Повышение точности гидрофизических измерителей удельной электрической проводимости

Вычисление производится над комплексным аналитическим сигналом, полученным из действительного с помощью преобразования Гильберта. Далее сигнал обрабатывается согласно алгоритму (7). Для каждого значения дальности осуществляется оценка J; (о). Дальность, на которой оценка J; (о) максимальна, является оценкой расстояния до элемента морской поверхности. По оцененным значениям дальности строиться профиль морского волнения вдоль траектории движения самолета-амфибии.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Радиолокационные станции обзора земли / Кондратенков Г.С., Потехин В.А., Реутов А.А., Феоктистов Ю.А.; Под ред. Кондратенкова Г.С. - М.: Радио и связь, 1983. -272 с.

2. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны / Антипов В.Н., Горянов В.Т., Кулин А.Н. и др.; Под ред. Горянова В.Т. - М.: Радио и связь 1988 - 304 с.

3. Загородников А.А. Радиолокационная съемка морского волнения с летательных аппаратов / Под ред. В.А.Потехина - М.: Радио и связь, 1980. - 278 с.

4. Кузьмин С.З. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информации - М.: Радио и связь, 1986. - 351 с.

5. Гарнакерьян А.А., Захаревич В.Г., Лобач В.Т., Панатов Г.С., Явкин А.В. Радиоокеа-нографическое, навигационное и информационное обеспечение гидроавиации -Таганрог: ТРТУ, 1997. - 258 с.

А.А. Зори, В.Д. Коренев, М.Г. Хламов

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ

Актуальность и проблемы. Как природные, так и специально подготовленные воды: морская, речная, озерная, техническая, питьевая водопроводная, - представляют собой раствор солей и по своему составу относятся к классу электролитов. Обычно измеряют удельную электрическую проводимость ж, являющуюся интегральной характеристикой содержания растворенных в воде солей, единица ее измерения - См/м.

Значение удельной электрической проводимости морской воды для различных районов Мирового океана, включая внутренние моря, изменяется от 0,2 до 7,5 См/м, речных и сточных вод, включая питьевую и техническую воду, лежит в пределах 0,005-

0,1 См/м. Обычно пределы измерений удельной электрической проводимости для морской среды устанавливают 1,5 - 6 См/м [1], для экологических исследований речных сред, водоемов, озер, сточных и питьевых вод - 0,005 - 0,2 См/м. Абсолютная погрешность определения электрической проводимости морской среды не должна превышать значений порядка 1-10-3 См/м (при этом относительная погрешность - 0,06 - 0,02 %), что связано с использованием значений электрической проводимости для расчетов вторичных параметров - солености, плотности, скорости распространения звука, коэффициента преломления и других критериальных зависимостей. С точки зрения метрологического обеспечения получение таких погрешностей измерений представляет большую трудность. Погрешность определения удельной электрической проводимости речных, сточных и питьевых вод для экологических исследований порядка 1 %, что относительно просто реализуемо.

Для современных гидрофизических и экологических исследований необходимы средства измерений, которые могли бы обеспечить прямые измерения в малом объеме потока жидкости одновременно и средних, и переменных значений

(пульсаций) удельной электрической проводимости. Это позволило бы избежать ряда методических и инструментальных погрешностей, обусловленных измерениями в различных «точках» потока осредненных и пульсационных значений удельной электрической проводимости. Однако в современной кондуктометрии наблюдается тенденция ко все большему различию между СИ постоянной и переменной составляющих удельной электрической проводимости.

Аппаратные средства измерителей и методы повышения их точности. Основными элементами измерителей электропроводимости жидкости являются первичные измерительные преобразователи, которые можно разделить на две основные группы: контактные или кондуктивные, чувствительный элемент которых имеет непосредственный электрический контакт с жидкостью, и бесконтактные, не имеющие электрического контакта с жидкостью. К группе бесконтактных первичных измерительных преобразователей (ПИП) относят емкостные [2] и индуктивные [3]. Наибольшее распространение в качестве ПИП удельной электрической проводимости как в лабораторных устройствах, так и в практике натурных измерений получили кондуктивные и индуктивные первичные измерительные преобразователи.

В частности, удачным является конструктивное решение первичного измерительного преобразователя в СТД зонде «МАRК Ш» фирмы «Нил Браун» [51], в котором электроды нанесены в виде тонких полосок на плоскую керамическую основу с малым температурным коэффициентом расширения, что позволяет избавиться от влияния изменчивости геометрии преобразователя, а раздельные электроды - от влияния двойных слоев. Основная погрешность измерения удельной электрической проводимости порядка 0,01 %. Подобные четырехэлектродные ячейки вошли в состав конструкций комплексных многопараметрических ПИП, которые использованы в автоматизированных зондах «Метеор» и «Дельфин», разработанных в Донецком политехническом институте (ныне - Донецкий национальный технический университет). В них были использованы конструктивнотехнологические и схемотехнические методы повышения точности измерений.

