Розвиток теорії та принципів побудови інформаційно-вимірювальних систем з часовим представленням вимірювальної інформації

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вінницький національний технічний університет

УДК 681.317.39;681.518.3

РОЗВИТОК ТеоріЇ ТА ПРИНЦИПІВ ПОБУДОВИ інформаційно-вимірювальних систем з часовим представленням вимірювальної інформації

05.13.05 -комп'ютерні системи та компоненти

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Шабатура Юрій Васильович

Вінниця 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Вінницькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант - доктор технічних наук, професор Поджаренко Володимир Олександрович, Вінницький національний технічний університет, завідувач кафедри метрології та промислової автоматики

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор Володарський Євген Тимофійович, Національний технічний університет України „КПІ”, м. Київ, професор кафедри автоматизації експериментальних досліджень;

доктор технічних наук, професор Куц Юрій Васильович, Національний авіаційний університет, м. Київ, завідувач кафедри інформаційно-вимірювальних систем

доктор технічних наук, професор Руженцев Ігор Вікторович, Харківський національний університет радіоелектроніки, м. Харків, завідувач кафедри метрології та вимірювальної техніки

Захист дисертації відбудеться „_16_” __травня_ 2008 р. о _9³⁰__ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 05.052.01 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Вінницького національного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розісланий „_27_” _березня__ 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради С.М. Захарченко

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Динамічний розвиток усіх сфер діяльності людей сьогодні нерозривно пов'язаний із зростанням вимог до методів та засобів вимірювань. Незважаючи на стрімке поширення впровадження в засоби вимірювань мікропроцесорної та комп'ютерної техніки, в даний час спостерігається певне відставання в функціональних можливостях засобів вимірювальної техніки по відношенню до тих вимог, які висуваються до неї потребами виробництва, науки, культури та інших видів діяльності людей. Таке становище стимулює наукові дослідження, спрямовані на вдосконалення відомих і пошуки нових методів та принципів побудови вимірювальних засобів.

Сучасні засоби вимірювальної техніки створюються переважно у вигляді потужних багатоканальних інформаційно-вимірювальних систем (ІВС). У розробку теорії ІВС вагомий внесок зробили вчені США, Англії, Франції, Росії, Німеччини, Японії та інших країн світу. В Україні інтенсивний розвиток в даному напрямку був започаткований П.П.Орнатським. Сьогодні він ефективно продовжується завдяки працям багатьох відомих українських вчених.

Розвиток ІВС на сучасному етапі відбувається в основному за рахунок більш повного використання потенціалу методів цифрової обробки інформації за допомогою комп'ютерної та мікропроцесорної техніки, а також за рахунок збільшених можливостей апаратурного та програмного забезпечення. Однак, відомі підходи не забезпечують суттєвого і одночасного покращення основних функціональних показників ІВС. Отже, існує важлива проблема, яка полягає в необхідності забезпечення у комплексі збільшення роздільної здатності вимірювань, підвищення їх стійкості до дії завад та покращення енергетичних характеристик ІВС. Враховуючи загальні тенденції розвитку науки і техніки, необхідно відзначити, що вирішення цієї проблеми є актуальною для сьогодення.

Разом з тим, слід зауважити, що якісний стрибок у покращенні функціональних характеристик ІВС може дати лише застосування нових методів вимірювань, нових принципів структурного синтезу ІВС, нових способів організації вимірювальних каналів та побудови вимірювальних перетворювачів. Крім того, останнім часом з'явився ряд вимірювальних задач, пов'язаних із розвитком комп'ютерних мереж і необхідністю кількісного оцінювання їх динамічних та інших характеристик. Для вирішення останніх задач теж виникає потреба в розвитку теорії і практики створення відповідних ІВС.

Таким чином, для вирішення відзначеної проблеми необхідно розв'язати комплекс задач, пов'язаних із розробкою теоретичних засад побудови ІВС, які відрізняються підвищеною точністю вимірювань, високою чутливістю до вимірюваних величин, забезпечують інваріантність до дії завад, мають менше енергоспоживання та уніфіковану структуру. Потенційні можливості для розв'язку вказаної проблеми і комплексу пов'язаних з нею задач надає запропонована і розвинута в теоретичному і прикладному аспектах у даній роботі концепція застосування часових інтервалів в якості універсальної вимірювальної величини при виконанні процедур вимірювання значень інших фізичних величин.

