Розвиток теорії та принципів побудови проблемно-орієнтованих засобів вимірювання імітансу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет “Львівська політехніка”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

05.11.05 - Прилади і методи вимірювання електричних та магнітних величин

Розвиток теорії та принципів побудови проблемно-орієнтованих засобів вимірювання імітансу

Хома Володимир Васильович

Львів 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант доктор технічних наук, професор Дудикевич Валерій Богданович, Національний університет “Львівська політехніка”, завідувач кафедрою “Автоматика і телемеханіка”

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Ціделко Владислав Дмитрович Національний технічний університет “Київський політехнічний інститут”, завідувач кафедрою “Інформаційно-вимірювальна техніка”

доктор технічних наук, професор Скрипник Юрій Олексійович, Київський державний університет технології і дизайну, професор кафедри автоматизації та комп'ютерних систем

доктор технічних наук, професор Сопрунюк Петро Маркіянович, Фізико-механічний інститут ім. Карпенка НАН України, завідувач відділом електричних вимірювань фізичних величин

Провідна установа Інститут електродинаміки НАН України, відділ електричних та магнітних вимірювань, м. Київ

Захист відбудеться “1” грудня 2000 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради

Д 35.052.08 у Національному університеті “Львівська політехніка” (290646, Львів-13, вул. С. Бандери,12, ауд.221 головного корпусу).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка”, Львів, вул. Професорська,1

Автореферат розісланий 27 жовтня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Луцик Я.Т.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В результаті постійного розширення сфери наукових досліджень, ускладнення і вдосконалення технологічних процесів сучасного виробництва збільшується номенклатура фізичних величин і технологічних параметрів, які потрібно вимірювати, та підвищуються вимоги до якості контролю. Важливе місце у колі подібних задач займає дослідження реакції фізичних об'єктів на проходження змінного струму - прикладне вимірювання імітансу. Основними перевагами такого контролю є висока інформативність, неруйнівна дія випробувальних сигналів на досліджуваний об'єкт, простота реалізації, придатність до повної автоматизації вимірювального процесу та оперативність в одержанні кінцевих результатів.

Застосування імітансного контролю для вирішення прикладних задач потребує розробки методичного та апаратного забезпечення. Методичне забезпечення полягає у створенні для досліджуваного об'єкту адекватного електричного аналога у вигляді деякого пасивного електричного кола і встановленні зв'язку між параметрами імітансу та властивостями об'єкту. Апаратне забезпечення є інструментом для одержання достовірної інформації про значення імітансу (елементів еквівалентної схеми заміщення), на основі яких дослідник користуючись відомими залежностями може визначати фізичні параметри об'єкта, що, власне, становлять мету дослідження. Тому розвиток і практичне використання імітансного контролю потребує вирішення питань у двох напрямках:

-створення багатоцільових вимірювачів, придатних для вимірювання імітансу нелінійних нестаціонарних багатополюсних об'єктів із складними схемами заміщення, що важливо для поширення імітансних методів на нові прикладні задачі та створення відповідного методичного забезпечення;

-побудови спеціалізованих засобів вимірювання імітансу, призначених для найбільш ефективного виконання конкретних прикладних задач у реальних умовах.

На сьогодні в світі випускається понад сто різних моделей автоматичних вимірювачів імітансу, причому крім традиційних вимірювачів LCR-параметрів, західні фірми пропонують прилади нового класу - частотні аналізатори імпедансу та комбіновані аналізатори імпедансу/електричних кіл/спектру, назви яких говорять самі за себе. Однак подібне розширення функціональних можливостей проходить не в напрямку поглиблення і розвитку імітансних методів контролю, а включення нових задач, які використовують споріднені вимірювальні перетворення. У той же час не існує окремого приладу, який би, наприклад, забезпечував вимірювання імітансу нелінійних нестаціонарних об'єктів у діапазоні частот.

Широкі функціональні можливості сучасних приладів вимірювання імітансу, наявність у їх складі значного програмно-апаратного забезпечення, розвинених засобів оброблення, візуалізації та зберігання результатів вимірювання зумовлюють високі ціни (тисячі-десятки тисяч доларів) і масогабаритні показники (кілька десятків кілограм). Це створює серйозні перешкоди на шляху застосування таких приладів як у ролі спеціалізованих, так і багатоцільових. Спільною особливістю прикладних задач вимірювання імітансу є їх доволі вузька орієнтованість, тому ряд функціональних можливостей серійних вимірювачів імітансу виявляються зайвими, причому така надлишковість у вигляді значних потужності споживання і маси унеможливлює проведення контролю поза лабораторними умовами. Крім того, важливим є пошук шляхів побудови вимірювачів імітансу із вищою швидкодією, ніж та, якою володіють існуючі прилади, що принципово необхідне при дослідженні швидкоплинних змін імітансу і визначальне для підвищення ефективності використання ресурсів ЕОМ у варіанті системного застосування.

Таким чином, створення приладів, що призначені для вимірювання імітансу при певних обмеженнях, зумовлених як специфічними зв'язками контрольованих фізичних величин із параметрами імітансу, так і особливими умовами експлуатації, - проблемно-орієнтованих засобів вимірювання імітансу (ЗВІ) є актуальною науково-технічною задачею у галузі електровимірювальної техніки.

Розробка теорії та принципів побудови проблемно-орієнтованих ЗВІ має особливе значення для розвитку науки і виробництва в Україні. Наприклад, при масовому випуску виробів мікроелектроніки визначальну роль відіграє неперервний параметричний контроль напівпровідникових структур імітансними методами, який дозволяє оперативно виявляти причини браку і корегувати перебіг технологічного процесу. Це у підсумку сприяє збільшенню відсотку виходу придатних виробів. Видобуток нафти, переробка нафтопродуктів та їх транспортування передбачають поточний контроль їх якості. У цьому напрямку перспективним також є використання імітансного контролю, зокрема імпедансної томографії

Профілактика та успішне лікування серцево-судинних захворювань у значній мірі залежить від своєчасного їх виявлення та точності діагностики. Важливе місце при вирішенні цієї проблеми відводиться реографії (імпедансній плетизмографії) - одному із методів ранньої діагностики, що відзначається доступністю застосування не лише у великих медичних закладах, але і в звичайних поліклініках.

