Принципы построения и разработка электрохимических измерительных преобразователей для приборов и систем контроля природных и техногенных динамических процессов

Размещено на http://www.allbest.ru//

19

Размещено на http://www.allbest.ru//

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Принципы построения и разработка электрохимических измерительных преобразователей для приборов и систем контроля природных и техногенных динамических процессов

Желонкин Анатолий Иванович

Москва 2009

Работа выполнена в Московском государственном открытом университете и ФГУП «Научно-производственное предприятие «КВАНТ»

Научный консультант: член-корреспондент РАН, профессор

Лидоренко Николай Степанович

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Пушкин Игорь Александрович;

доктор технических наук, профессор Самхарадзе Томаз Георгиевич

доктор технических наук, профессор Карабегов Михаил Александрович

Ведущая организация: ОАО «Химавтоматика», г. Москва.

Защита состоится « 26 » марта 2009 г. в 14 час. 00 мин.

на заседании диссертационного совета Д 212.145.02 в Московском государственном университете инженерной экологии по адресу: 105066, Москва, ул. Старая Басманная, 21/4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета инженерной экологии - МГУИЭ.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 105066 г. Москва, ул. Старая Басманная, 21/4.

Автореферат разослан « » 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

канд. техн. наук, доцент Н.В. Мокрова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации систематизированы результаты многолетних теоретических и экспериментальных исследований автора в области разработки измерительных преобразователей, основанных на физических процессах и закономерностях двойного электрического слоя, образуемого на границе раздела фаз - жидкой и твердой.

Актуальность проблемы. Одной из значимых народно-хозяйственных задач, определяющих научно-технический прогресс, является комплексный подход к изучению и измерению сложных физических процессов - технологических и природных, характеризующих технико-экономическое развитие и изменения экосистемы.

Методы решения локальных и системных задач динамических процессов разработаны и изложены в трудах Трапезникова В.А., Котельникова В.А., Солодовникова В.В., Попова Е.П. и других авторов.

Первичные измерительные преобразователи во многом определяют назначение и качественные показатели приборов, систем измерения и контроля динамических процессов.

Общие методы разработки первичных преобразователей различных физических принципов изложены в трудах Агейкина Д.И., Гаврилова А.Н., Браславского Д.А., Туричина А.М. и др. В области приборов и методов контроля природной среды и технологических процессов известны работы Кардашева Г.А., Михайлова П.Е. по исследованию физических методов и моделированию технологических процессов, Латышенко К.П. по синтезу и исследованию методов и приборов контроля технологических процессов, Бабишева В.И., Попова А.А., Чернова С.Ф. по задачам исследования измерительных и управляющих систем, Шатерникова В.Е. по разработкам мониторинга параметров окружающей среды и технологических процессов, Саркисова П.Д. по математическому моделированию и программированию и других авторов.

Экологическая стратегия, определяемая безопасностью взаимодействия наземных и подземных объектов, подвергающихся динамическим - естественным и техногенным - процессам, зависит от степени их изучения и контроля в реальном и интегральном масштабе времени.

Регистрация и изучение пространственно распределенных естественных и искусственных динамических процессов малого энергетического уровня (от 10-9 м/с, 10-10 g, 10-3 Гц), является важной задачей для решения проблем прогнозирования различных процессов, контроля динамического состояния объектов и несанкционированных механических воздействий. Необходимость решения данной задачи определена федеральной программой «Сейсмобезопасность территории России» (2002 - 2010 годы), федеральной целевой программой «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2010 года», рядом региональных и корпоративных программ по обеспечению работоспособности и безопасности технологических объектов.

Традиционные принципы преобразования сигналов доведены до высокой степени совершенства, практически до уровня их предельных возможностей. Ограничения по диапазонам (10-8 м/с, 10-9 g, 10-2 Гц), сложность конструкций существующих технических средств и высокая стоимость сдерживают решение задач динамического мониторинга.

Создание экономичных, с высоким коэффициентом преобразования, устройств измерения решается с использованием новых принципов, базирующихся на теоретических и практических исследованиях физических процессов на границе раздела фаз. Основные теоретические положения и пути развития нового научно-технического направления, определяемого в работах Лидоренко Н.С., Графова Б.М., Луковцева П.Д., Делахея П. и др. как «хемотронные или электрохимические преобразователи информации», базируются на фундаментальных работах Фрумкина А.Н., Френкеля Я.И. и других ученых.

В результате исследований, проводимых в НПП "Квант", институте электрохимии (ИЭЛАН), институте проблем управления (ИПУ) РАН и в других организациях, обоснованы теоретические основы и проводятся разработки электрохимических элементов и устройств восприятии и преобразования энергетических воздействий. Используемые физические принципы - перенос вещества, потенциал протекания и электроосмотический эффект, ионообменные принципы, электролитические и диффузионно-конвективные процессы - классифицируются как информационно-измерительное направление «молекулярная электроника - МЭ». Разработки и исследования в данной области проводят НПП «Квант», Московский физико-технический институт (государственный университет) (МФТИ), Московский государственный открытый университет (МГОУ), Казанский государственный технический университет (КГТУ) им. А.Н. Туполева, институт океанологии (ИОРАН) им. П.П. Ширшова и другие организации.

В работе выполнены теоретические и практические исследования, раскрывающие возможности использования диффузионных процессов окислительно-восстановительных систем для создания измерительных преобразователей динамических воздействий, рассмотрены принципы построения комбинированных структур преобразования. Изложены результаты исследований и разработок, являющихся частью НИОКР, выполненных под руководством и при участии автора. В настоящее время разрабатываются методы управления характеристиками преобразователей и методы автоматизированной обработки сигналов при пространственных измерениях. Работы ведутся в МГОУ совместно с НПП «КВАНТ» (ассоциация «ЭЛКВАНТ») в рамках НИР «Разработка и исследование молекулярно-электронных измерительных преобразователей», и НИОКР, тема «Структурное и математическое моделирование, конструкторско-технологический синтез нанометровых датчиков вибраций и параметров движения», включенная в федеральную целевую программу «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2007 - 2015 годы».

