 и 9. Узел 7 может быть

выполнен в ввде цилиндрического пьезоэлемента 10 с внутренним отверстием, на внешннюю и внутреннюю поверхности которого нанесены токопроводящие электроды 11,12 (рис. 1.6).

Датчик работает следующим образом. Измеряемое давление через мембрану и силопередаиций элемент вызывает деформацию чувствительного элемента 4(В1г), и сопротивления тензорезисторов 5 изменяются. На электрические выводы 8 и 9 пьезочувствительного элемента 10(В3г) подается электрическое напряжение, вызывающее его деформацию, знак которой зависит от знака этого электрического напряжения. Так как пьезоэлемент 10 жестко связан с силопередаю-щим чувствительным элементом 4, эта деформация вызывает соответствующую деформацию этого элемента 4. В рассматриваемом случае работа узла 7 основана на обратном пьезо.эффекте и связанном с •этим эффектом линейного изменения размеров различных веществ. •Узел 7 также вызывает деформацию чувствительного элемента 4 и размер этой деформации является образцовой величиной Э* ("тестом"). Структура вещественных и энергетических преобразований измерительных сигналов при измерении давления описывается алгоритмом: Э -* В^Э^-АЭе

р ,«_ > О?)

где В^ — чувствительный элемент 4, В2г~ пьезоэлемент 10.То есть алгоритм формирования образцовых усилий (Э°) основан на обратном пьезоэ$фекте

Конструкция тестового узла 7, выполненного на основе термоэлектрического и термодеформационного эффектов с алгоритмом

— В,г. (19)

приведена на рис.1,в. В данном случае узел содержит термоэлектроды 13 (В3 ) и металлический цилиндр 14 (В4 ). со стабильным коэффициентом объемного расширения. Не исключено использование выявленных алгоритмов при построении узла 7 образцовых деформаций, основанию: на соответствующих физических эффектах, например, на магнитострикционном эффекте (рие.1.г), где применен магнитострик-ционний преобразователь 15. В рассматриваемой конструкции датчика был использован полый цилиндрический пьезоэлемент на базе пьезо-керамики ЦТС-19. Размер деформации, создаваемой узлом 7, монет задаваться дискретно или непрерывно по определенной программе с помощью'образцового сигнала Э°, формируемого ИС, в зависимости от применяемого метода измерения. Здесь применен нулевой метод изме-

рения. Результата испытания датчика приведены в табл.2.

Таблица 2.

Измеренные значения выходных напряжений датчика при изменении давления от 9,8'104 до 9,8*105 Па (0-10 кГс/см2).

Р,кГс см2 0 1,0 1,5 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 9,0 16,0

и вых. 2,0 99,8 152,0 300,1 397,5 508,2 610,0 703,0 910,0 1100

мв ' 1,9 100,1 152,0 297,0 396,5 507,2 612,2 707,9 908,0 1099

Измерение выходных сигналов датчика производилось дважды через сутки. Датчик работал устойчиво, нелинейность его статической характеристики преобразования давления не цривысила + IX. Использование образцовых сигналов позволило повысить точность измерения давления С421.

Для измерения неэлектрических величин также предлагается способ алгоритмической коррекции, основанный на проведении последовательных измерении неэлектрической величины X и образцовой меры

формируемой с применением базисных алгоритмов.В этом способе результат измерения не зависит от коэффициентов передачи входного звена и определяется лишь точностью задания образцовой величины £ и результатами измерений.

Способ может быть перспективным для измерения высоких температур с применением низкотемпературных датчиков и специальных теплопроводов - делителей температуры (с алгоритмом делителя напряжения), помещенных между объектом измерения и датчиком [9].

Из всего многообразия датчиков физических величин ИС следует выделить датчики, выходным параметром которых является сопротивление электрическому току. Это связано в первую очередь с большим количеством физических эффектов, применяемых в измерительной технике, выходной реакцией которых является изменение электрического сопротивления. Во многих случаях эффективному использованию ИС с датчиками сопротивления припятствуют дополнительные погрешности измерения от воздействия входного тока и от нестабильности элементов преобразователей. В связи с этим в работе предложено 2 способа построения время-импульсных экспоненциальных преобразователей, которые позволяют практически исключить эти дополнительные погрешности, и разработаны 6 структурных схем таких преобразователей, технические решения которых признаны новыми [48,491.

ГЛАВА 3. ВЕЩЕСТВЕННЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ С МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ ДАТЧИКАМИ.

- Под многофункциональным датчиком (Щ) предложено понимать часть ИС, конструктивно представляющую один или совокупность нескольких чувствительных элементов, размещенных в зоне действия нескольких измеряемых физических величин и воспринимающих эти величины, а также обеспечивающих преобразование и передачу сигналов измерительной информации. Заметим, что исследуемые входные величины могут быть независимыми друг от друга, и тогда возможно их восприятие с помощью датчиков, селективных к отдельным величинам. Совокупность конструктивно объединенных воедино таких чувствительных элементов будем в дальнейшем называть селетиБним МД. При этом- под селективным подразумевается не простое объединение однофункциональных элементов, а переработанная их комбинация с целью, в частности, уменьшения габаритных размеров и массы, совместного использования деталей чувствительных элементов, выводов. Входные величины могут быть связаны между собой, и тогда бывает необходимо выполнить выделение, автономизэцюо всех сигналов. Датчики, в которых производится управляемое разделение суммарного сигнала чувствительных элементов на составляющие, несущие информацию о соответствующих входных величинах, предлагается называть перестратВаелшси.

Анализ обобщенного алгоритма (14) показал, что он может быть использован при построении алгоритмов функционирования ИС с МД. Для этого в первую очередь необходимо систематизировать методы построения ИС с МД, уточнить их семантическое описание, формально описать содержание и последовательность вещественных и энергетических преобразований сигналов, происходящих в ИС с ВД, и разработать структурные схемы таких ИС.

При этом прежде всего необходимо проанализировать способы автономизации взаимосвязанных величин в многомерных ИС, выделить основные приемы, развить и адаптировать их по отношению к предложенным основам вещественных и энергетических преобразований сигналов в аналоговой части ИС. Существует три основных способа автономизации взаимосвязанных величин, предполагающее разработку и применение специальных воздействий, структурных моделей и организацию перекрестных связей (М.П. Цапенко, 1985). Анализ этих способов позволил выделить два классификационных признака, приемлемых для реализации методов построения ИС с ВД, а именно: искусственное воздействие со стороны составных частей ИС на датчик ила объект, измерения и организация, искусственных связей между сослав-

нъиси частли ИС.

В предложенном методе "воздействий" проводятся преобразования, при которых, кроме множества измеряемых величин О^}, (В^}, на объект измерения (В) воздействует одинаковый по физической природе ввд энергии (Э{) или свойство вещества (В{), которые при взаимодействии с каждой конкретной измеряемой величиной дают различные реакции Эти реакции определяются одним из принципов измерения, полученным с применением обобщенного алгоритма *

Ав эт.е. алгоритм такого метода следующий:

Э^ в <20>

Метод использован в структурной схеме ИС для .диагностики заболеваний крутого рогатого скота (мастит, эндометрит), в которой на ткань воздействуют одной по физической природе энергией (Э{)~ электрической, но различной по частоте [23,67]. Реакции на эти воздействия (электрофизиологические параметры) несут ванную информацию о процессах жизнедеятельности организма. Во-первых, результаты измерения этих параметров используются в биологии и в медицине для оценки физических свойств живого вещества и изучения динэмики функционального состояния тканей и систем организма; во-вторых, данные, полученные при изучении электропроводности биологической ткани, позволяют оценивать ее структуру. В живом нормально функционирующем организме растительного или животного происхождения существует определенный уровень поляризуемости вещества и структуры, соответствующий этому функциональному состоянию. оценивать поляризуемость тканей можно по показателю электрофизической поляризации методом "двухчастотного импеданса".

Другим методом построения ИС с ВД (с осуществлением воздействия на датчик) может быть метод "разложения", заключающийся в проведении преобразований, при которых на вещество (В), воспринимающее входные величины {Вх> ДЭ^}, воздействуют одинаковым видом энергии Э£ и измеряют множество параметров этого ввда ГЭ(), которые взаимосвязаны с измеряемыми величинами. Алгоритм функционирования метода разложения:

| (21) Э£

Метод был использован в ИС для измерения параметров дыхания чело,-века (частоты и периода дыхания, задержки дыхания и объема ввдн-

хаемого воздуха)[371. В датчике (В) воздействие вцдыхаемой влаги (Вх) изменяет емкость МД, выполненного в виде пленочного алюмине-оксидаого сорбционного элемента и, следовательно, параметры переменного сигнала на его выходе. Этот сигнал преобразуется в квазипостоянное напряжение. Длительность огибающей этого напряжения несет информацию о периоде дыхания, а число сформированных из огибащей импульсов за фиксированный период времени - о частоте дыхания. Оценка объема выдыхаемого воздуха производится косвенным путем с помощью интегрирования по площади этого же сигнала.