Наведена аргументація підтверджує своєчасність та актуальність поставленої науково-практичної проблеми вирішення якої потребує створення теоретичних засад та практичних положень для побудови ІВС з часовим представленням вимірювальної інформації, розвитку теорії та методів створення вимірювальних каналів, які базуються на представленні вимірювальної інформації у формі часових інтервалів, з відповідним математичним, метрологічним, схемотехнічним, програмним та методичним забезпеченням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, результати яких відображені в дисертаційній роботі, виконувалися відповідно з програмами і планами виконання науково-дослідних робіт протягом 1992-2007 років у Вінницькому політехнічному інституті, згодом у Вінницькому державному технічному університеті та у Вінницькому національному технічному університеті, а саме: по держбюджетних темах (відповідальний виконавець): №81-Г-23 (№ держреєстрації (д\р) 0193V007095); №42-Г-149 (№ д\р 0196U007367); №42-Д-181 (№ д\р 0196U007367); госпдоговірних темах (науковий керівник): №8125 (№ д\р 0101V007206); №8127 (№ д\р 0104U008024); №8128 (№ д\р 0106U006222); №8129 (№ д\р 0106U003919); договорів про творчу співдружність (науковий керівник): №81\01; №81\02; №81\03.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є підвищення роздільної здатності і завадостійкості вимірювань та зменшення енергоспоживання в ІВС у комплексі за рахунок побудови їх вимірювальних каналів на основі часового представлення значень вимірюваних величин і переходу до імпульсного режиму роботи.

Досягнення поставленої мети здійснюється на основі результатів розв'язання таких наукових задач:

- здійснити аналіз і систематизацію представлень вимірювальної інформації в ІВС та обґрунтувати доцільність представлення значень вимірюваних фізичних величин часовими інтервалами, на основі чого створити теоретичні засади для побудови ІВС з часовим представленням вимірювальної інформації;

- розробити нові принципи створення вимірювальних каналів ІВС, які базуються на застосуванні нових способів та пристроїв здійснення вимірювальних перетворень або на основі використання класичних вимірювальних схем з резистивними сенсорами, робота яких організовується за новими принципами з використанням імпульсних тестових сигналів (ІТС);

- розробити методологію та математичні моделі для аналітичного визначення нового виду вимірювальних перетворень із застосуванням основних форм ІТС;

- розробити математичні моделі вимірювальних перетворень та функцій чутливості для вимірювальних каналів, побудованих на основі потенціометричних вимірювальних схем при застосуванні типових форм ІТС і на основі мостових вимірювальних схем при застосуванні типових форм ІТС напруги та струму;

- розробити структуру, математичне та метрологічне забезпечення вимірювального каналу з додатковим інтегрувальним перетворенням на основі потенціометричної та мостових вимірювальних схем;

- розробити принципи побудови інваріантних вимірювальних каналів з часовим представленням вимірювальної інформації;

- розробити нові методи та засоби вимірювальних перетворень для застосування у вимірювальних каналах ІВС з часовим представленням вимірювальної інформації; інформація вимірювальний імпульсний сигнал

- сформувати математичний тезаурус досліджуваного вимірювального процесу, провести аналіз похибок та розробити методику оцінки невизначеності результатів вимірювань в ІВС з часовим представленням інформації;

- розробити концептуальні, теоретичні та практичні засади створення ряду спеціалізованих ІВС та вирішення інших задач науки і техніки, які базуються на часовому представленні вимірювальної інформації.

Об'єктом дослідження є процеси отримання вимірювальної інформації про значення фізичних величин шляхом їх перетворення в часові інтервали.

Предметом дослідження є ІВС, вимірювальні канали яких функціонують на основі використання часового представлення вимірювальної інформації.

