Измерение параметров пассивных комплексных двухполюсников в составе многополюсных электрических цепей

Актуальность работы. Измерение параметров пассивных комплексных двухполюсников (ПКД) и ПКД в составе многополюсных электрических цепей (МЭЦ), отражающих свойства различных объектов, является одной из важнейших задач современной измерительной техники. ПКД, представленные двух и многоэлементными эквивалентными схемами замещения, используются при исследованиях различных химических процессов, измерении влажности, электропроводности, солесодержания, исследованиях в биологии, медицине, электрохимии и других областях.

Существенный вклад в развитие теории и практики измерения параметров ПКД внесли Л. И. Волгин, Ф. Б. Гриневич, И. Р. Добровинский, К. Б. Карандеев, В. Ю. Кнеллер, A.A. Кольцов, K.JI. Куликовский, Е. А. Ломтев, А. И. Мартяшин, A.M. Мелик-Шахназаров, K.M. Соболевский, Г. И. Передельский, А. Ф. Прокунцев, М. П. Цапенко, П. П. Чураков, В. М. Шляндин, Г. А. Штамбергер и др. В результате проведенных данными учеными исследований решен ряд важных теоретических и практических вопросов, касающихся методов уравновешивания мостовых измерительных цепей (МИЦ), компенсационно-мостовых измерительных цепей (КМИЦ) и прямого преобразования параметров двух-, трехи более элементных ПКД. Разработанные методы уравновешивания МИЦ и КМИЦ наряду с высокой точностью измерений параметров ПКД имеют и недостатки, состоящие в сложности и длительности процесса уравновешивания и взаимном влиянии каналов уравновешивания. Недостатки методов прямого преобразования, несмотря на высокое быстродействие, состоят в необходимости применения элементов и узлов с высокой стабильностью характеристик. Широкое внедрение полученных результатов в промышленности сдерживается высокой стоимостью аппаратуры, сложностью измерительного процесса, адаптации его к конкретным условиям и т. д.

Совершенствование цифровых средств измерения и микропроцессорной техники позволило расширить использование косвенных, совокупных и совместных измерений. Для реализации этих измерений можно применять выпускаемые промышленностью высокоточные узлы цифровых приборов для измерения напряжения, тока, фазы.

Перспективы развития данного направления связаны с ростом возможностей микропроцессорной и вычислительной техники. Современная микроэлектронная элементная база при построении преобразователей параметров ПКД предоставляет возможность реализовать алгоритмические способы измерения, позволяющие получить высокие характеристики по точности, быстродействию в широком диапазоне измерения параметров ПКД. Учитывая вышесказанное, тема диссертационной работы является актуальной.

Целью данной работы является создание новых научно-технических решений, обеспечивающих повышение точности измерения параметров как отдельных ПКД, так и включенных в МЭЦ типа треугольник, звезда и МЭЦ Н-вида.

Задачи исследования:

1. Разработать способ и структурную схему измерительного комплекса (ИК) для измерения параметров отдельного ПКД, уменьшающие влияние на результат измерения шунтирующей комплексной проводимости изоляции зажимов измерительной цепи, входных комплексных проводимостей преобразователей напряжения (ПН) и других элементов схемы.

2. Разработать алгоритмы изменения конфигурации ИЦ и ИК, реализующие амплитудный, фазовый и амплитудно-фазовый способы измерения параметров двухэлементного ПКД, а также трехи четырехэлементного ПКД в составе МЭЦ типа треугольник без возможности его разрыва или звезда с недоступной средней точкой, позволяющие уменьшить влияние на результат измерения паразитных параметров элементов ИК.

3. Разработать алгоритм изменения конфигурации ИЦ и ИК для измерения параметров ПКД, расположенного в МЭЦ Н-вида с двумя недоступными точками, позволяющий уменьшить влияние на результат измерения паразитных параметров элементов ИК.

4. Разработать методику анализа погрешностей измерения параметров ПКД, расположенных в МЭЦ типа треугольник-звезда (МЭЦ типа звезда с недоступной средней точкой, два зажима которой шунтированы четвертым ПКД образующие МЭЦ типа треугольник без возможности его разрыва) и МЭЦ Н-вида с двумя недоступными точками.

