Разработка и исследование информационно-измерительных систем параметров двухполюсных электрических цепей

Проблема совершенствования метрологических и функциональных возможностей информационно-измерительных систем (ИИС) для решения научных и технологических задач была актуальной во все предыдущие времена и, очевидно, не потеряет актуальности в обозримом будущем. В науке повышение точности и быстродействия ИИС позволяет более подробно изучить свойства окружающего мира, т. е. способствует более эффективному решению гносеологических проблем. В промышленном производстве улучшение метрологических характеристик ИИС, применяемых при контроле в технологических процессах, способствует повышению качества выпускаемых изделий.

Из всего многообразия задач, имеющих место при выборе метода измерения и алгоритма функционирования информационно-измерительных систем, в настоящей работе главное внимание уделено проблеме совершенствования метрологических характеристик измерительных преобразователей и устройств обработки полученной информации. При этом наибольшее внимание уделено решению задач измерения параметров многоэлементных двухполюсных электрических цепей и объектов исследования, схемы замещения которых представляются в виде пассивных двухполюсных электрических цепей, например, параметрические датчики, которые находят самое широкое применение при измерениях самых разнообразных физических величин [1, 2, 51, 92].

Исторически с конца XIX века и до 70-х годов XX века при измерении параметров электрических цепей и датчиков строились унифицирующие измерительные преобразователи в сигналы напряжения или тока, значения которых измерялись стрелочными приборами. Начиная с 7 0-х годов прошлого века, в связи с успехами микроэлектроники и вычислительной техники, все большее внимание стало уделяться построению микропроцессорных измерительных приборов и систем, кодированные сигналы которых помехоустойчивы при передаче по каналам связи. В настоящее время наиболее перспективными признаны информационно-измерительные системы и устройства, широко использующие для преобразования и обработки сигналов микроэлектронную и микропроцессорную технику.

Состояние проблемы. Развитие методов и средств измерений является мощным стимулом повышения эффективности производства и качества продукции. Сложность современных технологических процессов, рост требований к качеству промышленных изделий и потребность во всестороннем изучении природных объектов и явлений подразумевает необходимость измерения их многочисленных параметров и характеристик различной физической природы.

Постоянное усложнение измерительных задач связано со стремлением максимально полно и всесторонне описать объект исследования (ОИ) через параметры его модели. Создание все более адекватных (а, следовательно, более сложных) физических и математических моделей реальных ОИ приводит к необходимости рассмотрения последних в виде многокомпонентных систем, составленных из пассивных электрических Я, Ь, С элементов с двумя выводами, т. е. виде двухполюсных электрических цепей (ДЭЦ).

При этом следует иметь в виду, что схемы замещения большинства дифференциальных датчиков можно рассматривать как определенное (априори) соединение двух (трех) двухполюсных электрических цепей, т. е. в виде многополюсных электрических цепей (МЭЦ) с доступными для подключения полюсами. Последнее обстоятельство дает возможность ограничиться в дальнейшем исследованиями ОИ, представляемыми только ДЭЦ, и распространить полученные для ДЭЦ результаты на многополюсные электрические цепи при соблюдении, очевидно, необходимых допущений [13, 68].

Перечень задач/ при решении которых необходимо получение информации о значениях отдельных параметров многоэлементных ДЭЦ: активном сопротивлении, емкости, индуктивности и взаимоиндуктивности, постоянной времени, добротности и др., чрезвычайно широк. Он включает измерение параметров элементов сложных радиоэлектронных схем — резисторов, конденсаторов, моточных изделийизмерение выходных величин параметрических датчиковопределение свойств и характеристик материалов и веществ при исследовании процессов в химии, биологии и т. д. Одной из важнейших задач измерительных экспериментов является осуществление раздельного независимого измерения каждого из элементов ДЭЦ.

Решение указанной проблемы неразрывно связано с развитием техники измерений параметров ДЭЦ. Значительный вклад в теорию и практику раздельного получения информации о параметрах ДЭЦ внесли работы научных коллективов, руководимых Т. М. Алиевым, Э. М. Бромбергом, Ф. Б. Гриневичем, К. Б. Карандеевым, В. Ю. Кнеллером, Л.Ф. и К. Л. Куликовскими, Б. Я. Лихтциндером, А. И. Мартяшиным, А.И.Мелик-Шахназаро-вым, Ю. А. Скрипником, В. А. Сапельниковым, М. П. Цапенко,.

В.И.Чернецовым, В. М. Шляндиным, Г. А. Штамбергером Э.К.Шаховым и многими другими.

Разработанные принципы построения устройств измерения параметров ДЭЦ с подбором воздействия на исследуемую цепь, с физической компенсацией влияния неинформативных параметров, с временным выделением информации и др., позволили создать информационно-измерительные системы, характеризующиеся широтой диапазонов измерения, достаточно высокой•степенью инвариантности к неинформативным параметрам и относительно высокими точностными характеристиками.