Одним из методов построения ИС с ВД без искусственного воздействия на датчик или объект измерения является яегасхЗ "использования свойств объекта", который сводится к проведению преобразований, при которых используется вид энергии или вещественное свойство, присущее о.бъекту измерения и являющееся первой измеряемой величиной,' для измерения свойства вещества или вида

энергии, представляющего вторую измеряемую величину. Алгоритм

«

этого метода следующий: 13 с В ,В с Э ]—'А,. (22)

X X X X

Этот метод использован в ИС для измерения пространственного распределения биоэлектрических потенциалов и площади листа растения 1581. Принцип действия этой ИС основан на использовании биоэлектрических потенциалов Эе, присущих объекту измерения (листу растения), для измерения * его вещественных свойств: площади (В* с Эе). Лист растения помвщакгг между пространственно - распределенными отдельны^ активными электродами и общим пассивным электродом. Расстояние между активными электродами выбирается кратным единице измерения длины. При измерении площади листа растения последовательно с каждого активного электрода снимается сигнал о наличии разности биопотенциалов. Отсутствие сигнала с активного электрода несет информацию о том, что между'ним и общим пассивным электродом отсутствует единичный участок листа растения, наличие же сигнала любого уровня с активного электрода - о присутствии объекта измерения.

В лшоде "исключения" при котором проводятся преобразования путем последовательного исключения воздействия каждой входной величины на реагирующее с ними вещество, с помощью различных видов энергии или свойств веществ, с дальнейшим осуществлением ав-тоиомизации одинаковых по физической природе "энергетических" и (или) "вещественных" реакций вещества, воспринимающих эти входные величины, используются искусственные связи между составными частями ИС и МД. Алгоритм метода "исключения" описывается виражени-

ем: 4

{ВЖЫЭХ> В - АВ)Э

т

(Э£,Э1/,...Эк),(В1, В2...,Вк> (23)

На основе этого метода разработана конструкция ЦЦ ИС для измерения составляющих спектра фотосинтетической активной радиации (Э } фитотрона, используемого при селекции злаковых культур [25].' Датчик содержит полупроводниковый кристалл (В), электрическое сопротивление которого зависит от составляющих спектра солнечной радиации. • Кристалл последовательно перемещается относительно избирательных фильтров (В1,В2,..,Вк). В ИС последовательно запоминаются значения выходных сигналов с датчика и вычисляются значения составляющих спектра путем решения системы уравнений.

В качестве третьего классификационного признака при построении ИС с МД предлагается использовать однородность реакций материалов (веществ) чувствительных элементов Щ на измеряемые физические величина. Под однородными реакциями понимаются реакции, относящиеся к одному роду (виду) энергии, например, электрическому. Если, например, при воздействии 3х входных величин у вещества изменяются соответственно электрическое сопротивление, диэлектрическая проницаемость й ЭДС, то эти изменения свойств вещества считаются однородными реакциями на воздействие Зж входных величин. Данный классификационный признак позволяет найти и сгруппировать методы построения ИС с ВД, в которых упрощается процесс автонсмизации входных величин при многофункциональных измерениях.

В методе "однородных реакций" используются преобразования, основанные на способности вещества по-разному изменять свои однородные по физической природе "энергетические" (В )шш "вещественные" (В в) свойства при взаимодействии с измеряемыми величинами. Алгоритм такого метода следующий: 4

(Вх>, {Эх>)- В - {ВоВ}, СВоЭ) — АВ5Э (24)

При реализации такого метода производились поиск и исследование характеристик свойств веществ-преобразователей для ВД (В), которые формируют однородные выходные сигналы (реакции {Вов)ДВоэ)), при восприятии нескольких заданных измеряемых величин. Метод применен при разработке структурной схемы ИС для измерения температуры и давления, в которой датчик выполнен в виде тонкопленочного пьезокерамического элемента, закрепленного на мембране С3 3 _ При измерении давления используется свойство пьезо-элемента изменять его заряд ("энергетическое" свойство), а при измерении температуры - зависимость от нее электрической ймкости

("вещественное" свойство). Однородность выходных реакций "вещества" датчика ИС может осуществляться искусственным образом, например, путем дополнительного введения вещественных и энергетических преобразований сигналов при измерении величин с целью получения на выходе селективно то Щ, одинаковых по физической природе измерительных сигналов.

На таком приеме основан метод "приведения", в котором все измеряемые величины путем соответствующих преобразований приводятся к однородным по физической природе свойствам вещества *Вов) или виду энергии £Зо{}, которые измеряются одним СИ при использовании временного разделения каналов измерений. Обобщенный алгоритм метода "приведения" следующий: 4 4

Этот метод был использован при разработке структурной схемы ИС для измерения физических параметров растений, которая может быть использована при определении степени влияния различных факторов, влияющих на рост и развитие растений, при селекционном отборе сортообразцов й оценке продуктивности растений. В этой ИС температура поверхности, транспирация влаги и шероховатость поверхности с помощью светотехнического коллектора с отдельными световодами преобразуются в оптические сигналы (однородный по физической природе вид энергии)[361.

Метод "разнородных реакций" включает использование преобразований, основанных на способности вещества по-разному изменять свои разнородные по физической природе "энергетические" {Вр0) и "вещественные" {ВрВ> свойства при взаимодействии с измеряемыми величинами. Алгоритм метода: $

{В },(Э } В {В }ДВ > —• А„ 0

К -X. рв ре В, 9 (<ЙЬ)

Этот метод, использован в ИС температуры и освещенности, в которой МД, выполнен в вида полупроводникового фотоэлемента, окруженного слоем пьезокерамического материала [313. При измерении освещенности изменяются электрические свойства фотоэлемента, а при измерении температуры - механические свойства того же фотоэлемента за счет его теплового расширения. Пьезоэлемент при воздействии температуры преобразует изменения объёма фотоэлемента в электрический заряд.

Перечисленные методы построения ИС с МД позволили создать патентнозащищенные структурные схемы ИС, предназначенные для измерения разнообразных физических величин. Осуществимость практического использования предложенных методов построения ИС с МД и

практическую необходимость создания таких средств измерений подтверждают материалы, изложенные в главах 5,6 диссертации. Так, например, на основе метода "воздействия" разработаны ИС диагностики заболеваний животных ("Биокондуктометр") и ИС диагностики заболеваний человека "Биотемп-1М". При разработке ИС "ПИБ" для измерения биопотенциалов и площади .листа растения применен метод "использования свойств объекта".Методы "однородных и разнородных" реакций, соответственно, применяются в ИС типа "ДЦТС-2", "МДМ-3" и т.п., предназначенные для измерения давления и температуры; температуры и частоты сердечных сокращений человека и др.

С точки зрения оценки погрешностей измерения величин ИС с МД имеют следующие специфические особенности. Во-первых, измерению подлежат несколько физических величин Х1 ,Хг,...5(п, каждая из которых может являться, с одной стороны, измеряемой величиной, а с другой - влияющей на процесс измерения любой другой величины. Во-вторых, существует реальная возможность определения экспериментальным или расчетным путем функций <р (Х^) зависимости погрешности каждой величины ДХ от совместных действий всех других измеряемых величин 1= Т7п. В-третьих, измерение всех величин может проводиться одновременно и непрерывно. В диссертации предложена Структурная схема ИС с ЯД с автоматической коррекцией результатов измерений нескольких входных величин и выведены аналитические выражения для осуществления такой коррекции [201. В данном случае обеспечивается близость статической реальной функции преобразования СИ к номинальной характеристике преобразования путем изменения реальной функции преобразования под воздействием корректирующего сигнала.

С целью доказательства эффективности коррекции проведен практический расчет ОД относительной влажности и температуры воздуха, выполненного в виде кварцевого чувствительного элемента (по каналу измерения влажности), который показал, что автоматическая коррекция приводит к уменьшению погрешности чувствительного элемента влажности не менее чем на порядок. Приведенные расчеты были использованы при модернизации ИС "Биотемп - 1М", "Аист", что позволило повысить точность измерения этих средств измерений.

ГЛАВА 4. ПОИСК НОВЫХ СОВОКУПНОСТЕЙ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ.

4.1 Пути формирования новых совокупностей физических явлений.

