Универсальный вторичный преобразователь для систем с параметрическими первичными преобразователями информации

ЭЛЕКТРОНИКА, ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И РАДИОТЕХНИКА

УДК 681.586

В. А. Баранов, А. В. Светлов, Е. А. Ломтев, Б. В. Цыпин

УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ВТОРИЧНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ СИСТЕМ С ПАРАМЕТРИЧЕСКИМИ ПЕРВИЧНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ИНФОРМАЦИИ

Аннотация.

Актуальность и цели. В современных информационно-измерительных системах и системах управления используются параметрические первичные преобразователи информации (ППП). Большое число вариантов состава и структуры многоэлементных двухполюсных электрических цепей, являющихся электрическими моделями ППП, вызывает необходимость использования множества типов вторичных преобразователей, что увеличивает время разработки и стоимость систем. Цель исследования - разработка универсального вторичного преобразователя, способного осуществлять преобразование в код выходных сигналов ППП всех типов.

Материалы и методы. Исследование выполнено с привлечением методов моделирования путем синтеза электрических, математических и структурных моделей источников и преобразователей информации.

Результаты. Синтезирована универсальная модель ППП в виде двухполюсной электрической цепи с неизменной топологией. Гармоническое напряжение определено как единственная форма энергетического воздействия на ППП со стороны вторичных преобразователей при преобразовании пассивной электрической величины в активную. Разработана структура процесса преобразования универсального вторичного преобразователя как этапа измерения информативной величины ППП.

Выводы. Предложена структурная модель процесса одновременного преобразования в код аналоговой информации о составляющих иммитанса параметрического первичного преобразователя. Модель может стать основой для разработки универсального вторичного преобразователя информации от параметрических первичных преобразователей.

Ключевые слова: системы управления, информационно-измерительные системы, первичный преобразователь, вторичный преобразователь, параметрический преобразователь, иммитанс, импедансометрия, преобразователь параметров импеданса, модель измерения, ингерентность измерительной модели.

V. A. Baranov, A. V. Svetlov, E. A. Lomtev, B. V. Tsypin

UNIVERSAL SECONDARY CONVERTER FOR SYSTEMS WITH PARAMETRIC PRIMARY INFORMATION CONVERTERS

86

University proceedings. Volga region

№ 3 (35), 2015 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника

Abstract.

Background. Information-measuring and management systems use parametric primary converters of information (PPC). A large number of variants of composition and structure of multi-element two-terminal electrical circuits (TEC), being electrical models of PPC, causes a necessity to use multiple types of secondary converters (SC), which increases development time and cost of systems. The purpose of the research is to develop a universal SC, capable of converting output signals of all types of PPC into code.

Materials and methods. The research was performed using the methods of modeling through synthesis of electrical, structural and mathematical models of sources and converters of information.

Results. The authors have synthesized a universal SC model in the form of a TEC with unchanged topology. Harmonic voltage was defined as the only form of energy impact on the PPC by the SC at conversion of a passive electrical value into an active one. The authors have designed a universal SC conversion process structure as a phase of PPC informative value measurement.

Conclusions. The article suggests a structural model of simultaneous conversion of analog information on immittance components of primary parametric converters into code. The model can serve as a basis for development of universal secondary converters of parametric information from primary converters.

Key words: control systems, information-measuring systems, primary converter, secondary converter, parametric converter, immitance, impedancemetry, converter of impedance parameters, measurement model, inherence of measurement model.

В современных информационно-измерительных системах и системах управления технологическими процессами различных отраслей промышленности широко используются параметрические первичные преобразователи информации (ППП), т.е. резистивные, емкостные и индуктивные измерительные преобразователи, информативным выходным параметром которых является соответствующая пассивная электрическая величина: активное сопротивление, емкость, индуктивность. В качестве входных величин ППП выступают температура, механические величины (линейное и угловое перемещение, скорость ускорение, давление, сила), количество вещества (влажность, влагосодержание, долевое содержание компонентов в композиционных материалах) и т.д. Вторичный преобразователь (ВП) преобразует пассивный информативный параметр ППП в активную (обычно электрическую) величину (электрическое напряжение, ток), удобную для дальнейшего преобразования, обработки, передачи, восприятия потребителем информации.

Погрешность обработки информации системой в целом не может быть ниже погрешности ППП. Это обусловливает необходимость исключения влияния на результаты конструкции ППП, линии связи с ВП, самого ВП, а также внешних факторов, в частности температуры. Моделью параметрических ППП при проектировании систем может служить пассивная многоэлементная двухполюсная электрическая цепь (ДЭЦ), образованная параллельно-последовательным соединением нескольких (два и более) элементов трех типов: резистор с активным сопротивлением R , катушка индуктивности с индуктивностью L, конденсатор с электрической емкостью C . Один из элементов моделирует информативный параметр ППП, остальные элементы - параметры подсистемы «объект управления - ППП - ВП», влияют на результат преобразования.

Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 87

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

Большое число вариантов состава и структуры многоэлементных ДЭЦ, являющихся электрическими моделями параметрических преобразователей, вызывает необходимость использования множества типов вторичных преобразователей, что увеличивает время разработки и стоимость. Наиболее перспективным путем улучшения технико-экономических характеристик систем с большим количеством параметрических первичных преобразователей различных видов представляется разработка универсального вторичного преобразователя, способного осуществлять преобразование в код выходных сигналов всех типов ППП.

В работе [1] универсализация преобразователя параметров ДЭЦ определяется как «расширение круга электрических цепей, параметры которых могут быть измерены с приемлемой точностью». Универсальность достигается созданием информационной или структурной избыточности измерительной цепи за счет проведения вспомогательных измерений либо с изменением условий преобразования измерительной схемой параметров измеряемой ДЭЦ в напряжение (смена опорного элемента) и/или воздействием на объект «несинусоидального напряжения, характеризуемого широким спектром частот». Аналогично, универсальность виртуального анализатора иммитанса, описанного в работе [2], состоит в том, что в нем реализованы измерения параметров восьми типов трех- и четырехэлементных ДЭЦ. Таким образом, степень универсальности ВИП понимается как количество ДЭЦ с различной топологией, параметры элементов которых могут быть преобразованы в цифровой код данным преобразователем.

Для создания действительно универсального ВИП необходимо решить следующие задачи:

- синтез универсальной модели IIIIII с неизменной топологией;

- определение единственной формы энергетического воздействия на III со стороны ВЛ при преобразовании пассивной электрической величины в активную;

- разработка структуры процесса преобразования универсального В! как этапа измерения информативной величины III .

В качестве универсальной электрической модели IIIIII предлагается элемент с комплексным сопротивлением или проводимостью (иммитанс) Z = X + jY , где X и Y - активная и реактивная составляющие иммитанса (СИ), которые являются входными величинами В^ Данная модель абсолютно универсальна и применима ко всем существующим и вновь разрабатываемым типам III . Использование универсальной модели III предполагает наличие уравнения связи СИ с параметрами схемы замещения каждого преобразователя. Библиотека программ, реализующих вычисление параметров модели в виде ДЭЦ с известной топологией по значениям СИ, должна быть компонентом программного обеспечения системы управления.

Принятие модели в виде комплексной величины делает неизбежным и естественным получение результатов вторичного преобразования, отнесенных к определенной частоте гармонического энергетического воздействия на ШШ, которое является единственным. ^и этом уравнения связи СИ и параметров элементов ДЭЦ, моделирующей III , являются наиболее простыми.

Основой построения модели любого процесса измерения является уравнение измерений Nx = x/ 1Х , где Nx - отвлеченное действительное чис-

88

University proceedings. Volga region

№ 3 (35), 2015 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника

ло, получаемое после завершения процесса измерения; х - измеряемая величина, обладающая некоторым размером, присущим конкретному объекту; 1х - величина, принятая за единицу измерения величины х. Результат измерения формируется путем приписывания к полученному отвлеченному числу размерности соответствующей физической величины.

Профессором. Г. П. Шлыковым синтезированы четыре формы основного уравнения измерения и соответствующие им структурные модели процесса измерения физической величины [3]:

1 * II о

ж 1 II о

4"^ | * i II О

х -1 = 0. 1 X N х

В соответствии с этим подходом любой процесс измерения физической величины можно свести к одной из моделей. В совокупность операций, составляющих процесс измерения, во всех вариантах обязательно входят следующие операции:

- воспроизведение единицы измеряемой величины или единицы величины, функционально связанной с искомой;

- сравнение размерных или безразмерных однородных величин;

- получение отношения размера величины к принятой единице измерения этой величины;

- поиск на числовой шкале числа, выражающего размер измеряемой величины через принятую единицу измерения.

Конкретизация общей структурной модели измерения к задаче разработки универсального ВП выражается в следующем:

1. При измерении пассивной величины всегда имеет место ее преобразование в активную величину для реализации операции «Сравнение». Следовательно, перечень обязательных операций процесса преобразования необходимо дополнить операцией «Преобразование информативного выходного параметра IIIIII в активную электрическую величину».

2. Специфика преобразования параметров многоэлементных ДЭЦ проявляется только тогда, когда одновременно преобразуются два параметра [4]. Преобразования могут быть совокупными (преобразуемые параметры имеют одинаковую размерность), например СИ, или совместными (преобразуемые параметры имеют разную размерность), например емкость C конденсатора и активное сопротивление R резистора двухэлементной ДЭЦ, моделирующей ППП. На результаты преобразования могут оказывать влияние как информативные, так и неинформативные параметры ППП, поэтому, как правило, требуется совместная обработка результатов измерения СИ.

