CC BY
112. Нестеров В.Н. Инвариантные измерительные мосты для измерения крутящего момента // Метрология. 1992. № 12. С.28-36.
3. А.с, 1195263 СССР, МКИ G 01 R 17/10. Измерительный преобразователь / В,В.Пащенко. № 3707017/24-21; За-явл. 26.12.83; Опубл. 30.11.85. Бюл. Ns 44.
4. Мартяшин А.И., Куликовский К.Л., Куроедов С.К. ы др. Основы инвариантного преобразования параметров электрических цепей / Под ред. А.И, Март*шина. М.: Энергоатомиздат, 1990. 216 с.
5 Инвариантные параметрические измерительные преобразователи для измерительных приборов и автономных систем: Учеб. пособ, / В.Н.Нестеров. Самара: Самарский гос. техн. ун-т, 1998. 56 с.
6 Нестеров В.Н. Двухканальные параметрические измерительные преобразователи с линейными функциями преобразования // Измерительная техника, 1999. № 5. С. 39-45.
УДК 681.3
А.И. Никонов, В.А. Гурьев
Самарский государственный технический университет
О ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ МОДЕЛИРОВАНИИ ПРИ УЛУЧШЕНИИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ С ИНДУКТИВНЫМИ ДАТЧИКАМИ
Представлены структурные параметрические модели измерительных преобразователей перемещений, содержащих индуктивные датчики, Эти модели отображают ряд измерительных устройств со сниженными температурными погрешностями.
It will presented structural parametrical models of the measuring transducers of the displacement, containing inductive sensors. These models represent the series of measuring devices with reduced temperature inaccuracy.
К настоящему времени создан и получает дальнейшее развитие - особенно применительно к области измерительной техники - метод улучшения технических объектов, который основан на поэтапном исследовании составленного экспертом ряда описаний, относящихся к объектам-аналогам (по заданному назначению, заданной физической базе), и формировании соответствующих приемов, принципов технического совершенствования [1-7].
Общая концепция проведения упомянутого исследования связана с представлением исходного описания очередного технического решения из составленного ряда в виде перехода от объекта-прототипа к объекту, имеющему улучшенные характеристики заданного вида. При этом, в частности, составляется модель действия такого улучшенного объекта, представляющая заданную характеристику, чем обосновывается объективность её оценки. Далее в качестве улучшаемых объектов рассматриваются технические устройства - измерительные преобразователи перемещений с индуктивными датчиками.
При составлении моделей действия технических устройств полезно обращаться к аппарату параметрических структур как рациональному виду знакового операционного моделирования [7-8]. Величины, отображаемые в параметрических структурах, относятся к достаточно широкому кругу физических цепей и подчиняются известным критериям физических аналогий [3-6, 9-11]. Отображение взаимосвязей величин единой или неодинаковой физической природы производится здесь с помощью графоаналитических средств - параметрических структурных схем (ПСС). Распространенные типовые звенья данного графоаналитического аппарата для случаев моделирования линейных цепей представлены на рис. 1 и рис. 2.
На рис. 1 отображены внутрицепные прямо-пропорциональные зависимости типов “входная величина в - выходная величина вв] ” и “входной параметр П - выходная величина вв2
ва1 =77ce, вв2 -sjl,
где Пс - постоянный параметр (например, емкость, активное сопротивление, индуктивность); вс. - величина постоянного уровня, представляющая собой также постоянный параметр зависимости ев2(Я).
На рис. 2 показаны звенья межцепных прямо-пропорциональных преобразований входной величины ба какой-либо фиксированной природы в выходную величину вв^ или в выходной
параметр Пх другой природы (а, X - индексы цепей, отличных друг от друга по физической сущности):
ввХ ~ кав\ва > =каПХва '■>
кавХ > * а/7/. ' коэффициенты межцепных преобразований, параметры соответствующих прямопропорциональных зависимостей.
П„
м
п
’«2.
«с
а б
Рис. 1. Внутрицепные прямо-пропорциональные преобразования величины (а) и параметра (б)
^аПЛ ^ "д
—-—► ►
а 6
Р и с. 2. Межцепные прямо-пропорциональные преобразования величины в величину (я) и параметр {б)
В аппарате ПСС преобразования непрерывных величин распространено также использование звеньев временного дифференцирования, интегрирования, алгебраических операций, производимых с величинами в пределах данной цепи или за счёт введения специализированных устройств [3-6, 9-11].
