CC BY
7В результате широкого освоения гидроэнергетических ресурсов, в будущем цены на электроэнергию не увеличатся. Поэтому, по сравнению с другими, рассмотренными нами не выделяющимися значительными гидроресурсами странами, Грузия со своей климатогеографическими условиями по масштабам внедрения ТНУ окажется в более лучшей ситуации.
В будущем в результате введения в стране дифференцированных тарифов на электроэнергию, еще более эффективными станут теплонасосные системы теплохладоснабжения в промышленности и в сфере коммунально-бытового хозяйства для обеспечения теплом систем отопления и горячего водоснабжения.
Выводы
Проведенные нами исследования по установлению экономической эффективности по применению ТНУ в системах кондиционирования воздуха по сравнению с традиционными системами, показали, что с использованием комплексных систем теплонасосного теплохладоснабжения потребление органического топлива уменьшается на 30^40%, а годовые затраты на 21^32%. Вместе с тем, полностью исключается загрязнение окружающей среды продуктами сгорания органического топлива, что
радикально улучшит экологическую ситуацию в стране.
Литература
1. Мирианашвили Н.А., Везиришвили О.Ш., Маграквелидзе Т.Ш., Ломидзе Х.Н. Технико-экономические показатели систем кондицирования воздуха с использованием тепловых насосов// Сборник трудов конференции, фонд «Зеленая земля», Тбилиси, 2003 г. с. 131-134.
2. Везиришвили К.О., Мирианашвили Н.А. Обощение результатов опыта эксплуатации тепловых насосов для тепло и хладоснабжения технологических и комфортных систем// Труды ИСУ АН Грузии. №6, 2002 г. с. 93-95.
3. Мирианашвили Н.А., Везиришвили О.Ш., Джаникашвили М.К. Оптимизация децентрализованных систем теплохладоснабжения с применением теплонасосных установок// РСРЕ-2004. Тбилиси 27.09.2004 - 1.10.2004. РЕ 12(575-578).
4. Мирианашвили Н.А., Везиришвили К.О., Джаникашвили М.Г., Везиришвили О.Ш. Охрана окружающей среды при применении энергоснабжа-ющих теплонасосных установок// Сборник докладов международной научной конференции «Информационные технологии в управлении», Тбилиси, 2007. с. 462-464.
СТРУКТУРНИЙ МЕТОД ЗМЕНШЕННЯ ПОХИБКИ ВИМ1РЮВАЛЬНОГО ПЕРЕТВОРЮВАЧА
ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛ1ННЯ ОСВ1ТЛЕННЯМ
Семенець Д.А.
Навчально-науковий професiйно-педагогiчний iнститут У1ПА (м. Бахмут) кандидат технiчних наук, доцент
Бахмут
STRUCTURAL METHOD FOR REDUCING TRANSDUCER ERROR FOR LIGHTING CONTROL
SYSTEMS
Semenets D.
Educational and Scientific Professional Pedagogical Institute UEPA, (Bahmut) Ph.D., Associate Professor Bahmut
АНОТАЦ1Я
У робот розглянул основш принципи побудови вимiрювальних перетворювачiв на 6a3i фоточутли-вих pe3^TOpiB. Проаналiзованi принципи перетворення, особливосп 1х роботи, визначеш функци перет-ворення. Запропонований структурний метод полшшення метролопчних характеристик вимiрювальних перетворювач1в для використання 1х в системах управлшня штучним освiтленням. Отриманi розрахунковi спiввiдношення для шльшсно! оцiнки погршносп перетворення. Наданi рекомендаци для реалiзацil розг-лянутого методу.
ABSTRACT
The paper discusses the basic principles of constructing measuring transducers based on photoresistors. The principles of transformation, the features of their work are analyzed, the transformation functions are determined. A structural method for improving the metrological characteristics of measuring transducers is proposed for their use in artificial lighting control systems. Calculated ratios are obtained for a quantitative assessment of the conversion error. Recommendations for the implementation of the considered method are formulated.
Ключовi слова: система управлшня штучним освггленням; фоточутливий резистор; вимiрювальний перетворювач; точшсть перетворення.
Keywords: control the system by lamplight, photoresistor, measuring transformer, metrology description, exactness of transformation.
Постановка проблеми. Сучасна державна поливка енергозбереження обумовлюе жорстш ви-моги до ефективносп систем штучного освилення, i як наслвдок - до автоматизацп таких систем. Забез-печення санiтарних вимог одночасно з високим рь внем енергоефективностi вимагае як використання економiчних джерел свила, так i сучасних елект-ронних систем управлшня (стабшзаци) освилено-сп.