Полученные алгоритмы, описывающие вещественные и энергетические преобразования при восприятии "энергетических" и "вещест-

зонных" свойств измеряемых величин, позволяют описать веществен-ше и энергетические преобразования известных и новых совокупности ФЯ в ИС. В соответствии с предложенными постулатами, положе-шями и методикой поиска возможны следующие. пути. формирования ювых совокупностей ФЯ. Первый путь формирования новых совокуп-юстей ФЯ связан с применением рабочих алгоритмов (12,13), не >бнаруженых в известных методах. Второй путь связан с применением эабочих алгоритмов в выражениях (8,9), описывающих вещественные и энергетические преобразования известных методов измерений, при юдстановке ранее не использованных видов энергии различной физи-шской природа и веществ в последовательность вещественных и энергетических преобразований этого алгоритма. Трений пужь связан с'увеличением числа рабочих алгоритмов, описывающих вещественные и энергетические преобразования известных методов измерений при сохранении видов энергии и веществ в последовательности зещественннх и энергетических преобразований этих алгоритмов. {етверяьЛ путь связан с увеличением числа рабочих алгоритмов, >писывающих вещественные и энергетические преобразования известна методов измерений и подстановкой ранее неиспользованных видов энергии различной физической природа и веществ в последователь-, юсть вещественных и энергетических преобразований этих алгоритмов. Пявый путь основан на самостоятельном построении проектировщиком алгоритма, описывающего вещественные и энергетические треобразования синтезируемого принципа при обязательном соблвде-ши последовательности преобразований вещества и энергии, которые сарактеризуют базисные алгоритмы (10,11) ( без ограничений холи-юства цепей преобразования).

Практическая осуществимость путей выбора новых совокупностей ВЯ подтверждена разработкой 5 структурных схем измерителей площа-т листьев растений 156-63]. Например, использование третьего зути формирования новых совокупностей ФЯ позволило разработать зтруктурную схему измерителя площади листьев с алгоритмом (см.

>ис.2) 1591:

вх_ в; — Э,

(27)

Э.

В данном случае лист растения (В ). помещается в пространство мезду электродами, на которые подается переменное высокочастотное поле (Эе) напряженностью 10 - 100 кВ/см, и "зажигается" высокочастотный газовый заряд. Наличие листа растения в межэлектродном промежутке приводит к нарушению квазинейтральности плазмы вблизи поверхности листьев (В*), поскольку потоки ионов и электронов на лист определяются процессами на его поверхности (ионэлектронной эмиссией, автонейгронной эмиссией) и не равны соответствующим стационарным потокам заряженных частиц в плазме. Вблизи поверхности листа возникает слой пространственного заряда с высокой напряженностью электрического поля, в котором и осуществляется генерация заряженных частиц. Высокая напряженность электрического поля в этом слое приводит также к эффективному возбуждению электронных состояний молекул и, как следствие, к яркому свечению этих областей (Э1). Это явление и используется для визуализации объект та измерений. По суммарной интенсивности излучения разряда' с помощью фотоприемников можно судить о площади листа (Э°—>В—>ЛЭе). Следует заметить, что на основе одного алгоритма, например, (27), можно разработать целую гамму технических решений с различными характеристиками не только измерителя площади листьев, но и любых СИ для измерения вещественных свойств измерительных величин.

Использование предложенных путей синтеза позволило найти другие новые совокупности ФЯ, которые легли в основу описанных в работе структурных схем ИС: влажности и температуры почвы и объема зерновки; влажности воздуха и твердых веществ; механических параметров (усилие, давление) и температуры [52-55,41-43,481. Новые совокупности ФЯ реализованы в ИС для измерения площади листьев, влажности почвы и др. (см. главы 6,7).

4.2. Автоматизация синтеза совокупностей физических явлений при проектировании датчиков.

4.2.1. Методика автоматизации поиска совокупности синтеза физических явлений.

Учитывая то, что количество комбинаций ФЯ с различными сочетаниями базисных алгоритмов, видов энергий, используемых в них, и измеряемых входных неэлектрических величин, подлежащих измерению, астрономически велико, возникает необходимость проведения автоматизированного нахождения совокупностей ФЯ .

Автором была разработана методика поиска новых принципов измерений селективных датчиков МЦ с использованием И-ИЛИ графа Кбнига, банка ФЯ и материалов, где они проявляются С143. Данная методика в диссертации развита и использована для автоматизиро-

Л(и,г>) =

¡энного поиска новых совокупностей ФЯ в ИС как для однофункциона-1ьных, так и многофункциональных ( в том числе и перестраиваемых) (атчиков.

Рассмотрим основные особенности методики и условия ее приме-¡ения с учетом основ вещественных и энергетических преобразований жггналов и алгоритмов их функционирования. Пусть имеется некото-юе конечное множество ФЯ, которое отражается в ориентированном

> и >

"рафе К5нига С=(Х, .X, и), где И - вершинам X соответствуют ?ещества (В), а ИЛИ - вершинам X", - входные и выходные ввды эне->гии (Э). Граф б имеет дуги и из х € х'и у е X", если х соотве-?ствует входному виду энергии,' относящемуся к физическому объекту

[В)- у, и дуги из уех'в ^еХ", если вершина х - соответствует выгодному виду энергии, относящемуся к физическому объекту (В) - у ;см. рис. 3,а). Пусть для каждой вершины хеХ" на парах дуг (и,у), даа из которых входит, а другая выходит из зт, определена функ-1ия:

О, если для смежных входной и выходной вершин ввды энергии имеют одинаковую физическую природу;

1 - в противном случае.

Путь иг жг.. м± х1и1+1 ■ ■ иг хг будем называть

давильным, если для любой ИЛИ - вершины, входящей в него, выпол-мется условие стыковки 4 ( и^; "1+1)= 0. В данном случае вершины со х&... являются ИЛИ - вершинами, а х3... -И- вершинами; и1 1г... дугами та соединяющими; хо - выходным видом энергии (корне-зой вершиной). Решение ,1) назовем множеством всех правильных тутей, обладающих свойствами: некоторый правильный путь хо и1 х2 = входит в решение (у1- некоторая вершина, из множества входных видов энергии У);если И - вершина х е X' входит в 1уть, включенный в решение, то для каждой дуги V, входящей в х, ¡©обходимо включить в решение один из простых правильных путей, ичинащихся из х, проходящих через дугу V ж оканчивающихся в >дной из вершин ¿(К€У. Такое рекурсивное определение множества решений д (яоД) порождает реализацию сложной древовидной струк-гуры (рис.3 б,в). Мощность этого множества может быть большой. Саким образом, можно сформулировать следующую задачу: в графе О ю заданным вершинам хо, еУ найти все решения В (яоД). Разработанный комплекс программ, кроме осуществления поиска новых тринципов измерений ИО по предложенной методике, позволяет учиты-зать специфику формирования ФЯ для разнообразных датчиков (рис.

4). Яри этом были изменены условия "стыковки" дельта-функции и стыковка производилась не только по "однородности" входных и выходных видов энергии, но и по расчетным значениям сопротивлений в соответствии с разработанной методикой отбора и оценки эффективности принципов измерений.

Разработанный комплекс программ позволяет одновременно производить синтез принципов измерений множества величин с "энергетическими" и "вещественными" свойствами. Также было введено формализованное правило синтеза, разрешающее наличие двух одинаковых по физической природе видов энергии в синтезируемых принципах. Это правило позволило синтезировать эффективные принципы измерения, неизвестные ранее.

При оценке эффективности конструкций датчиков на основе синтезируемых принципов в ЭВМ вводилась лестничная функция по согласованию входных и выходных обобщенных сопротивлений различной физической природы (7), определяюцая входное сопротивление цепи многократных преобразователей датчика по разработанной автором программе.

4.2.2. Результаты автоматизированного нахождения совокупностей физических явлений в датчиках.

На ЭВМ был произведен синтез совокупностей ФЯ в датчиках с использованием разработанных ограничений: "ярусного" ограничения (ограничение по количеству используемых вещественных и энергетических преобразований); "технологического" ограничения, Св применении материалов, находящихся в твердом состоянии (проводников, диэлектриков и полупроводников)]; "приоритет по вершинам" - ограничение на конкретное ФЯ, наличие которого принимается обязательным 114], а также двух критериев "совместимости".

Суть первого критерия "совместимости" следующая. Отдельный измерительный преобразователь можно представить в виде чувствительного элемента, параметры которого изменяются при воздействии измеряемых величин, и двух электродов. Если наложить дополнительное "технологическое" ограничение, решив, что ЭВМ выбирает лишь ФЯ, которые проявляются в веществах, находящихся в твердом состоянии (в проводниках и диэлектриках), и дополнительно задать условия обязательности последовательного чередования слобв материалов диэлектрика и проводника, то появляется возможность исполнения конструкции, которая будет отличаться от простой комбинации однофувкциональных датчиков (уменьшается количество электродов, так как один и тот же электрод является общим для двух чувствительных элементов; сокращается число электрических соединений

электродов и "выводов", и появляется возможность использования чувствительного элемента, выполненного из электропроводящего вещества, в качестве электрода).

Второй критерий совместимости основан на согласовании входных и выходных обобщенных .сопротивлений различной физической природы в структуре измерительных преобразований датчика (выражение (7)).

