Энерго-информационные модели структурных обобщенных приемов коррекции аддитивной температурной погрешности

Микульская О.М., Куксин А.И. ЭНЕРГО-ИНФОРМАЦИОННЫЕ МОДЕЛИ СТРУКТУРНЫХ ОБОБЩЕННЫХ ПРИЕМОВ КОРРЕКЦИИ АДДИТИВНОЙ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ПОГРЕШНОСТИ

Для автоматизации поиска новых технических решений (НТР) в области датчиковой аппаратуры необходимо использовать унифицированное представление происходящих в них преобразований. Так как при разработке преобразователей используются результаты многих научных направлений, уровень целесообразной обобщенности при синтезе принципов их действия и морфологических свойств должен быть достаточно высок. Наиболее успешно решает эту задачу теория энерго-информационных моделей цепей (ЭИМЦ) и аппарат параметрических структурных схем (ПСС) [2].

В основу энерго-информационного метода моделирования преобразователей положена теория аналогий и подобия. Преимущества применения этой теории заключаются в следующем: во-первых, она позволяет рассматривать явления различной физической природы с помощью уравнений, инвариантных к самой физической природе; во-вторых, дает возможность переложить мощный аппарат анализа и синтеза электрических цепей на исследование явлений другой физической природы. Теория энерго-информационных моделей цепей описывает как внутрицепные, так и межцепные эффекты.

Энергоинформационные модели цепей представляют собой совокупность аналитических зависимостей между величинами (переменными во времени) и параметрами (со значениями, относительно постоянными во времени) в идеализированной цепи определенной физической природы, аналогичных совокупностям зависимостей между величинами и параметрами в цепях другой физической природы. Цепью определенной физической природы называется идеализированная материальная среда, имеющая определенные геометрические размеры и характеризующаяся физическими константами, присущими только явлениям данной физической природы.

Энергоинформационные модели для цепи той или иной физической природы выявляются путем анализа фактических уравнений для этих цепей.

Теория ЭИМЦ оперирует величинами (Р - величина импульса, и - величина воздействия, I - величина реакции, 0 - величина заряда), параметрами (Я -сопротивление, 9=1/Я - проводимость, С - емкость,

И=1/С- жесткость, Ь - индуктивность, Б=1/Ь - дедуктивность) и физико-техническими эффектами (ФТЭ). Величины характеризуют внешнее воздействие на цепь данной природы и ее реакцию на это воздействие. Параметры характеризуют относительную неизменность материальной среды, в которой протекают физические процессы. Параметр преобразует входную величину определенной физической природы (воздействие) в выходную величину той же физической природы (реакцию). Для описания межцепных преобразований используются ФТЭ. ФТЭ преобразует входную величину определенной физической природы в выходную величину другой физической природы в изменение какого либо параметра.

Величины и параметры ЭИМЦ связаны между собой шестью критериями, которые позволяют довольно просто описывать преобразования в техническом устройстве.

Кроме величин, параметров и ФТЭ при поиске новых технических решений исполь зуются обобщенные приемы. Эти приемы реализуются эвристически, они не поддаются формализации, что приводит к случайным, неоптимальным решениям.

Использование энерго-информационных моделей цепей различной физической природы и аппарата параметрических структурных схем предполагает наряду с эвристическими обобщенными приемами и применение так называемых структурных обобщенных приемов (СОП), реализация которых позволяет получать все возможные для базы данных по ФТЭ решения задачи. Реализация СОП заключается в построении ПСС устройства с улучшенными характеристиками, т.е. в добавлении к скелетной ПСС различных корректирующих, параллельных и т.п. цепочек ФТЭ. СОП также можно использовать при автоматизированном синтезе новых технических решений.

В наши дни тензорезисторные датчики различных величин являются наиболее популярными. Основная цель термокоррекции тензорезисторных мостовых схем - уменьшение температурной погрешности. Это достигается изменением относительных температурных характеристик плеч данного моста путем использования дополнительных термонезависимых постоянных резисторов, включаемых последовательно или параллельно к имеющимся тензорезисторам с питанием от источников тока и напряжения [4]. Предложенные схемы эффективно рассматривать как СОП для снижения дополнительных погрешностей от температуры при синтезе НТР. Несмотря на то, что существует удобный аппарат описания электрических схем для моделирования процессов различной физической природы, протекающих в преобразователе, необходим единый универсальный подход к разработке их моделей. Поэтому для использования таких СОП при автоматизированном синтезе новых преобразователей авторами были разработаны их ЭИМЦ на основе ЭИМЦ моста Уитстона [3].

На основании правил построения ПСС и реальных физических зависимостей для определения величин в мостовой схеме были разработаны ЭММЦ моста (рис. 1б, 2б), соответствующие электрическим схемам (рис. 1а, 2а) .

Рис. 1. Мост с двумя шунтами. Питание Uп=const: а) электрическая схема; б) ПСС

Рис. 2. Мост с одним шунтом. Питание Uп=const: а) электрическая схема; б) ПСС

Для проверки адекватности полученных моделей определим ток в диагонали 13 мостовой схемы, используя теорию электрических цепей [1] и по ПСС, и сравним полученные результаты.

В итоге получаем для обоих методов абсолютно идентичные выражения:

I. — Е,

Я

Я

Я2 + Я3т

Лт

Я1т + Я4

Я + Я1тЯ4

Я1т + Я4

+

Я2Я3т Я2 + Я3т

где

Я — Я2 т Я2 ш

ТЭ тэ Я — Я4 т Я4 ш

Я„ + Ял

2 Т? -і- Т? ; 4

Я2 т + Я2 ш Я4 т + Я4 ш

Аналогичные действия применяем и ко второй схеме.

В итоге получаем для обоих методов абсолютно идентичные выражения:

Л — Е„

я.

я.

Я2т + Я3т

Я1т + Я4

Я +_ Я1тЯ4

Я1т + Я4

+

Я2тЯ3т Я2т + Я3т

где

ТЭ ТЭ

Я — Я4 т Я4 ш

Ялт + Ял

Разработанные схемы будут использованы в качестве структурных обобщенных приемов при автоматическом поиске НТР.

ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи. Учебник для студентов

электротехнических, энергетических и приборостроительных специальностей вузов. 7-е изд., перераб. И доп.- М.: Высш. Школа, 1978.

2. Зарипов М. Ф., Петрова И. Ю. Энерго-инфориационный метод анализа и синтеза чувствительных элементов систем управления // Датчики и системы, 1999, № 5.

3. Машкинов Л.Б. Новое мостовое устройство // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2001, №3.

4. Рыбаков М.М., Ялышев А.У. Новый подход к коррекции аддитивной температурной погрешности тензо-резисторных мостовых схем с помощью относительных температурных характеристик тензорезисторов // Датчики и системы, 2004, №7.