Протягом попереднiх рокiв в освилювальних пристроях використовувалися люмiнесцентнi лами для запалювання та стабшзаци струму яких засто-совували як електромагнiтнi, так i електроннi бала-сти. Однак !х використання, попри певну енергоо-щаднiсть у порiвняннi з лампами розжарювання, пов'язане з нетривалим термшом служби, тривалим часом вмикання, складнютю реалiзацil джерел свь тла динамiчного освiтлення, при якому яскравiсть джерела свiтла може змiнюватися в широких межах.
З появою свилодюдних джерел свила ряд вка-заних вище недолiкiв вдалося усунути. Використання таких освилювальних пристро!в, як свилодь одиi лiнiйнi лампи та свилодюдш прожектори, не-зважаючи на порiвняно бiльшу вартiсть, дозволило щдвищити !х якiснi та кiлькiснi свiтлотехнiчнi по-казники. Великий асортимент свiтлодiодних освплювальних пристро!в та електронних засобiв для регулювання !х струму обумовлюе можливосп створення ефективних систем управлшня, важли-вим компонентом яких е вимiрювальний перетво-рювач (ВП) рiвня освiтленостi [1].
В якостi вимiрювального датчика освiтленостi пропонуеться велика шлькють рiзноманiтних електронних елементiв. Фоторезистори для вимiрю-вання видимого спектру оптичного випромшю-
вання на базi сульфiду кадмiю (Ар ~ 0,53 мкм) ма-
ють порiвняно великий час вiдгуку (типове значення - 50 мс). Темновий ошр - порядку 1 МОм знижуеться нелiнiйно iз зростанням освiтленостi до приблизно 1 кОм. Спiввiдношення мiж опором Я i повною потужнютю падаючого свiтла вкрай нель
ншно 1 § ^ = а — Ь • 1 § (РА) , де Р - штенсив-
нiсть освiтлення; А - площа чутливо! поверхнi i а, Ь - константи. Температурна стабшьшсть резисторiв невелика i залежить ввд складу, методу виготов-лення i рiвня освiтленостi. Крiм того, нульове значення мiняеться з часом в межах до 20% за 1000 годин [2]. Тому застосування цих приладiв обмежене, осшльки вони непридатш для швидкого вщгуку або точного вимiрювання [3]. Проте, слщ ввдзначити, що цi датчики достатньо чутливi (кратнiсть змiни опору ввд темнового стану до нормовано! освиле-ностi досягае декiлькох тисяч), !х вартiсть невелика, тому виршення задач застосування !х в лока-льних системах управлiння штучним освiтленням е актуальним.
Ан&т останнiх дослщжень та публiкацiй. В дiйсний час достатньо багато уваги придiляеться
розробщ рiзноманiтних систем управлiння штучного освилення в умовах промислових та громадя-нських об'ектiв. При цьому широко використову-ються цифровi та комп'ютерно-штегроваш техно-логii, первиннi вимiрювальнi перетворювачi освiтлення працюють з АЦП, що дозволяе компен-сувати вiдомi закони похибок та забезпечувати но-рмативну точнiсть вимiрювань.
Завдання забезпечення на робочих мiсцях рь вня освiтленостi не нижчого вiд нормованою протягом усього робочого часу, запоб^ання нерацюна-льному використанню штучного свила в найбiльш свiтлий час доби, увiмкнення або вимкнення окре-мих груп свiтильникiв чи регулювання !х свило-вого потоку залежно вiд змiн природно! освилено-сл традицiйно вирiшуеться засобами штелектуаль-них систем управлшня [4]. Для вимiрювання рiвня освiтленостi використовують чутливi датчики на основi тонкоплiвкових фоточутливих резисторiв, фотодiоди (фототранзистори), спецiальнi штелек-туальш датчики з розширеним спектром вимiрю-вання та АЦП послвдовного наближення на основi комутовано! матрицi конденсаторiв, який, в свою чергу, обробляе вхвдш данi та передае !х порозря-дно, починаючи зi старшого розряду в комп'ютерну систему обробки даних.
Визначення мевир1шеми\ рашш частин за-гальноТ проблеми.
Iснуючi технiчнi рiшення використання фото-резисторних вимiрювальних перетворювачiв (ВП) в б№шосп спрямованi на !х використання в пристроях управлшня освиленням позицшно! дii. Питан-ням побудови ВП на базi фоторезисторiв з покра-щеними метрологiчними характеристиками придь ляеться недостатньо уваги.