Важко переоцінити можливості, які відкриває використання ємнісних, резистивних та індуктивних датчиків при контролі різних неелектричних величин не лише у промисловості, але і у таких сферах як біофізика, геологія, охорона довкілля та ін.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно з держбюджетним договором на виконання науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України за фаховим напрямком “Методи аналізу, синтезу, моделювання”, затвердженим наказом Міністерства освіти і науки України (№ держ. реєстр. 0100U000482), а також з тематичними планами проведення НДДКР у Державному університеті “Львівська політехніка” на госпдоговірних засадах з ВО “Мікроприлад” (договір №4892 “Віза-2” від 1.06.89), ВО “Полярон” (договір №24/92 від 11.02.93).

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є розробка нових напрямів побудови та методології проектування засобів вимірювання імітансу для широкого кола прикладних задач на основі використання можливостей сучасних методів та пристроїв цифрового оброблення сигналів.

У відповідності до поставленої мети завданнями досліджень були:

аналіз змісту перетворень вимірювальних сигналів на прикладі характерних прикладних задач імітансного контролю, систематизація вимог до основних характеристик проблемно-орієнтованих ЗВІ, оцінка придатності існуючих методів для побудови вимірювачів імітансу нелінійних, нестаціонарних, багатополюсних об'єктів із багатоелементною схемою заміщення, визначення пріоритетних напрямків та формулювання задач, які потребують вирішення;

створення теоретичних засад і розробка раціональних шляхів побудови проблемно-орієнтованих ЗВІ на основі узагальнення накопиченого досвіду проектування вимірювачів імітансу та якісно нових можливостей, що відкриваються при використанні сучасних методів та пристроїв цифрового оброблення сигналів;

покращання метрологічних характеристик вимірювачів імітансу прямої дії шляхом вдосконалення традиційних вимірювальних перетворювачів, застосування структурно-алгоритмічних методів корекції похибок, а також розширення набору структурних елементів, які забезпечують підвищення точності, швидкодії та гнучкості вимірювального каналу;

розвиток теорії цифрових автокомпенсаційних вимірювачів імітансу у напрямку підвищення ефективності процесу зрівноваження шляхом реалізації відомих алгоритмів і структур на сучасній елементній базі та розробки нових, які раніше не були відомі;

розробка методики й аналіз похибок окремих, в тому числі і нових, структурних елементів та ЗВІ в цілому із врахуванням специфіки вимірювачів імітансу та впливу широкого спектру притаманних їм дестабілізуючих факторів;

створення методології структурно-параметричного синтезу проблемно-орієнтованих ЗВІ із прогнозованими характеристиками, яка б враховувала інструментальні похибки, а також конструктивні обмеження на параметри структурних елементів;

розробка та впровадження в практику вимірювачів імітансу із покращеними метрологічними та експлуатаційними характеристиками на основі використання результатів теоретичних досліджень.

Об'єкт дослідження - імітанс нелінійних, нестаціонарних багатополюсних фізичних об'єктів із багатоелементною схемою заміщення.

Предмет дослідження - засоби вимірювання частотних, часових, просторових та енергетичних характеристик імітансу.

Методи дослідження. Методологічну основу дисертаційної роботи складає системний підхід до проектування засобів вимірювання імітансу нелінійних, нестаціонарних, багатополюсних фізичних об'єктів із багатоелементними схемами заміщення. Для теоретичних узагальнень і аналізу математичних моделей окремих структурних елементів ЗВІ, їх побудови й оптимізації використовувались теоретичні та експериментальні методи досліджень, що базуються на загальній теорії інформаційно-вимірювальної техніки, теорії похибок, теорії радіотехнічних кіл і сигналів, теорії автоматичного управління, спектральному аналізі, операторному численні, математичній статистиці, методах імітаційного моделювання на ЕОМ. Основні теоретичні результати роботи перевірені експериментально.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:

Запропонована класифікація прикладних задач вимірювання імітансу за принципом утворення сигналу вимірювальної інформації дозволила розширити уявлення про зміст та можливості методів дослідження властивостей фізичних об'єктів за допомогою змінного струму і вперше на спільній платформі створити теорію побудови приладів, орієнтованих на вимірювання частотних, часових, енергетичних та просторових параметрів імітансу.

Створена універсальна математична модель активних вимірювальних перетворювачів “імітанс-напруга”, яка просто реалізується у інженерній практиці; новітність моделі одержано за рахунок виділення нового об'єкта - еквівалентного коефіцієнту підсилення операційного підсилювача під навантаженням.

Одержали подальший розвиток методи покращання метрологічних характеристик вимірювачів імітансу прямої дії, що грунтуються на використанні структурно-алгоритмічної корекції похибок; розробка нових структур і алгоритмів стала можливою завдяки виявленню механізму впливу інерційності елементної бази на результати вимірювання імітансу й встановленню точних аналітичних залежностей, які пов'язують коригуючі сигнали із грубими результатами і параметрами вимірювальної схеми; реалізація запропонованої структурно-алгоритмічної корекції дозволяє на три порядки розширити діапазон робочих частот вимірювачів імітансу.

Теоретично доведено потребу та доцільність у розширенні набору структурних елементів і введенні до вимірювального каналу обчислювальних засобів, що послужило основою для розроблення якісно нового напрямку побудови швидкодіючих широкосмугових вимірювачів імітансу із цифровим обробленням сигналів, які здатні гнучко здійснювати обмін у площині характеристик “точність-швидкодія”.