Понимание сходства задачи раздельного измерения параметров ДЭЦ и обеспечения инвариантности послужило в семидесятые годы XX в. толчком для разработки измерительных систем параметров ДЭЦ, получивших название «инвариантные» в смысле обеспечения независимости результата измерения от неинформативных (не измеряемых в данном опыте) параметров исследуемого объекта измерений безотносительно к способу ее обеспечения [69]. Пионерская роль в области применения положений теории инвариантности к измерению параметров ДЭЦ принадлежит Пензенской и Самарской (тестовые методы измерения) школам ученых-измерителей (А. И. Мартяшин, К.Л. Куликовский). На данном направлении создана гамма измерительных преобразователей и информационно-измерительных систем различного назначения.

В то же время, как показали исследования и опыт практического использования этих средств измерения (СИ), достигнутые характеристики являются в ряде случаев предельными для данного класса СИ. Это обстоятельство обусловило необходимость поиска новых путей построения ИИС параметров ДЭЦ.

Кроме того, существует класс исследовательских задач, требующих измерять как параметры все более сложных радиоэлектронных схем, так и все более подробный, постоянно расширяющийся перечень параметров постоянно уточняющейся схемы замещения ОИ. Решение этих задач оказывается весьма успешным при использовании новых информационных возможностей, предоставляемых современными микроэлектронными средствами и информационными технологиями .

Цель исследований. Развитие методов построения информационно-измерительных систем параметров ДЭЦ и других объектов исследования, описываемых схемой замещения в виде ДЭЦ, разработка способов и алгоритмов получения и обработки информации, обеспечивающих взаимную инвариантность результатов измерения по каждому из информативных параметров ДЭЦ и обладающих совокупностью повышенных метрологических характеристиктеоретическое и экспериментальное исследование процессов измерения и обработки информативных сигналов путем привлечения средств моделирования на ЭВМ, а именно:

1. Постановка и формализованное описание задачи обеспечения взаимной инвариантности результатов измерения параметров ДЭЦ (раздельного независимого отсчета).

2. Теоретическое обоснование методов построения информационно-измерительных систем на основе положений теории инвариантностиисследование ДЭЦ, имеющих различную топологическую структуру, для определения возможности измерения параметров ДЭЦ на одной частоте.

3. Синтез обобщенного подхода к проектированию ИИС параметров ДЭЦ и разработка алгоритмов его реализации.

4. Разработка алгоритмического и программного обеспечения микропроцессорных элементов ИИС параметров ДЭЦ, разработка и обоснование имитационных моделей трактов преобразования параметров измерительных цепей и исследование погрешностей измерений.

5. Проведение исследований динамических характеристик измерительных преобразователей и их помехоустойчивости по отношению к параметрическим помехам, возникающим в измерительных цепях ИИС.

6. Разработка и внедрение измерительных преобразователей параметров ДЭЦ в составе автономных средств измерений (СИ) и ИИС различного назначения.

Методы исследований. Методологическую основу работы составили положения теории систем управления в целом и теории обобщенных сигнальных графов в частности, теории инвариантности и идентификации, а также методы математического анализа, вычислительной математики, теории планирования экспериментов и методов статистической обработки экспериментальных данных, математического и имитационного моделирования.

Научная новизна:

1. Развитие и обоснование с позиций информационных технологий концептуальных вопросов получения раздельной информации о параметрах ДЭЦклассификация моделей измерительных цепей (ИЦ) для различных объектов измерения со схемой замещения в виде двухполюсных электрических цепей;

2. Обоснование в качестве перспективного информационно-алгоритмического способа совершенствования методов и средств инвариантного измерения параметров ДЭЦ;

3. Разработка и исследование алгоритмов обработки измерительной информации в ИИС при измерении параметров ДЭЦ;

4. Решение задачи описания процессов преобразования и анализа динамических погрешностей ИИС и их помехоустойчивости по отношению к параметрическим помехам. Разработка способов автоматической компенсации погрешностей с помощью микропроцессорных средств и выработка рекомендаций по проектированию ИИС.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Решение задачи концептуального проектирования ИИСобоснование, разработка и применение моделей объекта измерения с учетом имеющего конструктивного выбора измеряемых величин, позволяющих эффективно прогнозировать результаты измерений в соответствующих предметных областях.

2. Принципы построения ИИС параметров ДЭЦ с использованием элементов микропроцессорной техники, разработка и применение способов измерений на синусоидальных воздействиях, что упрощает решение вопросов метрологического обеспечения.

3. Обоснование преимуществ алгоритмов измерения коэффициентов операторного сопротивления передаточной функции ДЭЦ по сравнению с алгоритмами прямого измерения параметров элементов двухполюсника. Это свойство предложено учитывать и использовать при корректной постановке задач измерений.