В качестве графа, технических решений был выбран граф, использованный ранее нами для поиска новых принципов действия многофункциональных селективных датчиков температуры, усилия и относительной влажности, который содержал 40 хорошо известных и используемых в практике ФЯ И4]. Во-первых, при использовании расширенного банка ФЯ всегда существует большая вероятность формирования совокупности ФЯ нетрадиционного. применения (в цепи вещественных и энергетических преобразований) и малоизвестного широкому кругу специалистов того или иного ФЯ. Во-вторых, - использование графа, неориентированного специально для нахождения совокупности ФЯ в датчиках конкретной величины, например, температуры, дает более сильную аргументацию корректности и эффективное™ предложенных путей синтеза новых совокупностей ФЯ. В-третьих, для характеристики большого количества ФЯ, необходим большой объ§м данных для расчета условий согласования обобщенных сопротивлений.

Задача поиска ФЯ в преобразователях решалась следующим образом: создавалась база данных по ФЯ в форме, удобной для машинной обработки, при условии, что описание ФЯ основано на вещественных и энергетических преобразованиях, включающих сведения о материалах веществ, где проявляют себя эти ФЯ; задавались ограничения, налагаемые на получаемые совокупности ФЯ; находились'возможные комбинации ФЯ с учетом заданных ограничений,. оценивалась эффективность вещественных и энергетических преобразований по предложенной методике.

С помощью ЭВМ был произведен автоматизированный поиск новых совокупностей ФЯ в датчиках температуры, с использованием И-ИЛИ графа, и ограничений: "ярусного" (количество преобразований задавалось равным 2) и "технологического".

Одно из решений било признано новым [513 и было связано с совокупностью рабочих алгоритмов, описывающих вещественные и энергетические преобразования методов измерения температуры - А1Э и деформации - А2Э(третий путь синтеза). Алгоритм действия такого датчика описывается символической записью:

э,

и

В.

1Г

-Э.

±

е

э:

е

Оценка полученного принципа действия (в диалоговом режиме) показала его эффективность, так как уровень согласования теплового, механического и электрического сопротивлений был достаточно высок (см.рис Б). При этом значения для расчета собственных вход-

ных сопротивлений и коэффициентов К для тензопрербразователя и термометра расширения брались из литературных данных £61- В качестве материалов веществ -для датчиков были использованы ртуть (В1г) и кремний <В2п). На основе этого алгоритма била разработана конструкция термодатчика, принцип действия которого основан на оценке изменения давления при изменении температуры термометрического вещества (Э^-» В^Э^,) [513. Изменение давления приводит к деформации мембраны интегрального тензопреобразовзтеля, и, соответственно к преобразованию деформации в электрический сигнал

В результате синтеза из заданного графа также были получены две ноше совокупности ФЯ в датчиках давления, одна в датчике уси-усилия и одна в датчике относительной влажности воздуха [63.

Кроме того, И-ИЛИ граф был использован при поиске новых принципов действия совокупностей ФЯ селективных и перестраиваемых МЦ. Несмотря на то, что из этого графа ранее нами были получены 6 принципов селективных ВД температуры, усилия и относительной влажности воздуха (ю) и казалось бы, что его (графа) потенциальные возможности полностью исчерпаны, использование алгоритмов, описывающих методы построения КС с ВД, позволило получить дополнительно ноше совокупности- ФЯ. Это достигалось адаптацией методов построения ИС с МД и рассмотренной вше методики поиска путём дополнительной детализаит семтиической запит конкретного метода и применением, в соотвествш с этой детализацией, критериев и ограничений. Например, детализация семантической записи метода "приведения" при поиске совокупностей ФЯ селективных датчиков выражалась следующим образом: I.чувствительные элементы для каждой измеряемой величины должны быть изготовлены в виде последовательной цепи измерительных преобразователей; 2. в качестве оконечного измерительного преобразователя должен быть использован единый тип преобразователя, работа которого основана на одном ФЯ и который формирует выходной сигнал в виде единой по своим свойствам электрической величины; З.один из оконечных преобразователей должен быть обяза- \ тельно использован для восприятия и преобразования измерительных '

о

ДЭе)

сигналов, присущих одной из измеряемых величин.

Вышеприведенная семантическая запись формализовалась путем задания "ярусного" ограничения и ограничения "приоритет по вер-

иияам". Например, селективный ВД на рис.6а, имеет алгоритм [431:

?зй-АЭв!

I Г

е

(29)

Т I

э° э°

е ©

В качестве оконечного преобразователя в этом МД применен фотоэлемент.- Изменение давления приводит к перемещению мембраны К81г) и изменению радиуса изгиба световода 2 (Вгп), что изменяет эго светопропускание и, соответственно, сигнал на входе приемника излучения 3 (Взп). Импульс ультрафиолетового излучения через све-гоеод 4 вызывает свечение люминофора 5 (Вд ), интенсивность которого однозначно зависит от температуры. Аналогичным образом им-тульс излучения источника через световод 6 поступает на слой лю-яшафора 7(В6), интенсивность которого зависит от относительной злажноети воздуха (В5ПВ7П- приемники излучения).

В селективном МД (рис.б,б) в качестве оконечного преобразо-

зателя был использован индуктивный преобразователь [44] и заложен алгоритм:

% (30)

Т 1

э° э°

е е

Мембрана I такого датчика выполнена из немагнитного материала -

сремниевой пластаны (В, ). На основании 2 закреплены три сердеч-

шка (Вг) индуктивных преобразователей <ВЗП). В центральной части

гембраны над сердечником первого индуктивного преобразователя

шнесен слой магнитного материала 3(ВД). Над другими сердечниками

и мембране в периферийной ее части ( в зоне минимума деформаций)

¡внесены слои 4 и 5 соответственно термодеформационного (В5г) и

тлгродеформационного (В6г) материалов, на которые в свою очередь

¡внесены слои магнитного материала (Вд).

Адаптация алгоритма метода исключения позволила найти новую ювокупность ФЯ в МЦ для измерения светового потока, температуры I давления, в котором световой поток "исключался" с помощью мемб-

раны с электро-оптичееким затвором, а давление - с помощью введенного в датчик дополнительного пьезоэлемента,который "отгибал" мембрану (за счет обратного пьезоэффекта) от чувствительного элемента 1501.

Синтез принципов действия перестраиваемых ЦЦ осуществлялся путем минимизации "ярусного" ограничения и задания "технологического" ограничения, заключающегося в выборе принципов действия селективных датчиков с полностью идентичными материалами (однородными по своим свойствам веществами). Например, один из перестраиваемых МД (рис.6,в)[46] имеет алгоритм:

Эг.V в^в;в^дэе1, АЭ ег,эе3

' (31 )

С2

е е

Процесс измерения трех физических величин разделен во времени. При измерении давления мембрана I (В,) прогибается и вызывает появления заряда (Эр0) на пьезоэлементе 2 (В£). При измерении относительной влажност-и воздуха на пьезоэлемент с ис подается стабильный переменный ток 0°,). Влага сорбируется пористым пье-зоэлемент-ом, его диэлектрические характеристики изменяются, и возникающее на нем падение напряжения (АЭе1) зависит от относительной влажности воздуха. При измерении температуры пьезоэлемент работает как пассивный элемент, так как активное сопротивление пьезоэлемента зависит от температуры (ДЭ ).

При наложении технологического ограничения, заключающегося в использовании лишь полупроводниковых материалов, удалось реализовать перестраиваемый ВД для измерения давления и температуры,чувствительный элемент которого выполнен на кремниевом стабилитроне (рис. 6,г) [45] . В этом случае используется зависимость напряжения стабилизации от температуры и прилагаем®: механических напряжений. При прямом включении стабилитроне I падение напряжения на нем зависит от изменения температур«, то есть стабилитрон используется в качестве термодиода.

Использование пьезоэлектрических материалов и ФЯ, проявлякь щихся в них, позволило реализовать перестраиваемый ИЦ (рис.б.д). ВД для измерения динамики роста и температуры растений (271 содержит основание в виде полимерной пленки I, на поверхность которой вакуумной сублимацией последовательно нанесены слой первого электрода 2, органического пьезоэлектрического материала на основе полициклических соединений 3 и второго электрода 4. Прирост стебля по толщине вызывает деформацию пьезоэлемента и возникновение на нем электрического заряда. Температура изменяет электриче-

кую проводимость (емкость) пьезоэлемента.

Сочетание критериев совместимости и обязательности с другими ■граничениями дают возможность построения МД освещенности, теипе->атуры и относительной влажности воздуха [34] (рис.б.е). Чувстви-■ельннй элемент этого перестраиваемого ВД представляет собой фо-■оэлемент структуры металл - диэлектрик - металл (титан - двуокись титана - золото), выполненный в вида пленочного конденсато->а. Одна из обкладок имеет форму меандра и является пленочным ■ермометром сопротивления. Изменение активного сопротивления этой (бкладки зависит от измеряемой температуры. При измерении влаж-гости влага сорбируется двуокисью титана, еб диэлектрические :войства изменяются. При измерении освещенности в системе металл • диэлектрик - металл возникает фотоэффект.