Способность ПСС к визуализированным агрегатированию и декомпозиции (до детализации на уровне элементарных параметров) [12] обеспечивает возможность достижения приемлемой степени выделения проблемных участков в процессе исследуемого измерительного преобразования. Это, в свою очередь, дает возможность пользователю, исследователю, разработчику сконцентрировать свои усилия по улучшению устройства, реализующего данный процесс.
Применительно к совершенствованию преобразователей перемещений с индуктивными датчиками свойства ПСС позволяют в рамках метода поэтапной выработки приемов технического совершенствования построить ряд последовательно улучшаемых моделей их действия. Построение такого ряда рассматривается ниже; за признак улучшения принято снижение температурной погрешности измерительного преобразования перемещений.
а б
Р и с. 3. Функциональная схема исходного преобразователя перемещений (а) и ПСС его действия (б)
На рис. 3 а изображена функциональная схема исходного измерительного устройства -преобразователя перемещений с одинарным индуктивным датчиком (рабочая обмотка L1 и подвижный элемент ПЭ [13]) и блоком детектирования БД, имеющим высокоимпедансный вход. Блок детектирования, представленный на схеме функциональным звеном, производит
выделение выходной величины и°(Х), пропорциональной уровню огибающей переменного
(считываемого) напряжения и°сч, которое выделяется на обмотке LJ с индуктивностью Lj и активным сопротивлением г; X ~ измеряемая координата ПЭ. Рабочая обмотка и добавочный резистор R1 образуют последовательное соединение - ветвь считывания первичной информации; г = Im sin ю/ - переменный ток (амплитуды 1т и круговой частоты со), питающий ветвь
считывания и создаваемый соответствующим источником; г - время. Верхние нулевые индексы величии типа и отображают исходную позицию, занимаемую данным техническим решением в формируемом ряде измерительных устройств-аналогов; ИД - индуктивный датчик.
В ПСС действия данного измерительного устройства, представленной на рис. 3 б, внимание сразу привлекают параметры, которые зависят от колебаний температуры среды установки датчика 0. такие, как активное сопротивление обмотки г = г(©) и её начальная индуктивность
16=16(&) = 1]\х^0 .
Приращение индуктивности рабочей обмотки вызывается сдвигами ПЭ вдоль оси измеряемых перемещений и имеет вид
М, =£*\
где I - коэффициент (крутизна) преобразования механической величины - перемещения X в электрический параметр Д1Х . Кроме того, на рис. 3 б приняты следующие обозначения; БСО -базовая структура обмотки: р - символ временного дифференцирования с!/Ж : Ка - коэффициент преобразования блока детектирования.
Практически наиболее зависимым от температуры параметром рабочей обмотки обычно является её активное сопротивление. Освободиться от влияния нерабочих изменений данного параметра на результат измерительного преобразования помогает способ [14], который можно представить как ориентированный на дискретизацию считываемого переменного напряжения в моменты /, прохождения тока /' (для определенности - на участках возрастания функции /(/)) через н\ левые значения.
Тогда для сигнала Ы(И = ы'л . выделяемого на рабочей обмотке, действительно соотношение
иро\ь ={й1с1* + 11 <"Х " кТ •
где к - индексы периодов наблюдения за процессом преобразования: Т - длительность одного периода.
Функциональная и параметрическая схемы соответствующего улучшенного технического решения изображены на рис. 4. где, в частности, обозначено: УВХ - устройство выборки-хранения: КУВ - канал управления выборкой; входы УВХ и КУВ являются высокоимпеданс-ными: и1( = Ш -сигнал переменного напряжения, снимаемый с добавочного резистора .
( "
/Ї1
ИД
£.15 | ПЭ
* УВХ
КУВ
БПС
и.
и.
* К,
ШІ
а о
Р и с. 4. Функциональная (а) н параметрическая (б) схемы реализации дискретизаштонного преобразования перемещений с использованием одинарного датчика
Верхние единичные индексы величин типа и фиксируют факт первого улучшения в рассматриваемом ряде преобразователей перемещений. Вертикальной чертой, собирающей дуги -изображения выходов БСО и резистора Я1, отражено осуществление естественного суммирования данных выходов в ветви считывания £1-Я1.
