Введение к работе
Параметры импеданса (модуль, активная и реактивная составляющие, емкость, индуктивность, тангенс угла потерь, добротность и др.) несут богатейшую информацию о свойствах веществ, о качестве различных изделий и технологических процессов, о разнообразных явленнях и изменениях, происходящих в медико-биологических и физических объектах, о примесях, содержащихся в растворах, в почве, о качестве продуктов питания и т.д. В большинстве случаев для измерения параметров импеданса необходимы преобразователи импедансов с высоким быстродействием, с высокой точностью, с расширенными функциональными возможностями, с простой технической реализацией и пр.
Актуальность проблемы. Преобразователи импеданса (ПИ)
являются важным и перспективным классом измерительных
преобразователей. Они используются и как автономные
автоматизированные приборы, и как элементы информационно-измерительных систем, автоматизированных систем научных исследований, автоматизированньк систем управления технологическими процессами, систем диагностики и телеизмерений, систем контроля и первичного сбора данных.
Широкому использованию ПИ в течение ряда десятилетий способствовали видные отечественные ученые, такие как К.Б.Карандеев, Ф.Б.Гриневич, Л.Ф.Куликовский, А.М.Мелик-Шахназаров, Т.М.Алиев, АД.Нестеренко, ГА.Штамбергер, К.М.Соболевский, Н.Н.Шумиловский, В.М.І1ІЛЯНДИН, Б.И.Швецкий, П.П.Орнатский, СЛЗпшгейн, КХВ.Кнеллер, АЛ.Кольцов, А.И.Мартяшин, Г.И.Передельский н др. Отечественным ученым и специалистам принадлежит ведущая роль в развитии теории и техники построения ПИ. Широкое использование ПИ также связано с высокой информативностью параметров импеданса и с радом других ценных особенностей импеданса, например с неинвазивностыо импедансных измерений при исследованиях в области биологии и медицины.
Чаще всего в составе различных технических систем ПИ обеспечивают получение первичной информации, поэтому от их свойств и возможностей в значительной мере зависят эффективность управления производственными процессами, результаты контроля качества выпускаемой продукции, достоверность экспресс-анализа, например,
4 продуктов питания, точность диагностики заболевания, а также реглеш задач многих научных исследований. Области применения П непрерывно расширяются. Так, научные исследования, проводимые настоящее время в области медицины, экологии, биологии, открывал новые сферы применения ПИ, показьшая, что параметры импедав несут ценнейшую информацию о свойствах исследуемых диагностируемых объектов и протекаемых в них процессов. В свс очередь, использование в этих исследованиях, в технических систем; ПИ с улучшенными характеристиками (с высокой точность: помехоустойчивостью и быстродействием, с широкими функционал ными возможностями н простой технической реализацией, возможностью измерения импедансных характеристик в различш условиях и т.д.) способствовало бы росту числа новых областей і применения, повышало бы народнохозяйственное значение от измерительных преобразователей.
Несмотря на имеющиеся успехи в совершенствовании П состояние проблемы преобразования и измерения параметров импедан и в части выпускаемых приборов, и в части научного задед обеспечивающего их улучшение, явно не соответствует требованиям в открываемым областям применения ПИ, не отвечает требована ближайшего будущего. Причинами этого являются: непрерывный быстрый рост числа новых задач, требующих использования П многообразие требований к ПИ, необходимым для решения этих зад: сложность решения задачи преобразования и измерения параметр импеданса; имеющееся отставание в последние годы в обобщают, работах и теоретических исследованиях.
Возможности применяемых приборов для преобразован параметров импеданса еще незначительны. Большей частью э приборы сложны и дорогостоящи, имеют быстродействие поряд секунды, характеризуются ориентацией на измерение параметров лиз электро-и радиотехнических элементов. Кроме того, для подавляют части решаемых на сегодняшний день задач с помощью ПИ характер измерение только основного параметра объекта исследования. Иначе настоящее время отсутствует парк ПИ с высокими техническими потребительскими характеристиками, предназначенных для широке применения в медико-биологических научных и диагностическ
5 исследованиях, для решения ряда важных задач, включая экологические,
производственные н другие.