Цель работы - разработка нового класса измерительных преобразователей неэлектрических сигналов малого уровня, основанных на взаимодействии молекулярно-электронного и инерционного методов, для контроля природных и техногенных динамических процессов.

Поставленная цель определяет следующие основные задачи:

- исследование физических процессов и закономерностей диффузионного принципа преобразования конвективного переноса рабочего реагента в электрический сигнал;

- построение комбинированных структур взаимодействия диффузионного преобразователя (ДП) с жидкостным и твердофазным инерционными элементами;

- разработка и исследование математических моделей синтезированных инерционных ДП преобразователей;

- определение принципа построения преобразователей с пассивной и активной коррекцией динамических свойств, разработка структурных схем преобразователей с положительной обратной связью;

- разработка и исследование математических моделей корректируемых структур инерционных ДП преобразователей;

- разработка обобщенной модели для синтезированных структур и методики исследования параметров и характеристик;

- исследование суперпозиционного воздействия на основной процесс преобразования электрических и электромагнитных полей;

- синтез структур и разработка алгоритмов измерения пространственно-временных детерминированных и случайных сигналов;

- разработка методики расчета параметров и характеристик, разработка конструкций ДП измерительных преобразователей.

При решении поставленных задач:

- проведен анализ характеристик диффузионного преобразователя и разработан принцип построения структуры с взаимодействием ДП, жидкостного и твердофазного инерционных элементов;

- определен принцип построения преобразователя с внутренней и внешней обратными связями, разработаны схемы взаимодействия и математические модели; диффузионный преобразователь электромагнитный

- получена обобщенная для различных структур математическая модель с уравнением второго порядка, с использованием разработанного метода квадратичной интегральной аппроксимации;

- исследованы диапазоны воздействия обратной связи и установлены границы корректируемости динамических характеристик;

- разработаны способы стабилизации характеристик ДП преобразователей воздействием электрических и электромагнитных полей;

- построены структурные схемы для спектрального исследования сигналов по обобщенной математической модели;

- разработаны преобразователи параметров динамических процессов инфранизкочастотного диапазона.

Методы исследования. В работе использованы: теория молекулярной электроники, базирующаяся на фундаментальных законах электрохимии, физики жидкого тела, гидродинамики; структурный и математический анализ; методы автоматизированного исследования преобразования сигналов. Развитием исследования преобразования динамических процессов являются разработанные методы структурного и математического моделирования по обобщенным моделям.

Научная новизна. Основным научным результатом работы является создание и внедрение нового класса измерительных преобразователей динамических процессов малого энергетического уровня с улучшенными динамическими свойствами, что позволяет перейти на нанометровый уровень измерения динамических процессов различной природы.

В результате проделанной работы впервые:

- проведен анализ характеристик преобразователя конвективного переноса компонентов электролита в электрический сигнал и предложена математическая модель линейного преобразования;

- предложен принцип построения измерительного преобразователя с взаимодействием ДП и твердофазного преобразователей, обеспечивающий повышение чувствительности в 50 - 100 раз;

- разработан принцип построения комбинированного измерительного преобразователя (КДП) с взаимодействием диффузионного, инерционных и электроосмотического преобразователей;

- проведены исследования по разработанным математическим моделям статических и динамических характеристик различных структур КДП, установлены диапазоны корректируемости путем введения концентрационной и силовой обратных связей;

- разработан интегрально-квадратичный метод понижения порядка уравнений, получена обобщенная математическая модель синтезированных структур КДП, проведены расчеты параметров различных структур по единой методике;

- предложены способы технологической коррекции с помощью электрических и электромагнитных воздействий и за счет применения нанотехнологий;

- разработаны схемы и алгоритмы корректирующих воздействий при многоканальных измерениях;

- предложена структура системы регистрации волновых динамических процессов с использованием разработанных преобразователей.

Практическое значение работы и реализация. Исследования и разработка МЭ измерительных преобразователей осуществлялись на кафедре «Информационные системы и измерительные технологии» МГОУ под руководством и при непосредственном участии автора по планам НИР кафедры и при выполнении НИОКР в НПП «КВАНТ».

Проведенные исследования использованы при разработке внедренных в производство приборов контроля динамических процессов различных объектов: преобразователь диффузионный ПДС; МЭ преобразователь колебательных ускорений МПКУ; преобразователи неэлектрических сигналов К-214, 215; МЭ приемники линейных ускорений СПМ-54, 55; преобразователи и измерители угловых ускорений ПЭУУ-100, 101, 110; ИУУ-3, 5, 7; преобразователи диффузионные ПДМ; трехкомпонентный преобразователь - «Изделие 2У-41-1» для системы автоматического оповещения о динамической волне «Система 2У-41».

По результатам работы поставлена НИОКР «Структурное и математическое моделирование, конструкторско-технологический синтез нанометровых МЭ датчиков вибраций и параметров движения», включенная в федеральную целевую программу «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2007 - 2015 годы».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Принцип построения МЭ инерционных измерительных преобразователей динамических процессов.

2. Комплекс математических моделей модификаций МЭ измерительных преобразователей, а также уравнения, устанавливающие диапазоны коррекции характеристик преобразования.

3. Интегральный метод аппроксимации математических моделей и обобщенная математическая модель, обеспечивающая упрощение методов построения и исследования полифункциональных структур.

4. Технологические способы коррекции характеристик путем суперпозиционного воздействия электрических и электромагнитных полей и создание преобразователей c металлооксидными нанометровыми электродными структурами.

5. Алгоритмы управления характеристиками преобразования и обработки сигналов пространственно-временных процессов.

6. Методы построения и структурная схема системы пространственного измерения сейсмических волновых процессов.