4. Обоснование возможности измерения на одной частоте лишь двух параметров многоэлементной ДЭЦ.

5. Доказательство и решение задачи определения среднеквадратичного отклонения случайной погрешности измерения фазы в зависимости от разрядности применяемых аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и объема выборки.

6. Исследование свойств ИИС параметров ДЭЦ как в статике, так и в динамике, используя методы моделирования 'на основе пакета программ MATLAB и входящих в нее пакетов Simulink и Power System Blockset.

Практическое значение:

1. Разработаны рекомендации по проектированию и практической реализации алгоритмов функционирования информационно-измерительных систем и системно-ориентированных измерительных преобразователей, обеспечивающих решение измерительных задач производственно-технического и исследовательского плана.

2. Разработаны теоретические и практические основы проектирования комплекса ИИС параметров радиоэлектронных схем и датчиков различных физических величин.

3. Разработана методика имитационного моделирования и инженерного проектирования ИИС параметров двухполюсных радиоэлектронных схем и расчета ожидаемой погрешности измерения.

4. Результаты научных исследований в виде методов и методик, практических разработок используются в промышленном производстве, научных исследованиях и учебном процессе и нашли отражение в ряде учебных пособий, разделах лекционных курсов, лабораторных установках, курсовых и дипломных работах студентов соответствующих специальностей.

Реализация работы. Результаты научных исследований и практические разработки внедрены в ООО НПП «Цифровые решения», ГУП ФНПЦ «Прибор» и используются в научных исследованиях и учебном процессе в Пензенском региональном центре высшей школы (филиале) Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства, в Московском государственном техническом университете им. Н. Э. Баумана и в других научно-исследовательских организациях России при исследованиях и разработках ИИС для датчиков различного типа и двухполюсных электрических цепей.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы, результаты проведенных исследований, опыт практического применения разработок докладывались и получили одобрение научной общественности на ряде Международных, Всероссийских, республиканских, региональных и отраслевых научно-технических симпозиумов, конференций, семинаров: на 4 9 Международной научно-технической конференции МАМИ, г. Москва, на конференции «Наукоемкие проекты и высокие технологии — производству 21 века», г. Пенза, 2005 г., на ежегодном Международном симпозиуме «Новые технологии в образовании, науке и экономике», г. Москва.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 4 статьи (из них 1 единолично), 1 тезисы доклада, 2 учебных пособия с грифами Министерства образования и науки РФ в качестве учебных пособий для студентов высших учебных заведений.

Личный вклад. В 2-х статьях, написанных в соавторстве, автором рассмотрены вопросы выполнения расчетных разделов и обработки результатов статистического моделирования [24] (личный вклад 60%), разработки математических моделей и алгоритмов [27] (личный вклад 60%), в информационных листках отображены результаты разработки пакета прикладных программ для исследования динамических характеристик ИИС [63, 86] (личный вклад 60%) — в опубликованных тезисах докладов [23] автором рассмотрены проблемы проектирования измерительных преобразователей, связанные с идентификацией и собственно измерением параметров объекта измерения (личный вклад 60%) — в учебных пособиях автором рассмотрен принцип построения измерительных преобразователей параметров ДЭЦ в интервалы времени [28] и методики расчета погрешностей измерений [72] .

Основные результаты и выводы по работе.

1. Показано, что на этапе концептуального проектирования ИИС для измерения выходных величин параметрических датчиков и значений элементов двухполюсных электрических цепей целесообразно использовать современные информационные технологии, обращая внимание на вопросы обоснованного выбора моделей объектов измерений и измеряемых величин, характеризующих свойства объектов измерений.

2. Проведено исследование возможности измерения параметров ДЭЦ на одной частотепоказано, что можно измерять лишь два параметра ДЭЦ, даже если его структура содержит большее число элементов.

3. Показано, что по совокупности технических характеристик лучшими обладают ИИС на базе ПЭВМ, использующие промежуточное преобразование выходных сигналов измерительной цепи в фазу.

4. Предложены алгоритмы обработки информации и разработана методика моделирования основных элементов ИИС на базе ПЭВМ в статике и динамике, которая позволяет учитывать влияние инструментальных и методических погрешностей тракта преобразования и рационально назначать требования к параметрам элементов схемы.

5. Проведен анализ помехоустойчивости ИИС по отношению к параметрическим помехам, который позволил обосновать выбор алгоритмов преобразования сигнала измерительной цепи, обеспечивающий высокие характеристики помехоустойчивости при высоком быстродействии тракта преобразования.

6.Результаты диссертационной работы, полученные ходе выполнения НИР Пензенского государственного уни верситета, нашли применение в. виде ряда преобразова телей, приборов и систем, используемых в промышленно сти, научных исследованиях и учебном процессе.