Развитие теории и техники построения ПИ с улучшенными характеристиками и расширенными функциональными возможностями обусловлено потребностями различных отраслей народного хозяйства и задачами научных исследований.
Отсутствие до настоящего времени целого ряда (парка) ПИ,
соответствующих многим современным требованиям по точности,
быстродействию, функциональным возможностям н простоте
реализации, связано, в первую очередь, с трудноустрапяемыми недостатками известных ПИ. К этим недостаткам относятся: неудовлетворительная сходимость и переменная чувствительность в процессе уравновешивания; ограниченные возможности ПИ в режиме квазиравновесия н неравновесия; переменная чувствительность и нелинейность функции преобразования измерительных цепей, используемьа в известных ПИ, в режиме неравновесия; влияние на точность преобразования известных ПИ неинформативных параметров, обусловленных наличием элементов соединения объекта исследования и собственно объектом исследования (например, при медико-биологических исследованиях); влияние на точность измерения аддитивных, мультипликативных н фазовых погрешностей и погрешностей от нелинейных составляющих функции преобразования и тд. Стремление устранить эти недостатки применяемых ПИ длительное время стимулирует нонск новых решений в теории и технике автоматического преобразования импеданса я его составляющих. Анализ этих решений позволил выявить наиболее универсальное и перспективное направление улучшения характеристик ПИ, определенное как структурное. Однако, к сожалению, опыт создания ПИ с улучшенными структурными способами характеристиками до настоящего времени не нашел надлежащего научного обобщения. Недостаточно развиты научные основы анализа и синтеза структурных способов совершенствования ПИ, применения этих способов для улучшения хотя бы части характеристик ПИ разных классов. Не были рассмотрены возможности подхода, предусматривающего комплексное решение проблемы улучшения характеристик ПН.
До настоящего исследования появляющиеся отдельные структурные способы предлагались для улучшения одной конкретной измери-
тельной цепи (ИЦ), чаше эти структурные способы использовались ИЦ для измерения скалярных величин. Все это сильно ограничивав развитие структурных способов и их применение в ИЦ для измеренз комплексных величин, а данные ИЦ оставались мало эффективными.
Развитие теоретических основ улучшения характеристик П и расширения их функциональных возможностей структурным способами - первая основная задача диссертационной работы.
Практика использования ПИ в различных областях науки техники показала, что одной ИЦ удовлетворить все существующ потребности в преобразовании параметров импеданса невозможн Имеется большая необходимость в разработке парка ПИ улучшенными характеристиками, с различными свойствами функциональными возможностями.
Исследование принципов построения всех возможных ПИ і основе структурного подхода к совершенствованию свойсп базовых ИЦ и разработка парка ПИ с заданными характери тиками - вторая основная задача диссертационной работы.
Тема диссертационного исследования, связанного с разработю структурного подхода к целенаправленному изменению свойств функциональных возможностей ПИ, с принципами построения ПИ улучшенными характеристиками и расширенными функциональны! возможностями является весьма актуальной как в теоретическом, так в практическом аспектах. Это и определило цель диссертационно работы.
Цель диссертационной работы заключается в разработке, иссл довании и систематизации совокупностей структурных способ улучшения характеристик ПИ и расширения их функционалып возможностей, а также принципов построения на основе этих способ перспективных ПИ, обеспечивающих решение многих важных зад измерения в научных исследованиях и на производстве.
Задачи исследования:
-разработка концептуальных принципов улучшения характерист ПИ на основе структурного подхода к изменению свойств базовых I; и разработка методологии совершенствования ПИ структурны способами;
-разработка, исследование и систематизация совокупное! структурных способов для:
а) улучшения сходимости и чувствительности уравновешиваемых и
квазиуравновешивавемых ИЦ, чувствительности и линейности
неуравновешиваемых ИЦ, расширения функциональных возможностей
ИЦ в режимах квазиравновесия и неравновесия;
б) обеспечения инвариантности к неинформативным; параметрам
элементов соединения и объектов исследования (в специализированных
ПИ, предназначенных для исследования импедансных характеристик
биообъектов);
в) коррекции аддитивных, мультипликативных и фазовых погрешностей, погрешностей от нелинейных составляющих функций преобразования;
-разработка принципов построения ПИ с улучшенными характеристиками на основе структурных способов при использовании в ПИ разных ИЦ в различных режимах преобразования;
-разработка различных структур ПИ с заданными свойствами и возможностями, предназначенных для решения широкого спектра задач.
