Идентификация и определение значений параметров двухполюсников по результатам косвенных совокупных измерений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.01, кандидат технических наук Сун Шуай

• Сун Шуай
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сун Шуай

Введение.

Глава 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВУХПОЛЮСНИКОВ.

1.1 Анализ задач, связанных с определение значений параметров двухполюсников.

1.2 Обзор методов и средств измерений значений параметров двухполюсников

1.2.1 Общие сведения.

1.2.2 Мостовые методы измерений значений параметров двухполюсников

1.2.3 Инвариантные методы измерения значений параметров двухполюсников.

1.2.4 Косвенные совокупные измерения значений параметров двухполюсников.

Выводы по главе

Глава 2. СТРУКТУРНО ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ ДВУХПОЛЮСНИКОВ.

2.1 Анализ и структурная идентификация двухэлементных двухполюсников

2.2 Анализ и структурная идентификация трехэлементных двухполюсников

Выводы по главе 2.

Глава 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗНАЧЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ДВУХПОЛЮСНИКОВ КОСВЕННЫМИ СОВОКУПНЫМИ ИЗМЕРЕНИЯМИ.

3.1 Обоснование метода косвенных совокупных измерений для определения значений параметров двухполюсников.

3.2 Методика определения значений входных параметров СИ.

3.2.1 Измерение входных сопротивлений цифровых приборов на постоянном токе.

3.2.2 Измерение комплексных составляющих входных сопротивлений цифровых приборов на переменном токе.

3.3 Определение параметров двухэлементных двухполюсников.

3.4 Определение параметров трехэлементных двухполюсников.

3.5 Определение параметров индуктивно связанных цепей.

Выводы по главе 3.

Глава 4 ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗНАЧЕНИЙ

ПАРАМЕТРОВ ДВУХПОЛЮСНИКОВ.

4.1 Обоснование повышения точности определения значений параметров двухполюсников косвенными совокупными измерениями.

4.2 Повышение точности определения значений параметров двухэлементных двухполюсников.

4.3 Повышение точности определения значений параметров трёхэлементных двухполюсников.

4.4 Повышение точности измерений параметров индуктивно связанных электрических цепей.

Выводы по главе 4.

Глава 5. Анализ погрешностей измерения двухполюсников и результаты практической разработки и исследований.

5.1 Анализ методических погрешностей косвенных измерений параметров двухполюсников и способы их компенсации.

5.2 Анализ инструментальных составляющих погрешностей измерений параметров двухполюсников.

5.3. Погрешности определения параметров двухполюсников.

Выводы по главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Идентификация и определение значений параметров двухполюсников по результатам косвенных совокупных измерений»

Большое разнообразие и растущая сложность научных и прикладных задач в различных областях человеческой деятельности требуют расширения номенклатуры величин, доступных для восприятия и несущих информацию о свойствах исследуемого или контролируемого объекта и протекающих в нем процессов. Важной разновидностью таких величин являются параметры электрических цепей — эквивалентных схем замещения широкого класса объектов, работающих или проявляющих свои свойства на переменном токе. Прохождение электрического тока через такой объект эквивалентно протеканию тока через некоторую пассивную электрическую цепь, параметры элементов которой соответствуют параметрам объекта и являются ценным источником информации о его свойствах. Задача определения значений параметров требует соответствующего аппаратурного и программного обеспечения. Под определением значений параметров подразумевается либо прямые измерения раздельных значений параметров, либо совокупные измерения косвенных величин и вычисление значений параметров двухполюсников на ПЭВМ из решения системы полученных уравнений.

Прямые измерения раздельных значений параметров двухполюсников производятся наиболее точно с помощью мостов переменного тока, либо приборов инвариантного преобразования.

Мосты переменного тока известны более 140 лет и являются важным инструментом познания в науке и средством контроля на производстве. Разработкой и исследованием мостовых цепей занимались великий английский физик Максвелл, выдающиеся электротехники: Андерсон, Вин, Кемпбелл, Оуэн, Хей и Шеринг. В их честь названы широко применяемые на практике мосты для измерения параметров катушек индуктивности, конденсаторов, резисторов и других электротехнических устройств, работающих на переменном токе. Разработкой мостов переменного тока и приборов инвариантного преобразования для измерения параметров двухполюсников занимались многие известные отечественные учёные: член-корреспондент АН СССР К.Б. Карандеев, проф. Ю.Р. Агамалов, проф. А.Д. Нестеренко, академик Ф.Б. Гриневич, проф. В.Ю. Кнеллер, проф. А.А. Кольцов, проф. А.И. Мартяшин, проф. А.И. Новик, проф. А.В. Светлов, проф. А.А. Тюкавин, проф. М.П. Цапенко, проф. В.М. Шляндин, проф. Г.А. Штамбергер и др. К настоящему времени накоплен огромный материал по теории и практике применения средств измерения параметров двухполюсников на основе мостов переменного тока, преобразователей R, С, L параметров в цифровой эквивалент и серийно выпускаются цифровые измерители R, С, L параметров.