Розвинуто теорію побудови цифрових автокомпенсаційних вимірювачів імітансу з обробленням інтегральних значень сигналів в аспекті підвищення ефективності зрівноваження; одержані важливі теоретичні співвідношення, за якими визначається умова алгоритмічної стійкості, зв'язок кількості кроків зрівноваження із похибкою прямого вимірювального тракту; запропоновано шляхи збільшення швидкодії при вимірюванні швидкоплинних змін імітансу.

Закладено новий напрямок у теорії вимірювання імітансу - автокомпенcаційні вимірювачі із одновимірною системою зрівноваження, перевагами яких є поєднання притаманної пристроям прямого перетворення високої швидкодії із точністю цифрових астатичних компенсаторів змінного струму, що досягається обробленням миттєвих значень сигналів вимірювальної схеми і застосуванням різницевих методів при формуванні компенсуючого сигналу.

Виявлені джерела похибок цифрового оброблення сигналів у засобах вимірювання імітансу і на основі опрацювання результатів імітаційного моделювання вперше оцінені закони розподілу й одержані апроксимаційні залежності між середньоквадратичними відхиленнями складових похибок та параметрами структурних елементів, а також вирази для оцінки довірчих значень статичних похибок, що дозволяє коректно нормувати похибки та синтезувати блоки цифрового оброблення.

Розроблена методологія проектування вимірювачів імітансу із передбачуваними характеристиками, що має особливо важливе значення для виконання пакету вимог, що ставляться до апаратного забезпечення тієї чи іншої прикладної задачі.

Практичне значення одержаних результатів полягає у наступному:

- синтезовано набір базових структур для побудови проблемно-орієнтованих ЗВІ, які належать до різних класів прикладних задач;

- створено придатну для використання у інженерній практиці методику параметричного синтезу окремих структурних елементів та ЗВІ в цілому;

- розроблені пристрої допускають реалізацію не лише у вигляді жорсткої структури, але і програмну, на процесорних комплектах, що дозволяє створювати на їх основі перестроювані гнучкі структури ЗВІ;

- створено та впроваджено у практику ряд вимірювальних засобів у тому числі і таких, що серійно випускаються вітчизняною промисловістю;

- запропоновані методики, алгоритми і структури можуть бути використані у процесі проектування інших споріднених засобів вимірювання, що базуються на аналогічних принципах побудови.

Основний зміст дисертаційної роботи складають результати досліджень виконаних автором в НДКІ “ЕЛВІТ” і на кафедрі “Автоматика і телемеханіка” Державного університету “Львівська політехніка” у період з 1990 до 2000 роки. Під керівництвом й за участю автора розроблені та впроваджені:

перетворювач параметрів імітансу для мікропроцесорного мультиметра ЦК-4801, який із 1993 року серійно випускається ВО “Мікроприлад”;

портативний цифровий вимірювач CLR АК-121, який із 1995 року серійно випускається ВО “Полярон”;

вимірювальний канал комп'ютерного аналізатора показників кровообігу;

програмний пакет для комп'ютерного моделювання роботи широкого класу вимірювачів імітансу.

Особистий внесок здобувача. Із публікацій, написаних у співавторстві, здобувачу належить: 1, 7, 8 - математична модель активних перетворювачів, вирази для оцінки запасу їх стійкості та розрахунку похибок впливу дестабілізуючих факторів; 2, 4 - аналіз тенденцій розвитку приладобудування, обгрунтування потреби у дешевих малогабаритних вимірювачах CLR, комбінованих вимірювальних приладах із мікропроцесорним управлінням, проблемно-орієнтованих ЗВІ, а також доцільності побудови подібних пристроїв за методом прямого перетворення; 3 - розробка концепції застосування комбінованих алгоритмів зрівноваження, вивід залежностей кількості кроків зрівноваження від якості прямого вимірювального тракту; 5 - визначення та дослідження джерел похибок, встановлення вимог до динамічних характеристик цифроаналогових перетворювачів; 6 - розробка алгоритму прискореного одержання результатів вимірювання; 9 - розробка структури автокомпенсаційного вимірювача імітансу статичного типу з використанням ЦАП у перемножувальному режимі для виконання операції вектор-скалярного перетворення; 10 - розробка алгоритмів корекції похибок активного перетворювача “імітанс-напруга”.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи доповідалися на 7 міжнародних, 1 всесоюзній, 3 науково-технічних конференціях.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 45 наукових робіт у тому числі 27 статей у фахових виданнях, 3 авторські свідоцтва і 1 патент на винаходи.

Структура і обсяг. Дисертаційна робота складається із вступу, семи розділів, висновків, викладених на 289 сторінках друкованого тексту, 91 ілюстрації, 21 таблиці та 5 додатків, переліку цитованої літератури із 197 найменувань.

2. Основний зміст роботи

імітанс вимірювач енергетичний

У вступі відображено актуальність проблеми, обґрунтовано мету та основні задачі дослідження. Показано зв'язок роботи із науковими програмами, планами, темами. Сформульовано наукову новизну і положення, що виносяться на захист. Розглядаються практична цінність, реалізація і впровадження результатів роботи. Наводяться дані про особистий внесок здобувача, апробацію роботи і публікації.

У першому розділі подано коротку характеристику змісту і найпоширеніших сфер застосування методів контролю фізичних величин, що ґрунтуються на вимірюванні параметрів імітансу, а також проведено порівняльний аналіз існуючих методів побудови вимірювачів імітансу з оцінкою їх придатності для створення проблемно-орієнтованих ЗВІ та сформульовано основні завдання досліджень.

