Введение к работе
Актуальность темы. Электрические цепи и их свойства лежат в основе работы большого числа автоматических устройств, устройств и систем автоматизации производств и технологических процессов. Отдельные блоки этих устройств, эквивалентные схемы используемых в них каскадов и узлов представляют собой электрические цепи (различные L-C и R-C фильтры, эквивалентная схема усилительного каскада). В частности, составной частью современных автоматических систем и устройств автоматизации технологических процессов и производств являются узлы, осуществляющие получение информации о ходе протекания того или.иного процесса, его параметрах, внешних влияющих факторах. Эти данные чаще всего получают с помощью датчиков, которые, как правило, включаются в специальные входные цепи, представляющие собой определенные разновидности электрических цепей. В качестве подтверждения приведем три конкретных примера: электрический мост, резистивный делитель напряжения, L-C резонансная цепь.
Примеры подтверждают важность и перспективность совершенствования теоретических положений и анализа тех или иных групп электрических цепей, использующихся в устройствах автоматизации, в частности, цепей, имеющих независящее от частоты полное сопротивление. Электрические цепи, обладающие частотно-независимым полным сопротивлением и содержащие при этом в своем составе элементы всех трех типов (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) полезны в устройствах автоматизации прежде всего в качестве амплитудных корректоров, фазовых корректоров, фильтров постоянного сопротивления, цепей согласования. Это устоявшиеся, солидно изученные варианты применения частотно-независимых цепей, в которых на протяжении многих десятилетий работали многие ученые. Имеется немало трудов, монографий, разделов в некоторых учебниках, посвященных цепям с обсуждаемым свойством.
Однако, несмотря на то, что имеются значительные результаты в области частотно-независимых цепей, исследования в данном направлении нельзя считать исчерпывающими. Поэтому имеются основания проводить и развивать эти исследования - разрабатывать новые структуры частотно-независимых цепей и пути их получения, выявить общий путь проведения анализа таких цепей, который позволит преодолеть существующие ограничения при их построении. Развитие этой области может привести к новым вариантам практического использования частотно- независимых цепей. В частности, как выше уже говорилось,
входные (измерительные) цепи с датчиками первичной информации устройств автоматизации нередко представляют собой различные варианты электрических цепей. И в этой области можно попытаться использовать частотно-независимые цепи. Особое место, как известно, в ряду измерительных цепей занимают нулевые. Нулевые измерительные цепи имеют известные достоинства, благодаря которым они получили широкое распространение. На широту их распространения влияет то, что они позволяют определять многочисленные показатели технологических процессов, свойств сырья и готовой продукции. При этом до недавнего времени было известно ограниченное число нулевых измерительных цепей (уравновешенные мостовые и уравновешенные компенсационные цепи). Поэтому представляется актуальной и перспективной задача проведения исследований для создания нового варианта нулевой измерительной цепи для построения входных узлов устройств автоматизации на основе цепей, имеющих независящее от частоты полное сопротивление.
Цель диссертационной работы - заключается в расширении области применения частотно-независимых пассивных двухполюсников составе устройств автоматизации технологических процессов и производств.
В соответствии с этим в работе поставлены следующие задачи:
формирование обобщенного анализа частотно-независимых двухполюсников, базирующегося на единой принципиальной основе;
разработка новых структур частотно-независимых цепей и исследование частных реализаций двухполюсников в рамках этих структур;
разработка входного узла устройств автоматизации на основе частотно-независимого двухполюсника, анализ и исследование его;
автоматизация анализа частотно-независимых двухполюсников.
Методы исследования базируются на аппарате математического анализа, операторном методе (преобразование Лапласа), теории чувствительности, теории погрешности, а также машинных методах проведения анализа.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Дополнены новыми структуры частотно-независимых цепей и выявлен путь получения этих структур. Разработана и исследована группа частотно-независимых двухполюсников в рамках новых структур.
Обоснован единый подход к анализу частотно-независимых двухполюсников, позволивший успешно рассматривать все принципиально
возможные их реализации, в том числе и реализации в рамках новых структур. Подход пригоден для весьма сложных частотно-независимых цепей, которые могут найти применение в обозримом будущем.
Впервые обоснована возможность применения частотно-независимых цепей в качестве нулевой измерительной цепи входных узлов устройств автоматизации, которая обладает группой положительных свойств. Принципиальным отличием нулевой измерительной цепи на основе частотно-независимого двухполюсника от известных нулевых измерительных цепей является то, что к нулю приводится выходное напряжение после окончания питающего (тестового) сигнала, а не во время его действия, Определена новая обширная область применения частотно-независимых двухполюсников.
Практическую ценность составляют:
база данных по частотно-независимым двухполюсникам. В нее вошло большое количество разработанных схем частотно-независимых двухполюсников, соответствующих новым их структурам и полученные для них в алгебраической форме условия частотной независимости;
конкретная схема входного узла устройства автоматизации на основе частотно-независимого двухполюсника;
программа для автоматизации анализа частотно-независимых цепей, реализованная в среде математического пакета Maple V Release 3.
На защиту выносятся следующие положения: -новые структуры частотно-независимых двухполюсников и путь их получения, реализация и результаты анализа частных вариантов частотно-независимых двухполюсников в рамках названных структур, а также обобщенный путь анализа, пригодный для различных вариантов структур частотно-независимых двухполюсников;
- обоснование новой области применения частотно-независимых двух
полюсников - это входные узлы устройств и систем автоматизации,
схемное решение в этой области, а также результаты исследования и
выявленные свойства таких входных узлов.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены, обсуждены и одобрены на второй международной конференция "Инженерно-физические проблемы авиационной техники", г.Егорьевск, 1997г., всероссийской научной конференции "Проблемы создания и развития информационно-телекоммуникационных систем специального назначения", г.Орел, 1997 г., всероссийской молодежной научной конференции "XXIII Гагаринские чтения", Москва, 1997 г., (получены
медаль и диплом), всероссийском электротехническом конгрессе с международным участием (ВЭЛК-99), Москва, 1999 г., IV международной научно-технической конференции "Распознавание - 99 ", г. Курск, 1999 г., всероссийской научно-технической конференции "Диагностика веществ, изделий и устройств", г. Орел, 1999 г.
Автор принимал участие в качестве исполнителя в научно-исследовательской работе (НИР) по гранту "Разработка и исследование электрических цепей с элементами всех трех типов, обладающих свойством независимости от частоты их сопротивлений" (номер 88Гр-96) и в выполнении госбюджетных НИР. Результаты диссертационной работы использовались при составлении отчетов по данным НИР.
Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты диссертационной работы нашли применение в созданном устройстве автоматизации на основе частотно-независимого двухполюсника, внедренном на опытном производстве СКБ Прибор в технологическом процессе производства печатных узлов поверхностного монтажа на участке сушки защитной паяльной маски. Полученные результаты внедрены также в учебный процесс Орловского государственного технического университета.
Публикации. По содержанию и результатам диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ.
Структура и обьем работы. Диссертационная работа изложена на 135 страницах основного машинописного текста, включающего 33 рисунка и список литературы из 114 наименований. Состоит из введения, трех глав, заключения, трех приложений