Апробация работы и публикации. Результаты исследований докладывались и обсуждались: на 7-й (Ереван, 1972), 8-й (Казань, 1975) Всесоюзных конференциях по электрохимическим преобразователям информации; на 9-й (Ереван, 1978), 10-й (Краснодар, 1986) Всесоюзных конференциях по молекулярной электронике; на Всесоюзной конференции «Автоматизация и контроль процессов производства источников тока» (Севастополь, 1975); на международном семинаре «Современные проблемы информационных технологий» (Москва, 1993); на LV научной сессии «Радиотехника, электроника и связь на рубеже тысячелетия» (Москва, 2000); на LVI, LVII научных сессиях, посвященных Дню радио (Москва, 2001, 2003); на заседании кафедры «Информационно-измерительные системы» МВТУ (МГТУ); на заседании кафедры «Информационно-измерительная техника и технологии» МГОУ; на заседании секции НТС НПП «Квант» (ассоциация «ЭЛКВАНТ»); на V, V1 научно-технической конференции «Информационные технологии в промышленности и учебном процессе» (Москва, МГОУ, 2000, 2000), на II, III научно-практических конференциях «Нанотехнологии - производству» (Москва - Фрязино, 2005, 2006); на научной конференции «Энергетические проблемы», (Москва, Политехнический музей, 2005); на международной научно-практической конференции «Нанотехнологии и информационные технологии - технологии XXI века» (Москва, МГОУ, 2006), на II, III международных конференциях «Экологические системы, приборы и чистые технологии» (Москва, 2007, 2008).

Материалы работы использованы в учебных пособиях по дисциплинам «Аналоговые измерительные устройства», «Преобразование измерительных сигналов»,

По теме диссертации опубликовано 75 печатных работ, в том числе 21 публикация в журналах, рекомендованных ВАК, 2 монографии, 33 авторских свидетельства и патента на изобретения, за что диссертант отмечен знаком «Изобретатель СССР».

Структура диссертации. Работа состоит из введения, семи разделов, заключения, списка литературы (186 наименований), приложения. Основной текст содержит 238 страницы машинописного текста, в том числе 72 рисунка и 7 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика решаемой проблемы, обоснована актуальность темы, определены цели и задачи, сформулированы научная новизна и практическая ценность, приведены сведения по апробации и внедрению результатов исследования. Анализ современных систем измерения динамических процессов показал, что повышение качественных характеристик и расширение диапазонов измерения связано с совершенствованием устройств первичного преобразования. Наиболее успешно эта задача решается с использованием нетрадиционных физических процессов преобразования

В первом разделе рассматривается принцип построения автоматической информационно-измерительной системы контроля пространственных динамических процессов - АИИС. Структурная схема системы (рис. 1) включает сеть автоматических (АС) и обслуживаемых (ОС) станций. В состав станций входит блок приема сигнала - БПС, содержащий трехкомпонентный линейный измерительный преобразователь - СПХ. Характеристики первичных преобразователей определяют функциональное назначение всей системы.

Принципы построения устройств измерения низкочастотных динамических процессов основаны на взаимодействии электродинамических преобразователей и астатических маятников, работающих вблизи области устойчивости. Измерения малых значений сигналов (10-7 м/c) достигается до частот не ниже 10-2 Гц, что ограничивает диапазоны контроля динамических процессов. Использование электрохимических процессов для создания различных приборов и преобразователей определило развитие информационно-измерительного направления, определяемого как молекулярная электроника (ранее - электрохимическое приборостроение, хемотроника) (рис. 2).

Рис. 1. Структурная схема АИИС

Рис. 2. Информационные направления молекулярной электроники

Исследования функциональных возможностей электрохимического способа преобразования внешних динамических воздействий в электрический сигнал показали, что в области измерений инфранизких частот перспективны диффузионные преобразователи с конвективным переносом электроактивных компонентов, что обусловлено физическими процессами, происходящими в жидком теле с малыми значениями сдвиговых напряжений (10-3 Н/м2) и высокой концентрацией электропроводящих и электроактивных компонентов (до 1027 ед./м3). Концептуальной базой построения измерительных преобразователей такого типа являются закономерности физических процессов в молекулярных средах на границе раздела фаз с образованием двойного электрического слоя - ДЭС с участием электронов электродных структур.

Во втором разделе изложены принципы построения, проведены исследования и разработка диффузионного преобразователя (ДП) конвективного переноса электролита, образуемого инерционным воздействием, в электрический сигнал. Действующее ускорение (рис. 3) вызывает перемещение массы М, ограниченной упругими элементами жесткостью Км. В преобразующей ячейке, характеризуемой коэффициентом вязкого трения G, изменяется концентрация электроактивных компонентов обратимой окислительно-восстановительной системы. При прохождении тока через иод-иодидную систему, на катоде идет восстановление иода, а на аноде - окисление иодида: I2 +2e 2I - ; 2I -- 2 e I2.

Потенциал на границе электрод - раствор, в зависимости от концентрации окисленной Со и восстановленной Св форм, определяется соотношением Нернста.

Рис. 3. Физическая модель инерционного МЭ преобразователя

а - схема инерционной части, б - мембранный преобразователь,

1 - мембраны жесткостью КМ, 2 - рабочая жидкость массой М,

3 -измерительный канал (С - коэффициент вязкого трения),

4 - электроды, 5 - корпус

Процессы переноса вещества определяются диффузией, конвекцией и миграцией: Первое слагаемое - диффузионный поток электролита концентрации Сi (D - коэффициент диффузии); второе - миграционный поток (Е - электрическое поле, - динамическая вязкость); третье - конвективный поток - Vх, который является основным для диффузионных преобразователей.

Статическая вольтамперная характеристика такого преобразователя имеет следующий вид (рис. 4):

; (1)

где предельные токи; l - длина канала, С1, С2, D1, D2 - концентрации и коэффициенты диффузии окислителя и восстановителя, соответственно; S - площадь электродов; = (t) - отклонение потенциала электрода от равновесного значения.

(2)

где - скачок потенциала; R - универсальная газовая постоянная;

Т - абсолютная температура; z - число электронов, принимающих участие в реакции; F - число Фарадея.

Рис. 4. Вольтамперная характеристика МЭ преобразователя

Вольтамперная характеристика определяет следующие параметры.