Аналіз широкого кола прикладних задач вимірювання імітансу показав, що з точки зору уніфікації вимірювальних операцій у проблемно-орієнтованих ЗВІ досліджувані об'єкти доцільно класифікувати за рядом таких ознак як чутливість до рівня електричного сигналу (лінійні та нелінійні), стабільність в часі параметрів імітансу (сталі та змінні), складність еквівалентної схеми заміщення (одно-, дво-, та багатоелементні), число полюсів (дво- та багатополюсні), за потребою у використанні додаткових стимулів, за способом підключення до приладу.

За поданою класифікацією до класичних задач запропоновано віднести вимірювання імітансу лінійних стаціонарних двополюсних об'єктів із одно- чи двоелементною схемою заміщення. Разом з тим серед задач прикладного вимірювання імітансу виділено чотири істотно різних класи:

вимірювання енергетичних характеристик імітансу при збудженні досліджуваного об'єкту електричним (напруга, струм) чи неелектричним стимулом (температура, тиск, освітленість тощо);

контроль часових змін імітансу без використання або ж із використанням разових чи періодичних сторонніх впливів;

аналіз частотних властивостей імітансу з метою визначення параметрів багатоелементних схем заміщення;

дослідження просторового розподілу імітансу багатополюсних об'єктів (імпедансна томографія, поелементний контроль змонтованих вузлів РЕА і т.ін.).

Існує ряд прикладних задач, у яких досліджуваним об'єктам притаманні дві та більше із перерахованих класифікаційних властивостей. Наприклад, реєстрація нерівноважних вольт-фарадних характеристик напівпровідникових структур ілюструє вимірювання імітансу нелінійних нестаціонарних об'єктів. Подібні складні об'єкти контролю вимагають системного підходу при вирішенні питань їх апаратного забезпечення.

На основі огляду найбільш поширених задач переважно промислового застосування узагальнено і систематизовано вимоги до характеристик проблемно-орієнтованих ЗВІ. Це зокрема висока швидкодія (у деяких випадках необхідно забезпечувати відлік поточних результатів вимірювання імітансу за час до 1 мс, що на один-два порядки вище, ніж у існуючих приладах); широкий частотний діапазон (від постійного струму до кількох ГГц); обмежений рівень тестового сигналу (при контролі напівпровідникових структур близько 20 мВ); великі рівні напруг і струмів зміщення (десятки Вольт, одиниці Ампер), висока чутливість (роздільча здатність понад 100 дБ); значна завадостійкість (відношення “сигнал/завада” не менше 80 дБ); віддаленість контрольованих об'єктів на десятки метрів. Типовим є застосування проблемно-орієнтованих ЗВІ у спряженні з персональними комп'ютерами, хоча у ряді випадків слід забезпечити можливість автономного використання вимірювачів імітансу, часто не в лабораторних умовах, що загострює вимоги до простоти реалізації, споживаної потужності, масогабаритних показників.

Однак попри перераховані підвищені вимоги до характеристик ЗВІ при вирішенні прикладних задач існують пом'якшуючі фактори, які слід якомога ефективніше використати у процесі проектування. Тут йдеться насамперед про помірну точність вимірювання (0,2-1%), певний, найчастіше ємнісний характер імітансу і невеликі діапазони зміни сигналу вимірювальної інформації (20-40 дБ), наявність апріорної інформації про досліджуваний об'єкт.

Показано, що за вимог високої швидкодії та помірної точності в основу побудови проблемно-орієнтованих ЗВІ доцільно покласти метод прямого перетворення або компенсаційний. У результаті зіставлення із кращими вітчизняними та зарубіжними вимірювачами CLR-параметрів було виявлено, що основний акцент при створенні проблемно-орієнтованих ЗВІ слід змістити на досягнення високої швидкодії, причому резервом для цього може стати майже на порядок нижча точність. Успішне розв'язання зазначеної наукової проблеми потребує попереднього розроблення на спільній платформі принципів побудови засобів вимірювання імітансу для всіх класів прикладних задач.

Другий розділ присвячено створенню теоретичних основ та розробленню із єдиних позицій основних принципів побудови вимірювачів імітансу нелінійних, нестаціонарних, багатополюсних об'єктів та об'єктів із складними схемами заміщення. Переосмислення і узагальнення досвіду створення універсальних вимірювачів імітансу на тлі можливостей сучасної елементної бази дозволило запропонувати концепцію трирівневої структурної організації ЗВІ, яка забезпечує найбільш раціональний розподіл функцій між структурними елементами вимірювального каналу з метою його уніфікації при вирішенні широкого кола прикладних задач.

Основна відмінність прикладних задач від традиційних полягає у вимірюванні й опрацюванні змін параметрів імітансу, а не просто їх значень. В досліджуваних об'єктах подібні зміни імітансу відбуваються природно або викликаються штучно (стимулюються) за допомогою спеціальних сторонніх впливів , таких як зміна частоти тестового сигналу, комутація полюсів, подача додаткового електричного зміщення чи імпульсів збурення і т. ін. У подібних випадках опрацюванню підлягає залежність активної і реактивної складових імітансу від параметрів стимулів

Очевидно, що для вимірювання змін імітансу вимірювальний канал повинен мати часові мітки , а оскільки спеціальні впливи це також певний процес, що розгортається в часі, то необхідна часова прив'язка (датування) поточних значень впливів із відповідними параметрами імітансу

.

Визначення шуканих фізичних величин на основі параметрів імітансу для багатьох прикладних задач пов'язане із складними обчисленнями. Щоб не ускладнювати структуру проблемно-орієнтованих ЗВІ, видається доцільним виконувати такі обчислення на ПЕОМ, що вже, як правило, є у розпорядженні дослідників. Це дозволить застосовувати сучасні потужні засоби статистичного оброблення, візуалізації і документування результатів контролю, що сприятиме спрощенню апаратної частини засобів вимірювання імітансу, а отже позитивно позначиться на їх ціні та масогабаритних показниках.