Методы исследования. Для решения поставленных в диссертации проблем а задач использованы метод обобщенного анализа и синтеза уравновешиваемых ИЦ, метод обобщенных параметров нулевых ИЦ, методы математического анализа, теории графов, теории комплексного переменного, физического моделирования, макетирования и натурных испытаний технических средств.
Научная значимость работы состоит в выявлении возможностей улучшения характеристик ПИ структурными способами, разработке, исследовании и систематизации совокупностей структурных способов улучшения основных характеристик ПИ, принципов и рекомендаций использования структурных способов в ПИ.
Научная новизна
Впервые:
1. Предложены комплексное решение проблемы совершенствования ПИ и единый подход к решению этой проблемы, основанный на целенаправленном изменении структуры ПИ при сохранении особенностей первоначальной ИЦ, определяющих собой основные достоинства и возможности ПИ. Сформулирована концепция построения ПИ с требуемыми свойствами, на основе которой разработана методология построения ПИ с улучшенными
8 характеристиками с применением структурных способов. Прелдожеш методы синтеза структурных способов (включая структурно итерационный метод проектирования), обеспечивающих построение Ш с требуемыми характеристиками и свойствами. Методы применимы разных классах НЦ и разной конфигурации.
-
Разработана, исследована и систематизирована совокупност структурных способов улучшения сходимости, чувствительности : линейности ИЦ, используемых в ПИ, обеспечивающих повышени точности, быстродействия, помехоустойчивости, упрощение реализаци и расширение функциональных возможностей ИЦ. С помощью эти способов выявлены новые свойства исходных базовых ИЦ. На основ разработанного подхода к построению ИЦ получены новые структур; ИЦ с ценными свойствами, в том числе новые классы четырехплечи мостовых ИЦ. На разработанные четырехплечие мостовые ИЦ, частности, получено четыре авторских свидетельств на изобретения.
-
Разработаны, исследованы и систематизированы структурны способы, обеспечивающие построение ПИ, инвариантных неинформативным параметрам элементов соединения в четырехпроводной и трехпроводной схемам включения объест исследования на примере разных классов ИЦ. Получена новая схеь трехпроводного включения объекта исследования, обеспечивают* снижение погрешности измерения до заданной величины. Сформуш рованы в виде теорем возможности обеспечения инвариантности неинформативным параметрам элементов соединения в ПИ разнь классов. Разработаны новые структуры инвариантных ПИ, на осної которых построены ПИ с высокой точностью (на 2 преобразовав цолучены авторские свидетельства на изобретения).
-
Исследованы и систематизированы структурные способы ко] рекцин мультипликативных, аддитивных и фазовых погрешносге погрешностей от нелинейных составляющих функции преобразована Доя ПИ с использованием линеаризованных и нелинеаризованных И определены различия в функциональных возможностях. Разработав новые структуры ПИ с коррекцией разного числа погрешностей, одн временно инвариантных к неинформативным параметрам элемент соединения. Для этих ПИ разработаны эффективные схемы управлен
9 структурами соединений объекта исследования н образцовых элементов на основе мультиплексоров.
5. Исследована и систематизирована вся совокупность возможных
структур ПИ в режиме неравновесия с использованием линеаризован
ных и нелинеаргоованных ИЦ на основе применения функциональных
преобразователей типа фазочувствительных, амплитудных и фазовых
детекторов, а также ЭВМ. Определены различия в свойствах между ПИ
с линеаризованными и нелппеаризованнымп ИЦ.
-
Исследованы в квазиравновесном режиме возможности четы-рехплечих мостовых ИЦ, линеаризованных структурными способами, и показано, что возможности этих ИЦ с двумя структурными связями совпадают с возможностями полуравновесных ИЦ. Выявлены две структуры четырехплечих мостовых ИЦ с одной структурной связью, обеспечивающих в режиме квазиравновесия измерение двух параметров импеданса и реализуемых проще, чем структуры мостовых ИЦ с двумя структурными связями. Показаны возможности изменения свойств полуравновесных ИЦ структурными способами. Получены новые структуры подобных ИЦ с требуемыми свойствами.