Актуальность проблемы.

Большинство объектов измерений, встречающиеся в практике лабораторных и научных исследований, контроля и управления технологическими процессами, имеют своей электрической моделью трехэлементный двухполюсник (ТДП) из пассивных RCLM элементов. Электрические схемы замещения в виде линейного ТДП являются физическими моделями объектов измерений в различных областях науки и производства (биология, электрохимия, техническая физика, медицина, датчиковая аппаратура и т. д.). На основе этих моделей строится математическая модель ТДП, значения коэффициентов которой несут важную информацию о физико-технических свойствах и используются в расчетах при определении значений параметров. Известные средства измерения параметров ТДП позволяют измерить и определить значения параметров только при априори определенной структуре ОИ и не решают задачи структурно-параметрической идентификации, связанную с определением топологии и значений параметров объектов измерений.

Цель диссертационной работы заключается в разработке алгоритмов структурно-параметрической идентификации схем замещения объектов измерения в виде двух- и трехэлементных двухполюсников и определении точных значений их параметров по результатам косвенных совокупных измерений.

Эта цель достигается решением следующих основных задач.

1. Разработка методики структурной идентификации объекта в виде двух- и трехэлементного двухполюсника по результатам предварительных измерений.

2. Разработка методики параметрической идентификации выбранной модели объекта в виде двухполюсника на основе использования результатов косвенных совокупных измерений.

3. Разработка методики компенсации методической погрешности определения параметров двухполюсника методом косвенных совокупных измерений.

Методы исследования основаны на теории линейных электрических цепей, теории синтеза цепей. Использованы математический аппарат функции комплексной переменной, линейной алгебры, классических разделов математического анализа, теории погрешностей. Проверка результатов теоретических исследований проведена посредством натурных экспериментов и имитационного моделирования в среде Mathcad.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработана методика структурной идентификации объекта и определения значений параметров выбранной схемы замещения в виде двухэлементного (ДДП) или трехэлементного (ТДП) двухполюсника для всех возможных вариантов структур.

2. Разработана методика компенсации методической погрешности косвенных совокупных измерений параметров двухполюсника (ДП).

3. Разработана методика повышения точности измерения параметров двухполюсника, основанная на сочетании измерений активных составляющих комплексного сопротивления ДП на постоянном токе, а фазового сдвига - на переменном.

Практическая значимость работы

1. Разработаны структурные схемы алгоритмов измерения и вычисления параметров всех вариантов двух-, трехэлементных двухполюсников и индуктивно связанных цепей.

2. Предложены структурные схемы алгоритмов измерения и вычисления параметров всех вариантов двух-, трехэлементных двухполюсников и индуктивно связанных цепей, реализующих метод повышения точности комбинацией измерений активных составляющих комплексного сопротивления ДП на постоянном токе, а фазового сдвига - на переменном токе.

3. Разработана методика компенсации аддитивной, мультипликативной и взаимосвязанных составляющих погрешности косвенных совокупных измерений параметров ДП.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методика определения параметров ДП, основанная на косвенных совокупных измерениях вольтметром и фазометром, предварительных измерениях входных сопротивлений данных средств измерений, физического использования замещающего входного сопротивления вольтметра и симметрирования входных сопротивлений каналов фазометра, и использования данных значений в программе вычислений на ПЭВМ.

Применение данной методики для повышения точности измерения значений параметров двухполюсника, основанной на сочетании измерений активных составляющих комплексного сопротивления ДП на постоянном токе, а фазового сдвига - на переменном токе.

Достоверность и реализация работы

Высокая точность измерения параметров двух- и трёхэлементных ДП подтверждена результатами экспериментальных исследований и имитационного моделирования в среде Mathcad.

Результаты исследований использованы при выполнении госбюджетной научно-исследовательской работы по научному направлению № 5 ПГУ

Создание методов и средств цифровой электроизмерительной техники» (2000-2005 гг.). Разработанные алгоритмы и программы определения параметров ДП внедрены в учебный процесс ПТУ.

