A technique of invariant measuring converter designing on the pattern of measuring bridges and voltage dividers

Full Text

Работа в жестких эксплуатационных условиях без участия человека требует реализации новых подходов к построению измерительных преобразователей, способных давать информацию с необходимой точностью в условиях воздействий как измеримых, так и неизмеримых внешних и внутренних возмущающих факторов. Принципы построения абсолютно инвариантных систем и систем с инвариантностью до , а также условия их физической реализуемости первоначально нашли применение в теории автоматического управления и регулирования [1-3]. Были высказаны идеи о связи теории инвариантности с теорией стабильности измерительных систем [4]. В то же время элементы теории инвариантности и, в частности, принцип двухканальности, сформулированный академиком Б.Н. Петровым [5], находят успешное применение в информационно-измерительной технике. Представленный работами [6-19] класс инвариантных измерительных преобразователей в составе неравновесных измерительных мостов и делителей напряжения не исчерпывает возможности практической реализации принципа двухканальности для измерительных систем, а методические различия структурного и технологического методов, сформулированные в работе [20] для данного класса преобразователей, требуют дальнейшего методического развития. Последнее в особенности актуально в случае, когда оба метода работают в одной измерительной системе, но реализуют собственные методические признаки. Положительной особенностью структурного метода, реализующего принцип двухканальности, является принципиальная возможность достижения в системе условий абсолютной инвариантности относительно влияющих факторов. Однако в общем случае для любой измерительной системы и любых влияющих факторов методообразующие признаки структурного метода не всегда поддаются физической реализации. В этом случае закономерным представляется взгляд в сторону технологии. Требования, предъявляемые к методам компенсации возмущающих воздействий с помощью технологических мероприятий, должны учитывать особенности и специфику каждой конкретной системы и в силу этого представляют собой некое ноу-хау. Соответственно, решаемая задача может быть разделена на две. Первая из них заключается в формулировании признаков, отражающих принципиальную сущность технологического метода, вторая – в разработке методик, позволяющих реализовать данные признаки и выявить соответствующее технологическое ноу-хау. Методообразующие признаки технологического метода, приводящие к уменьшению чувствительности системы к возмущающим воздействиям посредством технологических мероприятий, которые рассматриваются как необходимые, сформулированы в работе [20] следующим образом. Наличие в структуре системы элементов (), подверженных влиянию со стороны влияющих факторов . Реализуемость специальных технологических мероприятий, приводящих к «дифференциально-симметричному» воздействию влияющих факторов на параметры входящих в систему элементов: , ; , (1) где – отклонения -го параметра соответственно -го и -го элементов -го канала преобразования от номинальных значений под действием влияющих факторов . Выполнение критерия: , (2) где – результирующая функция преобразования системы; – функция преобразования -го канала преобразования; – количество каналов. В предельном случае, если выражения вида (1) превратятся в тождество, критерий (2) достигает нулевого экстремума и можно говорить об абсолютной инвариантности системы относительно возмущающих воздействий, реализующейся за счет соответствующих технологических мероприятий. Однако такой случай является идеальным. Поэтому важной является методическая задача поиска технологических мер, приводящих к максимально близкому выполнению критерия (2). Методика выявления технологического ноу-хау базируется на использовании критерия (2). Поскольку левая часть последнего представляет собой выражение погрешности, возникающей вследствие действия влияющих факторов на входящие в систему элементы, то, приравняв ее нулю и осуществив необходимые преобразования, представляется возможным в аналитическом виде , ; (3) найти условия минимизации названной погрешности. Последние и определят технологическое ноу-хау, формулировка и физическая реализуемость которого в каждом конкретном