Предлагаемая методика синтеза может быть использована при :оздании ОД на основе органических материалов (биодатчиков). По [ашему мнению новым в измерительной технике является использова-ше семян растение в качестве МД. Преимущество таких датчиков заключается в следующем: плода растений обладают высокой устойчи-зостью к воздействию различных экстремальных факторов, например, >ни сохраняют жизнеспособность при воздействии низких отрицательно температур; при использовании плодов растений в качестве МЦ зуществует реальная возможность создания миниатюрных датчиков, способных конкурировать с современными датчиками, изготовленными 1а базе средств микроэлектроники; плоды, так же, как и сами растения, обладают высокой чувствительностью к различным воздействием внешних факторов (физических величин). В работе рассмотрена сонструкция ВД влажности и температуры, в качестве чувствительно-то элемента которого использован плод аистника.

Рассмотренные вещественные и энергетические преобразования в 10 могут быть применены при построении преобразователей сигналов, юпользуемых не только в ОИ. Например, рассмотрим структуру вещественных и энергетических преобразований полупроводникового пре->бразователя сигналов-транзистора, выполненного'из 2х р-п переходе. Алгоритм функционирования транзистора следующий:

Эе^в1вг—>АЭе~ •

* (32)

э

е»

где - энергия источника постоянного напряжения;

Э^ - энергия входного переменного электрического сигнала малого размера;

ЛЭе изменение энергии выходного усиленного сигнала;

В,"В2- нелинейный элемент, состоящий из композиции двух веществ (р-п переходов).

На основе алгоритма (32) могут быть построены новые нетрадиционные преобразователи сигналов. Для доказательства этого утверждения в диссертации рассмотрена конструкция и алгоритм работы теплового преобразователя сигналов - аналога полупроводникового транзистора.

Следует заметить, что все найденные совокупности ФЯ и разработанные на их основе конструкции датчиков признаны новыми [23381. Многие конструкции датчиков нашли практическое применение в ИС различных физических величин (см. главы 5,6,7) ГЛАВА 5. СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ЧЕЛОВЕКА И ЖИВОТНЫХ.

Приведены структурные схемы, результаты исследований метрологических характеристик ИС параметров функционального состояния животных и человека, выполненных на основе выявленных алгоритмов вещественных и энергетических преобразований измерительных сигналов, методов построения ИС с МД и результатов автоматизированного поиска совокупностей ФЯ.

Основные характеристики созданных ИС приведены в табл.3.

ИС "Биопульс 01,02" [35,731 предназначены для измерения кар-диоинтервалов ритма и определения групп "риска" при обследовании животных. Датчик в этой ИС реализован на основе алгоритма (29). По результатам измерения этой системы можно судить о степени "риска" сердечно-сосудистых заболеваний и о функциональном состоянии организма.Возможность задания временных интервалов в зависимости от задач исследований, от вида обследуемого объекта, его пола и других характерных свойств и специфики, удобное построение шкалы, по которой определяется результат обследований, возможность оценки состояния объекта с учетом регуляторних аспектов функциональной нагрузки организма, отсутствие требований высокой квалификации специалистов, производящих профилактический осмотр, расширяет Функциональные возможности ИС. КС использована при ггрофилактичее-ких обследованиях в целях диагностики еубклиничееких стадий заболеваний в полевых условиях.

ИС "Тонус 2М" [671, нашедшая основное применение для оценки функционального состояния человека, построена с использованием сигорияши метода Воздействия (20). Биологический дисперсионный кондуктометр "Тонус—Я" прошел метрологическую аттестацию, организован его мелкосерийный выпуск.

Таблица 3.

Сведения об основных ИС для. оценки функционального состояния

организма.

Наименование ИС /шифр/ (тип МД) Синтези руемый принцип метод (Л а.с) Основные технические характеристики Количество внедрений

Диапазон измере -ния,габаритные размеры датчика Основная погреш -ность

Многофункциональная ИС: биопотенциалы (II); полное электрическое сопротивление температура воздуха (8в); влах -ность (Шв); температ. поверхности (6п); частота пульса (1); коэффициент дисперсии поляризации (КПД) /"ЕИ0ТМГ7 (селективный, пере -страиваемый) 781709 1173981 1377027 U : + 999 мВ Z1: 30 -19999 Ом 2г: 300- 5000 Ом 6в: 5 - 40°С Wb: 5 - 60 % 6п: 35 - 45"С j КДП : 1 - 20. МЦ:0,6 х 1 ж 1мм 60 : 1Ж : 4% 0Z2: 2% ¿8в: 5% 6

Система контроля функ ционального состояний сердечно-сосудистой системы человека (час тота сердечных сокращений 1с) /БИОПУЛЬС - 01"/ -1738263 х,:8 - 255 ^ 5x10x10 ММ. М20 х 50 ММ ЧЭ МД :1х5х5х мм. Lie : + iУДзр /МИН 10

Биологический дисперсионный кондуктометр, для оценки функционального состояния человека (полное электрическое сопротивление ( г2) /"ТОНУС-2"/ (селективный) Метод воздействия 1173981 Частоты: х^ЮкГц; г2= МГц Z1: 20 - 10000 Ом Zg:300 - 3000 Ом, 0 5; 1= 10 мм. 6Z1fCZ2: 3 % 42

ИС температуры (6) и частоты сердечных сокращении (хс) /"МШ - 3"/ (перестраиваемый) Метод разнородных реакций 1496705 6 : 30 - 50" С 1С 2 -гооударцйн Щ : 2 X 2 X 1мм 69 : 2 % Сю: 1 % 1

ИС "Биотемп1' содержит два селективных и один параметрический МД, построенные также на основе синтезированных новых совокупностей ФЯ. Кроме того, в ИС программным путем осуществляется автоматическая коррекция погрешности при измерении температуры и влажности ( см. главу 3). ИС "Биотемп" [69] была использована в Институте физиологии, в Институте клинической иммунологии СО РАН, в ряде поликлиник г. Новосибирска ( для исследований функционального состояния больных и ранней диагностики различных заболеваний и патологий), в Институте растениеводства и селекции СО РАСХН ( для выведения сортов злаковых культур, устойчивых к биотическим и абиотическим стрессам), в Институте экспериментальной ветеринарии Сибири и Дальнего Востока ( для разработки экспресс-метода диагностики заболеваний типа мастит и эндометрит) и др. организациях. ИС "Биотемп" не имеет аналогов в РФ и за рубежом.

ГЛАВА 6. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ПАРАМЕТРОВ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

РАСТЕНИЙ.

Приведены основные сведения и характеристики: ИС концентрации ионов при изучении различных функций корневой системы растений в процессе их роста и развития ("Иономер"); ИС электрофизических параметров растений при селекции плодовых культур ("Элекгрон-2"); ИС составляющих площади листьев растений ("Листомер", "ПИБ") и др. (см.табл.4). В ИС "Электрон-2" датчик влажности почвы построен на полученном сигаритме вещественных и энергетических преобразований сигналов (27). В работе приведены результаты исследований его метрологических характеристик при измерении влажности подзолистых и торфяно-глеевых почв [53,72].

Алгоритм вещественных и энергетических преобразований сигналов (13) использован при разработке ИС "Листомер"(62].

ИС "ВИЛ", предназначенная для разработки метода для оценки устойчивости злаковых культур к биотическим стрессам, разработана с применением алгоритма метода "использования свойств объект." (22).

В ИС "ДГГГ-6", "ДЦТС-2" соответственно применены алгоритмы методов "приведения" и "однородных" реакций. ИС использованы при исследовании динамики роста растений и ее зависимости от внешних факторов [1,39,40].

Таблица 4.

Сведения об основных внедренных ИС, предназначенных для

исследования жизнедеятельности растений.

Яаименование КС /шифр/ Используемый принцип метод (*а.с) Основные технические характеристики Количество внедрений

Диапазон измерения, габаритные размеры датчика Основная погрешность

ЛС площади плоских объектов (з) /ЛИСТОМЕР 1,1М"/ 1755372 з:10 - 9999 ммг 10 i 100 х 100 мм Сз=1,5% 24

'ЛС для определения концентрации ионов в водных растворах (И) /"МОНОМЕР"/7 1566236 N:1 - 7000 мг/л 0N 0 8;1=80 5-10* 2

ИС биопотенциалов(и), электрического сопротивления <ю, емкости (С) температуры (8в) и относительной влажности воздуха (Ив) /"ЭЛЕКТРОН - 2"/ 1084626 Ü : + 1999 мВ R : 0,1-1000 кОм С : 0,1-100 нф 9в :5 - 50°С WB : 10 - 100 % 0U:2,05( Ой:3,ОЖ 00:3,556 08в:2,0* б»в:3,0% 2

ИС распределения биопотенциалов (Ц) и площади листьев растений (э) /"ПИБ'У Метод использования свойств объекта 1287781 U : - 999 мВ з:10 - 999 мм? 0 0,5; 1= 5 мм. си : г% Os : 156 1

ИС перемещения (I) и температуры (в) / ДПТ - 6 "/ Метод приведения 1224626 1:10 - 1000 мкм 8 : 20 - 70°С, МЦ :0 5; 1=11мм. 01 : г% А8:-0,5°( 1

ИС давления (р) и температуры (9) /"ДЦГС-2"/ (селективный) Метод однородных реакций 744255 9:20 - 80 С°а р : 0 -4,8*10 Па, 1 х 1 х 3 ММ А9:-0,5°| Ор : 2 % Л 1

ГЛАВА 7. СИСТЕМЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СРЕДУ ОБИТАНИЯ ЖИВОТНЫХ И РАСТЕНИЙ.