Таким чином, загальну структуру вимірювача при вирішенні задач імітансного контролю можна подати. ПЕОМ на основі прикладної програми через блок управління БУ керує апаратною частиною ЗВІ: синхронізує роботу його модулів, здійснює вибір конфігурації вимірювального каналу (ВК) й задає основні параметри вимірювальної процедури - період дискретизації , номери полюсів, поточні значення частоти

тестового сигналу генератора синусоїдної напруги ГСН, параметри стимульних впливів відповідного джерела ДСВ, тощо.

Кожен результат вимірювання активної і реактивної складових імітансу, як поточне значення в процесі його зміни, одержують при фіксованих параметрах сторонніх дій і зберігають у буферному запам'ятовуючому пристрої БЗП до передачі на верхній рівень (у ПЕОМ). Там спочатку встановлюється тривимірна інтерпретація імітансу шляхом прив'язування поточних результатів до параметрів впливів , а далі за відповідним методичним забезпеченням обчислюються шукані характеристики контрольованої фізичної величини. Очевидно, що допустима тривалість одного вимірювання не повинна перевищувати періоду дискретизації .

Конкретний вигляд вимірювального каналу, що охоплює нижній і середній рівні проблемно-орієнтованих ЗВІ, залежить від сукупності таких показників як точність, швидкодія, діапазон робочих частот, тип і параметри сторонніх впливів. Зміст перетворень, що відбуваються у ВК, та призначення його елементів, допоможе розкрити.

З метою найбільшої уніфікації вимірювального каналу при вирішенні широкого кола прикладних задач специфічні функції, пов'язані із сторонніми впливами на досліджуваний об'єкт, доцільно зосередити на нижньому рівні ЗВІ, що збігається із вимірювальною схемою (ВС). З точки зору інформаційних перетворень у ВС за участю зразкового резистора відбувається амплітудно-фазова модуляція тестової напруги як несучої

.

Вихідний сигнал ВС представляє собою вузькосмуговий процес, квадратурні обвідні і якого описують зміни активної та реактивної складових імітансу. В блоці виділення і вимірювання інформативних параметрів БВВІП (середній рівень) відбувається фазоквадратурне розділення складових в координатах тестової напруги та аналого-цифрове перетворення. Результати вимірювання передаються в буферний запам'ятовуючий пристрій.

Для вимірювання інформативних параметрів напруги можна застосовувати не лише вимірювальні канали розімкненого типу, але і такі, що реалізують принцип зрівноваження. Умовою використання таких пристроїв є наявність стабільного зворотного перетворювача СЗП, який на основі проінтегрованих у нагромаджуючому суматорі НС цифрових результатів вимірювання прямого каналу формує сигнал компенсації, наприклад, струм . Кожен поточний результат вимірювання імітансу одержують при досягненні повної рівноваги величин

на що потрібно певне число h відліків прямого каналу.

Для багатьох прикладних задач корисною інформацією є не повний імітанс, а лише його пульсації , які відбуваються на фоні переважаючої постійної складової

Забезпечити необхідну роздільчу здатність можна шляхом компенсації неінформативних параметрів імітансу безпосередньо у вимірювальній схемі, шляхом формування відповідного сигналу компенсації

Потрібно передбачити заходи щодо локалізації рамками ВС дії сигналів впливу, що не є носіями вимірювальної інформації про значення імітансу і в той же час можуть перешкоджати обробленню сигналів у ВК. Для цього використовується схема локалізації стимулів СЛС, вхідними сигналами якої можуть бути сам стимул чи складова від його дії у вихідній напрузі ВС

Щоб наведені структури задовольняли вимогам прикладних задач, у рамках кожного класу потрібно вирішити наступні завдання [29].

Як відомо, при прикладанні до кола з нелінійним імітансом гармонічної напруги струм у колі стає негармонічним, а подібні явища описуються лише за допомогою нелінійних диференційних рівнянь. Для спрощення процедури опрацювання інформативних параметрів сигналів при вимірюванні імітансу нелінійних об'єктів електричні сигнали впливу доцільно розмежувати за частотними ознаками: низькочастотна компонента у вигляді розгортки задає відповідне зміщення, а обмежена за рівнем гармонічна - використовується для формування сигналу вимірювальної інформації про поточне значення імітансу [14,19].

Низькі рівні сигналів, за яких нелінійність об'єкту ще не проявляється, потребують адекватного підвищення чутливості та завадостійкості вимірювального каналу, для чого до складу ВС вводять операційні підсилювачі та використовують завадостійкі алгоритми оброблення сигналів. Сукупним критерієм для оцінки лінійності ВК може бути відношення рівня шумів і вищих гармонік до значення інформативного параметру на виході каналу.

Подача зміщення до об'єкту, як правило, викликає появу постійної складової і навіть насичення у вихідних колах вимірювальної схеми, що негативно позначається на роботі вимірювального каналу й обмежує діапазон зміщення. Для вирішення цієї проблеми на схему локалізації стимулу покладається завдання компенсації постійної складової на виході ВС.

Вимірювальний прилад зі змінною контрольованою величиною представляє собою нестаціонарну систему, яка описується параметричними диференційними рівняннями. Раціональним способом розв'язання проблеми вимірювання швидкоплинних змін імітансу є забезпечення умов стаціонарності перебігу вимірювального процесу, що забезпечується таким скороченням тривалості вимірювання, впродовж якого зміною параметрів контрольованої величини можна нехтувати. За критерій стаціонарності ВК можна прийняти динамічну похибку, викликану зміною імітансу за час вимірювання, а виконанням умови стаціонарності вважати неперевищення згаданою похибкою заданого значення [13,18]. Завдання скорочення тривалості вимірювання особливо гостро постає у автокомпенсаційних структурах і пов'язане із пошуком ефективного зрівноважування. У цьому напрямі широкі можливості надають цифрові методи формування та оброблення сигналів [5,25].