случае зависят от физики влияющих факторов и конструктивно-технологического исполнения устройства. Рассмотрим работу метода на характерных примерах представителей класса двухканальных измерительных преобразователей. На рис. 1 показана схема двухканального неравновесного параллельно-симметричного моста с двумя рабочими плечами [6]. Н Рис. 1. Инвариантный измерительный параллельно-симметричный мост с двумя рабочими плечами апряжение, пропорциональное разности токов в преобразователях 1 и 2, снимается с измерительной диагонали моста, образованного преобразователями 1...4, а напряжение, пропорциональное сумме названных токов, – с зажимов преобразователя 5, включенного последовательно с источником питания 6. Суммирование названных токов и , протекающих в плечах моста, обеспечивается равенством параметров преобразователей 3, 4 и 5: . Тогда в соответствии с первым законом Кирхгофа на зажимах преобразователя 5 получаем: , где – ток в диагонали питания. Измерительные усилители 7 и 8, обладая высоким входным сопротивлением, обеспечивают развязку каналов преобразования от схемы первичного преобразования. Напряжения на входах измерительных усилителей 7 и 8 определяются выражениями: ; (4) , (5) где – симметричная составляющая функций преобразования измерительных каналов; и – асимметричные составляющие функций преобразования измерительных каналов; – ЭДС источника питания 6; и – значения параметров первичных преобразователей 1 и 2, – их начальные значения, – информативные приращения; – значения параметров преобразователей 3, 4 и 5. Сигналы и с выходов соответственно измерительных усилителей 7 и 8 поступают на входы устройства деления 9, на выходе которого , (6) где и – коэффициенты передачи по напряжению измерительных усилителей 7 и 8. При выполнении условий , , из (6) получаем результирующую функцию преобразования . (7) При этом . (8) Тождественное равенство нулю критерия (8) подтверждает абсолютную инвариантность структуры преобразователя (см. рис. 1) относительно нестабильности ЭДС источника питания 6. Несмотря на достигнутые результаты в каналах преобразователя имеются элементы, нестабильность которых может стать источником возникновения дополнительных погрешностей. Поэтому необходимы специальные меры для компенсации указанной нестабильности. Методика выявления технологического ноу-хау может быть получена в рамках сформулированного выше технологического метода. Действительно, один из признаков названного метода требует наличия в структуре системы (преобразователя) элементов (), подверженных влиянию со стороны влияющих факторов . Рассматривая данную схему, видим в ее составе три группы однотипных элементов: два первичных преобразователя 1 и 2, три преобразователя 3, 4 и 5, составляющих совместно с первыми двумя измерительный мост, и два измерительных усилителя 7 и 8. Запишем и соответствующим образом структурируем выражение погрешности от действия влияющих факторов на указанные группы элементов преобразователя: (9) , где – отклонения от номинальных значений и коэффициентов усиления по напряжению дифференциальных усилителей 7 и 8; – отклонения параметров элементов схемы 1...5 от их номинальных значений в результате воздействия дестабилизирующих факторов. В соответствии с критерием (2), устремляя выражение (9) к нулю, выявляем необходимость «дифференциально-симметричного» влияния дестабилизирующих факторов на параметры соответствующих групп элементов: ; ; ; , (10) что является аналитическим выражением второго признака технологического метода. Из (10) получаем условия компенсации воздействия дестабилизирующих факторов на соответствующие группы элементов преобразователя и, соответственно, на преобразователь в целом: ; ; ; . (11) Измерительный преобразователь, схема которого показана на рис. 2, обладает более простой структурой. Однако и здесь реализованы симметрия каналов преобразования относительно источника питания и асимметрия относительно информативной измеряемой величины. Преобразователь содержит два дифференциально включенных первичных преобразователя 1 и 2, третий преобразователь 3, выполненный в виде резистора, которые соединены в последовательную цепь с источником питания 4. Измерительные усилители 5 и 6 с высоким входным сопротивлением обеспечивают каналы преобразования, симметричные относительно источника питания (4). Напряжения на выходах измерительных усилителей 5 и 6 определяются выражениями ; (12) , (13) где , – асимметричные составляющие функций преобразования каналов, удовлетворяющие условию (2); – ЭДС источника питания 4; и – коэффициенты передачи по напряжению соответственно измерительных усилителей 5 и 6; и – значения параметров преобразователей 1 и 2, где и – начальные значения параметров, а – информативное приращение параметров; – значение параметра преобразователя 3. Сигналы (12) и (13) подаются соответственно на прямой и инвертирующий входы дифференциального усилителя 7, на выходе которого при выполнении условия получаем разностный сигнал . (14) Далее сигналы (13) и (14) обрабатываются блоком 8 деления, на выходе которого при выполнении условия получаем выходной сигнал . (15) Как и в предыдущем случае, для (15) получаем . (16) Таким образом, и в этом преобразователе обеспечена абсолютная инвариантность относительно нестабильности ЭДС источника питания. В Рис. 2. Двухканальный полумостовой измерительный преобразователь рамках предлагаемой методики выявляем в составе измерительного преобразователя (см. рис. 2) две группы однотипных элементов: преобразователи 1 – 3, выполненные в виде резисторов, и измерительные усилители 5 и 6. Соответствующим образом структурированное выражение погрешности от действия влияющих факторов на указанные группы элементов записывается в следующем виде: , (17) где , , , , – относительные изменения соответственно параметров элементов 1, 2, 3 схемы и коэффициентов передачи измерительных усилителей 5, 6 под действием влияющих факторов. Выражение погрешности (17) устремится к нулю при «дифференциально-симметричном» влиянии дестабилизирующих факторов на параметры соответствующих групп элементов: ; ; ; . (18) Объединяя последние, из (18) получаем условия компенсации воздействия дестабилизирующих факторов на соответствующие группы элементов преобразователя, представляемые аналитически в следующем виде: ; . (19) Анализ (11) и (19) позволяет сформулировать технологические мероприятия, касающиеся соответствующих групп элементов рассмотренных преобразователей и позволяющие осуществить компенсацию действующих на них возмущающих факторов: – элементы, составляющие группу, должны быть технологически идентичными, например, выполненными из одного и того же материала, изготовленными на основе идентичных комплектующих, взятыми из одной партии и т. д.; – элементы, составляющие группу, должны находиться в идентичных условиях относительно любых возмущающих воздействий. В рассмотренных преобразователях реализуются вычислительные операции, которые, безусловно, вносят свою долю в суммарную погрешность системы. Применение цифровых микросхем, специально разработанных для построения интеллектуальных датчиков, например микросхем серии ADUC 8XX (производитель Analog Devices), которые имеют в своем составе аналого-цифровые преобразователи, специализированный микроконтроллер, источник питания для параметрических преобразователей и т. д., позволяет минимизировать погрешности вычислительных операций, особенно в части влияния возмущающих факторов. В то же время предложенные в работе подходы оказываются эффективными и в случае реализации вычислительных операций на аналоговых элементах. Таким образом, как следует из примеров, приведенных здесь и в работах, на которые имеются ссылки, системный подход, реализованный технологически, эффективен и позволяет на единой основе решать задачи создания измерительных преобразователей, предназначенных для работы в условиях действия неизвестных возмущающих воздействий, что особенно актуально для приборов и систем специального назначения. Важность разделения методов повышения точности измерительных устройств на структурные и технологические подтверждается имеющимися случаями неправомерного их использования. В частности, в работе [21] представлен анализ двухканальной структуры шестиплечного моста, где именно технологический подход позволил добиться поставленного результата.

About the authors

Vladimir N Nesterov

Samara Electromechanical Factory

Email: nesterov-ntc@rambler.ru
(Dr. Sci. (Techn.)), Professor 16, St. Razin st., Samara, 443099

Anzhelika R Li

Samara Electromechanical Factory

Postgraduate Student 16, St. Razin st., Samara, 443099

References

Supplementary files