При побудовi електронних ВП з фоторезисторами можна використовувати дешлька методiв, що забезпечують отримання необхвдних параметрiв то-чностi i бажаних характеристик. В сукупносл мето-дiв, вживаних для полiпшення метрологiчних характеристик, можуть бути видiленi: параметричш; з використанням зворотних зв'язкiв (ЗЗ); компенса-цiйнi i мостовi; структурш; тестовi; алгоритмiчнi; модуляцiйнi [5].
Мета публжаци. В представленiй роботi розг-лянутi та проаналiзованi найбiльш доступш струк-турнi методи пвдвищення точносп при розробцi ви-мiрювального перетворювача на базi фоторезисто-рiв для використання у аналогових локальних системах управлшня штучним освиленням.
Викладення основного матерiалу. До струк-турних методiв вiднесенi тi методи, при викорис-таннi яких завдяки наявностi регульованих або не-регульованих високоточних функцюнальних вузлiв i компонентiв, або змши структури перетворюваль-ного пристрою, можна отримати бажанi метролоп-чнi характеристики навиъ без використання негативного зворотного зв'язку. При цьому ВП виявля-ються структурно стiйкими (при застосуванш стiйких функцiональних вузлiв). Теоретично при
використанш структурних методiв не виникае проблем i3 забезпеченням стiйкостi i не вимагаеться ко-рекци характеристик функцiональних вузлiв, без яко1, як правило, не обходяться електроннi лан-цюги, охопленi ланцюгами ЗЗ [6].
Проте на практищ проблеми i3 забезпеченням спйкосп е завжди, оск1льки при створенш високо-точних електронних функцiональних вузлiв в бшь-шостi випадк1в застосовуеться ЗЗ в тому або ш-
шому виглядi. Структурнi методи завжди викорис-товуються у поеднаннi з параметричними i методами ОС. При ргшенш техшчно! задачi тдвищення точностi 1П структурнi методи е другими по значу-щостi шсля методiв зворотного зв'язку. 1х характерною особливютю е функцiональна стшшсть i вщ-сутнiсть яких-небудь проблем з 11 забезпеченням.
На рис. 1 показан спрощенi принциповi схеми найб№ш розповсюджених ВП з використанням фоторс шстор1в на 6a ;i операцшних гпдсилювгипв.
вимфювальнии шдсилювач
R1±AR
Fo,Qo
а) б)
Рис. .1. Принциповi схеми вимiрювальних перетворювачiв на 6asi фоторезистора
Перша схема (рис. 1а) - традицшний перетво-рювач «отр - напруга» з використанням одинарного мосту постшного струму. Потрiбний коефщь ент перетворення схеми отримуеться за допомогою рiзницевого вимiрювального пiдсилювача та при використанш сучасних тишв операцшних шстру-ментальних пiдсилювачiв точнiсть ввдтворення за-даних параметрiв е достатньо високою. Тобто, ос-новним елементом, який визначае функцш перетворення ВП та И точнiсть е мостова схема. Як показано у робот [7], чутливють мостово! схеми визначаеться рiвнянням
S
E
1
MU
(1)
R2 (1 + m)\q(1 +1/m) +1 + n]
де коефщенти п, т, q - кратнють опорiв схеми мосту по ввдношенню до опору фоторезистору Rf.
r2 = mr1; r3 = nr1; rinoa = qr1; R = mnR. При ввдомих та фiксованих значен-нях п та q чутливють максимальна при величин
m = *Jq (1 + q + n) , (2)
тобто для випадку мосту друго! симетрп ( R = R, R = R, n = 1) та q = 5, коефщь
ент m = yj5(1 + 5 + 1) « 6.
Функщя перетворення змiни опору фоторезистору A R в вихвдну напругу схеми мае вигляд:
R
U0 = A R1 • E-4-, (3)
0 1 A + A R • B
де A = RR + RR^ + R2-R3 + -RR4;
B _ R + R.
Друга схема (рис. 1б) - мули^братор на базi операцiйного шдсилювача, в якому фоторезистор ввiмкнено в коло ввд'емного зворотного зв'язку, за-вдяки чому опiр фоторезистора впливае на частоту та шпаруватють вихвдних прямокутних iмпульсiв. Перетворення «Отр - частота» («Отр - шпаруватють») е бшьш перешкодостiйким, вихвд схеми су-мiсний з цифровою системою управлшня без дода-ткового АЦП. Крiм того, бiльшiсть сучасних 1МС драйверiв для свiтлодiодiв та дiммерiв мае як ана-логовий вхвд напруги керування, так i вхiд Ш1М -управлiння, така схема спрощуе побудову автоматично! системи стабшзацп рiвня освiтленостi.