Обоснована необходимость разработки ИС параметров среды обитания животных и растений, приведены результаты исследований метрологических характеристик большинства созданных ИС и основные их технические характеристики (см.табл.5).

Проектирование ИС производилось с использованием выявленных новых совокупностей ФЯ. Например, в ИС "Крис", предназначенной для контроля за состоянием посевов, в том числе и за изменением агрометеопараметров, использован селективный МЦ температуры' и влажности, разработанный на основе полученной ЭВМ совокупности ФЯ (см.рис.бе) [70].

Системы "Каштан", "Аист" позволили осуществлять контроль за параметрами среда обитания биообъектов на площади не менее 5'10бм2, накапливать информацию о параметрах в предыдущих сезонах с целью прогнозирования и ликвидации неблагоприятных ситуаций в последующих сезонах, заранее предупреждать возможные аварийные ситуации и вносить соответствующие коррективы в процесс регулирования параметров микроклимата в помещениях [681. Первичные аналоговые цепи этих систем выполнены на основе полученных совокупностей ФЯ селективных датчиков и предложенных экспоненциальных время - импульсных преобразователей [47-49].

ИС "МДС-03" содержит селективный МД для восприятия температуры тела, потоотделения и атмосферного давления [41]. ИС использована при биомедицинских исследованиях.

Проведена метрологическая аттестация Щ барометрического давления и температуры МЦЦТ-1, предназначенного для использования в ИС контроля параметров окружающего воздуха при агромониторинге [74].

Годовой экономический эффект от внедрения ИС в промышленное производство составил не менее 300 тысяч долларов США.

Таблица 5.

Сведения об основных внедренных ИС для исследования среда обитания биообъектов.

Наименование ИС /шифр/ (тип ИД) Используемый принцип (М. с) Основные технические характеристики Количество внедрений

Диапазон измерения, габаритные размеры датчика. Основная погреш -ность

Система многоточечного контроля температуры (9) в производственных помещениях. /"КАШТАН- Т"/ 781709 8:0- +50°С, 0 4; 1= 35 мм. 09 = ±156 8

Система контроля температуры (8), относительной влажности воздуха (Яв) и поворота лотков в инкубационных и выводных шкафах. /"АИСТ"/ 938269 8в :± 35 - + 40 С 4 * 35 мм. ??в : 10 - 99 Я, 5 х 15 х 20 мм. Ав=±0,1°с! ЛИ =+ЗЖ 6 [

ИС атмосферного давления (р) и температуры (в). /"ВДЦТ-1"/ (перестраиваемый) 1758456 р : 10 - 40 кПа 9 :-40 ± 40°С, М20; г = 50 мм ЧЭ МД :1х5х5х мм. Ор : ± 5Ж 00 :±1,5Ж 10

ИС температуры (8), относительной влажности (Ив) и давления (р). /"ВДС-03"/ (селективный) 1348674 8 :+ 35 - + 45°С Ив : 50 - 92 % р : 10-40 кПа МД:01,2; 1= 15 мм АЭ:10,5°С Ш : 2 % 1

ИС давления (Р), влажности №) и температуры (6). /"МДМП"-1"/ (селективный) 1628037 8 :+ 25 - + 60°С »в: 55 - 90 % р : 10-40 кЯа, 0 5; 1=10 09 :± 1 % бИви 5 % Ор :± 5 % 3

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложена концепция проектирования датчиков физических величин, основанная на синтезе структур вещественных и энергетически преобразований сигналов, с подбором наиболее рациональных комбинаций физических явлений и использовании базы знаний о свойства] материалов, в которьк проявляются эти явления, с последующей оценкой эффективности полученных принципов построения датчиков.

2.Разработана методика поиска структур вещественных и энергетических преобразований для 8 видов энергии и веществ (преобразователей энергии и параметрических преобразователей) содержащая: а).формирование принципа измерения с помощью обобщающего алгоритма, который представлен в виде конечных множеств, найденных I результате анализа более 200 методов измерения кеэлектрическш величин и формализованных рабочих алгоритмов вещественных и энергетических преобразований измеритедьких сигналов, протекающих I аналоговой части измерительных систем; б).создание базы данных п>: физическим явлениям б форм«, удобной для машинной обработки, пр1 условии, что описание явлений основано на вещественных и энергетических преобразованиях, включающих сведения о свойствах материалов веществ; в).оценку свойств'структур преобразований с использованием критерия согласования обобщении сопротивлений, разработанного с привлечением теоретической механики, теории четырехполюсников и теории аналогий и подобия.

3. Выведены базисные алгоритмы, определяющие -закономерности протекания вещественных и энергетических гтрео'ра'-г.ьаним .^мерительных сигналов, характеризуыцие пршшчгш и-.м>-рег<хй ана.м-с -■внх датчиков и средств измерений; на основе базисных алгоритмов разработаны и экспериментально подтверждены 5 пугей ¡¡.-.нсь» новых с>.-к-купностей физических явлений.

4. На базе сформированных совугугностей -тиьичесг^н «в^ений

но 21 средство измерения различных величия, технические реУеНк» которых защищены 42-мя авторскими свидетельствами, в т:-м чиел-: * средств измерений для оценки донкционэ пьног>.> состояния организма: 6 - для исследования жвзн<?деятелья.х-тл растений; 9 - я ад иесл^лс-вания среды ..питания биообьек-тов.

В диссертации поставлена, .гЯна и решена не/чно-?ехьн-

ческая проблема, имеющая народноХо-¿оотьенное значение и надавленная на создание теории веществ^ньих и энергетич-еьих 1<г.~..бузований измерительных сигналов и р.-,-: работку измерите .ъннх г»гг<-> для оценки состояния человека, жюогшлс и растений, а тек*-» у-;ч»>-вий их обитания. I

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ. . Алейников А.Ф. Создание новых средств измерений для АПК.-эвосибирск, АОЗТ "Трина", 1993.- 160 с.

. Алейников А.Ф. методология структурного синтеза средств из-зрений физических величин //Тез. докл. Международной науч. конф. dC-94 Л: ЛГТУ, 1994. - С.232.

. Алейников А.Ф. Элементы теории синтеза измерительных уст-эйств // Автоматизация и контроль технологических процессов: $.науч.тр./ВАСХНИЛ.- Новосибирск, 1982.- С. 63 - 85. . Алейников А.Ф. Методика автоматизированного структурного син-зза средств измерений //Тез.докл. Международного симпозиума Аграрный мир", Росток - Думмерсторф, 1993. - С. 252-256. . Алейников А.Ф. К выбору структуры измерительных устройств // эиборы, системы управления и контроля: Со.науч.тр. / ВАСХНИЛ.-эвосибирск, 1984.- С.68-96.

- Алейников А.Ф. Структурный синтез принципов и средств измере-ий //Сиб. весн. с.-х. науки - 1996 - * 1,2 -С. 124-134. . Алейников А.Ф. Теоретические основы вещественных и энергети-еских преобразований измерительных сигналов // Новые метода и зхнические средства исследований физических процессов: Сб. на-ч.тр. / РАСХН. - Новосибирск, 1997 - С. 3-20. . Алейников А.Ф. Использование алгоритмов вещественных и энерге-ических преобразований при коррекции погрешностей датчиков // етоды и технические средства исследований физических процессов: б.науч. тр./ РАСХН. - Новосибирск, 1996 - С. 17-23. . Алейников А.Ф. Структурные методы в системах контроля неэлект-ических величин // Развитие технических средств диагностики ашш и механизмов: Сб.науч.тр. /ВАСХНИЛ.- Новосибирск, 1985.-.55-65.

0. Алейников А.Ф. Многофункциональные ■ датчики: Методические екомендации / РАСХН Сиб.отд-ние ФТИ Новосибирск: 1991- 36 с.

1. Алейников 1.Ф., Цапенко М.П. Многофункциональные датчики // змерение, контроль, автоматизация.- 1990 - N2 - С.50-57.

2. Алейников А.Ф., Цапенко М.П. Автоматизация выбора физических влений многофункциональных датчиков // Приборы и системы уп-■эвления.- 1990.- N4 - С. 27-29.