Методи дослідження - теорія вимірювань, теорія розмірностей фізичних величин, теорія сигналів, теорія ІВС (дослідження ІВС з часовим представленням інформації), теорія похибок вимірювань, математичний аналіз, інтегральне числення, теорія інваріантності (дослідження принципів побудови вимірювальних каналів та їх метрологічних характеристик), теорія множин, методи теорії функцій та функціонального аналізу, теорія електричних кіл, теорія автоматичного управління, нечіткий аналіз (дослідження методів та пристроїв вимірювальних перетворень і створених спеціалізованих ІВС)

Наукова новизна одержаних результатів. У роботі отримано такі наукові результати:

1. Вперше розроблено теоретичні засади побудови уніфікованих ІВС, які використовують часові інтервали як основну форму представлення вимірювальної інформації про значення фізичних величин та обґрунтовано переваги такого представлення. Вперше створено класифікації видів перетворень фізичних величин за формою представлення часових інтервалів та вимірювальних перетворювачів фізична величина - часовий інтервал, розроблена нова класифікаційна структура хронометрії. Ці результати стали теоретичною основою створення ІВС з високочутливими, підвищеної точності, завадостійкості та з меншим енергетичним споживанням вимірювальними каналами.

2. Вперше розроблено принципи створення вимірювальних каналів ІВС з часовим представленням вимірювальної інформації, які базуються на застосуванні нових методів та пристроїв здійснення вимірювальних перетворень або на основі використання класичних вимірювальних схем, робота яких організовується за новими принципами, на основі застосування ІТС. Доведено, що для застосування у вимірювальних каналах, які працюють на нових засадах, придатні ІТС, які описуються унімодальними функціями. Вперше розроблено узагальнену метрологічну модель запропонованих вимірювальних каналів та побудовані математичні моделі вимірювальних сигналів. Отримані результати дозволили системно вирішувати задачі проектування нових вимірювальних каналів, які працюють на нових засадах і мають технічні та метрологічні переваги по відношенню до відомих.

3. Вперше розроблено метрологічні засади застосування ІТС у вимірювальних каналах з часовим представленням вимірювальної інформації, які базуються на математичних моделях залежності зміни тривалості типових форм ІТС від зміни їх амплітуди та функціях чутливості даних залежностей, що дозволило отримати аналітичні вирази для розробки і дослідження вимірювальних каналів з використанням ІТС.

4. Вперше отримано математичні моделі вимірювальних перетворень та функції їх чутливості для потенціометричних та мостових вимірювальних схем з резистивними сенсорами при використанні основних форм ІТС, а також рівняння перетворення та функції чутливості для мостових вимірювальних схем при їх живленні імпульсами струму, які відповідають основним формам ІТС напруги, що дало можливість створювати вимірювальні канали з новим принципом роботи на основі потенціометричних та мостових вимірювальних схем, які, в тому числі, можуть бути нечутливими до втрат у лініях зв'язку.

5. Розроблено структуру та математичні моделі вимірювального каналу з додатковим інтегрувальним перетворенням, який працює на нових засадах при використанні потенціометричної та мостових вимірювальних схем, для яких отримані рівняння перетворення та функції чутливості, що дозволило використовувати прямокутні ІТС та збільшувати чутливість вимірювальних перетворень при застосуванні інших форм ІТС. Ці результати разом із покращенням метрологічних характеристик дозволяють спрощувати узгодження розроблених вимірювальних каналів з цифровими системами обробки інформації.

6. Вперше розроблено узагальнену математичну та інформаційні моделі нових вимірювальних каналів, на основі яких виведені аналітичні залежності для обчислення їх метрологічних та динамічних характеристик. Запропоновано принципи структурного синтезу інваріантних вимірювальних каналів з часовим представленням інформації, що дає можливість створювати нечутливі до дії завад вимірювальні канали.

7. Запропоновано нові методи та пристрої для виконання вимірювального перетворення значення фізичних величин з поданням вимірювальної інформації у формі часових інтервалів, побудовані математичні моделі таких вимірювальних перетворень та створених на їх основі вимірювальних каналів, які працюють на нових засадах і відрізняються підвищеною точністю вимірювань, завадостійкістю та багатофункціональністю.