-
Показана перспективность импедансных измерений, а также важность построения специализированных ПИ для решения медико-биологических задач. Разработаны, исследованы н систематизированы структурные способы, обеспечивающие построение ПИ с улучшенными характеристиками для случаев четырехточечных измерений импедансных характеристик биообъектов. Получены новые способы, реализуемые проще по сравнению с известными, на основе которых построены структуры более эффективных специализированных ПИ, чем известные.
-
Разработано более ста новых структур различных ПИ (одно-канальных и многоканальных) с ценными свойствами, на осиове которых возможно создание парка ПИ различного назначения и с разными характеристиками.
Достоверность результатов диссертационной работы Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена результатами математического моделирования, результатами экспериментов з испытаний, а также результатами использования материалов диссертации в учебном процессе, использованием созданных
10 ПН с улучшенными характеристиками в научных исследованиях, системах контроля и управления технологическими процессами н производстве.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Концепция комплексного решения проблемы улучшения хараї теристик ПИ и синтеза ПИ с новыми функциональными возможное тями и свойствами.
-
Структурный подход к улучшению характеристик ПИ с расіш рением их функциональных возможностей, основанный на пеленат равленном изменении структуры ПИ при сохранении особенносте исходной ИЦ, определяющей собой основные свойства ПИ.
3, Методы синтеза структурных способов для:
-улучшения сходимости, чувствительности и линейност уравновешиваемых, квазиуравновешиваемых и неуравновешиваемы ИЦ, расширения их функциональных возможностей, упрощеш реализации ПИ;
-обеспечения инвариантности к неинформативным параметра элементов соединения и, собственно, самих биообъектов пр специализированных импедансных измерениях;
-полного или частичного исключения мультипликативны; аддитивных и фазовых погрешностей, погрешностей от нелинейны составляющих функции преобразования;
-
Принципы построения ПИ с улучшенными метрологическим характеристиками, с новыми функциональными возможностями і основе использования структурных способов.
-
Структуры новых ПИ с ценными свойствами и возможностям разработанных на основе простейших, потенциометрических четырехплечих мостовых ИЦ.
6. Принципы построения ПИ для случаев четырехточечнь
специализированных измерений импедансных характеристик объектов
области медицины и биологии.
7. Различные варианты реализации ПИ с улучшенными характ
ристиками, построенных на основе разработанных новых структур Ш
простых (в то же время точных), быстродействующих и многофункцн
нальных, предназначенных для применения в промышленности и в бьп
в медико- биологических научных и диагностических исследованиях,
экологии, в пищевой промышленности и т.д.
Практическая значимость работы
-
Предложены методы синтеза структурных способов и алгоритмы их применения, позволяющие строить ГОІ с требуемыми свойствами и функциональными возможностями на основе и других классов ИЦ, не рассмотренных в этой работе.
-
Выведены формулы для определения методических погрешностей, возникающих при реализации ПИ в неидеальных условиях, и построены графики зависимостей этих погрешностей, обеспечивающих оптимальный выбор ПИ с точки зрения требуемой точности измерения и аппаратурных затрат.
-
Предложены:
-систематизация структурных способов улучшения сходимости и чувствительности уравновешиваемых и квазиуравновешиваемых ИЦ, чувствительности и линейности неуравновешнваемых ИЦ; -
-систематизация структурных способов обеспечения инвариантности к неинформативным параметрам элементов соединения;
-систематизация структурных способов коррекции мультипликативных, аддитивных и фазовых погрешностей, погрешностей от нелинейных составляющих;
-систематизация структурных способов обеспечения инвариантности к неинформативным параметрам объектов исследования в биологии и медицине;
-систематизация структур ПИ с использованием перечисленных структурных способов, которые значительно облегчают выбор ПИ с требуемыми свойствами и возможностями.