5. Экспериментальное подтверждение и внедрение разработанных алгоритмов и комплексов для измерения параметров ПКД, расположенных в МЭЦ.

Научная новизна.

1. Разработаны алгоритмы и структурные схемы реализующие амплитудный, фазовый и амплитудно-фазовый способы измерения параметров отдельного ПКД, уменьшающие влияние на результат измерения шунтирующей комплексной проводимости изоляции зажимов измерительной цепи и комплексных проводимостей различных элементов схемы, путем включения исследуемого ПКД в синтезированную МЭЦ типа треугольник.

2. Разработаны алгоритмы изменения конфигурации ИЦ и структурные схемы ИК, реализующие амплитудный, фазовый и амплитудно-фазовый способы измерения параметров двухэлементного ПКД, а также трехи четырехэлементного ПКД, расположенного в МЭЦ типа треугольник и звезда, на нескольких фиксированных частотах, позволяющие уменьшить влияние на результат измерения паразитных параметров элементов ИК.

3. Разработаны алгоритмы изменения конфигурации ИЦ и ИК, реализующие амплитудный способ измерения модуля и амплитудно-фазовый способ измерения параметров ПКД, расположенного в МЭЦ Н-вида, позволяющие уменьшить влияние на результат измерения паразитных параметров элементов ИК.

4. Разработана методика для оценки погрешности измерения параметров ПКД, расположенных в МЭЦ типа треугольник-звезда с недоступной средней точкой и МЭЦ Н-вида с двумя недоступными точками.

Достоверность проведенных исследований подтверждается корректным использованием математических преобразований, совпадением теоретических и экспериментальных исследований и практическим внедрением.

Практическая ценность работы. Разработаны и внедрены в НТЦ ОАО «КАМАЗ» алгоритмы изменения конфигурации ИЦ для измерения и контроля параметров индуктивных и трансформаторных первичных измерительных преобразователей двух-, трех-, пятии многопозиционных датчиков положения, представляющих собой МЭЦ типа треугольник или звезда, в которых обеспечивается инвариантность измерения к паразитным параметрам элементов ИК.

Разработан макетный образец ИК для измерения сопротивления ПКД, расположенного в МЭЦ Н-вида, в котором уменьшено влияние на результат измерения паразитных параметров элементов ИК. На базе макетного образца ИК проведены измерения изменения сопротивления костной ткани при лечении переломов и удлинении конечностей, четырехзажимная схема включения которой эквивалентна МЭЦ Н-вида, что позволило уменьшить влияние на результат измерения сопротивления подводящих проводов и черезкостных элементов (металлических элементов, вворачиваемых в кость для фиксации костных обломков).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика измерения параметров отдельного ПКД, обеспечивающая инвариантность результата измерения относительно шунтирующей комплексной проводимости изоляции контактирующего узла для подключения ПКД, путем включения исследуемого ПКД в измерительную МЭЦ типа треугольник.

2. Алгоритмы изменения конфигурации ИЦ и структуры ИК, реализующие амплитудный, фазовый и амплитудно-фазовый способы измерения параметров двухэлементного ПКД, а также трехили четырехэлементного нерезонансного ПКД на нескольких фиксированных частотах, при его последовательнопараллельной или параллельно-последовательной схеме замещения, как отдельного, так и ПКД в составе МЭЦ типа треугольник или звезда.

3. Алгоритмы изменения конфигурации ИЦ и структуры ИК, реализующие амплитудный способ измерения модуля ПКД и амплитудно-фазовый способ измерения параметров двухэлементных ПКД, а также трехи четырехэлементных ПКД при их последовательно-параллельной и параллельно-последовательной схеме замещения в составе МЭЦ Н-вида, в котором уменьшено влияние на результат измерения паразитных параметров элементов ИК.