8. Вперше розроблено математичний тезаурус вимірювального процесу в ІВС з часовим представленням вимірювальної інформації, розроблена класифікація моделей вимірювальних перетворень, виконана метрологічна декомпозиція ІВС, на основі якої обґрунтовано зниження загальної похибки вимірювань в таких ІВС по відношенню до відомих, що дозволяє здійснювати побудову і аналіз ІВС з часовим представленням вимірювальної інформації з заданими метрологічними характеристиками з позицій уніфікованості їх структури, єдності математичного та метрологічного забезпечення.

9. Отримали подальший розвиток елементи теорії кодування і вибору функцій управління з використанням часу як опорного інформаційного каналу, що створює теоретичну основу для побудови нового інтерфейсу взаємодії людини з технічними системами.

Практичне значення отриманих результатів. Практична цінність результатів роботи полягає у тому, що на основі розроблених концепцій, теоретичних засад, методів і математичних моделей створено нові методики і алгоритми вимірювань, побудовано вимірювальні системи та пристрої підвищеної точності і завадостійкості зі зменшеним енергоспоживанням, а також спеціалізовані ІВС, які працюють на основі часового представлення вимірювальної інформації, розроблено методичне та математичне забезпечення для повноцінного інженерного проектування і розрахунку вимірювальних каналів, які працюють на нових засадах. При застосуванні сучасної елементної бази розроблені вимірювальні засоби дозволяють отримати роздільну здатність до 30 біт, в той час, коли відомі мають роздільну здатність до 18-21,5 біт. Підвищена завадостійкість та зменшене енергоспоживання розроблених пристроїв та систем досягаються за рахунок переходу в імпульсний режим функціонування.

Розроблено такі ІВС та вимірювальні пристрої:

а) спеціалізована система „СИ-1А” для контрольного тестування та налагоджування регуляторів напруги вагонних генераторів типу РНГ;

б) спеціалізована ІВС, інтегрована в комплекс управління процесом промивки і дезинфікування доїльного обладнання;

в) вимірювальна підсистема для димових оптичних сповіщувачів охоронно-пожежної сигналізації типу СП-1Т, та СП-2Т;

г) ІВС для вимірювання товщини лакофарбових покрить на металевій поверхні;

д) інформаційно-вимірювальні комплекси для вимірювання ваги вантажів з масою від 30 до 80 тонн;

е) ІВС для оцінки динамічних властивостей сегментів комп'ютерних мереж;

є) волоконно-оптична ІВС;

ж) голосова ІВС для інформування пасажирів вагонів залізничного транспорту;

з) ІВС для контролю за рівнем активності водія транспортного засобу;

і) інтервально-частотна ІВС для адаптивної корекції стану серцево-судинної системи організму людини.

Ряд систем та пристроїв вже впроваджено на виробничих підприємствах та в організаціях, що підтверджується відповідними актами впроваджень у: вагоноремонтному заводі „Експрес” (м. Жмеринка), виробничо-комерційному підприємстві „Тірас” (м. Вінниця ), заводі пакувальних виробів „Вінтар” (м. Вінниця), ДП „Вінницяхліб” ВАТ „Концерн Хлібпром”, ТОВ „Компанія „Ліана”, фірмі „Паллар ЛТД”, ВАТ „Стрижавський кар'єр”, фірмі „Мусон”, АТЗТ „Корделівський ОМКЗ”, ТОВ „Гранітний кар'єр”, ТОВ „ВНВ”.

Результати дисертаційної роботи також використовуються в навчальному процесі у Вінницькому національному технічному університеті на кафедрі метрології та промислової автоматики при підготовці фахівців за спеціальностями: 7.091302 «Метрологія та вимірювальна техніка», 7.091401 «Системи управління і автоматики», 7.092203 «Електромеханічні системи автоматизації та електропривод».

Особистий внесок здобувача. Усі наукові положення та результати, що виносяться на захист, отримано автором особисто. Роботу із експериментального дослідження ІВС та їх впровадження проведено разом із співавторами, прізвища яких наведено у бібліографічному списку.