Функцп перетворення опору фоторезистив-ного датчика в шформацшш параметри - частоту
Fq та шпаруватють визначаються сшвввдно-
шеннями:
^о =
1
(R + A R) + R2
,(4)
R • CA 2(R + A R) + R
_ _ 2(R +AR) + R2
(R + A R) + R ' ( )
де A_ ln (1 + 2R / R ).
Незважаючи на вщносну простоту розгляну-тих схем ВП, технiчна реал1защя пристро1в перед-бачае наявнiсть визначених похибок перетворення, пов'язаних з реальними техшчними характеристиками елеменпв схем.
В дшсний час багато штелектуальних при-стро1в (iнтелектуальнi датчики, штелектуальш пе-ретворювачi, адаптивнi пристро! та шш1) реалiзу-
ють iз застосуванням структурних методiв полш-шення точносних характеристик. При подальшому розглядi структурного методу покращення точностi позначимо функцш перетворення основного ВП, параметри якого полшшуються, Кг. Необхвдну фу-
нкцш перетворення позначимо К. В структуру по-кращеного ВП (рис. 2а) введено прецизшний зворо-тний перетворювач ЗвП, функщя перетворення якого рiвна величиш, рiвнiй зворотному значенню необхцщо! функцп перетворення, тобто Кок = 1/К.
а) б)
Рис. .2. Структура стшкого точного електронного вим1рювального перетворювача
За умови Кг = К i вщсутносп погршносл перетворення буде справедливе рiвняння:
А X = X - ^ = X - X • К • — = 0
ОК К
Якщо у основного вимiрювального перетворювача е погрiшнiсть К = К + А К , то сигнали Х i УоК не рiвнi мiж собою i на виходi порiвняльного пристрою з'явиться сигнал АX, який дорiвнюе приведеному до входу сигналу погршносп перетворення. Вiн подаеться на вхщ допомiжного перетворювача, функщя перетворення якого К2 близька до необхщно! функцп з точшстю
К = К + А К2
Цей перетворювач перетворить сигнал погрш-ностi. У суматорi сигнал погршносп перетворення А У шдсумовуеться з сигналом основного перетворювача. В результат цього пвдсумкове значення погршносп iстотно зменшуеться.
/
У = X •
К -
А К А К2 К + А К
Тобто, суть методу полягае в тому, що за допо-могою зворотного перетворювача i порiвняльного пристрою визначаеться значення погрiшностi, приведено! до входу. Сигнал погршносп перетвориться у вихвдний сигнал за допомогою додатко-вого ВП, аналопчного основному. На виходi цього ВП з'являеться сигнал, близький за значенням до погршносл вихвдного сигналу основного ВП. Пд-сумовуючи сигнал погрiшностi з вихвдним сигналом основного ВП У вдаеться ютотно шдвищити то-чнiсть перетворення i полiпшити характеристики ВП.
Кшьшсну оцiнку впливу на функцш перетворення додаткових функцiональних вузлiв, прове-демо на пiдставi рiвнянь, що характеризують сигнали окремих функцюнальних вузлiв. При цьому враховуемо те, що зворотний перетворювач мае по-гршнють перетворення i заметь значення 1/К його функцiя перетворення може дорiвнювати
1/(К + А К3).
Отримано рiвняння для вихвдного сигналу:
КА К3 + А К2 А К3 + А К А К3 л
Враховуючи, що на практищ К >> А К i К + А К
г
К + А К3 У
~ К проводимо перетворення:
Л
(6)
1 -
У = X • К
V К
З метою подальшого спрощення знехтуемо складовими, що мютять в знаменнику другу стутнь функци перетворення, пiсля чого отримуемо:
' АК ^
А К А К2 А К3 А К2 А К3 +А К, А К
(7)
У = X • К
1+
(8)
V К , Таким чином, при використаннi структурного методу корекцп погрiшнiсть ВП в першу чергу за-лежить вiд точностi отримання необхщно! функци перетворення у зворотного перетворювача ЗвП.
Абсолютно аналогiчно можна показати, що су-матор вносить погршносп, як1 н1як не компенсу-ються за допомогою даних методiв. Погрiшнiсть
К К * у
суматора алгебра!чно пiдсумовуватиметься з погрь шнiстю зворотного перетворювача.
Технiчнi труднощi створення високояк1сних аналогових суматорiв обмежують потенцiйнi мож-ливостi запропонованого методу тдвищення точ-ностi. Доцiльно реалiзувати 1х спiльно з методами зворотних зв'язшв та операцп шдсумовування реа-лiзовувати цифровими методами.