В связи с необходимостью преобразования не менее двух величин ни одна из моделей (1)-(4), описывающих процесс измерения одной величины,

Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 89

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

непосредственно не может быть моделью процесса преобразования двух параметров ДЭЦ.

Сравнительный анализ моделей (1)-(4) показывает, что в качестве основы для разработки универсального ВП предпочтительны модели (3) и (4), включающие операцию «Определение отношения», которая реализуется аналого-цифровым преобразованием соответствующей величины. Это обусловлено тем, что операция «Сравнение» выполняется в цифровой форме и не требует воспроизведения единицы соответствующей величины.

Одновременное преобразование двух параметров ППП на основе модели преобразователя с алгебраической формой представления комплексной величины Z = X + jY можно рассматривать как совокупное преобразование однородных величин X и Y , имеющих размерность [Ом], а при использовании модели с показательной формой представления Z = |Z|e^ - как совместные измерения разнородных величин |z| и ф. Для достижения универсальности ВП необходимо снять различие между совокупным и совместным преобразованиями в отношении размерности путем сведения всех преобразований к совокупным. Данная задача решается путем перехода от преобразования абсолютных величин к преобразованию относительных безразмерных величин. Показательная форма комплексного числа представляется более предпочтительной, поскольку аргумент ф уже является относительной величиной:

Ф =

2кАТ

Т

= юЛТ,

где ЛТ - длительность интервала времени между равными мгновенными фазами гармонического сигнала; Т - длительность периода гармонического воздействия на ППП с частотой ю.

Преобразование аргумента ф иммитанса осуществляется путем преобразования в код длительности ЛТ интервала времени между равными мгновенными фазами напряжения воздействия на IIIIII на частоте ю и напряжения на опорном элементе (используемом в качестве датчика тока). Результаты этого преобразования (код Nлт =ЛТ/ 1т и код Nt = Т/ 1т периода Т напряжения) используются для получения кода Ыф = 2п Nлт /Nt аргумента ф.

Отличительной особенностью совокупного преобразования двух и более величин является математическая модель преобразования в виде системы уравнений преобразования, число которых не должно быть меньше числа преобразуемых величин.

Математическая модель преобразования для универсального ВЛ представляет собой систему двух уравнений:

yfNX+NY = NZ,

< Ny_

, "NX

= tg ыф.

Операция «!оиск по шкале» заключается в решении данной системы уравнений относительно Nx и Ny . Результаты преобразования Хх и Yx

90

University proceedings. Volga region

№ 3 (35), 2015 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника

СИ Хх и Yx формируются путем выполнения над кодами Nx и Nj операции «Приписывание размерности [Ом]».

Процесс преобразования, осуществляемого универсальным ВП, можно разделить на следующие этапы:

- синтез предварительного преобразователя путем организации измерительной схемы, осуществляющей подключение к IIIIII одного или нескольких опорных элементов (в зависимости от выбранной структуры преобразователя);

- организация гармонического энергетического воздействия на измерительную схему;

- измерения параметров выходного напряжения предварительного преобразователя: амплитуды и фазового сдвига относительно воздействующего напряжения;

- вычисление значений СИ на основе результатов измерений параметров выходного напряжения предварительного преобразователя;

- синтез результатов преобразования путем приписывания безразмерным кодам физической размерности.

Результаты преобразования ВЛ и значение частоты гармонического энергетического воздействия передаются вычислительному устройству системы, где подвергаются дальнейшей обработке программными средствами. Результатом работы программы является вычисление по значениям СИ и частоты энергетического воздействия значений искомых параметров ШШ.

Структурная модель процесса вторичного преобразования параметров

в составляющие Хх и Yx иммитанса Zx и частоту гармонического напряжения, приложенного к ШШ, представлена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная модель вторичного преобразования параметров ШШ в СИ

с иммитансом Zх = f (R, L, C) и опорный элемент с комплексным сопротивлением Z0 образуют предварительный преобразователь, построенный по схеме делителя напряжения. Опорный элемент составляется из одно-

Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 91

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

значных и (или) многозначных мер пассивных электрических величин R,L,C , воспроизводящих их единицы 1r ,1l,1c

Гармоническое напряжение U$ (t), прилагаемое к предварительному преобразователю, формируется на основе воспроизведения единиц напряжения 1u и времени lj  Генерирование гармонического напряжения осуществляется в современных системах управления программно с использованием преобразователя код-напряжение.

Гармоническое напряжение U$ (t), прилагаемое к предварительному преобразователю, формируется на основе воспроизведения единиц напряжения U и времени lj  Генерирование гармонического напряжения осуществляется в современных системах управления программно с использованием преобразователя код-напряжение.

