Технические науки. Электроника и радиоэлектроника.

Автоматизированные системы управления на производстве

 

Д.т.н . Хасцаев Б.Д.,  к.т.н. Хасцаев М.Б.

Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет), Россия

 

Квазиуравновешенный преобразователь параметров импеданса индуктивных объектов

 

         Для решения многих задач в области электротехники и радиоэлектроники целесообразно и перспективно использование преобразователей параметров импеданса, способствующих расширению знаний человека в данной  области. Последнее связано с ценными информационными свойствами параметров импеданса, такими как: идентифицирование с высокой точностью процессов, которые протекают в объектах; точная интерпретация изучаемых показателей исследуемых объектов; информирование с высокой достоверностью о состоянии контролируемого объекта или объекта измерения (ОИ).

         Все эти свойства параметров импеданса широко используются и в АСУ производственными процессами, и в системах автоматизации научных исследований, а также в системах сбора данных и т.д. Известно применение во всех этих системах  индуктивных датчиков. Для выделения значимости определения параметров импеданса отметим, что существуют объекты научных исследований, информацию о которых ученые черпают путем измерения их импедансных характеристик. Таким образом, на основе измерения параметров импеданса, в том числе импеданса с индуктивным характером, возможно как повышение производительности труда и качества выпускаемой продукции, так и расширение знаний в разных областях науки и техники и т.д. [1].

         В настоящее время для измерения параметров импеданса выпускаются различные измерители типа RLC, которые являются дорогостоящими,  громоздкими.  Измерители характеризуются и такими недостатками, как большое потребление электроэнергии, высокая избыточность для решения определенных задач и т.д.  

        Изложенное показывает важность измерителей параметров импеданса, а также необходимость их совершенствования и создания новых более простых, специализированных на решение узкого круга задач измерений. Известно, что основу всех измерителей составляют преобразователи, о которых было сказано выше работы и которые  обеспечивают преобразование параметров  импеданса в активные аналоговые величины или цифровые коды. Таким образом, предлагаемая статья,  посвященная разработке преобразователя параметров импеданса (ППИ) с новыми свойствами и возможностями, является актуальной.

Анализ известных работ показал, что ППИ строятся  на основе разных измерительных цепей (ИЦ), бывающих с уравновешиванием, квазиуравновешиванием и без уравновешивания; с линейной или нелинейной функцией преобразования и т.д. Иименно свойствами ИЦ во многом определяются характеристики и возможности ППИ.

         В работе показано, что структурный подход обеспечивает улучшение характеристик и квазиуравношиваемых ИЦ. На их основе, в свою очередь, можно строить ППИ с улучшенными характеристиками [2].  В качестве ИЦ в работе выбрана четырехплечая мостовая ИЦ (МЦ),  которой свойственна нелинейная функция преобразования. Поэтому МЦ имеет ограниченные возможности в режиме квазиуравновешивания. Изменением структуры МЦ путем охвата ПОС ветвь сравнения достигается линейная функция преобразования МЦ относительно импедансов ветви сравнения. В такой МЦ уже использованием в качестве опорного напряжения падения напряжения на одном из плеч ветви с ОИ и подачей на вход фазочувствительного  детектора (ФЧД) напряжения разбаланса МЦ обеспечивается преобразование параметра импеданса и по пассивной величине, и по аналоговой.

На основе МЦ с рассмотренными изменениями структуры обычной МЦ и был разработан ППИ, приведенный на рис.1. Схема ППИ показывает, что МЦ с подачей напряжения разбаланса и напряжения источника питания МЦ в ветвь МЦ с регулируемым элементом позволяет строить: простые ППИ с аналоговым уравновешиванием; ППИ, преобразующие различные параметры импедансов ОИ, включая параметры импеданса объекта с индуктивным характером и т.д.

 

      

   Рис.1. Схема ППИ для преобразования индуктивности  LХ  и активного сопротивления RХ  индуктивного объекта

 

Схема разработанного квазиуравновешенного ППИ также показывает, что на основе МЦ с улучшенными характеристиками можно строить ППИ с недорогой элементной базой. В подобных ППИ целесообразно использование интеллектуального блока (БИ) для обеспечения функций интеллектуальной обработки данных и управления регулируемым органом [3]. Тем самым БИ обеспечивает существенное повышение точности преобразования параметров импеданса ОИ и расширение функциональных возможностей ППИ. 

Используемые в схеме ППИ обозначения:  LХ и RХ - соответственно индуктивность и сопротивление ОИ; RО  - сопротивление   образцового элемента;  R3  - сопротивление резистора ветви сравнения, задающего диапазон преобразования RХ; С3 – емкость конденсатора ветви сравнения, задающая диапазон преобразования LХ;  R4  - управляемый резистор ветви сравнения, обеспечивающий состояние квазиравновесия; ДУ1 – дифференциальный усилитель, формирующий сигнал разбаланса МЦ - UВ; ДУ2 - дифференциальный усилитель, создающий опорное напряжения  - UЭО;  ФЧД, формирующий сигнал для регулирования величины R4;  UЭ – эталонное напряжение, питающее МЦ;  U2 – напряжение на плече ветви сравнения с управляемым резистором (в момент квазиравновесия оно пропорционально одному из преобразуемых величин  LХ  и  RХ ) ;  К – ключ; С – сумматор, формирующий напряжение для питания ветви сравнения ППИ.

Как видно из схемы ППИ, регулируемым органом в ППИ служит управляемый резистор R4. Если ключ находится в положении 2, то преобразуется индуктивность LХ, а если - в положении 1, то – активное сопротивление RХ. В последнем случае, при подаче на вход С напряжение постоянного тока, с плеча МЦ снимается аналоговая величина пропорциональная RХ. Опорным напряжением служит падение напряжения на Ro. Возможность определения величины индуктивности является важным свойством ППИ, построенных на основе МЦ с подачей напряжения разбаланса в ветвь сравнения.

Выходное  напряжение UВ, разработанного ППИ, равно:

.

Тогда напряжение  UВ  в положении ключа - 2 будет равно:

  ,

а в положении ключа  - 1  будет равно:

.

Из последних двух выражений видно, что при преобразовании индуктивности ОИ ее величина определяется из условия квазиравновесия:  R4 = Lx Go /C3  или  по аналоговой величине  U2, равной в состоянии квазиравновесия:   U2 = UЭ Lx Go /C3.

         При измерении сопротивления Rх  ОИ его величина определяется  из:   R4 = Rх Go / R3  или по величина U2, равной  -  U2 = UЭ Rх Go / R3.

В заключении подытожим то, что возможности ППИ значительно расширяются дополнением его БИ. Такой преобразователь уже обеспечивает  решение широкого круга  задач, к примеру, возникающих при исследовании ранее не изучаемых ОИ, и электрические схемы замещения которых не были еще известны. Такой блок важен, как отмечено выше, и для обработки результатов исследований, их накопления  и эффективного использования.

 

Литература:

1.Хасцаев Б.Д., Хасцаев М.Б. Применение информационных свойств импеданса в медицине и биологии. Монография – LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013. P. 96.

2.Хасцаев Б.Д.,  Дряева Х.Ш., Максимова И.П., Хасцаев М.Б.  Структурный синтез преобразователей импеданса на основе автоматизированного проектирования графов // «Приборы и системы. Управление Контроль Диагностика, 2010, №2, с.25-28.

3.Хасцаев Б.Д.,  Хасцаев М.Б. Квазиуравновешенный, линеаризованный, многоэлектродный преобразователь параметров импеданса  для АСУ //  «Приборы и системы. Управление Контроль Диагностика, 2010, №5, с.36-38.