Действие УВХ и КУВ может быть выражено следующим образом:
Мв ~ сч \ ^ ” иро\^ ’ ~ * ^1с/ ~ *
кн|»|Д=ц1(ия(/)), к1н(,=£/|1(кы1ид),;
/Ш[] - символ функции, обратной зависимости и н -> и1с]:
!(•) - ступенчатая функция с высотой ступени (У,;
(•), - символ временной производной величины, указанной в скобках.
Выходной сигнал данного преобразователя, формируемый и обновляемый в моменты времени , влиянию сопротивления /■(©) не подвержен.
Возможность более значительного снижения температурной погрешности преобразования перемещений в устройствах рассматриваемого вида связана с устранением влияния температуры на начальную индуктивность рабочей обмотки. Для этого в ветвь считывания первичной измерительной информации вводится вторая рабочая обмотка Ы с индуктивностью I,, а в состав аппаратуры обработки первичной информации - схема вычитания СхВ (рис. 5 а). При этом смешения ПЭ вдоль оси измеряемых перемещений вызывают разнозначные приращения индуктивностей Ц и Ь2 в обмоточной паре £1-£2:
1| = Ь5 ~ А1Х ; 12~16+ АЬХ.
Параметрическая структура реализации предлагаемого измерительного принципа показана на рис. 5 б; 2 - символ алгебраического суммирования, в данном случае - вычитания. Верхняя индексация со значением 2 соответствует второму улучшению в рассматриваемом ряде технических решений; БС01, БС02 - обозначения первой и второй базовых структур последовательно соединенных обмоток; ДИД - дифференциальный индуктивный датчик; илп , ил-переменные напряжения, выделяемые на первой и второй рабочих обмотках ДИД.
БПС1
БПС2
•ро\
pt)2
t1
гч!
*£ГГ
/с
б
Р и с. 5. Функциональная (а) и параметрическая (б) схемы реализации дискретизационного преобразования перемещений с использованием дифференциального датчика
Общее напряжение, считываемое с ветви L\~-L2~ R\, и напряжение, снимаемое с совокупности компонентов данной ветви L2-R\, а также сигнал, формируемый схемой вычитания, представляются следующим образом:
исч\ ~ s'n wr(2r + R) + 2(л161т cos см ; исч2 = Ли s'n + Л) + ю^гЛи coscof;
Uy =2и^2 -Исч1 = RJm siniw + 2{йД1Л'/„, costat.
Выходное напряжение преобразователя, формируемое и обновляемое в моменты времени td. имеет вид
и? =uL(td) = 2<aJmlX.
Отсюда следует, что в данном случае на результат измерительного преобразования не влияет температурозависимый параметр - начальная индуктивность рабочей обмотки i5(0).
Рассмотрение звеньев выработанных параметрических структур формирования первичной измерительной информации показывает, что при необходимости расширения набора улучшаемых преобразователей перемещений параметрическая модификация будет затрагивать также коэффициент межцепной зависимости “перемещение - приращение индуктивности рабочей обмотки”.
Итак, применение аппарата ПСС обеспечило возможность формирования ряда типовых технических решений с последовательно улучшаемыми метрологическими характеристиками измерительного преобразования перемещений, положений. При этом выбор того или иного типового образца преобразователя может производиться пользователем, разработчиком соответствующей измерительной системы, содержащей индуктивные датчики, исходя из оценки задаваемого соотношения “погрешность преобразования - сложность измерительного устройства”.
Разработанные параметрические структуры обладают и более широкими функциональными возможностями, поскольку при знаковом моделировании систем указанного вида их техни-250
ческая сущность оказывается приспособленной к отображению границ отклонений выходных величин моделируемых устройств от своих номинальных уровней, т.е. к отображению соответствующих метрологических характеристик. Это имеет большое значение для достижения целей создания самих измерительных систем и обеспечивает дальнейшую востребованность предложенных ПСС действия преобразователей перемещений,
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Никонов Л И. Исследование индуктивных преобразователей перемещений с ферромагнитными кодовыми дорожками: Дне. ... канд. техн. наук, Уфа, 1977. 194 с,
2 Зарипов М.Ф., Файруишна ТА., 3айнутдинова Л.Х., Мамаджапов А.М. Выявление обобщенных приемов улучшения основных характеристик преобразователей с распределенными параметрами И Теория информационных систем и систем управления с распределенными параметрами: Матер. Всесоюзн. симпозиума ТИССУРП-Ш М ■ Наука. 1978. С. 148-153.
