Содержание к диссертации
Введение
1. Гидрологические информационно-измерительные системы
(ИИС) и их особенности
1.1. Анализ областей применения гидрологических ИИС 10
1.2. Методы коррекции динамических погрешностей гидрологиче-
1ЛХЛП 20
скихИИС
Аппаратные методы коррекции 20
Алгоритмические методы коррекции 24
Выводы 28
2. Разработка аппроксимативного метода коррекции динамических
погрешностей гидрологических ИИС
Аппроксимативный метод коррекции динамических погрешностей измерительных преобразователей гидрологических параметров с апериодической передаточной функцией первого порядка
Аппроксимативный метод коррекции динамических погрешностей измерительных преобразователей гидрологических параметров с апериодической передаточной функцией второго порядка
2.3. Разработка алгоритма сплайн - аппроксимации второй произ
водной измерительного сигнала
Выводы 50
Исследование характеристик гидрологических ИИС при исполь
зовании аппроксимативного метода коррекции динамических
погрешностей 52
3.1. Исследование частотных характеристик гидрологических ИИС
при использовании аппроксимативного метода коррекции дина
мических погрешностей 52
Исследование частотных характеристик гидрологических ИИС, содержащих измерительные преобразователи с апериодической передаточной функцией первого порядка 52
Исследование частотных характеристик гидрологических ИИС, содержащих измерительные преобразователи с апериодической передаточной функцией второго порядка 65
3.2. Исследование временных характеристик гидрологических ИИС
при использовании аппроксимативного метода коррекции дина
мических погрешностей 78
Исследование временных характеристик гидрологических ИИС, содержащих измерительные преобразователи с апериодической передаточной функцией первого порядка 78
Исследование временных характеристик гидрологических ИИС, содержащих измерительные преобразователи с апериодической передаточной функцией второго порядка 92
Выводы 102
4. Разработка гидрологической ИИС для контроля качества очист
ки сточных вод с коррекцией динамических погрешностей изме
рительных преобразователей 107
Разработка структурной схемы ИИС 107
Разработка принципиальной схемы ИИС 110
4.3. Расчет основных параметров микропроцессорного блока кор- 118
рекции динамических погрешностей ИИС
Описание функционирования ИИС 125
Анализ инструментальных погрешностей ИИС 128
4.6. Экспериментальное исследование характеристик ИИС при ис
пользовании аппроксимативного метода коррекции динамиче
ских погрешностей 138
Выводы 143
Заключение 144
Библиографический список 150
Приложение 159
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Сохранение среды обитания - глобальная проблема, стоящая перед человечеством. Для ее решения проводятся исследования воздушной и водной сред, а также почв различными методами [1]. Водная среда очень уязвима для возможного загрязнения, так как вода используется в технологических и хозяйственно-бытовых целях, а затем сливается в водоемы.
Исследование Мирового океана, водоемов, поверхностных и грунтовых вод, а также необходимость определения качества воды на водозаборах и контроля загрязненности сточных вод требуют создания гидрологических информационно-измерительных систем (ИИС). Эти ИИС измеряют комплекс параметров, важных для ведения технологического процесса (например, процесса очистки воды) или необходимых для проведения научных исследований [2].
В гидрологических океанологических исследованиях важными измеряемыми параметрами являются температура и электропроводность. Равномерно, в соответствии с требованиями эксперимента, распределить в толще океана измерительные датчики не представляется возможным, поэтому здесь всегда используются различные типы зондов и буев. Для экономии времени и средств их погружение желательно сделать непрерывным на максимально допустимой скорости. При этом измеряемые величины изменяются по сложным закономерностям, а датчики, которые их измеряют, имеют существенную инерционность, которая искажает результаты измерений.
При гидрологическом экологическом мониторинге водоемов одним из изучаемых факторов является качество очистки сточных вод предприятиями [3,4]. Температура сточных вод всегда на несколько градусов отличается от обычной температуры водоема, и при их сбрасывании перемешивание происходит не сразу, а через некоторое время (рис. 1). Задачей экологических исследований является определение по температурному контуру границы
Очистные сооружения, сбрасывающие воду
Граница сточных вод
Водоем
>
Рисунок 1 - Распространение температурно-загрязненных сточных вод в водоеме
загрязненных вод, сброшенных с очистительных сооружений [5]. Для решения поставленной задачи необходимы измерения в динамическом режиме с судов, барражирующих поперек водоема, датчиками, прикрепленными к корпусу судна. Другой важной задачей является определение в составе воды, поступающей с технологических установок очистных сооружений, наличия и концентрации вредных примесей [6].