Над выходным напряжением Uх (t) предварительного преобразователя выполняются операции формирования отношений Um Ни и ф / lj

В задачах, где требуется определение трех и более параметров ППП, дополнительные уравнения преобразования могут синтезироваться следующими способами:

- изменение комплексного сопротивления опорного элемента предварительного преобразователя;

- изменение частоты и амплитуды (при нелинейности объекта исследования) гармонического напряжения, приложенного к объекту.

Современные средства измерений все чаще имеют режим автокалибровки (самоповерки [2]). Наличие группы мер пассивных электрических величин, рассматриваемых как однородные меры комплексного сопротивления, позволяет организовать автокалибровку с использованием тех мер, которые не включены в конкретную схему предварительного преобразования.

Заключение

Предложена структурная модель процесса одновременного преобразования в код аналоговой информации о составляющих иммитанса параметрического первичного преобразователя. Модель может стать основой для разработки универсального вторичного преобразователя информации от параметрических первичных преобразователей. Использование универсального вторичного преобразователя, способного обрабатывать и представлять в цифровой форме информацию от параметрических первичных преобразователей всех типов в системах управления различного назначения, позволит существенно улучшить их технико-экономических показатели.

Список литературы

1. Мартяшин, А. И. Перспективные направления развития измерителей параметров многоэлементных электрических цепей / А. И. Мартяшин, А. В. Светлов // Актуальные проблемы науки и образования : тр. Междунар. юбилейного симп. -Пенза, 2003. - Т. 2. - С. 288-290.

2. Агамалов, Ю. Р. Виртуальный самоповеряемый анализатор иммитанса с адаптивными функциональными возможностями / Ю. Р. Агамалов, Д. А. Бобылев, Л. П. Боровских, В. Ю. Кнеллер // Датчики и системы. - 2008. - № 7. -С. 21-27.

92

University proceedings. Volga region

№ 3 (35), 2015 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника

3. Шлыков, Г. П. Теория измерений: уравнения, модели, оценивание точности : учеб. пособие / Г. П. Шлыков. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2008. - 100 с.

4. Кнеллер, В. Ю. Автоматическое измерение составляющих комплексного сопротивления / В. Ю. Кнеллер. - М. ; Л. : Энергия, 1967. - 388 с.

References

1. Martyashin A. I., Svetlov A. V. Aktual’nye problemy nauki i obrazovaniya: tr. Mezhdu-nar. yubileynogo simp. [Urgent problems of science and education: proceedings of the International anniversary symposium]. Penza, 2003, vol. 2, pp. 288-290.

2. Agamalov Yu. R., Bobylev D. A., Borovskikh L. P., Kneller V. Yu. Datchiki i sistemy [Sensors and systems]. 2008, no. 7, pp. 21-27.

3. Shlykov G. P. Teoriya izmereniy: uravneniya, modeli, otsenivanie tochnosti: ucheb. posobie [Theory of measuring: equations, models, accuracy estimation: tutorial]. Penza: Izd-vo PGU, 2008, 100 p.

4. Kneller V. Yu. Avtomaticheskoe izmerenie sostavlyayushchikh kompleksnogo sopro-tivleniya [Automatic measuring of complex resistance components]. Moscow; Leningrad: Energiya, 1967, 388 p.

Баранов Виктор Алексеевич кандидат технических наук, доцент, кафедра информационно -измерительной техники и метрологии, Пензенский государственный университет

E-mail: baranov_va2202@mail.ru

Светлов Анатолий Вильевич

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой радиотехники и радиоэлектронных систем, Пензенский государственный университет

E-mail: rtech@pnzgu.ru

Ломтев Евгений Александрович доктор технических наук, профессор, кафедра информационно-измерительной техники и метрологии, Пензенский государственный университет

E-mail: iit@pnzgu.ru

Цыпин Борис Вульфович

доктор технических наук, профессор, кафедра ракетно-космического и авиационного приборостроения, Пензенский государственный университет

E-mail: cypin@yandex.ru

Baranov Viktor Alekseevich Candidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of informationmeasuring technology and metrology,

Penza State University

Svetlov Anatoliy Vl'evich Doctor of engineering sciences, professor, head of sub-department of radio engineering and radio electronic system, Penza State University (40 Krasnayа street,

Penza, Russia)

Lomtev Evgeniy Aleksandrovich Doctor of engineering sciences, professor, sub-department of information-measuring technology and metrology, Penza State University (40 Krasnayа street,

Penza, Russia)

Tsypin Boris Vul'fovich Doctor of engineering sciences, professor, sub-department of space-rocket and aircraft instrument engineering, Penza State University

Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 93

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

УДК 681.586 Баранов, В. А.

Универсальный вторичный преобразователь для систем с параметрическими первичными преобразователями информации / В. А. Баранов, А. В. Светлов, Е. А. Ломтев, Б. В. Цыпин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2015. - № 3 (35). -С.86-94.

94

University proceedings. Volga region