1) Ток преобразователя в интервале:

(3)

где n = i/iпр1, m = i/iпр2 - заданные отношения, не превышающие единицы. При = 0,1 и m = n = 0,9: = 1,2; = -2,3.

2) Предельные токи iпр1 и iпр2 определяют отношение концентраций окислителя и восстановителя: = iпр1/ iпр2 = C1/C2.

3) Импеданс преобразователя:

при ; . (4)

4) Крутизну характеристики преобразователя, максимальное значение которой при = Ѕ ln равно: ,

а при = 0: . (5)

5) Асимптотическую вольтамперную характеристику:

; (6)

Уравнение пограничного диффузионного слоя, плотность тока и полный ток: (7)

где F - число Фарадея, sэ - площадь считывающего электрода, - нормаль к поверхности sэ.

Изменение концентрации и смещение электролита равны:

(8)

Зависимость величины тока преобразователя с длиной канала l от смещения электролита и перепада давления равна:

(9)

На рис. 5 приведены схемы 2-х, 3-х и 4-х электродных систем ДП. В области между катодом и анодом концентрация ионов окисленной формы изменяется по линейному закону - от нуля у катода, до исходной С0 у анода. За счет градиента концентрации возникает стационарный диффузионный поток ионов окисленной формы jg, направленный к катоду и обуславливающий начальный ток электрода Iф. При движении электролита со скоростью V на диффузионный поток ионов j накладывается конвективный поток jk, определяемый движением электролита. Полный поток ионов на катод будет равен j = jg + jk , а полный ток электрода I = = Iф + I. Сигнал I - знакопеременный.

Различают два основных режима работы, определяемые условиями Imax < Iф, Imin > Iф. Для двухэлектродной системы характерен первый режим работы. Трехэлектродная система компенсирует фоновые токи: U0 вых = IфRн1 - IфRн2 = 0. При движении электролита выходной сигнал равен: Uвых = I1Rн1 - I2Rн2 = (Iф ++I)Rн1 - (Iф - I) Rн2 = 2IRн. Коэффициент преобразования трехэлектродной системы в два раза выше. Четырехэлектродная система включена вместе с сопротивлением нагрузки Rн и источником питания по балансной схеме. Выходной сигнал, снимаемый с электродов, в зависимости от направления движения электролита, как и для двухэлектродной системы, равен: Uвых = IRн, но время релаксации, необходимое для разделения электролита, уменьшается.

Решение уравнения диффузии дает формулы выходного тока:



(10)

Рис. 5. Схема 2-х, 3-х и 4-х электродных систем (- - - - ) и

межэлектродного распределения концентрации (---):

C/С0 - относительная концентрация; Х - линейная координата; V - поток электролита; Ik, Ig - токи вынужденной и естественной конвекции;

Е - источник питания; Rн - нагрузочные резисторы

Ток представляет собой сумму бесконечного числа экспонент(10), затухающих с постоянной времени T? = r2/n2D. При n = 1, T? = r2/5,75D.

Зависимость тока от скорости V0 и от перепада давления ДP следующая:

(11)

Чувствительность ДП по скорости и смещению равна:

(12)

где , sм - рабочая площадь мембран, sк - межэлектродное расстояние.

Зависимость тока Iд от смещения электролита ХЭ имеет вид:

(13)

где Kii = 0,55 С0 zFd2; Tii = d2 / 23D - для канала диаметром d.

Зависимость выходного тока I от напряжения U на электродах ДП при различной скорости смещения электролита приведена на рис. 6, а на рис. 7 - структурная схема инерционного ДП.

Рис. 6. Зависимость выходного тока ДП I от напряжения U

при различной скорости смещения электролита:

1 - VЭ = 10-6 м3/c; 2 - VЭ = 10-7 м3/c; 3 - VЭ = 10-8 м3/c; 4 - VЭ = 10-9 м3/c;

5 - VЭ = 0 м3/c; 6 - нагрузочная характеристика

Размещено на http://www.allbest.ru//

19

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рис. 7. Структурная схема МЭ ПИП:

1 - преобразование входного сигнала в силовое воздействие инерционной массы F; 2 - преобразование F в смещение электролита ХЭ;

3 - преобразование ХЭ в электрический сигнал IЭ; 4 - усиление тока

Математическая модель измерительного ДП представлена в виде передаточной функции:

(14) где Iи- выходной сигнал; М, ХМ - величина и смещение инерционной массы; К - жесткость упругих элементов; - гидросопротивление.

Чувствительность инерционной части преобразователя равна:

(15)

Чувствительность измерительного ДП:

(16)

Значение Т 2=Т1Т2=М/K для жидкостной инерционной массы мало (порядка 10-3 с2). Подключение твердофазных элементов повышает значение Т2, следовательно, и чувствительность в 102 и более раз. Передаточная функция такой структуры имеет вид:

(17)

где звено жесткой обратной связи;

В третьем разделе исследованы принципы построения комбинированных структур взаимодействия МЭ, инерционных (твердофазных) и силовых (обратных) преобразователей. Разработаны исходные математические модели структур с применением различных видов положительной обратной связи и получена обобщенная расчетная модель пониженного порядка.

Обратная связь, управляющая концентрацией, изменяет коэффициент преобразования. Для силовой обратной связи используется электроосмотический преобразователь с коэффициентом K , характеризуемый силой Fдв, развиваемой давлением Р под действием приложенного напряжения U, и определяется дзета-потенциалом и параметрами электроосмотического преобразователя - а, N, SМ, Sэф:

(18)

Последовательное соединение прямого и обратного преобразователей (рис. 8, 9) образует систему с одной степенью свободы, параллельное соединение через упругий или демпфирующий элементы дает систему с двумя степенями свободы (рис. 8, 10) и позволяет получить многоконтурную обратную связь, увеличивая ее воздействие. Математические модели таких систем:

(19)

(20)

где аi - коэффициенты, определяемые инерционными и гидродинамическими параметрами.