Робота ЗВІ пов'язана із комутаціями у вимірювальній схемі, що супроводжуються перехідними процесами. Оскільки опрацювання вихідної напруги ВС можливе лише після їх згасання, то важливо покращувати динамічні характеристики вимірювальних схем. Щоб зменшити тривалість перехідних процесів, запобігають безпосередній дії імпульсного стимулу на ВС шляхом тимчасового відключення контрольованого об'єкту. Внаслідок дії імпульсних стимулів можливе явище поляризації досліджуваних об'єктів, що зумовлює появу постійної складової у вихідному сигналі ВС. Тому схема локалізації стимулів має виконувати дві функції - узгодженої комутації та вже згадувану компенсацію постійної складової.

Більшість реальних об'єктів представляється у вигляді складних багатоелементних схем заміщення, а у розпорядженні дослідника є лише два полюси для підключення такого об'єкту до приладу. При цьому значення параметрів первинних елементів зв'язані із складовими імітансу системою досить складних нелінійних рівнянь відносно параметрів цих елементів.

Один із поширених варіантів побудови ЗВІ об'єктів із складною схемою заміщення полягає у забезпеченні монохроматичності та можливості перестройки по частоті вимірювального каналу. Під монохроматичністю розуміють таку якість ВК, коли перешкоджаючим впливом вищих гармонік на результати вимірювання можна нехтувати. Перенастройка по частоті має за мету забезпечити необхідну широкосмуговість (діапазон робочих частот) вимірювача імітансу. На практиці це реалізується цифровим способом синтезування гармонічного тестового сигналу і застосуванням алгоритмів оброблення сигналів із значною вибірковістю [5,11].

Частотний діапазон вимірювального каналу, особливо тієї його частини, де відбувається виділення та вимірювання інформативних параметрів вихідного сигналу ВС, обмежений зверху зростаючими динамічними похибками. Втім дію тестового сигналу високої частоти досить обмежити рамками ВС, де, власне, проходить вимірювальне перетворення імітансу в електричний сигнал. У цьому випадку схема локалізації стимулів виконує масштабування частотного діапазону, тобто перенесення шляхом стробоскопічного чи гетеродинного перетворення інформативних параметрів сигналу ВС на нижчу робочу частоту ВК.

Сучасна елементна база дозволяє будувати широкосмугові вимірювачі імітансу, які без масштабування частот охоплюють діапазон від сотих долей герц до кількох мегагерц. Вимірювання імітансу в такій широкій смузі є багатогранною проблемою, характер якої прямо протилежний на кінцях діапазону. Так для низькочастотного діапазону характерна відсутність динамічних похибок, але тривалий час вимірювання. Справді, якщо звичні засоби формують результат за один період, то, наприклад, на частоті 0,01 Гц тривалість вимірювання недопустимо збільшується. Отже підвищення швидкодії ЗВІ у інтервалі наднизьких частот є актуальним завданням і вимагає нових підходів у своєму вирішенні.

У області частот понад 10 кГц навпаки постає проблема динамічних похибок, зумовлених інерційністю елементної бази. Оскільки, наприклад, на робочій частоті, 1 МГц, потенційна швидкодія методу прямого перетворення є надлишковою - 1мкс, то завдання полягає у пошуку ефективних способів її обміну на точність, зокрема розробки структурно-алгоритмічних методів корекції похибок, стабілізації характеристики перетворення вимірювального каналу за допомогою цифрового зворотного зв'язку. Це потребує включення до складу ЗВІ нових структурних елементів та дослідження їх метрологічних властивостей.

Специфіка вимірювачів імітансу багатополюсних об'єктів полягає у їх приналежності до багатовимірних систем. В зв'язку з цим потребують пророблення питання раціонального використання окремих структурних елементів вимірювального каналу на принципах часового і просторового розділення, зменшення негативного впливу на ВС комутуючих елементів і контактних пристроїв.

Таким чином, у світлі розглянутих теоретичних положень задача побудови багатоцільових вимірювачів імітансу зводиться до створення лінійного стаціонарного широкосмугового вимірювального каналу і послідовного його використання на різних відтинках часу, інтервалах частот, рівнях стимулів та комбінаціях пар полюсів із тривимірною інтерпретацією результатів вимірювання та обчисленням параметрів контрольованої фізичної величини на ПЕОМ. Для проектування ЗВІ під конкретну прикладну задачу додатково потрібно розробити методологію проектування, яка б дозволяла проводити структурно-параметричний синтез вимірювальних каналів на основі встановлених вимог, пріоритетів і обмежень.

В третьому розділі розв'язується задача вдосконалення характеристик вимірювальних схем для проблемно-орієнтованих ЗВІ у напрямку підвищення чутливості, стійкості до дії завад, шумів і дестабілізуючого впливу на результати вимірювання контактуючих пристроїв, комутаційних елементів та під'єднувальних проводів. Ефективному вирішенню згаданих задач сприяє використання у ВС операційних підсилювачів (ОП). Однак попри позитивні сторони наявність у складі таких активних перетворювачів імітансу в напругу (АПІН) операційних підсилювачів породжує проблеми пов'язані із їх інерційністю та обмеженою навантажувальною здатністю.

Однією із першочергових задач було створення адекватної до реалії та зручної для аналізу моделі АПІН. В основі аналізу операційних схем електронних пристроїв лежить їх передавальна функція (ПФ), яка враховує властивості самих ОП і контурів зворотного зв'язку. Передавальна функція найпоширенішої схеми АПІН при врахуванні лише найістотніших факторів, набуває досить складного вигляду

,

Де , і - відповідно вихідний опір, частота одиничного підсилення і коефіцієнт підсилення ОП без зворотного зв'язку на постійному струмі;

і - повні опори, що утворюють коло зворотного зв'язку;

- опір навантаження;

- опір, що шунтує вхід ОП.