4. Методика оценки погрешности измерения параметров ПКД, расположенных в МЭЦ типа треугольник-звезда с недоступной средней точкой и МЭЦ Н-вида с двумя недоступными точками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении показана актуальность темы диссертации, сформулирована цель и основные задачи исследований, научная и практическая ценность работы, перечислены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе.

Проведено исследование наиболее известных способов определения параметров ПКД, а именно: мостовые методы измерений параметров ПКД, итерационные алгоритмы измерения параметров отдельного ПКД, косвенные, совокупные и совместные измерения значений параметров ПКД, алгоритмический метод измерения параметров ПКД, инвариантные методы измерения параметров ПКД в МЭЦ методом расчленения.

Показано, что недостатком первых двух способов является низкое быстродействие, недостатком косвенных, совокупных и совместных методов измерения параметров ПКД являются большие методические погрешности, обусловленные шунтированием измеряемых и образцовых элементов ИЦ входными комплексными сопротивлениями используемых средств измерений. Рассмотрен алгоритмический метод измерения, основанный на изменении конфигурации ИЦ, в котором существует зависимость результата измерения от конечной внутренней проводимости источника гармонического сигнала (ИГС). Основная проблема при реализации инвариантных способов измерения параметров ПКД в МЭЦ методом расчленения является влияние на результат измерения ПКД, расположенных в других ветвях исследуемой МЭЦ и паразитных параметров операционных усилителей. Определены направления исследований.

Во второй главе разработан способ измерения параметров отдельного ПКД на основе изменения конфигурации измерительной цепи (ИЦ), уменьшающий методическую погрешность измерения, обусловленную ненулевым значением проводимости изоляции между зажимами для подключения исследуемого ПКД, путем его включения в синтезированную МЭЦ типа треугольник.

Разработанный способ позволяет измерять и параметры ПКД, расположенного в МЭЦ типа треугольник, т.к. неизмеряемые ветви исследуемой МЭЦ типа треугольник подключаются параллельно входной Г3 и выходной 74 комплексной проводимости МЭЦ и не входят в уравнения отсчета параметров исследуемого ПКД. Дуальное преобразование ИЦ ИК для измерения параметров ПКД, расположенного в МЭЦ типа треугольник с заменой, А ТТП на преобразователь ток-напряжение-цифра (ПТН), позволяет синтезировать ИК для измерения параметров ПКД, расположенного в МЭЦ типа звезда с недоступной средней точкой, а также параметров ПКД, расположенного в МЭЦ Н вида с двумя недоступными точками.

Разработанные алгоритмы изменения конфигурации ИЦ и структурные схемы ИК для измерения параметров отдельного ПКД и ПКД, расположенных в МЭЦ типа треугольник, звезда и Н-вида реализуют амплитудный, фазовый и амплитудно-фазовый способы измерения, в которых уменьшено влияние на результат измерения паразитных параметров элементов ИК.

В третьей главе разработана методика анализа относительных погрешностей при измерении параметров ПКД, расположенных в МЭЦ типа треугольник-звезда с недоступной средней точкой и МЭЦ Н-вида с двумя недоступными точками, обусловленных наличием дополнительных ветвей МЭЦ.

Четвертая глава посвящена разработке макетного образца ИК для измерения параметров двухэлементных ПКД, а также трехи четырехэлементных ПКД и ПКД, расположенных в МЭЦ типа треугольник и звезда. А также разработке структурной схемы ИК для измерения составляющих сопротивления костной ткани схемой замещения которой является МЭЦ Н-вида.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

В приложении 1 представлены документы, подтверждающие внедрение в практику результатов работы.

Реализация результатов работы.

1. Результаты исследования использованы при разработке алгоритмов измерения и контроля параметров индуктивных и трансформаторных двух-, трех-, пятии многопозиционных датчиков для контроля положения, перемещения органов управления и исполнительных механизмов стенда определения параметров ДВС. Внедрение результатов диссертационной работы позволяет контролировать индуктивность датчиков положения и перемещения без демонтажа их со стенда определения параметров ДВС. Что значительно снизило трудоемкость и уменьшило затраты на проведение испытаний. Внедрено в Научно-техническом центре ОАО «КАМАЗ» г. Набережные Челны.