1. Хвых = ХM + Xm 2. Хвых = ХM + m

3. Хвых = ХM + Xm 4. Хвых = Хm

Рис. 8. Схемы соединений инерционных элементов

1 - гидравлическое взаимодействие, 2 - упругое взаимодействие,

3 - взаимодействие через упругие и демпфирующие элементы,

4 - последовательное соединение элементов

Рис. 9. Схема последовательного соединения преобразователей

Рис 10. Структурная схема МЭ ПИП с 2-я степенями свободы

Для обобщенного математического описания проведен анализ методов аппроксимации уравнений. Разложения в ряды Бурмана-Лагранжа, Тейлора, частотные методы и другие известные методы имеют погрешность аппроксимации не менее 10 %. Разброс численного решения составляет от 15 до 37 %.

Для анализа синтезированных структур разработан метод аппроксимации по условию равенства интегральных квадратичных оценок:

, (21)

где Х, Х1 - координаты исходного и аппроксимирующего уравнений;

m - порядок уравнения.

В результате получены передаточные функции для систем с одной W1(p) и двумя степенями свободы W2(р):

(22)

Коэффициенты аi (табл. 1) определяются через параметры и Т и содержат весовые значения коэффициентов исходных функций.

Коэффициент принимает следующие значения: при обратной связи по ускорению по скорости по смещению Отклонения АЧХ, построенных по исходным и аппроксимирующим моделям с применением программы AlgEq. exe (рис. 11), составляют 5 %, время вычисления сокращается на 60 %.

А б

Рис. 11. а. АЧХ исходной - А1 и аппроксимирующей - А моделей:

б. Y(x) - погрешность численного решения, Y1(x) - точное решение

Коэффициенты обратной связи определяются соотношениями:

(23)

(24)

и ограничены при воздействии по ускорению, скорости, смещению значениями:

(25)

Положительная обратная связь увеличивает чувствительность и расширяет частотный диапазон измерительного ДП. Нижняя граничная частота скоростного режима устанавливается из соотношений:

(26)

при выполнении приоритета диффузионного процесса по сравнению с гидродинамическим:

. (27)

Условие (27) дает расчетное соотношение для параметров преобразователя:

, (28)

где - параметр измерительного канала

Для автоматизированного исследования структур измерительного ДП рассмотрена электрическая схема, отображающая инвариантную математическую модель. Схема осуществляет изменение переменных и интегрирование, суммирование входных величин и инвертирование. Порядок характеристического уравнения определяет количество операционных усилителей. Полученная инвариантная математическая модель предопределила использование классической схемы набора позиционных звеньев второго порядка (рис. 12).

Рис. 12. Электрическая модель преобразователя с передаточной функцией второго порядка

Система уравнений для такой модели имеет вид:

U3=1/C1P(U1/R1+a3U2);U4=1/C2P(a1U3/R3+a2U4/R4);U2=U4R6/R5,

где Р - машинный символ переменной. Исключив переменные U3, U4, получим: , (29)

где t' = mtt - машинное время, mt - масштаб времени.

Для уравнения второго порядка, находим:

(30)

При исследованиях системы на вход модели подаются сигналы различной формы.

Разработанный принцип построения МЭ преобразователей, заключающийся в организации взаимодействия прямых и обратных преобразователей, позволил организовать пассивную и управляемую корректировку характеристик. Анализ преобразователей по разработанным обобщенным математическим моделям установил:

- положительная обратная связь по ускорению увеличивает чувствительность во всем диапазоне, АЧХ имеет подъем 40 дБ/дек в сторону повышения частот;

- обратная связь по смещению расширяет диапазон по скорости в сторону низких частот;

- использование двухконтурной обратной связи по скорости и смещению и интегрирующего звена в прямой цепи расширяет частотный диапазон по смещению и увеличивает чувствительность;

- системы с двумя степенями свободы имеют большую чувствительность на всех режимах измерения и больший диапазон изменений характеристик;

- скоростная обратная связь позволяет получать горизонтальный участок АЧХ в некотором диапазоне частот или узкополосный низкочастотный фильтр с дополнительным усилением.

В четвертом разделе проработаны принципиальные решения повышения стабильности характеристик и уменьшения погрешностей измерительных ДП преобразователей.

Рассмотрены технологические методы повышения стабильности и точности диффузионных структур. Многие виды преобразователей, основанные на различных физических явлениях, имеют общие источники, модели и методы расчета собственных шумов. Для жидкостных и газообразных типов преобразователей практически достаточно учитывать зависимость параметров от температуры t, динамического диапазона I, положения в пространстве g.

Электрический шум, определяющий пороговый уровень полезных сигналов и ограничивающий информационную емкость, устанавливается на основании теоремы Найквиста: Rщ(f) =U2/4kTf.

Дополнительный шум, обусловленный хаотическим движением электроактивных компонентов (фликкер-шум), связан с модуляцией внутреннего сопротивления, с естественной и вынужденной конвекцией носителей и другими макро- и микроскопическими колебаниями.

Изучение и разработка способов уменьшения собственных шумов проведено многими авторами и изложены в соответствующих публикациях. Следует отметить, что источники нестабильности характеристик определяются не только физическими процессами, но и зависят от конструктивных и технологических факторов.

При исследовании взаимодействия электрокинетического, осмотического и электромеханического преобразователей рассмотрены задачи стабилизации параметров с помощью отрицательной обратной связи. Анализ структурных и эквивалентных электрических схем и расчет коэффициентов преобразования отдельных элементов позволил установить общий коэффициент преобразования равный: , т.е. увеличение коэффициента передачи силового преобразователя Ксп повышает стабильность коэффициента передачи W всей системы.

