Моделирование измерительных цепей с параметрическими датчиками для ИИС

Полный текст

Современные тенденции развития информационно-измерительных систем (ИИС) для измерения неэлектрических величин с помощью параметрических датчиков (ПД) неразрывно связаны с повышением к ним требований по точности, чувствительности и быстродействию. При этом необходимо принимать во внимание зачастую противоречивые требования к улучшению технических и метрологических характеристик, ведущих к удорожанию ИИС, и требования к снижению затрат на проектные и конструктивно-технологические работы, элементную базу и эксплуатационное обслуживание. Разрешение этих противоречий достигается разработкой новых методов, алгоритмов измерения неэлектрических величин, а также алгоритмов обработки измерительной информации, новых методик измерительного эксперимента, привлечением более совершенного математического аппарата, использованием методов имитационного моделирования процессов измерительного преобразования. Существенным обстоятельством является то, что современное программное обеспечение и аппаратные средства позволяют обеспечить высокую степень идентичности результатов экспериментов на имитационной модели реальным условиям эксплуатации ПД с учетом воздействия окружающей среды. Дополнительным достоинством методов имитационного моделирования является возможность всесторонних исследований на этапе проектирования ИИС процессов измерения, алгоритмов обработки сигнала измерительной цепи (ИЦ) для ПД с целью максимального удовлетворения требований технического задания на ИИС. Учитывая, что метрологические характеристики ИИС существенным образом определяются точностью, быстродействием и чувствительностью преобразования в ИЦ, исследование свойств ИЦ с ПД несомненно представляет первоочередной интерес. Поэтому синтез имитационных моделей ИЦ с ПД и их исследование с целью прогнозирования достижимых характеристик на этапе проектирования ИИС является, несомненно, актуальной задачей. Вопросы имитационного моделирования ИЦ для одинарного резистивного ПД были рассмотрены в работе [1], где предложены три варианта синтеза имитационной Power System Blockset модели (PSB-модели) управляемого резистивного ПД в виде сопротивления с переменными параметрами. Однако методы синтеза PSB-моделей переменных индуктивностей и емкостей ИИЦ с одинарными и дифференциальными ПД отсутствуют. За основу при синтезе имитационных PSB-моделей переменных емкостей и индуктивностей для ИЦ с ПД из [1] использован вариант PSB-модели , представленный на рис. 1 (здесь элемент R играет вспомогательную роль обеспечения устойчивой работы модели). При этом для синтеза емкости предложено ввести в модель дополнительную операцию интегрирования, а для синтеза индуктивности - операцию дифференцирования [2]. Рис. 1. Вариант PSB-модели управляемого резистора В результате созданы имитационные PSB-модели для управляемого конденсатора в виде подсистемы (рис. 2) и управляемой индуктивности (рис. 3). Для оценки качества созданных PSB-моделей управляемых и были разработаны соответствующие им тестовые PSB-модели и были проведены исследования, подтверждающие возможность использования созданных имитационных моделей и для анализа метрологических характеристик ИЦ с ПД. Рис. 2. PSB-модель подсистемы Рис. 3. PSB-модель подсистемы В качестве примера на рис. 4 представлена PSB-модель для тестирования переменной индуктивности , имитирующей ИЦ с индуктивным ПД. Рис. 4. PSB-модель для тестирования подсистемы Тестирование проводилось при входном токе , где , f = 50 Гц и R = 1 мОм. На рис. 5 представлена временная диаграмма изменения выходного напряжения ИЦ для рассматриваемой PSB-модели при = 1 мГн. Из приведенного рисунка видно, что напряжение на индуктивности пропорционально производной от тока: а амплитудное значение напряжения при подстановке заданных выше параметров составляет [В]. Проведено также тестирование PSB-модели измерительной цепи, в которой индуктивность изменялась по закону [Гн], где при f ≈ 15 Гц. Результаты тестирования подтверждают правильность синтезированной модели. Рис. 5. Результат тестирования подсистемы =const Важным моментом является разработка PSB-моделей для ИЦ с дифференциальными параметрическими датчиками (ДПД). В этом случае имитационная модель может быть синтезирована путем использования двух подсистем, моделирующих управляемые R, L или C-элементы, и подключения управляющего контроллера ко входам Control1 - Control2, по которым задается соответственно отрицательное и положительное изменение информативного параметра каждого из плеч дифференциального датчика (рис. 6). Рис. 6. PSB-модель дифференциального реостатного датчика Исследование PSB-модели с ДПД осуществлялось при входном воздействии [А], где f = 1000 Гц, а изменение информативного параметра задавалось в виде выражения [Ом], гдеГц, при этом номинальное значение сопротивления плеч ДПД принято равным 1 кОм, т. е. при . Анализ результатов тестирования рассматриваемой имитационной модели полностью подтверждает возможность применения разработанной имитационной модели для исследования метрологических характеристик ИЦ с ДПД. Рис. 7. PSB-модель активной ИЦ для дифференциального реостатного датчика Не менее важным вопросом является исследование свойств активных ИЦ для ДПД, выполненных на операционных усилителях (ОУ). Для построения имитационных PSB-моделей активных ИЦ использовались полученные ранее результаты. На рис. 7 представлен один из примеров модели активной ИЦ для реостатного ДПД. Данная модель включает в себя Controller Delta R, подсистему моделирования реостатного дифференциального ПД Subsystem PDS_R и две подсистемы, моделирующие операционные усилители ОР АМР. Для исследования погрешностей активных ИЦ была синтезирована тестовая PSB-модель, приведенная на рис. 8. Рис. 8. PSB-модель тестирования активной ИЦ для реостатного ДПД В данной схеме параллельно с моделируемым ОР АМР_1 включен идеальный ОУ (блок Gain) с коэффициентом передачи, равным 100, при этом резистор Ro_1 в цепи отрицательной обратной связи ОУ выбран для экспериментальных исследований равным 100 Ом. При исследованиях параметры ОР АМР_1 задавались по паспортным данным ОУ 140 УД1. Тестовые исследования показали, что имитационная модель (см. рис. 8) может быть применена для исследования как статических, так и динамических погрешностей активной ИЦ, а также погрешностей, обусловленных неидеальностью операционных усилителей. Дополнительным достоинством синтезированных моделей является то, что при использовании известных методов оптимизации имеется возможность выбрать оптимальный способ решения дифференциальных уравнений [4], описывающих исследуемую ИЦ, и оптимальные критерии с точки зрения разработчика ИИС исходя из требований по быстродействию и допустимой погрешности измерения.

Об авторах

Константин Лонгинович Куликовский

Самарский государственный технический университет

(д.т.н., проф.), профессор кафедры «Информационно-измерительная техника» Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Михаил Владимирович Чернецов

Пензенский региональный центр высшей школы (филиал) Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства

(к.т.н., доц.), заведующий кафедрой «Управление информационными ресурсами» Россия, 440026 г. Пенза, ул. Володарского, 6

Список литературы

Дополнительные файлы