При необхвдносп додаткового пiдвищення то-чностi аналопчно розглянутому можна створити додатково п ланцюпв корекци. Для кожного з таких шл вихвдний сигнал повинен зшматися з виходу суматора попереднього кола, який виконуе корекцш.
Для розглянутого структурного методу для за-безпечення iнварiантностi характеристик перетво-рення можливо виключити з структури другий пе-ретворювач К2, щентичний першому. Сигнал rorpi-шностi АХ, отриманий аналогiчно тому, як це було зроблено у випадку, розглянутому вище, пвдсумо-вуеться з вхщним сигналом в суматорi, який вста-новлений на входi схеми. При цьому буде досягну-тий той же ефект, що i у попередньому випадку. Проте вимоги до суматора, встановленого на вход!, рiзко зростають. Його нестабiльностi i погршносп збiльшуються в К разiв i кола корекци 1х нiяк не зменшують. Тому, не дивлячись на очевидш еконо-мiчнi переваги структури ВП, аналопчш (рис. 2б), на практищ застосовують дуже рiдко.
Можливосп iнварiантних структур електрон-них ВП поки використовуються недостатньо. Су-часний рiвень розвитку технологiй мжроелектро-шки, при використаннi яких вартiсть ВП мало зале-жить вiд шлькосл використаних в нiм елементiв, роль структурних методiв в створеннi прецизшних електронних ВП поступово збiльшуеться.
Слад звернути увагу на бiльшу, н1ж у звичай-них ВП, надшнють структур. Так, якщо один з пе-ретворювачiв К1 або К2 вийде з ладу, то працезда-тнiсть ВП збережеться, хоча метролопчш характеристики вийдуть за меж! нормованих значень.
Висновки та пропозицп. Реалiзувати переваги структурного методу пвдвищення точносп ВП вдаеться тшьки за наявносп високоточних взаемоз-воротних перетворювач!в i високояшсних сумато-р!в електричних сигнал1в. Якщо цього забезпечити не можна, то ефективнють застосування структурних метод!в тдвищення точносп буде невеликою.
Метод пов'язаний з апаратною надм!ршстю i вщповщно бшьшою вартютю i складнютю принци-пово! схеми ВП. Однак, сучасний стан технологш швелюе щ недол!ки, i к1льк1сть прецизшних ВП, в яких застосоваш структурн методи полшшення характеристик, безперервно збшьшуеться. При вико-ристанн! структурних метод!в пвдвищення точносп доводиться пред'являти жорстк1 вимоги до точносл i стабшьносп параметр!в i характеристик функщо-нальних вузл!в, що входять до складу 1П аналопчно
тому, як це доводиться робити в схемах з конверторами негативних опор!в i проввдносл. Тому на практищ структурш методи i методи зворотного зв'язку використовуються одночасно.
Розглянул в робот! особливосп методу для ВП свгглових величин дозволяють обирати оптималь-ний принцип перетворення та визначати техшчш параметри елеменпв ВП. Перспективою подаль-ших дослвджень е розробка математично! модел! та подальше комп'ютерне моделювання ВП з покра-щеними характеристиками з метою розробки шже-нерних рекомендацш для проектування перетворю-вач!в.
Лггература
1. Белякова I. Дослвдження електричних па-раметр!в свилодюдних джерел свггла /I. Белякова, В. Медвщь, В. Шсьцю, Р. Трембач // Вюник ТНТУ
- Тернотль : ТНТУ, 2014. - Том 75. - № 3. - С. 180187.
2. Джексон Р.Г. Новейшие датчики. / Р.Г. Джексон - Москва: Техносфера, 2007. - 384 с.
3. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник / Дж. Фрайден - Москва: Техносфера, 2005.
- 592 с.
4. Синеглазов В.М. Автоматична система ке-рування штенсившстю освгглення в навчальних та виробничих примщеннях / В.М. Синеглазов, М.Ф. Тупщин, М.А. Прокопчук // Електрошка та системи управлшня. - 2010. - №1(23). - С. 39 - 45.
5. Гусев. В.Г. Методы построения точных электронных устройств [Электронный ресурс]: учеб. пособие / В.Г. Гусев, Т.В. Мирина; науч. ред B.C. Фетисов - 3-е изд., стер. - М.: ФЛИНТА, 2012. -268 с.
6. Клаассен К. Основы измерений. Датчики и электронные приборы: Учебное пособие / К. Клаа-ссен - 3-е изд. - Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2008 - 352 с.
7. Миронов Э.Г. Метрология и технические измерения: учебное пособие / Э.Г. Миронов, Н.П. Бессонов. - М.:КНОРУС, 2015. - 422 с.