Установлены аналитические зависимости, определяющие один из заметных источников гидродинамического шума преобразователя. Таким источником является вихревое движение жидкости, образуемое под действием разности давлений, возникающих при вращении контура преобразователя. Скорость такого движения V, индуцируемая при вращении с угловой скоростью = Ѕ rot V, равна: , где S - площадь перегородки; R - радиус вихря. При этом отвод потенциалообразующих ионов носит случайный характер, дисперсия процесса увеличивается при увеличении скорости вращения, что является одной из причин случайной погрешности преобразователя. В разработанной модели с расположением преобразующего элемента в центре контура обеспечивается устранение рассмотренного шумового процесса. Замена газового компенсационного объема мембраной, жесткость которой К устанавливается величиной давления пара рабочей жидкости Рп, начальным давлением Р0 и диапазоном рабочих температур Т: , позволила повысить стабильность характеристик ДП.

Исследованы принципы преобразования, основанные на изменении сопротивления и емкости проводящей среды между электродами. Для таких систем получены аналитические зависимости выходного параметра от входных величин, рассмотрены оптимальные методы построения. Для преобразователя с системой подвижных и неподвижных электродов определена зависимость характеристик от формы, числа электродов, их взаимного расположения, состава рабочих жидкостей. Выходной сигнал, связанный с изменением сопротивления R как функция расстояния между электродами, определяется геометрической проводимостью G между электродами. Величина зазора , определяющего гидравлическое сопротивление и динамические характеристики, равна:

(31)

Используется электроосмотическая прокачка жидкости переменным напряжением, эффективное значение которого определяется параметрами преобразователя:

Uэф > h2 f / K0 , K0 = в /2.. (32)

Для улучшения степени очистки и уменьшения времени стабилизации характеристик технологическая прокачка с помощью электроосмоса осуществляется при нагреве до предельно допустимой температуры. В этом случае уменьшается вязкость рабочей жидкости и скорость, определяемая выражением:

Vэo=в U /h, (33)

а тепловые конвективные потоки способствуют выведению микрочастиц из объема преобразующего элемента.

Суперпозиционное взаимодействие различных физических процессов определяет качественно новый подход к исследованию измерительных преобразователей. Механизм взаимодействия МЭ процессов с наложенными электрическими и электромагнитными полями имеет частотно зависимый характер. При протекании переменного тока низкой частоты (от долей Гц до единиц кГц) ДП имеет частотную зависимость проводимости, определяемую сопротивлением Варбурга.

При воздействии электромагнитных колебаний (порядка 10 кГц) период колебаний достаточный, чтобы двойной электрический слой успевал перезарядиться. Это определяет низкую ионную проводимость. Последующий рост удельной проводимости происходит вследствие уменьшения емкостного сопротивления с увеличением частоты. Неполная перезарядка двойного слоя приводит к образованию ионных токов, и проводимость плавно увеличивается, а диэлектрическая проницаемость падает. Релаксация противоионов у заряженных поверхностей двойного электрического слоя определяется как механизм -дисперсии. Такое воздействие как технологическое, так и эксплуатационное - периодическое или постоянное - не эффективно для ДП.

Лавинное вовлечение глубинных сред в процессе образования ионных токов на частотах 104 - 105 Гц вызывает резкое возрастание удельной проводимости за счет уменьшения сопротивление ячейки.

На частотах 105 - 107 Гц двойной слой все меньше перезаряжается. В итоге емкостное сопротивление падает, проводимость продолжает возрастать, а диэлектрическая проницаемость уменьшается.

При частоте колебаний выше 108 Гц емкостное сопротивление становится настолько малым, что ячейку можно считать короткозамкнутой. Поляризация молекул и токи смещения становятся преобладающими. Характерные частоты молекул воды, как связанной (гидратированной), так и свободной, оказываются равными и ниже частот воздействующего поля. Область в диапазоне частот 104 - 108 Гц определяет -дисперсию. Процессы в области более высоких частот (-дисперсия) характеризуются возбуждением дипольных молекул воды, проводимость вновь резко возрастает, а диэлектрическая проницаемость меняется незначительно.

Представленный механизм воздействия электромагнитного поля показывает, что с возрастанием частоты индуцирование ионных токов постепенно заменяется поляризацией молекул.

Рассмотренные процессы определили разработку методов технологической корректировки основных характеристик ДП преобразователей. Контактная электромагнитная обработка рабочих жидкостей позволяет установить режим технологического процесса, определяемый зависимостью времени воздействия поля от параметров, физических и геометрических свойств жидкости:

t = 0,141nMKH-1 S-1 Z-1/2 п-1/2 f-1/2 р-3/4 E-1/4 . (34)

Суперпозиционное динамическое воздействие переменного тока позволяет уменьшить время выхода на рабочий режим диффузионных преобразователей путем подачи импульса с амплитудой до нескольких ампер, длительностью меньше времени разложения жидкостной основы электролита. Переменный ток позволяет также уменьшить адсорбцию поверхностно активных веществ на поверхности электродов, обеспечивая повышение точности и расширения температурного диапазона. Аналитическое выражение для определения оптимального значения частоты переменного тока имеет вид:

f = abDCd / Еtl, b = i/Iпр. (35)

Для двухэлектродной диффузионной ячейки с реальными параметрами частота наложенного переменного тока составляет порядка 50 Гц.

К конструкционным материалам таких систем предъявляются высокие требования по коррозионной стойкости к электролиту. Используемые пластмассы обладают хладотекучестью, газопроницаемостью, что затрудняет герметизацию рабочего объема и приводит к диффузии в объем электролита кислорода и окислению иода. Данные факторы, а также поглощение материалами части окисленной формы электролита, являются причиной нестабильности характеристик, невысокой надежности и ограниченного срока службы. Для улучшения указанных показателей исследована стойкость некоторых металлов и разработан преобразователь на основе титановых сплавов с пленочными электродными структурами. Это позволило также снизить порог чувствительности (в 2 - 10 раз) за счет уменьшения межэлектродного расстояния, определяющего диффузионное сопротивление, до толщины окисного (TiO2) изоляционного слоя.

Здесь же приводятся способы внутренней компенсации температурной зависимости характеристик диффузионных преобразователей.