Для использования в зондовой части систем разработан унифицированный измерительный преобразователь удельной электрической проводимости с четырехэлектродным кондуктивным ПИП, построенный по автокомпенсационной схеме. Структурная схема канала удельной электрической проводимости (УЭП) приведена на рис.1.

Рис. 1. Структурная схема измерительного канала удельной электрической

проводимости

В установившемся режиме при неизменном значении удельной электрической проводимости исследуемой жидкости в цепи токоподводящих электродов Э1-Э2 (цепи нагрузки управляемого стабилизатора тока (УСТ)) протекает стабильный ток I, обуславливающий падение напряжения на электрическом сопротивлении жидкости между измерительными электродами Э3-Э4. Это напряжение поступает на вход дифференциального усилителя ДУ, усиливается им и подается на вход синхронного детектора СД2, работой которого управляет выходное напряжение усилителя-формирователя УФ. Посредством СД2 сигнал измерительных электродов ПИП выпрямляется, усиливается усилителем обратной связи УОС и используется для управления работой генератора напряжения ГУН, амплитуда выходного напряжения которого определяется уровнем управляющего напряжения, поступающего с выхода УОС. Выходной сигнал ГУН, выпрямленный синхронным детектором СД1 и усиленный выходным усилителем УВ, является выходным напряжением канала, пропорциональным значению удельной электрической проводимости исследуемой жидкости.

Пусть проводимость жидкости изменилась относительно первоначального значения (например, возросла, т.е. электрическое сопротивление ее уменьшилось). В первый момент это приведет к уменьшению падения напряжения между токосъемными электродами Э3-Э4 выходных напряжений ДУ, СД2 и УОС. Изменение управляющего напряжения ГУН приведет к увеличению его выходного сигнала, увеличению управляющего напряжения УСТ и тока в цепи нагрузки УСТ. Это ведет к увеличению тока в жидкости и входного напряжения дифференциального усилителя. При этом одновременно увеличивается выходное напряжение канала, пропорциональное изменению удельной электрической проводимости в жидкости.

Использование в измерительном канале компенсационной схемы позволяет линеаризовать его статическую характеристику преобразования по удельной электрической проводимости, повысить точность и стабильность преобразований проводимости жидкости в электрическое напряжение (вариант структурного метода повышения точности измерений удельной электрической проводимости). Однако, несмотря на отмеченные достоинства измерителя, каждый из структурных элементов, входящий в состав измерительного канала, может вносить погрешность в результат измерения удельной электропроводности. Источником погрешности ДУ является нестабильность коэффициента усиления в результате изменения параметров элементов усилителя и температуры окружающей среды. Для устранения данной составляющей погрешности усилитель охвачен глубокой отрицательной обратной связью по напряжению. В качестве синхронных детекторов СД1 и СД2 в данной схеме используется аналоговый ключ со схемой управления. Источниками погрешностей электронных аналоговых ключей являются:

- ненулевое проходное сопротивление ключа во включенном состоянии и конечная его величина в выключенном;

- остаточное падение напряжения на разомкнутом ключе, т.е. наличие напряжения на ключе при отсутствии через него тока;

- нелинейная зависимость сопротивления ключа от напряжения (тока) на информационном и управляющем входах;

- взаимодействие управляющего и коммутируемого сигналов;

- нестабильность амплитуды управляющего напряжения.

Для уменьшения первых четырех составляющих погрешности в схеме использованы аналоговые ключи, построенные на основе комплементарных МОП-транзисторов. Ключи КМОП, работающие от относительно высокого напряжения питания, имеют малое значение сопротивления в открытом состоянии Я0 во всем

диапазоне значений входного сигнала, так как всегда тот или другой проводящий транзистор будет иметь прямое смещение затвора, равное, по крайней мере, половине напряжения питания; в закрытом состоянии канал МОП-ключа обладает очень высоким динамическим сопротивлением (до сотен ГОм).

Кроме того, для уменьшения нелинейной зависимости сопротивления ключа от напряжения на информационном и управляющем входах схема управления ключом выполнена таким образом, чтобы напряжение п-подложки "следило" за напряжением входного сигнала. Применение транзисторов с малым напряжением отсечки и повышенной крутизной позволило построить ключ с весьма малым Я0 при изменениях напряжения.

Для устранения нестабильности амплитуды управляющего напряжения в схему введен усилитель-формирователь УФ, на выходе которого амплитуда имеет строго определенное значение. УОС и УВ характеризуются следующими составляющими погрешности:

- дрейф напряжения смещения и разностного входного тока ОУПТ при изменении температуры окружающей среды;

- напряжение синфазной помехи;

- нестабильность коэффициента усиления при изменении влияющих величин.

