Введение к работе
Актуальность работы. Точное знание текущего состояния физического объекта и значений параметров, характеризующих протекающие в нем процессы ~ необходимое условие корректного и качественного функционирования любой технической измерительной или управляющей системы. Точность получаемой измерительной информации определяется характеристиками применяемого первичного преобразователя (датчика) и устройства, обеспечивающего согласование выходного сигнала датчика с устройством обработки информации - формирователя сигнала датчика.
В современных высокоточных измерительных и управляющих системах применяются как генераторные, так и параметрические датчики. Последние находят более широкое применение ввиду их высокой чувствительности и помехоустойчивости.
Существующие формирователи сигнала параметрических датчиков л силу таких существенных недостатков, как нелинейность статической характеристики, не обладают достаточной точностью, а их высокоточные варианты представляют собой дорогостоящие устройства. Анализу этой проблемы посвящены работы Ю.Р. Агамалова, Н.Д. Дубового, В.Ю. Кнеллера, П.П. Орнатского, K.F. Anderson, D.M. Preethichandra. В связи с этим актуальна задача создания нового метода формирования сигнала параметрических датчиков и устройств-формирователей на его основе, обладающих, наряду с высокой точностью и универсальностью, низкой стоимостью.
Целью работы является: повышение точности измерений, производимых параметрическими датчиками, путем разработки нового метода формирования сигнала параметрических датчиков и специализированных оптимальных алгоритмов обработки измерительной информации, при снижении стоимости устройства формирования.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:
-
проанализировать особенности формирования сигнала параметрических датчиков, рассмотреть применяемые методы и определить их недостатки, на основе анализа недостатков сформулировать требования к новому методу формирования сигнала;
-
разработать высокоточный метод формирования сигнала параметрических датчиков и принципы построения аналоговых и цифровых формирователей на его основе; разработать непрерывную и дискретную математические модели этих формирователей;
-
разработать оптимальные алгоритмы обработки измерительной информации, специализированные для применения с новым формирователем сигнала и обеспечивающие повышение точности результатов измерения;
-
рассмотреть аспекты практического применения нового метода в современных измерительных и управляющих системах.
Достоверность и обоснованность полученных результатов определяются корректностью и строгостью применяемых уравнений теории электрических цепей, методов математической статистики, теории планирования оптимальных экспериментов, а также соответствием полученных экспериментальных данных результатам теоретических исследований.
Научная новизна работы:
-
Разработан высокоточный метод формирования сигнала параметрических датчиков «токовая петля», позволяющий создавать формирователи, отличающийся от известных линейностью статической характеристики; независимостью результатов измерения от сопротивления проводников, соединяющих датчик с формирователем сигнала; возможностью обработки сигналов датчиков с различным характером импеданса.
-
Разработаны принципы построения аналоговых и цифровых формирователей сигнала параметрических датчиков на основе метода «токовая петля».
-
Разработаны математические модели указанных формирователей в непрерывной и дискретной формах, позволяющие учитывать эти формирователи в модели объекта управления при синтезе системы автоматического управления.
-
Разработаны специализированные оптимальные алгоритмы обработки измерительной информации, предназначенные для работы с формирователем сигнала параметрических датчиков «токовая петля» и повышающие точность результатов измерений.
Положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Метод формирования сигнала параметрических датчиков «токовая петля» позволяет создавать высокоточные, а также отличающиеся низкой стоимостью формирователи для обработки сигналов широкого класса параметрических датчиков с различным характером импеданса, что отвечает требованиям современных высокоточных измерительных и управляющих систем.
-
Полученные математические модели формирователей сигнала «токовая петля» подтверждают линейность статической характеристики и независимость выходного сигнала от сопротивления соединительных проводников.
-
Разработанные специализированные оптимальные алгоритмы обработки измерительной информации более чем на порядок повышают точность результатов измерений, получаемых с применением формирователя сигнала «токовая петля», и позволяют оценить погрешности, вносимые не-идеальными характеристиками реальных элементов устройства.
-
Результаты проведенных экспериментальных исследований и внедрение в производственные процессы подтверждают достоверность теоретических выкладок.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Метод формирования сигнала параметрических датчиков «токовая петля» и оптимальные алгоритмы обработки измерительной информации применены при разработке в ООО «Юник Ай Сиз» интегральной микросхемы четырехканального цифрового регулятора SERVO CTRL для прецизионной системы автоматического управления позиционированием узлов оптических считывающих устройств.
Разработанный метод «токовая петля» применен в 000 НІШ «ЭЛЕМЕР» при создании высокоточной автоматизированной системы поверки датчиков температуры.
На базе 000 НІЖ «Нсста» разработан и изготовлен универсальный RLC-измеритель ФСТП —ОЗЦ на основе метода формирования сигнала «токовая петля» и разработанных оптимальных алгоритмов обработки измерительной информации.
Универсальный RLC-измеритель ФСТП- ОЗЦ был внедрен в учебный процесс на кафедре технической кибернетики и информатики ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».
Соответствующие акты внедрения прилагаются к диссертационной работе.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях: XVII, XIX, XX, XXI Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (Кострома, 2004 г.; Воронеж, 2006 г.; Ярославль, 2007 г., Саратов, 2008 г.), Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, 2004 г.), 2-й Всероссийской научной конференции «Управление и информационные технологии» (Пятигорск, 2004 г.), 2-й Международной научной конференции «Аналитическая теория автоматического управления и ее приложения» (Саратов, 2005 г.), 23г IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference (Sorrento, Italy, 2006), 25th IEEE Conference on Precision Electromagnetic Measurements (Turin, Italy, 2006), Международной научной конференции «Системный синтез и прикладная синергетика» (Пятигорск, 2006 г.); па научных семинарах кафедры технической кибернетики и информатики ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, из них 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК, 2 - в зарубежных изданиях.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 126 наименований, приложения. Работа содержит 164 страницы основного текста, включая 44 рисунка, 4 таблицы.