3 "Элементы электромагнитных преобразователей перемещений: Учеб. пособ. / М.Ф. Зарипов, А.И. Никонов: Уфа: Уфим. авиаи. ин-т, 1980, 92 с,
4. Зарипов М.Ф.. Никонов А.И.. Петрова И.Ю. Элементы теории информационных моделей преобразователей с распределенными параметрами. Уфа; Ьашк. филиал АН СССР, 1983, 156 с.
5. Энерго-информационный метод научно-технического творчества: Учеб.-метод, пособ. / М.Ф. Зарипов, Н.Р. Зайнуллин. И.Ю. Петрова; М.: ВНИИПИ, 1988. 125 с,
6. Введение в анализ характеристик управляющих и измерительных систем: Учеб. пособ. / А.И. Никонов,
B. К. Семенычев: Самара: Самар, гос. техн. ун-т, 1997. 64 с,
7. Введение в автоматизированные информационные системы совершенствования технических изделий: Учеб. пособ. / А.И. Никонов. Е В. Погорелова, Е.П. Черкасский: Самара: Самар, гос. техн. ун-т, 1997. 56 с.
8. Никонов А.И., Говгрдовский Н.Н. Формирование обучающего режима обобщения принципов технической модернизации // Приборы, системы, информатика: Сб. тр. Самара: Самар, гос. техн. ун-т, 1997. С. 66-69.
9. Никонов А.И. Формы типовых структурно-параметрических отображений // Вестн. Самар, гос. тех. ун-та. Вып. 20. Сер. Техн. науки. Самара: Самар, гос. техн. ун-т, 2004. С. 78-85.
К). Никонов А.И. Критериально-множествеиная основа формирования операционных моделей физических цепей !!
Вестн. Самар, гос. техн. ун-та. Вып. 26. Сер. Физ.-мат. науки. Самара: Самар, гос. техн. ун-т, 2004. С. 174-179.
11. Никонов А.И. Операционно-параметрическая сеть с участками суммирования // Мат. моделирование и краевые задачи: Тр. Всерос. науч. конф. Ч. 2. Самара: Самар, гос. техн. ун-т, 2004. С. 184-186.
] 2. Никонов А.И. О задачах определения компонентов - величин о пе рацион но-параметрических моделей // Успехи современного естествознания. 2004. № 8. С. 123-124.
13 СрибнерЛ.А Точность индуктивных преобразователей перемещений. М.: Машиностроение, 1975. 105 с.
и. Заявка № 2319875. Франция. Способ определения положения магнитного стержня, главным образом, регулирующего стержня ядерного реактора ! Дарденн Р. (Бельгия) Н Изобретения стран мира. Вып. 43. 1977. № 7.
C. 59.
УДК 32.81 С. П. Орлов
Самарский государственный технический университет
МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУР СЛОЖНЫХ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
Several algebraic models of variable information measurement systems are considered. The recursive aU gorithm describing set sti-uctures is suggested. The graphic model based on the distributed lattice applicable for variable structure of complex systems is proposed.
Рассмотрены алгебраические модели развивающихся информационно-измерительных систем. Приведены рекурсивные соотношения описания множества структур. Представлена графическая модель дистрибутивной решетки, описывающей развитие структуры сложной системы.
Целенаправленные системы характеризуются не только набором выполняемых функций, но и теми элементами и устройствами, которые реализуют эти функции. Таким образом, функциональные и структурные описания взаимно дополняют друг друга.
Для исследования сложных иерархических систем обработки информации и управления необходимо использовать модели, ориентированные как на анализ, так и на синтез систем.
В работе [1] было введено понятие частично упорядоченной системы. Системой называется
тройка факторов:
чНч^адсч',,'^)),
где Ч^и — модель, описывающая поведение системы;