4. Разработаны схемы ПИ, которые могут быть использованы для
создания широкого спектра ПИ, на основе:
-нулевых ИЦ с прямыми линиями уравновешивания, с чувствнтельностями, независимыми от переменных параметров;
-четырехплечих мостовых ИЦ с линейными функциями преобразования, с практически постоянными чувствительностями, с прямыми линиями уравновешивания, с новыми функциональными возможностями в режиме квазиравновесия, полуравновесия и неравновесия, с свойствами инвариантности к неинформативным параметрам;
-простейших, потенциометрнческих ИЦ в режиме неравновесия с использованием фазочувствителзных, амплитудных и фазовых
12 детекторов, обеспечивающих преобразование всех возможны параметров импеданса;
-ИЦ с коррекцией мультипликативных, аддитивных, фазовы погрешностей, погрешностей от нелинейных составляющих фушащ преобразования.
5. Разработаны схемы специализированных ПИ на основе прос тейшей и четырехплечей мостовой ИЦ, которые могут найти пшроко применение при четырехточечных прецизионных измерения импедансных характеристик биообъектов. Реализация результатов работы
Результаты диссертации и практические рекомендации использс валы:
-при разработке преобразователей температуры и аналоговы трактов информационных систем в п/о "Микроприбор" (гЛьвов) экономическим эффектом в 200 тыс. рубУгод (1979 г.);
-при разработке простого линейного преобразователя емкости проводимости объекта исследования в аналоговые унифнцированнь: сигналы, внедренного в Филиале авиационной медицины ГосНИ гражданской авиации (г.Москва) для медико-биологических исследов; ний (1978 г.). Возможности преобразователя позволили расширить кр; решаемых задач, упростили их решение и значительно повысил достоверность исследований. Компактность и автономность преобразс вателя обеспечили проведение исследований состояния здоровья летш ков в предполетных условиях. Преобразователь может быть успешв использован и в других областях научных исследований;
-при разработке системы контроля и управления технологичесю ми процессами добычи руды, в системах контроля за температуре мощных двигателей подъемных машин и водоотливных установок руднике "Комсомольский" Норильского комбината с ожидаемым зкі номическим эффектом 100 млн. рубУгод (1996 г.).
Научные и практические результаты диссертационной работ внедрены в учебный процесс в Северо-Осетинском государственнс уннврентете, в Северо-Осетинском государственном аграрном униве ситете, в Северо-Осетинской государственной медицинской академии.
Практическое использование результатов диссертационной работ подтверждено соответствующими документами о внедрении.
Апробация работы. Основные положения и результаты
диссертационной работы доложены и получили одобрение на XXII и
XXIII научно-технических конференциях молодых ученых Института
проблем управления (Москва, 1976, 1977 гг.), на конкурсе научных
работ Института проблем управления (Москва, 1978 г.), на УІІ
Всесоюзном совещании по проблемам управления (Минск, 1977 г.), на
Всесоюзном научно-техническом семинаре "Вопросы теории и
проектирования аналоговых преобразователей параметров
электрических сигналов и цепей" (Ульяновск, 1978 г.), на УІІІ Конгрессе ИМЕКО (Москва, 1979 г.), на I Международной школе молодых ученых (София, 1984 г.), на научных конференциях Северо-Кавказского государственного технологического университета (Владикавказ, 1993, 1994, 1995 гг.), на Международной конференции "Измерительные информационные системы ИИС-94" (Москва, 1994 г.), на УН симпозиуме ИМЕКО (Прага, 1995 г.), на II Международной конференции "Безопасность и экология горных территорий" (Владикавказ, 1995 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 35 работ, среди которых 2 монографии, 27 статей, 6 авторских свидетельств (29 работ опубликовано без соавторов).
Личный вклад. Все результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. В работах, опубликованных в соавторстве, диссертантом выполнены: в [1 - 4] -разработка, теоретическое и экспериментальное исследование линеаризованных четырехплечих мостовых ИЦ, в [5, 12] - синтез и анализ структурных способов улучшения сходимости, чувствительности и линейности четырехплечих мостовых ИЦ, исследования свойств четырехплечих мостовых ИЦ, улучшенных структурными способами.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав и заключения, содержит 331 стр. машинописного текста, 11 таблиц, 82 рис., список литературы из 165 наименований, 6 приложений.