2. Разработан макетный образец ИК для измерения комплексного сопротивления ПКД, расположенного в МЭЦ Н-вида, на базе которого проведены измерения изменения сопротивления костной ткани, при лечении переломов и удлинении конечностей, по четырехзажимной схеме включения эквивалентной МЭЦ Н-вида. Это повысило точность измерения за счет уменьшения влияния на результат измерения сопротивления подводящих проводов и черезкостных элементов.

Апробация работы. Содержание и основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях Пензенского государственного университета архитектуры и строительства «Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств» с 2006 года по 2011 год. Были представлены и обсуждались на Научно-техническом совете Научно-технического центра ОАО «КАМАЗ» г. Набережные Челны и Пензенского института усовершенствования врачей.

1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОТДЕЛЬНОГО ПКД И ПКД, В.

СОСТАВЕ МЭЦ

Пассивный комплексный двухполюсник (ПКД) характеризуется модулем комплексного сопротивления (КС) или комплексной проводимости (КП) и фазовым углом, которые устанавливают соотношения между комплексами синусоидального тока, протекающего через ПКД, и вызванным им падением синусоидального напряжения.

ПКД можно представить либо как КС.

Z, ЛZ,.* I 1.

Либо как КП.

YL = LeJ" =YxeJV U и и.

Для определения параметров ПКД при двухэлементной схеме замещения достаточно определить обе независимые составляющие КС,.

R eZx = Zx cos Л, Im Zx = Zx sin Л или КП ReF, -Yx cosu, ImYx =7xsinu где Л = arctgmZJRQZxаргумент КСо = arctglmYJ — аргумент КП.

5.Основные результаты исследований внедрены в НТЦ ОАО «КАМАЗ» и использованы для измерения и контроля параметров индуктивных и трансформаторных двух-, трех-, пятии многопозиционных датчиков положения, обмотки которых соединены по схеме треугольник или звезда.

6. На базе макетного образца ИК для измерения параметров ПКД в составе МЭ11, Н-вида в Пензенском институт усовершенствования врачей проведены измерения изменения сопротивления костной ткани при лечении переломов и удлинении конечностей, четырех зажимная схема включения которой эквивалентна МЭЦ Н-вида, это позволило уменьшить на порядок влияние на результат измерения сопротивления подводящих проводов и черезкостных элементов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Разработаны на основе ИЦ в виде делителя напряжения, алгоритм и ИК для измерения параметров отдельного ПКД, включенного в синтезированную МЭИ, типа треугольник, уменьшающий на порядок влияние на результат измерения шунтирующих комплексных проводимостей изоляции зажимов измерительной цепи, входных комплексных проводимостей АЦП и других элементов схемы.

2. На основе теории матриц и ненаправленных графов разработаны алгоритмы изменения конфигурации ИЦ и ИК, реализующие амплитудный, фазовый и амплитудно-фазовый способы измерения параметров двухэлементного ПКД, а также трехили четырехэлементного ПКД, при его последовательно-параллельной или параллельно-последовательной схеме замещения, как отдельного так и ПКД в составе МЭЦ типа треугольник или звезда, позволяющие уменьшить на порядок влияние на результат измерения паразитных параметров элементов ИК.

3. На основе теории матриц и ненаправленных графов разработаны алгоритмы изменения конфигурации ИЦ и ИК, реализующие амплитудный способ измерения модуля ПКД и амплитуд но-фазовый способ измерения параметров двухэлементных ПКД, а также трехи четырехэлементных ПКД в составе МЭЦ Н-вида, в котором уменьшено на порядок влияние на результат измерения внутреннего комплексного сопротивления ИГС, входных комплексных сопротивлений ПТН, сопротивлений подводящих проводов и контактов ключей.

4. Разработана методика анализа погрешностей разработанных ИК и определены относительные погрешности измерения параметров ПКД, расположенных в МЭЦ типа треугольник-звезда с недоступной средней точкой и МЭЦ Н-вида с двумя недоступными точками.