Оперувати при дослідженнях таким виразом складно, тому автором запропоновано підхід [20], який дозволяє значно спростити структуру ПФ і зробити прозорішим аналіз впливу окремих факторів на властивості АПІН. Для цього вводиться допоміжна величина

, (1)

яку за фізичним змістом можна трактувати як еквівалентний коефіцієнт підсилення ОП під навантаженням. Тоді структура передавальної функції спрощується

, (2)

а вплив вихідного опору та навантаження враховуються у виразі еквівалентного коефіцієнта підсилення.

Одержані співвідношення дозволили виявити важливі переваги у застосуванні активних перетворювачів провідності над перетворювачами опору, зокрема контрольованість впливу ємності вхідного кабелю і вихідного опору операційного підсилювача. На основі виразів (1) і (2) ПФ вимірювальної схеми при перетворенні провідності в напругу можна подати у вигляді [20]:

, (3)

,

і , - нормоване подання результатів відповідно ідеального і реального вимірювання активної та реактивної складових .

У запропонованій моделі вплив ємності вхідного кабеля враховує стала часу

.

Еквівалентний коефіцієнт підсилення на інтервалі робочих частот апроксимується простим виразом

а коефіцієнт

характеризує відносне зменшення частоти одиничного підсилення ОП під навантаженням. Для багатьох ОП 100 Ом, тому є сенс обмежувати знизу значенням 100 Ом, за якого вдвічі звужується діапазон робочих частот, бо вже кожне наступне подекадне зменшення опору зразкового резистора викликає звуження на порядок діапазону робочих частот. До речі резистори з опором 100 Ом ще можна успішно комутувати інтегральними ключами при використанні триконтактних схем підключення [1]. На піддіапазонах із =10 кОм і вище впливом вихідного опору можна знехтувати, оскільки зменшується не більше, ніж на 1%.

Як випливає з виразу (3), ємність “екран-провід” вхідного кабеля обмежує діапазон робочих частот АПІН через зростання із швидкістю 40дБ/дек похибки статизму. Крім цього, негативний вплив ємності проявляється у зменшенні запасу чи навіть втраті стійкості АПІН та збагаченні шумів у вихідному сигналі через резонансний підйом амплітудно-частотної характеристики (АЧХ). У роботі обгрунтовано випадки доцільного застосування таких способів забезпечення стійкості як корекція АЧХ шляхом створення нулів за допомогою додаткових конденсаторів чи резисторів [8], неявне диференціювання [7], вирівнювання потенціалів проводу і екрану вхідного кабеля [16].

У рамках заходів із зменшення негативних проявів ємності вхідного кабеля, вирішувалася задача оптимізації динамічних характеристик вимірювальних схем у такій постановці - забезпечити максимальну швидкодію при запасі стійкості не менше 45. Розроблено відповідну методику і на її основі одержано вирази для розрахунку коректуючих елементів амплітудно-частотної характеристики АПІН.

Наприклад, значення коректуючої ємності, що відповідає сформульованому критерію оптимальності, визначається із співвідношення

При використанні швидкодіючих ОП після оптимізації можна розраховувати на сталу часу АПІН приблизно 10 мкс. Крім того, корекція АЧХ запобігає резонансному підсиленню шумів у ВС і зменшує його інтенсивність майже у 20 разів.

При застосуванні імітансного контролю існує ще один дестабілізуючий фактор - паразитні опори контактних поверхонь досліджуваного об'єкту під'єднувальних проводів та комутаційних елементів. Відомі АПІН із чотирипровідними схемами підключення забезпечують інваріантність до впливу опорів, але вимагають двоканальної логометричної структури вимірювального каналу, тобто апаратної і часової надлишковості. Як вихід запропоновано чотирипровідну шестизатискну схему підключення досліджуваних об'єктів, використання якої можливе в одноканальних структурах [1,4].

Розглянуто фактори, що обмежують діапазони електричного зміщення контрольованих об'єктів, запропоновано цифровий спосіб побудови тракту компенсації зміщення, який запобігає появі постійного зміщення у вихідному сигналі вимірювальної схеми і не погіршує її метрологічні властивості [14]. При великих значеннях та швидких розгортках сигналу зміщення ефективним є варіант, коли формування компенсуючого сигналу відбувається двояко: на основі самого сигналу зміщення і трактом зворотного зв'язку від дії постійної складової на виході ВС.

Одне із ключових завдань при проектуванні проблемно-орієнтованих ЗВІ - забезпечення потрібних метрологічних показників у широкому діапазоні частот - вирішується на рівні структури вимірювача, оскільки можливості методів націлених на зменшення впливу похибок окремо в рамках АПІН вже вичерпані.

Четвертий розділ присвячений покращанню метрологічних та експлуатаційних характеристик вимірювачів імітансу прямої дії. Розімкнена структура вимірювального каналу здатна забезпечити високу швидкодію та простоту реалізації ЗВІ, а в діапазоні низьких частот їй просто немає альтернативи. Проте через інерційність елементної бази, передовсім операційних підсилювачів, проявляються динамічні похибки, причому їх значення зростає пропорційно збільшенню частоти тестового сигналу як у АПІН так і при фазоквадратурному розділенні.

Дослідження механізму впливу динамічних похибок на різних етапах перетворення сигналів дозволило по-новому підійти до питань їх структурної компенсації. Автором запропоновано оригінальну схему АПІН придатну для побудови широкосмугових ЗВІ [24]. При цьому використовується цифровий спосіб зменшення паразитних фазових зсувів до значень менших 3 і апаратна компенсація залишкових впливів фазових зсувів у рамках цього сектора шляхом введення поправок до результатів вимірювання.