Температурная коррекция в диапазоне ДТ осуществляется ячейкой с электродами, аналогичной основному преобразователю. В качестве выходного сигнала используют отношение выходного тока, образованного перепадом давления ДР преобразователя Iвых.пр., к предельному обратному току диода Iвых.д:

(36)

где б - температурный коэффициент.

Выходной ток равен: ; (37)

где RГ - гидросопротивление измерительного канала, l, S - длина и площадь поперечного канала, соответственно.

При изменении температуры имеем:

(38)

где RГ0 - гидравлическое сопротивление при температуре Т0, вм - температурный коэффициент вязкости м0 рабочей среды.

Компенсация температурного изменения RГ, связанного с изменением вязкости, реализуется регулированием в соответствии с изменением температуры размера канала h, образованного двумя элементами с размерами l1 и l2 из материалов с различными коэффициентами линейного расширения 1 ,2.

Изменяя концентрацию по закону , для выходного тока получим:

. (39)

Реализуется способ в преобразователе, содержащим дополнительную камеру, соединенную с рабочим объемом, и содержащим электроды, подключенные к схеме считывания и обеспечивающие изменение концентрации электролита в рабочем объеме преобразователя.

Термокомпенсация достигается также одновременным изменением рабочей длины l и площади поперечного сечения канала Sк.

Применение в различных сочетаниях рассмотренных способов, наряду со схемными решениями корректировки характеристик ДП преобразователей, позволило реализовать измерительные приборы с достаточной для практических задач (не более ) точностью.

В пятом разделе проведен анализ погрешностей КДП инерционных преобразователей и исследуются способы их уменьшения. Суммарная статическая погрешность , определяемая погрешностью звеньев qi цепи, равна:

(40)

где - точное значение i-го звена; y -действительное значение входной величины.

Для исследуемой системы с инерционным преобразователем:

(41)

где XCT - статическое приращение параметра упругого элемента, XCT -

-погрешность упругого элемента.

Статическая погрешность при регистрации смещения:

(42)

где dM, d - диаметры мембраны и рабочего канала.

Выражение для температурной погрешности имеет вид:

(43)

где t, D, - температурные коэффициенты модуля упругости материала пружины, коэффициента диффузии и вязкости рабочей жидкости; ж, к, и - коэффициенты расширения жидкости и материалов.

Величина динамической погрешности равна:

(44)

где Сi - коэффициенты ошибок по положению, скорости и ускорению.

В режиме виброметра x(t) = Х погрешность определяется:

- для структур с одной степенью свободы:

(45)

- для структур с двумя степенями свободы:

(46)

Воспроизведение гармонического воздействия х(t)= Xmax• sin0t оценивается по амплитуде ошибки max:

(47)

Для одностепенных систем при частоте сигнала 0 = 510-2 c-1:

еmax = 410-2Xmax;

Данную частоту для системы без коррекции можно считать предельной (при 0 = 310-2 c-1; = 15 %). Для скоростной обратной связи, при 0 = 310-2 c-1 и уменьшении (2Т+Тg) до 20, получим:

еmax 2,810-2Xmax; 2,8 %.

В системах с двумя степенями свободы наблюдается уменьшение ошибки: при = 0 = 510-2 c-1, еmax = 1,210-2Xmax; = 1,2 %.

Установлены изменения значений параметров при воздействии случайного сигнала со спектральной плотностью:

(48)

где µ - коэффициент затухания среды.

Спектральная плотность ошибки определяется выражением:

(49)

где DХ Df - дисперсии основного сигнала и помехи.

СКО равна:где J - табличные интегралы.

Значения параметров определяются из системы уравнений, образуемой при раскрытии уравнения (49) и приравниванием нулю коэффициентов при производных.

Проведенные исследования показали, что статическая погрешность определяется температурными вариациями параметров как МЭ преобразователя, так и инерционных (жидкостного и твердофазного) элементов. Динамическая погрешность зависит от режимов измерения, уменьшается при введении обратных связей.

В шестом разделе проведена разработка методики расчета параметров и приведены результаты экспериментальных исследований. Установлены формулы для основных параметров инерционного ДП:

- характерные размеры измерительного канала:

(50)

- перепад давления: Pmin=h42fн2 Xкmin, Pmаx =h42fв2 Xкmin; (51)

- граничные частоты: , (52)

- чувствительность:

(53)

Исследована АЧХ ДП в диапазоне f = 0,01 - 1 Гц. Минимально зарегистрированная величина амплитуды колебаний - 10-8 м. Расчетная чувствительность S =10 В/м определяет значение порога чувствительности Хmin = 10-10 м. Сравнительные записи подтвердили преимущества МЭ преобразователей (рис. 13, 14), их чувствительность в 20 - 100 раз выше штатных (СБУ - В).

Рис. 13. Записи сейсмических сигналов:

1 - МЭ ИП; 2 - СБУ- В ; 3, 4, 5 - после фильтрации

В седьмом разделе исследованы схемы пространственно-временных измерений с динамической коррекцией.

Методика исследования точности измерений при коррекции с применением ЭВМ определяется следующими основными операциями:

- определяются реальные динамические характеристики;

- устанавливаются характеристики помех;

- проводится сравнение оптимальных и реальных характеристик и устанавливается модель корректирующих воздействий.

Уравнение с переменными коэффициентами имеет вид:

(54)

Алгоритм управления характеристиками определяется по характеристическому уравнению в параметрическом виде:

. (55)

С учетом характера управляющего воздействия, возможны следующие значения коэффициентов уравнения второго порядка (55):

- по координате: а0(t) = a0 + ?а0; а1(t) = a1; а2(t) = a2;

- по скорости: а0(t) = a0; а1(t) = a1+? а1(t); а2(t) = a2;

- по ускорению: а0(t) = a0; а1(t) = a1; а2(t) = a2 +? а2 (t)2.

Спектральные исследования проводим по измененному уравнению (55):

. (56)

При управлении по трем параметрам:

.