Для уменьшения первой составляющей погрешности усилитель выполнен по схеме УПТ на несущей частоте. Для уменьшения второй составляющей использован ОУПТ с большим значением собственного коэффициента ослабления синфазного сигнала. Для устранения третьей составляющей погрешности, также как и для ДУ, усилители охвачены глубокой отрицательной обратной связью.

В качестве ГУН использован ЯС-генератор. Его избирательные ЯС-цепи имеют сравнительно пологие амплитудно- и фазочастотную характеристики петлевого усиления. Поэтому, если петлевое усиление больше единицы даже на небольшую величину, условия возникновения колебаний выполняются в сравнительно широкой полосе частот. При этом форма выходного сигнала может существенно отличаться от гармонической. Поэтому в схему ЯС-генератора введены дополнительные цепи автоматического регулирования коэффициента усиления. Для гарантированного возбуждения генератора при колебаниях параметров усилителя и цепи обратной связи петлевое усиление выбрано несколько больше единицы. Для уменьшения нелинейных искажений формы выходного сигнала цепь автоматического изменения амплитуды выполнена инерционной.

УСТ предназначен для питания ПИП УЭП током, сила которого не зависит от выходного напряжения и регулируется только входным напряжением схемы. Обычно для таких схем характерны:

- зависимость выходного тока от внутреннего сопротивления ЯИ управляющего источника и сопротивления нагрузки (в результате полная балансировка источника невозможна, если ЯИ зависит от тока);

- наличие синфазного сигнала.

Для устранения указанных недостатков в схеме используется источник тока на ОУ в инвертирующем включении, а при его реализации обеспечена точная настройка параметров связей усилителя.

Выводы. Использование указанных мер позволило свести к минимуму инструментальную погрешность измерительного канала преобразователя удельной электрической проводимости, повысив точность и стабильность преобразования электропроводности жидкости в электрический сигнал.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Калашников П. А. Первичная обработка гидрологической информации. - Л.: Гидро-метеоиздат, 1985. - 152 с.

2. Дерюгин К.К., СтепанюкИ. А. Морская гидрометрия. - Л.: Гидрометеоиздат, 1974. -392 с.

3. Хажуев В.Н. Методы и средства измерения удельной электрической проводимости жидкостей // Тр. метрологических ин-тов СССР. 1976. Вып. 194 (254). С. 25-32.

Ю.С. Григорьева, Е.В. Корохова

УПРАВЛЕНИЕ ОБЪЕКТАМИ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА НА ОСНОВЕ РЕШЕНИЯ ДИСКРЕТНОЙ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОЙ ЗАДАЧИ В УСЛОВИЯХ ОГРАНИЧЕСННОСТИ РЕСУРСОВ

Управление городским хозяйством (ГХ) осуществляется в условиях ограниченности ресурсов, поэтому особого внимания требует вопрос рационального использования и распределения средств, выделенных городу. Принятие решений по управлению ГХ должно основываться на полной информации о состоянии объектов, выборе наиболее важных альтернатив с учетом множества критериев и оценках их значимости. Возникает необходимость решения многокритериальной задачи выбора варианта альтернатив, носящих дискретный характер.

Пусть множество допустимых альтернатив Х представлено семью альтернативами Х= (х], х2,..., х7} (множество дорог с вариантами ремонта), каждая из которых оценивается по восьми критериям к], ..., к8. Им ставится во взаимное однозначное соответствие множество векторных оценокХ^У: У=(у/, у,2,... ,у,к}, здесь у{

- оценка 1-й дороги по у-му критерию. Задача выбора наилучшей из возможных альтернатив расходования средств на ремонт сводится к задаче выбора векторной оценки у*« х*; у* е у , имеющей вид:

У1 У2 Уз У 4 У 5 Уб У 7 У 8

Х1

Х2

Хз (8, 7, 5, 4, 4, б, 4, 0,

Х4

Х5

Хб

мируется Парето-оптимальное множество Р(х), проверяя условие ^(х^ > ^(х^ ; I = 1, п . Альтернативы У2, У3, У5, У7, У8, отсеялись как Парето неоптимальные. Таким образом, Р(х)= {у1, у4 , у6}.

Следующий шаг - это формирование решающего правила. Исходя из системы предпочтений лица, принимающего решения, вытекают значения весовых коэффициентов Р1=0,25; Р2=0,15; Р3=0,30; Р4=0,2; Р5=0,05; Р6=0,05. Конечным результатом сравнения каждой пары векторных оценок является дробь, в числителе, которой - сумма всех весовых коэффициентов критериев, по которым У1 лучше У^ в знаменателе - сумма всех весовых коэффициентов критериев, по которым У1 хуже У^ Тогда бинарное отношение на данном множестве векторных оценок определяется как