3. Алейников А.Ф., Цапенко М.П. Многофункциональные датчики // ез.докл. Всесоюзн.науч.-техн.конф. ИИС - 91.- Санкт-Петербург: ГТУ.- 1991.- С.52-53.

4. Алейников А.Ф. Измерительные системы с многофункциональными :атчиками //Автореф. дисс...канд.техн.наук Новосибирск, 1988,6 с.

5. Алейников А.Ф. Многофункциональные датчики' температуры, отно-даельной влажности и усилия//Измерительные и управляющие приборы и комплексы:Сб.науч.тр./ВАСХНИЛ.-Новосибирск,1984.С. 19-27.

6. Алейников А.Ф. Многофункциональные датчики в измерительных ;истемах для исследований сельскохозяйственных объектов // Аппа-штура для измерения параметров состояния растений и животных: 1б.науч.тр. / ВАСХНИЛ.- Новосибирск, 1987.- С.20-27.

7. Алейников А.Ф. Метода построения измерительных систем с мно-•офункциональными датчиками // Аппаратурные средства обеспечения жспериментов: Сб.науч.тр./ ВАСХНИЛ. - Новосибирск, 1988 - С.24-

8. Алейников А.Ф. Многофункциональные датчики // Автоматизация юследований и диагностики машин: Сб.науч.тр. /ВАСХНИЛ. Новоси->ирск 1989. - 0. 66-67

9. Алейников А.Ф. Многофункциональная датчиковая аппаратура// !аука в СССР. - 1990 - N3 - С. 18-21.

¡0. Алейников А.Ф, Методы получения информации от многофункцио-1альных датчиков //Современные методы, средства измерений и авто-итизацш: Сб.науч.тр. / РАСХН.- Новосибирск, 1993.- С.З - 16.

21. Алейников А.Ф. Многофункциональные датчики физических вели чин // Современные методы, средства измерений и автоматизации: Сб.науч.тр./ РАСХН. - Новосибирск, 1993. - С. 16 - 23.

22. Алейников А.Ф. Многофункциональные перерастраиваемые датчики // Современные метода, средства измерений и автоматизации:Сб. науч.тр. / РАСХН.- Новосибирск, 1993.- С. 23 - 29.

23. A.C.II7398I СССР, МКИ А.61В 5/04 Устройство для измерения физических параметров /А.Ф.Алейников. Заявл.06.01.84,бюл.N31, 1985

24. А.с. I23054I СССР, МКИ a01g 7/00, G1P 5/12 Устройство для определения параметров водотока у. деревьев / А.Ф.Алейников. За-явл. 18.10.84, бюл-N 18, 1986.

25. Патент РФ I2379II СССР, МКИ g01d 21/00 Устройство для измерения нескольких физических величин одним чувствительным элементом / А.Ф.Алейников. Заявл. 12.03.82, бюл-N 22, 1986.

26. Патент № 1283545, МКИ G01K 7/00, G01b 1/00, G01 5/20 Уст ройство для измерения температуры и энергии электромагнитное излучения» / А.Ф.Алейников. Заявл. 27.04.85 , 6m.N 2, 1987.

27. Патент РФ 1496705, МКИ A01G 7/00 Устройство для измерени динамики роста и температуры растений / А.Ф.Алейников. Заявл.29. 09.87, 6M.N 28. 1989.

28. А.с.1512528 СССР, МКИ А61В 5/00 Устройство для измерени физических параметров / А.Ф.Алейников, В.А.Грвдчин, М.Л.Цапеню Заявл.. 22.06.87, бш.Ы 37, 1989.

29. А.с.1521378 СССР, МКИ a01g 7/00, а61в 5/04 Устройство дл. диагностики функционального состояния растений / А.Ф.Алейников Заявл. 08.12.87, бюл-N 42, 1989.

30. A.C.I523III СССР, МКИ Аою 7/оо, g01d 21/00 Устройство дл измерения влажности и температуры / А.Ф.Алейников. Заявл. 30.12. 86, бюл-N 43, 1989.

31. Патент РФ 1583755, МКИ G01L 5/20, G01K 5/00, G01N 27/00 Уст ройство для измерения неэлектрических величин / А.Ф.Алейников Заявл. 22.06.87, бюл.И 29, 1990.

32. А.с. 1604247 СССР, МКИ АОЮ 7/00 Устоойство для измерени: температуры и влажности воздуха / А.Ф.Алейников. Заявл. 08.02. 88,бюл.N 41, 1990.

33. Патент РФ 1628037, МКИ g01w 1/02,. 1/08 Датчик метеопарамет ров/ А.Ф.Алейников. Заявл. 24.08.87, бш-N 6, 1991.

34. Патент РФ 1722299, МКИ АОЮ 7/00 Устройство для измерени температуры, относительной влажности и освещенности / А.Ф.Алейни ков. Заявл. 23.01.90, бюл.И 12, 1992.

35. А.с. 1738263 СССР, МКИ ав1в 5/02, а01к 29/00 Устройство дл; исследования сердечного ритма / А.Ф.Алейников, Ю.НЛасквев, Г.Л Верещагин. Заявл. 18.07.90, бш.ы 21, 1992.

36. А.с. 1790868 СССР, МКИ АОЮ 7/00 Устройство для измерени физических параметров растений / А.Ф.Алейников. Заявл. 06.06.88 бюл.N4, 1993.

37. А.с.1803037 СССР, МКИ A6I В5/08 Устройство для измерена параметров дыхания /А.Ф.Алейников, Г.Л.Верещагин, Ю.Н.Таскаев Заявл. D9.07.90, 6KM.N11,1993.

38. А.с.1812462 СССР, МКИ G01L 11/00 Устройство для измерени. давления и температуры / А.Ф.Алейников. Заявл. 10.10.88, бюл.] 16, 1993.

39. А.с.744255 СССР, МКИ g011 11/00 Устройство для измерени давления / А.Ф.Алейников. Заявл. 23.05.77, бюл.ы 24, 1980.

40. Патент РФ 1224626, МКИ G01I 11/00 Устройство для измерени. давления / А.Ф.Алейников. Заявл. 02.10.84, om.n 14, 1986.

41. Патент РФ 1348674, МКИ G01L 11/00 Датчик давления / А.Ф.Алей ников. Заявл. 24.12.85 , 6m.n 40, 1987.

42. Патент РФ 1566236, МКИ G01L 9/04 Датчик давления /А.Ф.Алейни ков. Заявл. 29.09.87, бюл.И 19, 1990.

43. Патент Р.Ф.1599684, МКИ G011 11/00 Датчик давления /А.Ф Алей-

Ar?

ffiOB. Ззявл. 22.06.87, бЮЛ-N 38, 1990.

I. A.C.I6I0330 СССР, МКИ G01L 9/Ю Устройство для измерения

звления / А.Ф.Алейников. Заявл. 24.08.87, бюл.Ы 44, 1990

5. А.с.1645862 СССР, МКИ G01L 11/00 Устройство для измерения

звления / А.Ф.Алейников. Заявл. Ol.II.88, бш-N 16, 1991.

5. А.с.1758458 СССР, МКИ G011.11/00 Устройство для измерения

шления / А.Ф.Алейников. Заявл. 24.01.89, бш.ы 32, 1992.

Алейников А.Ф., Верещагин Г.Л. Повышение точности измерения 1Соких температур // Аппаратура и методы исследований машин и эханизмов: Сб.науч.тр./ ВАСХШЛ. Новосибирск, 1986.- С.57-67. 3. А.с.938269 СССР, ЖИ G05D 23/24 Устройство для регулирования ¡мпературы / А.Ф.Алейников. Заявл. 05.08.80, бюл.Ы 23, 1982. 3. А.с.1084626 СССР, МКИ G01K 7/34 Устройство для измере-1я температуры / А.Ф.Алейников. Заявл. 23.12.81, бюл.Ы 13, 1984. ). Патент РФ 1642266, МКИ G01K 7/00 Датчик температуры /А.Ф. ЮЙНИКОВ. Ззявл. 14.09.87, бюл.Ы 14, 1991.

. А.с.1682823 СССР, МКИ С01К 5/62 Датчик температуры /А.Ф Алей-псов. Заявл. 28.09.89, бюл.Ы 37, 1991.

А.с.1268123 СССР, МКИ А01С 1/оо, G01N25/56 Способ определения 13жности зерновки и устройство для его осуществления / А.Ф.-юйников. Заявл. 20.12.84, бш.ы 1, 1986.

3. Патент РФ I6406I2, МКИ G01N 7/00 Способ измерения влажности >чвы и устройство для его осуществления / А.Ф.Алейников. Заявл. 3.12.87, бюл.Ы 13, 1991.