Розроблені автором теоретичні засади побудови ІВС з часовим представленням вимірювальної інформації розглянуто як у монопрацях [1, 3, 15, 27, 32-34, 44, 48, 49], так і у працях, виконаних у співавторстві [10, 11, 13, 18, 25, 31, 36, 40, 50, 51]. Розроблені автором методи вимірювальних перетворень, математичних та структурних засад синтезу вимірювальних каналів розглянуто як у монопрацях [2, 5, 6, 42, 45], так і у працях, виконаних у співавторстві [9, 12, 14, 19, 21, 24, 28, 29, 38, 43]. Ряд розробок способів та пристроїв автор запатентував самостійно [54-59], інші запатентовані в співавторстві [60-70], а також отримано свідоцтво на право інтелектуальної власності [71], в них автор брав участь у розкритті суті та в розробці структурних схем. Розробка та моделювання цілого ряду спеціалізованих ІВС, пристроїв та технологій викладені як у монопрацях [4, 7, 8, 37, 41], так і у працях, виконаних у співавторстві [16, 17, 22, 23, 26, 30, 35, 39, 46, 47, 52, 53], де автору належать розробки основних положень, моделей та результатів.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на 32 наукових конференціях, з'їздах, симпозіумах, семінарах, серед них: 2-а наук.-техн. конф. країн СНД „Контроль и управление в технических системах” (Вінниця, 1993); наук.-техн. конф. „Методологічні проблеми інженерної діяльності” (Вінниця, 1993); 3-а Міжнар. наук.-техн. конф. „Контроль и управление в технических системах” (Вінниця, 1995); 3-а наук.-техн. конф. „Українська конференція з автоматичного керування” (Севастополь, 1996); 1-а наук.-практ. конф. „Современная контрольно-испытательная техника промышленных изделий и их сертификация” (Мукачево, 1997); Міжнар. наук.-техн. конф. „Контроль і управління в технічних системах КУТС-97” (Вінниця, 1997); Міжнар. наук.-техн. конф. „Контроль і управління в складних системах КУСС” (Вінниця, 1999, 2001, 2003, 2005); Міжнар. наук.-техн. конф. “PHOTONICS - ODS” (Вінниця, 2002, 2005); Міжнар. наук.-практ. конф. „Проблеми гуманізму і освіти” (Вінниця, 2002); Міжнар. конф. „Інтернет. Освіта. Наука.” (Вінниця, 2002, 2004); Міжнар. наук.-техн. конф. „Проблеми гармонії, симетрії і золотого перетину в природі, науці та мистецтві” (Вінниця, 2003); Міжнар. наукова конф. „Політ-2004” (Київ, 2004); 4-а міжнар. наук.-техн. конф. „Метрологія та вимірювальна техніка” (Харків, 2004); 2-а міжнар. наук.-техн. конф. „Современные методы кодирования в электронных системах СМКЭС” (Суми, 2004); Міжнар. наук.-техн. конф. „Сучасні проблеми радіоелектроніки телекомунікацій та приладобудування” (Вінниця, 2005, 2006); Міжнар. наукова конф. „Інтелектуальні системи прийняття рішень та прикладні аспекти інформаційних технологій ISDMIT” (Євпаторія, 2005, 2006); Міжнар. наук.-техн. конф. „Інформаційні технології в наукових дослідженнях і навчальному процесі” (Луганськ, 2005, 2006); Міжнар. конф. з автоматичного управління „Автоматика-2006” (Вінниця, 2006); 1-й Всеукраїнський з'їзд екологів (Вінниця, 2006); 5-а всеукраїнська наук.-техн. конф. „Вимірювання витрати та кількості газу” (Івано-Франківськ, 2007); та інші.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 124 роботи, у тому числі 1 одноосібна монографія, 37 статей у фахових виданнях, з них 8 одноосібних, 18 патентів на винаходи, 1 свідоцтво Державного департаменту інтелектуальної власності про реєстрацію авторського права на комп'ютерну програму, 3 препринти. Перелік основних 71 публікації наведено в авторефераті.

