Введение к работе
Актуальность темы. При построении систем управления и создании измерительных устройств различного назначения требуется высокая точность и воспроизводимость получения измерительной информации. Однако, во многих случаях не удается организовать измерительные операции так, чтобы объект измерении и техническое устройство, с помощью которого получают измерительные сигналы, не взаимодействовали друг с другом. Так, например, при измерении электрического сопротивления или проводимости в объект, параметры которого оцениваются, обычно всегда вносится внешняя электрическая энергия. Однако, количество этой энергии, специально не оценивается, что вполне приемлемо для большинства существующих технических систем и устройств.
Но а ряде случаев такой подход не позволяет получить достоверные результаты. Так, при построении датчиков, основанных на использовании тешгозависнмых элементов, устройств, предназначенных для измерения параметров электрохимических ячеек и биологических объектов, характеризуемых эквивалентной схемой многоэле-метного двухполюсника с тгшюзависимыми элементами.наблюдается невысокая достоверность и плохая воспроизводимость получаемых измерительных сигналов.
Применение измерительных цепей, работающих в режиме заданного напряжения или тока, когда в объект измерений вводится электрическая энергия в форме неизменного по величине электрического тока или неизменного значения приложенного к нему электрического напряжения, существенно не улучшает качество результатов измерения. Так, при неопределенности значения электрической энергии, рассеиваемой в теплозависнмом объекте, каждый результат, полученный при проведении измерительной операции, будет характеризовать не только свойства самого объекта, но и его термодинамическое состояние. Термодинамическое состояние исследуемого объекта имеет важное значение при измерениях в ботанике, биологии, медицине, электрохимии. Так, до сегодняшнего дня оставляют желать лучшего результаты, по-' лученные при измерениях электрических параметров локальных зон кожного покрова. Несмотря на многочисленные ухищрения, использование усложненных схем и методов преобразования, пока не удалось получить желаемые метрологические характеристики. Эта же вопросы возникают при создании технологического оборудования, например, для электроэрозионной обработки, гальванопластики н др., в которых для улучшения стабильности технологического процесса также желательно иметь источники электрической энергии, мощность, отдаваемая которыми, не зависит от технологических факторов. В медицинских установках, предназначенных для
2 проведения электротерапии, в том числе и электрофореза, также желательно приме» иль источники заданной электрической мощности. Их использование позволяет избежать Изменений ЭЛеКТрИЧеСКИХ реЖИМОВ, Обусловленных СЛХЛОНеННЯМИ ОТ ИСХОД'
ного значения параметров объекта биологической природы.
/Дня совершенствования технических средств получения измерительной информации об объектах, параметры которых существенно зависят от их термодинамического состояния, на кафедре информационно-измерительной техники Уфимского государственного авиационного технического университета предложено применял измерительные цепи, обеспечивающие неизменное значение электрической мощности, рассеиваемой в объекте измерений. Поскольку невозможно избежать взаимодействия объекта и измерительного устройства, для получения достоверных и однозначных результатов измерения, необходимо, чтобы "уровень" воздействия измерительного преобразователя на объект измерения был одинаковым и не зависел от электрических параметров объекта, т.е. использовался режим постоянного внешнего электрического возмущения. В случае, когда электрическое сопротивление (импеданс, проводимость) объекта зависит как от приложенного электрического напряжения так и от протекающего через него тока, то его электрическое сопротивление целесообразно измерять в режиме неизменного произведения электрического тока и напряжения (режим заданной мощности). Для реализации этого прцЩиШБыня необходимо, чтоиы цепь по отношению к объекту измерения обладала свойствами генератора заданной электрической мощности.
Устройства в измерительные цепи, в которых бы обеспечивалась неизменность мощности, рассеиваемой в объекте измерения, исследованы совершенно недостаточно. За исключением нескольких работ из области СВЧ упоминания о них в доступной азтору литературе не обнаружено. Поэтому актуальной является задача создания измерительных цепей и устройств, способных работать в режиме заданной (фиксированной) мощности, рассеиваемой в нагрузке, названных нами измерительными генераторами заданной мощности (ИГЗМ> Решение этой важной научно-технической задачи позволит создать измерительные преобразователи, функциональные узлы электроники, приборы и устройства, которые обеспечат существенно лучшую достоверность и воспроизводимость информации о параметрах н состоянии теплозавнсимых объектов, а также будут получены лучшие потребительские свойства у технологического оборудования.
Целью настоящей диссертационной работы являются исследование способов построения электронных ИГЗМ, разработка основных структур, выявление технических возможностей отдельных решений, выработка рекомендаций по их проекгиро-
ванню и создание экспериментальных образцов генераторов.
Данная работа посвящена решению следующих основных задач:
-
Выявлению способов и технических приемов, которые могут быть использованы при проектировании ИГЗМ, областей применения ИГЗМ, выявлению технических требований, предъявляемых к ним.
-
Разработке принципов построения ИГЗМ.
-
Разработке структурных и принципиальных схем ИГЗМ.
-
Разработке математических моделей ИГЗМ.
-
Исследованию основных характеристик ИГЗМ и оценке технических возможностей отдельных решений.
-
Разработке рекомендаций по инженерному проектированию ИГЗМ.
-
Экспериментальным исследованиям разработанных ИГЗМ.
Научная новизна исследований, проведенных в работе, заключается в следующем:
впервые поставлена и решена задача создания и исследованы ИГЗМ, предназначенные для работы в составе измерительных цепей малой мощности;
разработаны математические модели аналоговых и цифровых генераторов заданной мощности и исследованы их основные характеристики;
исследовано влияние погрешности преобразования различных функциональных узлов на характеристику преобразования прибора в целом;
оценены технические возможности некоторых структур ИГЗМ;
- разработаны рекомендации по рациональному проектированию ИГЗМ.
Практическая ценность работы.
Разработаны схемы цифрового и аналогового ИГЗМ, которые могут быть ис
пользованы при измерении параметров тешюзависимых компонентов, многоэле
ментных двухполюсников, создании датчиков физических величин а также при из
мерениях в биологии и медицине. ...
Разработана схема цифрового генератора мощности для работы в составе информационно-измерительных систем (ИИС) с микропроцессорным управлением.
На основе проведенных исследований разработан аналоговый ИГЗМ, в наибольшей степени удовлетворяющий требованиям, предъявляемым к генераторам мощности.
Предложена методика инженерного проектирования ИГЗМ. Применение данной методики не требует разработки специального программного обеспечения, она может быть выполнена с применением широко известных программных продуктов.
Использование результатов. Материалы и результаты диссертационной работы использованы в Уфимском государственном авиационном техническом университете при создании ИИС для многорежимных медицинских измерений.
На защиту выносятся:
пряпципы построения генераторов заданной электрической мощности;
структуры и схемы аналоговых и цифровых ИГЗМ;
математические модели генераторов заданной мощности;
результаты исследования характеристик ИГЗМ, полученных с помощью этих моделей;
— методы инженерного проектирования приборов данного типа.
Апробация работы. Основные результаты докладывались и представлялись на
Всероссийской научно-технической конференции "Электроника и .информатика" (Москва, 1995% Всероссийской молодежной научно-технической конференции (Уфа, 1996).
По материалам диссертации опубликовано б работ, из которых 1 статья и 5 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, изложенных на 157 страницах машинописного текста, 58 листов иллюстрации, списка использованЕОЁ литературы из 75 наименований и приложений.