Результаты работы внедрены в виде алгоритмов, программных и технических средств по теме № 170 во ФГУП «НИИФИ» г. Пензы.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 9 работ, в том числе монография, изданная на английском языке в КНР, 1 статья и 7 работ в трудах международных и всероссийских конференций.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложения. Основной текст изложен на 102 страницах. Список литературы включает в себя 71 наименование.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы измерения по видам измерений», Сун Шуай

Основные результаты и выводы

1. Разработана методика структурной идентификации двух- и трехэлементных двухполюсников, основанная на результатах предварительных измерений входных параметров средств измерений, физическом замещении этих параметров в измерительной цепи с учетом их значений в алгоритмах и программах вычислений значений параметров ТДП.

2. Доказана возможность реализации электрической цепи в виде одного из восьми вариантов структур трехэлементных резонансных ДП с потерями по результатам предварительных измерений на постоянном токе цифровым вольтметром и углов сдвига фаз цифровым фазометром при измерениях на переменном токе.

3. Доказана возможность реализации электрической цепи в виде двух из двенадцати вариантов структур трехэлементных нерезонансных ДП с потерями или резонансных ТДП без потерь по результатам предварительных измерений в зависимости от наличия или отсутствия третьего внутреннего недоступного узла.

4. Разработана методика измерения с учетом входных сопротивлений средств измерений путем замещения их в измерительной цепи и учете их значений в алгоритмах определения параметров измеряемого ДП.

5. Разработаны алгоритмы и программы определения значений параметров ДДП, ТДП и индуктивно связанных цепей методом косвенных совокупных измерений.

6. Разработан метод повышения точности измерения параметров ДП за счет использования комбинированного метода измерения: активного сопротивления двухполюсника при измерении на постоянном токе цифровым вольтметром, а фазового сдвига - на переменном токе цифровым фазометром.

7. Разработаны алгоритмы и программы определения точности значений параметров ДДП, ТДП и индуктивно связанных цепей комбинированным методом измерения.

Таким образом, в диссертации получила решение имеющая важное научное и производственное значение проблема структурно параметрической идентификации и определения параметров двух- и трёхэлементных двухполюсников по основным схемам замещения с помощью косвенных совокупных измерений. Результаты исследований могут быть положены в основу универсальных измерительно-вычислительных комплексов идентификации двухполюсников и различных физико-технических объектов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении главный итог диссертационной работы — разработка метода структурно-параметрической идентификации, состоящей в определении по результатам косвенных совокупных измерений структуры и характера измерительной цепи в виде двух- и трехэлементных двухполюсников для всех возможных схем замещения и вычисления значений их параметров.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сун Шуай, 2005 год

1. Атабеков Г.И.Основы теории цепей. Учебник для вузов. М.: «Энергия», 1969.

2. Балабанян Н. Синтез электрических цепей / Пер. с англ. под ред. Г.И.Атабекова. JL: Госэнергоатомиздат, 1961. — 461 с.

3. Балтянский С.Ш. Измерения параметров физических объектов на основе идентификации электрических моделей // Измерительная техника.-2000, №9. С. 36-40.

4. Берлинер М.А. Измерение влажности. М.: Энергия, 1973. — 286 с.

5. Берман JI.C. Емкостные методы исследования полупроводников. -Л.: Наука, 1972.- 104 с.

6. Бессонов А. А. Теоретические основы электротехники: Учебник для вузов. — 7-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 1978.

7. Быстродействующие интегральные микросхемы ЦАП и АЦП и измерение их параметров/ Под общ. ред. А-И. К. Марцинкявичюса, Э.

8. A. К.Багданскиса. — М.: Радио и связь, 1988.

9. Волгин Л.И. Линейные электрические преобразователи для измерительных приборов и систем. М.: Сов.радио, 1971.

10. Волгин Л.И. Основы метрологии, оценка погрешностей измерений, измерительные преобразователи: Учебное пособие по курсу "Основы метрологии и электрические измерения".-М.: МГУС, 2001. 108 с.

11. Вострокнутов Н.Н. Цифровые измерительные устройства. Теория погрешностей, испытания, поверка. М.: Энергоатомиздат, 1990. — 208

12. Великий Я. К, Гелъмонт 3. Я., Зелях Э. В. Пьезоэлектрические фильтры. — М.: Связь, 1966.

13. Вострокнутов Н. Л. Испытание и поверка цифровых измерительных устройств. — М.: Издательство стандартов, 1977.