Структурні методи компенсації фазових зсувів не виключають потребу у застосуванні алгоритмічної корекції похибок, що передбачає одержання “грубих” результатів вимірювання та їх наступне “уточнення” виключно на основі оброблення за наперед розробленими правилами (алгоритмами). Привабливість такого підходу зростає особливо в сучасних умовах, бо поєднує максимальну простоту апаратної реалізації ЗВІ із широким використанням комп'ютерної техніки. Новим результатом у цьому напрямку стало створення автором ефективних і придатних до застосування в широкому діапазоні частот алгоритмів корекції похибок [26].

Щоб показати процедуру одержання зазначених алгоритмів спочатку виключимо із розгляду похибки, пов'язані із фазоквадратурним розділенням, а рівняння (3) запишемо у вигляді

, (4)

Величини

у виразі (4) можна трактувати як поправки, які необхідно додати до “грубих” результатів вимірювання, щоб компенсувати наявні похибки. Проте формування поправок за виразами на практиці нездійсненне, адже передбачає використання не лише результатів і , які реально одержують при вимірюванні, але й ідеальних і , що залишаються невідомими. Опускаючи проміжні викладки, наводимо вирази алгоритмів корекції статичної похибки АПІН за моделлю (3) при формуванні сигналів поправок виключно на основі “грубих” результатів

; ,

; ;

Інформацію про реальні значення величин і одержують без додаткових вимірювань шляхом оброблення результатів калібрування вимірювального каналу.

та можливість розширення вверх діапазону робочих частот на три порядки при застосуванні розробленого алгоритму (криві

зображають похибки вимірювання складових імітансу після застосування алгоритму корекції).

Усунути вплив паразитних фазових зсувів на етапі фазоквадратурного розділення (ФКР) пропонується за допомогою відомого алгоритму [10], що передбачає вимірювання не лише квадратурних складових вихідної напруги АПІН , але також опорної у деякому фіксованому ортогональному базисі, точність якого забезпечується цифровим способом формування опорних сигналів [5].

Створення засобів вимірювання імітансу нелінійних нестаціонарних об'єктів пов'язане із обмеженням рівня тестового сигналу та скороченням тривалості вимірювання. Через низькі рівні сигналів постає проблема забезпечення належної завадостійкості, причому її вирішення ускладнюється підвищеними вимогами до іншого конкуруючого показника - швидкодії. Застосування таких традиційних засобів забезпечення завадостійкості як синхронні детектори та АЦП інтегруючого типу видається проблематичним саме через недостатню швидкодію.

Як вихід, автором запропонована якісно нова структура ЗВІ, в основі якої лежить цифрове оброблення сигналів за кореляційним алгоритмом. На відміну від традиційних підходів після вимірювального перетворення імітансу в напругу спочатку виконується аналого-цифрове перетворення, а етап фазоквадратурного розділення складових реалізується далі у цифровій формі. Крім вищих завадостійкості та швидкодії, така структура вимірювача забезпечує просту перестройку робочої частоти і можливість гнучкого обміну швидкодії на точність [21].

Вимірювач містить нові структурні елементи такі як малорозрядні швидкодіючі АЦП паралельного типу, матричні перемножувачі, нагромаджуючі суматори НС. Використано також цифровий спосіб формування тестової гармонічної напруги за участю цифроаналогового перетворювача ЦАП і генератора цифрових квадратурних сигналів ЦКС у складі постійних запам'ятовуючих пристроїв ПЗП, адресного лічильника АЛ і генератора тактових імпульсів ГІ.

Швидкодіючий АЦП із тактовою частотою перетворює миттєві значення вихідної напруги ВС у відліки . У блоці цифрового оброблення сигналів (ЦОС) ці

відліків перемножуються із цифровими ортами генератора ЦКС та , а одержані добутки впродовж записуються у нагромаджуючі суматори. Результати ЦОС, які відповідають складовим імітансу

,

одержують всього за один період тестового сигналу і записують у відповідні регістри пам'яті РП.

Оскільки розрядність m АЦП паралельного типу обмежена, то потрібне число відліків ЦОС за період , для забезпечення заданої розрядності n результату вимірювання імітансу, обчислюють за виразом . Наприклад, для 10-бітного представлення результатів, при використанні 8-ми і 6-ти розрядних АЦП становить відповідно 8 і 32. Якщо дозволяє швидкодія елементів, краще збільшити число відліків за період , бо це позитивно позначається на точності виконання операції фазоквадратурного розділення [11]. У цьому випадку із

розрядів ЦОС як результат вимірювання беруть лише n=10 старших. У запропонованій структурі вимірювача просто реалізується цифрове усереднення для зменшення впливу випадкових похибок, однак це вимагає відповідного збільшення тривалості вимірювання .

Для вимірювання імітансу на наднизьких частотах розроблено алгоритм прискореного одержання результатів вимірювання [6], який передбачає використання комп'ютерного оброблення окремих вибірок вихідної напруги ВС. Тривалість вимірювання знаходиться у межах , тобто виграш у швидкодії складає -разів. Значення р обмежується зверху порогом чутливості АЦП.

На основі математичного моделювання було встановлено залежність допустимого числа вибірок p на період від розрядності m АЦП за умови неперевищення методичною похибкою половини о. м. р.: . Для прийнятої раніше розрядності вимірювача імітансу цю залежність можна апроксимувати виразом . Отже, при використанні, наприклад, 17-бітного АЦП швидкодія ЗВІ збільшується майже у 500 разів [6].

Щоб усунути вплив на результати вимірювання імітансу зміщення вихідної напруги АПІН, а також адитивної складової похибки АЦП, запропоновано модифікований алгоритм, який передбачає формування різницевих рівнянь на основі трьох вибірок [6]. Очевидно, що тривалість вимірювання при цьому збільшується вдвічі, адже потрібно вимірювати три, а не дві вибірки.