1. Патент РФ 1384278, МКИ A01G 25/00, G01N 25/58 Датчик влажнос-I почвы / А.Ф.Алейников. Заявл. 30.09.86, бюл.Ы 12, 1988. >. Патент Pi 1408328, МКИ G01N 25/56 Датчик влажности почвы / .Ф.Алейников. Заявл. 13.01.87, бюл.Ы 25, 1988. >. Алейников А.Ф. Методы построения приборов для измерения пло-зди листьев растений// Технические средства и методы обеспечения юлогических экспериментов: Сб.науч.тр./ ВАСХНИЛ.-Новосибирск, 386.- С. 32 - 42.

А.с.1259980 СССР, МКИ AOIG 7/00, G01B 7/32, 7/04 Способ изме-зния площади листьев и устройство для его осуществления / .Ф.Алейников, Е.А.Рахманин. Заявл. 21.06.84, 6ian.N 36, 1986. 3. A.C.I28778I СССР, МКИ A01G 7/00 Способ измерения .площади icra растений и устройство для его осуществления / А.Ф. Алейни-)В. Заявл. 29.03.84, бюл.Ы 5,1987.

3. Патент РФ 1422004 МКИ G1B 21/28 Способ измерения площади тстьев растений / А.Ф.Алейников. Заявл. 13.01.87, бюл.Ы 33, 388.

3. А.с.1601516 СССР, МКИ G01B 21/28 Преобразователь для измере-1Я площади плоских объектов / А.Ф.Алейников. Заявл. 09.12.85, ал.Ы 39, 1990.

I. А.с.1646519 СССР, МКИ A01G 7/00 Устройство для измерения тощади листьев растений /А.Ф.Алейников. Заявл. 18.09.86, бюл-N Г, 1991.

A.c.1753272 СССР, МКИ G01B 21/28 Устройство для измерения пощади листьев растений / А.Ф.Алейников, В.А.Золотарев, А.К.Че-эдниченко. Заявл. 26.02.90, бюл-N 29, 1992.

3. Патент РФ 1782452, МКИ A01G 7/оо Устройство для измерения пощади листьев растений/ А.Ф.Алейников. Заявл. II.10.90, бюл.Ы Г, 1992.

1. Алейников А.Ф., Осенний A.C. Оценка интегрального функцио-зльного состояния организма по показателям электрической поляри-¡гемости ткани. - Новосибирск: РАСХН, 1993 - 40 с.

А.с.1377027 СССР,МКИ АВ1В 5/02 Устройство для измерения час-mi сердечных сокращений /А.Ф.Алейников, Г.Л. Верещагин, A.C. :енний .Заявл. 12.06.85. бш. N8, 1988.

3. Алейников А.Ф. Использование семян растений в качестве чувст-ггельних элементов // Аппаратурные средства обеспечения экспери-энтов: Сб.науч.тр. / ВАСХНИЛ.- Новосибирск, 1988. С. 37-47.

67. Алейников А.Ф., Верещагин Г.Л., Осенний A.C. Портативны! кондуктометр "Тонус-2" //Контроль и диагностика селъхозобьектов: Сб.науч.тр. /ВАСХНИЛ. - Новосибирск, 1981.- СЛ6-21.

68. Алейников А.Ф., Верещагин Г.Л. Система контроля температуры, относительной влажности и поворота лотков в инкубационном цех« птицефабрики // Измерительные и управляющие приборы и комплексы: Сб.науч.тр./ ВАСХНИЛ.- Новосибирск, 1984.- С. 28 - 38.

69. Алейников А.Ф., Осенний A.C., Верещагин Г.Л. Многофункциональный прибор "БИОТЕМП" // Современные экспресс - методы в исследовании растений, животных: Сб.науч.тр. /ВАСХНИЛ,- - Новосибирск,1985. - С.26-33.

70. Алейников А.Ф., Верещагин Г.Л. Измерительная система контрол! для передвижных агролабораторий // Методы,технические средств« контроля и диагностики машин: Сб.науч.тр. /ВАСХНИЛ.- Новосибирск, 198Т. - С. 96 - 105.

71. Алейников А.Ф., Верещагин Г.Л. Измерительная система дл! определения концентрации нитратов в водных растворах //Методы i аппаратура для измерения параметров состояния растений и живот-ных:Сб.науч.тр. / ВАСХНИЛ.- Новосибирск, 1987.- С. 27 - 39.

72. Алейников А.Ф. Штанько А.И. Установка для измерения электро-£изилогических параметров растений // Методы и средства научной обеспечения с.х.науки: Сб.науч.тр. / РАСХН-- Новосибирск, 1991,-С. 3 — 16.

73. Алейников А.Ф. Таскаев Ю.Н. Куликов В.А. Контроль функционального состояния сердечно сосудистой системы //Методы и принципы действия приборов и научного оборудования: Сб.науч.тр./РАСХН. - Новосибирск, 1992. - С. 4 - 14.

74. Алейников А.Ф. Датчик атмосферного давления //Разработка новых методов и устройств для исследования биологических объектов: Сб.науч.тр. /РАСХН, - Новосибирск, 1995. - С. 3-6.

75. Алейников А.Ф. Высокочувствительный датчик температуры //Разработка новых методов и средств для исследования биологически! объектов: Сб.науч.тр. / PAQffl. - Новосибирск, 1995. - С. 6-9.

р

77

V/^/VW/V/V/и/À//////////п

J— m л

« /

Y ///mm / / /////1

Зтг^

б)

\///////////7 /У//////z/fZZZ.

M

в)

//////а/{////////z

///////у

г)

р. .-ч - V.-I1-I" п тг "*ГГ

Рпс. 2.

птр,,К7урТ,а7 схема измерителя площади листьев растений: 1,2 - фотол'лнвйка; 3 - расщепленный опто-электронный кгут; - ватак; р - лист растения; 7 - измеритель длянц листа.

51

А

-6: б 7

Ч 1 0

5 0 О

■Ч:

1 0

5)

д): Решение N1 -7 6 -Ч Ч -7 Ч -2

6 -6 ч -1 ч -г

6): Эквивалентное

решение -7 в -ч ч, -1, ч, -г,

6 г -2,

Рис. 3. Пример И-ИЛИ гра^а (а) а построение И-!ОД дерева (б,в)

*-

Построение усечен-нрго ^И-ИЛИ'даре&х без запретов на бершины

г-1

Ввод Вершин ,„ графа в массив Ю</,

сим6о/!Ьной информации вмассив

г—2-

Лнализ исходного графа

Все условия

проверки Выполнены ?

-5-

} Д7

Нет

Выход из программы,-Печать ошибки

лоатроение экбибалентного •И-И/1И" дереба

имеются Миклы В еросре?

Нет

т- 7

Выход из программы* Печать ошибки

Да

г 9

ИЛИ _ершин з пассив мш

Построение кепЗинаиио висячих вершин

Построение всех . базмсукных решении и запись их на магнитный _Диск

■72

решении

т

Печать решении С учетом ограничений и <рс7псрое&

Рис. 4. Схема алгоритма комплекса програ'-м.

// JOB ALEI

// DLBL IJSYS02, 'файл описания графа', 99/365 // EXTENT SYS002, IGNATE.. .400,100 // ASSGN SYS002,X' 190'

// DLBL IJSYS03,' файл комб. решений', 99/365

// EXTENT SYS003, IGNATE...500,1300

// ASSGN SYS003,X'190'

// DLBL IJSYS04,'файл-справка', 99/365

// EXTENT SYS004, IGNATE...1800,100

// FSSGN SYS004,X'190'

// EXEC PRINT 1

-12 -2 6 26-9 peui.N2! M

Принцип действия датчика температуры основан на последовательности ФЯ:

I. Объемный эффект (тепловое расширение, манометрический) (Л27.С.34 Л45, С.39) В1- 2: капрон, полиэтилен, парафин, целлю-ловд, эпоксидные смолы, резина BI22: нафталин, нитроанилин, KCL B13:JN биметалл: латунь (CU + 50ZN) - инвар (64 FE + 36NI), PL -GR, GU - FE, AG - TI, AG - SR, ковар (54FE, 31NI, 15 CU - CD)

2. Прямой пьезоэффект (Л20, С12, Л47, С31) В122:кварц (SI02) сегнетовая соль, турмалин, дигидрофосфат аммония, виннокислый калий, элитендиаминт, АР трат, ниобат • Бария-свинца ИБС (NB205.PB0, ВАСОЗ), титанат цирконат свинца цтс (PBZ 03,РВ0, ZR02, TI02), титанат бария (BATIOS)

Rn= Не= 1000

Значение переменных через

q = 320 I0^f„b1 10"í,„Rf= 50 W~Z,„CV= 27,98„,„11^=1,1 I02 » Результат: Re= 1,1 Rf Rf = 1,25 Ry

Функция: R,= Re _ j~ fq]2

7-1

(v ¡(l/c^z

l V«ÜB

Рис. 5. Пример распечатки принципа действия датчика т-змяерату]

кЧ

■ гад щ ас)

С 'М д

'/■л;

Шг*

(МШШ

Рис. 6 Конструкции многофункциональных датчиков