14. Геофизические методы разведки рудных месторождений/ Под ред.

15. B. В.Бродового. — М.: Недра, 1990.

16. Графов Б. М., Укше Е. А. Электрохимические цепи переменного тока. — М.: Наука, 1973

17. Гнусин Н.П., Новицкий С.П. Распознование эквивалентной двухэлементной электрической схемы для границы электрод раствор. // Электрохимия. Т.6, вып.З. 1970. С. 299-306.

18. Гриневич Ф.Б. Автоматические мосты переменного тока. РИО СО АН СССР, Новосибирск, 1964. - 216 с.

19. Гриневич Ф.Б. Измерение невидимок.- Киев: Наукова думка, 1988.- 144 с.

20. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1986.

21. Гусев В.Г., Мирин Н.В., Черников И.Г. Особенности получения измерительной информации о параметрах сложных двухполюсников // Измерительная техника. 1999, №2. С. 40-44.2-е изд. — Л.: Энергоатомиздат. Ле-нингр.отд-ние, 1986.

22. Дворяшин Б.В. Основы метрологии и радиоизмерения: Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь 1993. - 320 с.

23. Джапаридзе Т.Д., Месхидзе Р.Н., Пруидзе В.Е. Эквивалентная электрическая схема емкостного первичного преобразователя влажности с изолированными электродами № 5. С. 77-79.

24. Диденко В.И., Желбаков И.Н., Кончаловский В.Ю., Панфилов В.А. Метрология и электроизмерительная техника / Под ред. В.Н. Малиновского. -М.: Изд-во МЭИ, 1991. 80 с.

25. Добровинский И. Р., Ломтев Е. А. Проектирование цифровых вольтметров параллельно-последовательного уравновешивания. — Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1990.

26. Добровинский И. P. ИВК повышенной точности для измерения параметров Л£С-цепей// Электронная техника. Сер.Управление качеством, стандартизация, метрология, испытания. — М.: ЦНИИ "Электроника", 1991. Вып. 5 (147). — С. 48 — 52.

27. Зи С. М. Физика полупроводниковых приборов. Кн. 1. — М.: Мир,1984.

28. Карандеев К.Б. Специальные методы электрических измерений. -JL: Госэнергоиздат, 1963.

29. Карни Ш. Теория цепей. Анализ и синтез / Пер. с англ. М.: Связь,1973.

30. Кнеллер В. Ю. Автоматические измерения составляющих комплексного сопротивления. —M.-JL: Энергия, 1967.

31. Кнеллер В. Ю., Агамалов Ю. Р., Десоеа А. А. Автоматические измерители комплексных величин с координатным уравновешиванием. — М.: Энергия, 1975.

32. Кнеллер В.Ю., Боровских Л.П. Измерение параметров объектов, представляемых многоэлементными двухполюсниками // Измерение, контроль, автоматизация. 1976. № 3. С. 3-11.

33. Кнеллер В. 10., Боровских Л. П. Определение параметров многоэлементных двухполюсников. —М.: Энергоатомиздат, 1986.

34. Кнеллер В. Ю., Павлов А. М. Автоматические измерители и преобразователи параметров комплексных сопротивлений с микропроцессорами// Измерение, контроль, автоматизация. — М.: ЦНИИТЭИ приборостроения, 1990. № 11 —12. —С. 10—21.

35. Кнеллер В. Ю., Павлов А. М. Средства измерений на основе персональных ЭВМ// Измерения, контроль, автоматизация. — М.: ЦНИИТЭИ приборостроения. 1988. № 3. — С. 3 — 14.

36. Левин С.Ф. Теория измерительных задач идентификации.- Измерительная техника.-2001 .-№ 7.

37. Кнеллер В.Ю., Боровских Л.П. Измерение параметров объектов, представляемых многоэлементными двухполюсниками // Измерение, контроль, автоматизация. 1976. № 3. С. 3-11.

38. Кнеллер В.Ю., Боровских Л.П. Определение параметров х двухполюсников. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 144 с.

39. МаликовМ.Ф. Точные измерения. Л.-М.: Стандартгиз, 1935- 136 с.

40. Мартяшин А.И., Куликовский К.Л., Куроедов С.К., Орлова Л.В. Основы инвариантного преобразования параметров электрических цепей / Под ред. Мартяшина А.И.- М.: Энергоатомиздат, 1990.

41. Мартяшин А. И., Шахов Э. К., Шляндин В. М. Преобразователи электрических параметров для систем контроля и измерения. — М.: Энергия, 1976.

42. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений: Пер. с англ. — М.: Мир, 1990.

43. Методы электрических измерений/ Под ред. Э. И. Цветкова. — Л.: Энергоатомиздат, 1990.

44. Орнатский 77. 77. Автоматические измерения и приборы: Учебник для вузов. — Киев: Вишя шк., 1986.

45. Передельский Г.И. Многоплечие мостовые цепи с уравновешиванием регулируемыми резисторами // Измерительная техника. 1999. №6. С. 50-54.

46. Передельский Г.И. Мостовые цепи с импульсным питанием. М.: Энергоатомиздат, 1988.

47. Передельский Г.И. Раздельное уравновешивание мостовых цепей для измерения параметров многоэлементных двухполюсников // Измерительная техника. 1984. № 6. С. 46-47.

48. Стойпов З.Б и др. Электрохимический импеданс. М. Наука 1991.

49. Сурду М.Н. и др. Учет шунтирующих проводимостей в мостах переменного тока // Измерительная техника. 1991. № 4. С. 28-29.

50. Тюкавин А.А. Анализ способа измерения схемами уравновешивания параметров трёхэлементных двухполюсников // Метрология. 1984. №8. С. 30-38.

51. Тюкавин А.А. Измерение параметров трех- и четырехэлементных двухполюсников мостами переменного тока. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1988.- 112 с.

52. Тюкавин А.А. О раздельном измерении LRC двухполюсников схемами уравновешивания // Изв. вузов СССР. Сер. Приборостроение. 1986. № 11. С. 71-76.

53. Тюкавин А.А. О сходимости мостов переменного тока для измерения параметров трёхэлементных двухполюсников // Изв. Вузов СССР. Сер. Приборостроение. 1988. №5. С. 58-61.

54. Утямышее Р. И. Радиоэлектронная аппаратура для исследования физиологических процессов. — М.: Энергия, 1969.

55. Федотов A.M., Цыган Н.Я., Мичурин В.И. Метрологическое обеспечение электронных средств измерений электрических величин. JL: Энергоатомиздат, 1988.208 с.

56. Феттер К. Электрохимическая кинетика. — М.: Химия, 1967.

57. Форсайт Дж., Молер К. Численное решение систем линейных алгебраических уравнений: Пер. с англ./Под ред. Г. И. Марчука. — М.: Мир, 1969.

58. Хасцаев Б.Д. Введение в моделирование импеданса биообъектов и применение его информационных свойств в медицине и биологии Владикавказ: Терек, 1995.

59. Цапенко М. П. Измерительные информационные системы. — М.: Энергия, 1974.

60. Челидзе Т\ М., Деревянко А. К, Куриленко О. Д. Электрическая спектроскопия гетерогенных систем. — Киев: Наукова думка, 1977.

61. Шлыков Г. 77. Аппаратурное определение погрешностей цифровых приборов. — М.: Энергоатомиздат, 1984.

62. Шляндин В. М. Цифровые измерительные преобразователи и приборы. Учебник для вузов. — М.: Высш. шк., 1981.

63. Эпштейн С. 77. Измерение характеристик конденсаторов. — JL: Энергия, 1971.

64. Сун Шуай, Громиков К.В., Добровинский И.Р. Структурные схемы алгоритмов измерений цифровых средств измерений сопротивления. Тр. Международной научнно- техн. конф. «Современные информационные технологии», Пенза, 2003.

65. Сун Шуай, Добровинский И.Р., Громиков К.В., Жадаев В.А. Измерение параметров двухэлементных двухполюсников методом косвенных измерений /Информационно-измерительная техника // Меж- вузовский сборник научных трудов- Вып.28. Пенза: ПензГУ, 2003.

66. Сун Шуай, Громиков KB, Добровинский И.Р. К возможности идентификации и определения значений параметров двухполюсника/ Материалывсероссийской научной конференции молодых ученых (02-05 декабря 2004 г.) часть 2, Новосибирск, 2004.

67. Сун Шуай Повышение точности косвенных измерений параметров двухполюсников/ Сборник статей международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии», Пенза: Пензенская государственная технологическая академия, 2005

68. Dobrovinsky I. R., Lomtev Е. A., Song Shuai. I.M.S. designing electric circuits parameters for measurement / Gansu Lanzhou. China, 2005. - P. 96.

69. Frewer R.A. The effect of frequency changes on the electrical conductance of moving and stationary blood // Medical and Biological Engineering. 1972. V.10. № 6. P. 734-741.