Измерительный преобразователь параметров реактивных элементов в частоту на основе фазовых резонансных методов

• Автор: Агалаков, Александр Александрович
• Шифр специальности: 05.11.16
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Обнинск
• Количество страниц: 123 с.

ВВЕДЕНИЕ

Управление технологическими процессами на

производствах, а также проведение научных экспериментов и исследований неразрывно связаны с получением и обработкой информации о состоянии контролируемых объектов и среды[12,52,115].
Интенсивность и динамичность изменения параметров контролируемых объектов во времени вызывают необходимость автоматизации процессов измерений.
Средством, позволяющим автоматизировать измерительные операции, являются информационно-измерительные системы (ИИС).
В основе создания ИИС лежит представление о процессе измерения как совокупности последовательных преобразований, важнейшими из которых являются первичное преобразование и селекция измеряемых величин; функциональное преобразование измерительного сигнала в нормированный;
представление измерительного сигнала в форме удобной для представления и регистрации [94,113].

Первичное восприятие и селекция измеряемых величин

осуществляются в первичных измерительных преобразователях [12,52].

Измерительным преобразователем (ИП) называется

устройство, представляющее собой совокупность преобразующих элементов, осуществляющих видоизменение контролируемой величины в удобный для измерения сигнал.
Использование этих преобразователей основано на связи параметров чувствительного элемента с электрофизическими параметрами контролируемой среды [15,23,35].
Как правило, именно тип чувствительного элемента и определяет выбор типа измерительного преобразователя.
Поскольку для измерения широкого класса неэлектрических величин используются емкостные и индуктивные чувствительные элементы, совершенствование и развитие ИП параметров реактивных элементов является задачей важной и актуальной [15,25,27,30,31,34,35,38,51,71, 73,77,75,81,76,85,87,88,90,94,98,105,109].
В данной, достаточно обширной, задаче может быть выделено несколько направлений, одним из которых является

разработка ИП, работающих со средами , обладающими большими электрическими потерями [2,8,11,14,25,20,30,35 ,50,72,80,93,94,98].
В ряде отмеченных случаев, моделью, представляющей чувствительный элемент (ЧЭ) первичного преобразователя, является емкость, шунтируемая резистором, отражающим влияние потерь в среде [29,54,70,94,98].
Учитывая соответствие представленной модели различным объектам в нефтегазовой, химической, деревообрабатывающей, строительной промышленности, медицине, а также в научных исследованиях, развитие ИП, работающих с отмеченным типом ЧЭ, позволит способствовать решению важных народнохозяйственных задач.
В настоящее время ИП параметров реактивных элементов развиваются на базе двух основных методов -уравновешивания и прямого преобразования [12,94,118].
В отличие от методов уравновешивания, где требуется производить настройку схемы по нескольким параметрам, методы прямого преобразования, как правило, основаны на использовании лишь одного образцового элемента [1].
Среди методов прямого преобразования, ввиду высокой чувствительности и значительной помехоустойчивости, обусловленных высокими избирательными свойствами колебательных контуров, получили широкое распространение резонансные методы измерений [94].
Для определения момента выхода системы на резонанс могут применяться амплитудные и фазовые признаки [1,94,20,6,35,64,70].
В условиях больших потерь амплитудные признаки теряют свою информативность и не могут быть использованы для определения искомых величин [2].
В то же время применение фазовых признаков, формально, лишено подобного недостатка.
Кроме того, использование в резонансных методах фазовых признаков позволяет определять не только величину расстройки системы относительно резонансной частоты, но и ее направление. Это обстоятельство представляется достаточно важным при создании автоматических измерительных устройств [94].
Таким образом, развитие ИП параметров реактивных элементов на основе фазовых резонансных методов является

важной и актуальной задачей, которая поставлена в качестве цели настоящей работы.
Для достижения отмеченной цели работы были поставлены следующие задачи.
1. Анализ методов определения параметров пассивных многоэлементных двухполюсников применительно к использованию в средствах контроля.
2.Анализ существующих преобразователей “параметр реактивного элемента - частота” разработка на их основе обобщенной модели и ее исследование.
3.Исследование различных топологий измерительных цепей с переменной структурой и отбор тех из них, которые позволяют обеспечить измерение нескольких разнородных элементов.
4.Разработка преобразователя “параметр реактивного элемента - частота” на основе предложенной модели.
5 Исследование преобразователя “параметр реактивного элемента - частота”, на основе интегрального контура фазовой автоподстройки частоты с целью выявления оптимальных участков работы.
6.Разработка прототипа интеллектуального датчика, предназначенного для применения в составе информационно измерительных систем.
Данные задачи были последовательно решены в шести главах настоящей диссертационной работы.
Научная новизна решений поставленных задач заключается в следующем.
1.Предложена обобщенная модель преобразователя “параметр реактивного элемента - частота”.
2.Предложены аналитические соотношения , связывающие параметры измерительных цепей преобразователей на некоторых характерных частотах.
3.Предложены топологии измерительных позволяющих проводить измерения параметров разнородных элементов одним преобразователем.
4.Предложена структура преобразователя “ параметр реактивного элемента - частота” на основе контура фазовой автоподстройки частоты.
.^Разработана конструкция преобразователя “параметр реактивного элемента - частота” на основе интегрального контура фазовой автоподстройки частоты, обеспечивающего

Итогом частотного представления поведения фазовой характеристики ИТ в широком диапазоне является не только демонстрация преимущества использования фазы в качестве источника информации для определения искомой величины, но и сведения, позволяющие выбирать структуру базового блокаї. Примерами таких структур могут служить:
• аналоговая система с автоматическим выходом на резонансную частоту, использующая переход фазы через нуль;
• система автоматического выхода на резонансную частоту, использующая скачкообразное изменение фазы;
• система со сканированием рабочей области частот и последующим выходом системы на автозахват;
• микропроцессорная система со сканированием всего рабочего диапазона и определением характерных частот ИТ по особенностям поведения фазы.
2.6.Выводы:
В настоящем разделе предложена простая обобщенная модель измерительного преобразователя “параметр реактивного элемента - частота”.
Получены соотношения, связывающие характерную частоту измерительного трехполюсника с параметрами элементов схем замещения чувствительных элементов первичных
преобразователей.
Показано, что в рамках представленной модели формально возможны два типа преобразователей, каждый из которых может быть реализован двумя различными путями, определяемыми взаимной ориентацией векторов входных и выходных напряжений на ИТ.
Отмечено, что в зависимости от алгоритма настройки ИТ на характерную частоту возможны несколько вариантов структуры преобразователя.
Полученные в главе соотношения представляют интерес при разработке измерительных преобразователей параметров емкостных и индуктивных чувствительных элементов первичных преобразователей.