Таким образом, задачи, стоящие перед гидрологическими исследованиями таковы, что требуют проведения измерений в динамическом режиме в реальном масштабе времени. Результаты этих измерений должны быть известны с высокой степенью точности, так как от этого зависит предотвращение аварийных ситуаций, например на очистных сооружениях, или достоверность научных исследований.
Сложность обеспечения высокой точности таких измерений связана с тем, что быстродействие средств измерения трудно, а иного и невозможно, согласовать со скоростью изменения контролируемых параметров. Существующие ме-
7 тоды коррекции не дают желаемых результатов. В связи с этим тема исследования, посвященная уменьшению динамических погрешностей инерционных измерительных преобразователей гидрологических ИИС, является актуальной.
Цели и задачи исследования.
Целью данной работы является разработка и исследование метода коррекции динамических погрешностей инерционных гидрологических измерительных преобразователей, а также создание высокоточных ИИС на их основе.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
определение требований к современной гидрологической ИИС;
классификация и анализ существующих методов коррекции динамической погрешности гидрологических ИИС;
разработка метода коррекции динамической погрешности гидрологических ИИС, содержащих апериодические измерительные преобразователи с передаточной функцией первого и второго порядка, с помощью аппроксимирующих сплайн - функций;
исследование частотных и временных характеристик гидрологических ИИС с целью определения областей и условий применения разработанного метода коррекции;
исследование погрешностей разработанного алгоритма коррекции динамической погрешности гидрологических ИИС;
разработка и исследование ИИС, осуществляющей коррекцию динамических погрешностей при гидрологических исследованиях.
Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы основные положения теории автоматического управления, теории цифровой фильтрации, метрологии, теории вероятности и математической статистики, методы аппроксимации.
Научная новизна.
В результате выполнения данной диссертационной работы разработан метод восстановления сигнала, действующего на входе инерционного измери-
8 тельного преобразователя гидрологических параметров с использованием
сплайн -аппроксимации его выходного сигнала и двух первых производных этого сигнала. Разработан алгоритм сплайн - аппроксимации второй производной измерительного сигнала, определяющий коэффициенты этой сплайн - аппроксимации с произвольным числом точек весовой функции. Разработан метод коррекции динамической погрешности гидрологических ИИС на основе алгоритмов сплайн - аппроксимации измерительного сигнала и его первой и второй производных, используемых в цифровом корректирующем фильтре.
Впервые предложено с целью снижения динамической погрешности инерционного измерительного преобразователя использование коррекции передаточной функции измерительного преобразователя на базе предварительной сплайн - аппроксимации его выходного сигнала. Проведен анализ частотных и временных характеристик гидрологических ИИС при использовании разработанного метода коррекции динамической погрешности. Исследованы метрологические характеристики этих ИИС и определены области применения предложенного метода коррекции.
Практическая ценность.
Разработанный метод позволяет в режиме реального времени корректировать динамическую погрешность гидрологических ИИС, тем самым повышая точность их функционирования. Применение данного метода позволяет уменьшить число дискретных отсчетов сигнала, не снижая качества его обработки.
На основании полученных аналитических соотношений разработан цифровой сплайн - фильтр, который позволяет снизить методическую погрешность сплайн - аппроксимации измерительного сигнала.
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы доложены автором и обсуждены на конференциях «Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте» в 1999г. в Самаре, «Исследования в области
9 архитектуры, строительства и охраны окружающей среды» в 2001 г. в г. Самаре
и др.
Реализация результатов работы
Результаты диссертационной работы использованы при проектировании и создании автоматизированной ИИС контроля параметров сточных вод на очистных сооружениях ОАО «АвтоВАЗ».
Публикации. По теме диссертационной работы было опубликовано 9 научных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 159 стр. машинописного текста, 79 рисунков, 2 таблиц, списка литературы из 86 наименований библиографических источников и приложения, содержащего акт внедрения.
На защиту выносятся следующие положения:
Аппроксимативный метод коррекции динамических погрешностей гидрологических ИИС, содержащих инерционные измерительные преобразователи с апериодической передаточной функцией первого и второго порядка
Анализ временных и частотных характеристик цифровых фильтров, которые корректируют выходной сигнал инерционных измерительных преобразователей гидрологических параметров.
Анализ погрешностей и области применимости разработанного метода.
Разработанная ИИС с коррекцией динамических погрешностей гидрологических параметров и результаты ее внедрения.