Пространственные измерения строятся на основе антенных решеток. Схема системы оповещения о динамическом воздействии приведена на рис. 15. Пункт обнаружения содержит измерительный преобразователь типа СПМ-3В и блок обработки информации. Сигнал через радиотрансляционный пункт предается в пункт регистрации. Схема расположения ПО приведена на рис.16. Расстояние S0 от пункта обнаружения до пункта регистрации определяется разницей в скоростях прохождения динамической волны Vs и передачи сигнала на объект Vо. Учитывая, что Vо >>Vs, общее время t? определяется суммой времени обработки сигнала tос, передачи и приема tпп, формирования управляющего сигнала tуc и срабатывания предусмотренной защиты tcз:

t? = tос + tпп + tус + tсз. (57)

Время передачи (57) составляет в среднем 25 с. Сигнал формируется при превышении заданного порога. Например, для сейсмических волн средняя скорость распространения составляет ? 2,5 км/c. Следовательно, минимальное расстояние S0 = VS t? ? 62,5 км. При равномерном распределении пунктов обнаружения первый рубеж расположен на расстоянии S01 = 70 км, второй - на расстоянии S02 = 50 км.

Алгоритмы и схемы управления характеристиками явились основой программ автоматизированного контроля и измерения при разработке системы пространственного измерения на основе разработанных инерционных ДП.



Рис. 15. Система измерения волнового динамического воздействия:

ПО - пункт обнаружения сигнала; РТП - радиотрансляционный пункт; СПМ-3В - приемник сигнала; МПКУ-В - молекулярно-электронный измерительный преобразователь; БОИ - блок обработки информации; ПРДИ - передатчик информации; ПРМК - приемник информации; ПРМ - приемопередатчик; ПР - пункт регистрации; БП - блок питания

Рис. 16. Схема расположения ПО и взаимодействия системы

1 1 - направление динамической волны - S(f),

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основной результат работы - решение научной проблемы построения нового класса измерительных преобразователей сигналов малого уровня (от 10-9 м/c, 10-3 Гц) для приборов и систем контроля природных и техногенных динамических процессов, что является важной задачей при реализации программ обеспечения безопасности работы жизнеобеспечивающих объектов и жизнедеятельности населения.

1. На основе анализа физических процессов и закономерностей двойного электрического слоя, получены статические и динамические характеристики преобразования конвективного переноса электроактивных компонентов в электрический сигнал.

2. Предложен принцип построения диффузионного преобразователя динамических воздействий, получена расчетная математическая модель измерительного преобразователя, определены диапазоны измерения.

3. Предложен принцип построения комбинированных преобразователей, определяющий:

- вариантность взаимодействия диффузионного, жидкостного (рабочая среда) и твердофазного инерционных преобразователей;

- расширение функциональных возможностей, частотного и динамического диапазонов и уменьшения погрешностей за счет применения внутренней и внешней, пассивной и управляемой положительной обратных связей.

4. Предложены методы коррекции характеристик преобразователя, обеспечивающие построение управляемых систем измерения и контроля. Достигнуто повышение чувствительности в 20 - 100 раз и расширение частотного диапазона до 10-3 Гц.

5. Разработан метод аппроксимации исходных математических моделей функцией второго порядка. Погрешность не превышает 5 %, время вычислений сокращается на 60 %. По обобщенной модели установлены допустимые диапазоны корректируемости.

6. Разработаны методы стабилизации и повышения точности характеристик МЭ преобразователей путем суперпозиционного воздействия электрических и электромагнитных полей. Разработка металлопленочных нанометровых электродных структур позволила увеличить срок работоспособности.

7. Получены аналитические выражения ошибок при воздействии детерминированных и случайных сигналов и помех. Оптимизированы значения характерных параметров по минимуму СКО. Разработаны способы компенсации температурной зависимости.

8. Экспериментальные исследования подтвердили расчетные характеристики. МЭ преобразователи типа ПДС обеспечивают измерение колебательных процессов в диапазоне (10-3 - 3) Гц, порог чувствительности - 10-10 м/с. Чувствительность ПДС - (5 - 10)·10-2 А•с/м, при нагрузке 103 Ом - (50 - 100) В•с/м.

9. Разработана модификация метода спектрального исследования преобразования с использованием характеристик элементарных звеньев. Определены принципы построения системы регистрации пространственно распределенных сигналов малого энергетического уровня.

10. Результаты проведенных исследований использованы при разработке измерительных устройств: преобразователь диффузионный - ПДС, преобразователь колебательных ускорений - МПКУ, сейсмо-приемники изделия К-214, 215С, приемники линейных ускорений СПМ-54, СПМ-55, преобразователи угловых ускорений ПЭУУ-100, 110, измерители угловых ускорений ИУУ-3, 5, 7, МЭ преобразователи типа ПДМ, приемник механических сигналов трехкомпонентный - «Изделие 2У-41-1», система автоматического опережающего оповещения о динамической волне - «Система 2У-41».

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ МАТЕРИАЛОВ ДИССЕРТАЦИИ

Ведущие научные журналы

1. Желонкин А.И. Инвариантный метод спектрального анализа преобразования сигналов//Технология приборостроения. - 2003. №4. - С. 24 - 30.

2. Желонкин А.И. Молекулярно-электронные преобразователи сигналов малого энергетического уровня//Электромагнитные волны и электронные системы. - 2004. № 5. - С. 46 - 53.

3. Желонкин А.И. Оптимизация цифровой обработки сигналов//Приборы и системы: - 2004. №4. - С. 34 - 39.

4. Желонкин А.И. Инвариантный метод исследования динамических систем// Приборы и системы: Управление, контроль, диагностика. - 2004. №6. - С. 23 - 27.

5. Желонкин А.И. Математическое описание многоканальных измерительных систем//Приборы и системы: Управление, контроль, диагностика. - 2007. № 2. - С.44 - 46.

6. Желонкин А.И. Минимизация цифровой обработки сигналов//Приборы и системы: Управление, контроль, диагностика. - 2007. № 5. - С. 62 - 64.

7. Желонкин А.И. Моделирование конвективных процессов электрохимических преобразователей//Технология приборостроения. - 2006. №4. - С. 27 - 31.

...