Структура та об'єм роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи становить 456 сторінок, у тому числі 306 сторінок основного тексту, 175 рисунків і 20 таблиць. Бібліографія включає 333 джерела і викладена на 31 сторінці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми досліджень, показано зв'язок роботи з науковими програмами, держбюджетними та госпдоговірними темами. Сформульована мета та основні завдання дослідження, наукова новизна та практична цінність отриманих результатів. Наведено дані про особистий внесок здобувача, впровадження результатів, апробацію роботи, основні праці опубліковані за темою дисертації, розглянута структура роботи.

У першому розділі виконано аналітичний огляд сучасного стану розвитку системних характеристик ІВС, в результаті якого встановлено, що при проектуванні ІВС надзвичайно важливим є використання таких інформаційних сигналів, методів та алгоритмів їх обробки, які забезпечують досягнення нею максимальних функціональних та метрологічних показників.

Далі в цьому розділі виконані детальний аналіз і систематизація форм представлення сигналів як носіїв вимірювальної інформації в ІВС, наведені їх математичні моделі. Окремо досліджується форма представлення інформації про вимірювану фізичну величину у вигляді часових інтервалів. Виконано огляд відомих застосувань такої форми представлення інформації, зокрема, відзначені роботи по використанню таймерних обчислювальних пристроїв та роботи по використанню часових інтервалів в оптоелектронних обчислювальних середовищах. На основі виконаного системного аналізу технічного та метрологічного забезпечення вимірювань часу та часових інтервалів побудована узагальнена класифікація відповідних методів та засобів. Проведений огляд завершується формулюванням концепції побудови ІВС, в основі функціонування яких лежить перетворення інформаційного сигналу сенсорів про значення вимірюваних фізичних величин у часові інтервали з наступним вимірюванням даних інтервалів та відновленням, за потребою, отриманого результату в одиницях вимірюваної фізичної величини. Така вимірювальна процедура опосередкованих вимірювань позначена терміном „інтервальне вимірювання”.

На основі результатів дослідження часу як об'єкту вимірювань з'ясована метрологічна доцільність застосування часових інтервалів для представлення вимірювальної інформації про значення фізичних величин. Такий висновок зроблено на основі того, що час є єдиною фізичною величиною, вимірювання якої сьогодні може бути виконано з найбільшою точністю (відносна похибка 10), а засоби для його вимірювання є досить простими і поширеними.

Потреба підвищення точності у вимірюваннях ряду фізичних величин, зокрема в тензометрії, сьогодні вже практично не може бути вирішена шляхом застосування класичних вимірювальних каналів. Адже в умовах слабких змін сигналів сенсорів використання найдосконаліших 24-розрядних сигма-дельта АЦП, які потребують прецизійних джерел живлення і підсилювачів, здатне забезпечити роздільну здатність не вище 18 - 21,5 біт. Водночас значно простіші в експлуатації мікросхеми часо-цифрових перетворювачів (TDC) фірми Acam mess electronic GmbH забезпечують вимірювання тривалості імпульсів з точністю до 14 пікосекунд, що в діапазоні вимірювань відповідає роздільній здатності в 30 біт. Тому існує потреба відповідного перенесення точності вимірювань часових інтервалів на вимірювання інших фізичних величин, яка пов'язана з вирішенням комплексу сформульованих задач дослідження.

Значне накопичення результатів теоретичних і практичних досліджень в даному напрямі потребує формулювання певної узагальнюючої теоретичної бази, власне нового теоретичного підходу, який чітко окреслює напрям і дозволяє визначити межі його застосування та перспективи розвитку. Такий підхід дозволить об'єднати значну кількість окремих теоретичних і практичних рішень в області теорії і техніки вимірювань з одного боку, а, з іншого боку, розв'яже проблему розробки теоретичного базису для розвитку уніфікованих ІВС і пристроїв, побудованих на основі застосування часової форми представлення вимірювальної інформації. У рамках сформованого напряму розроблені класифікації видів вимірювальних перетворень в часові інтервали за формою їх представлень, а також класифікації вимірювальних перетворювачів фізична величина - часовий інтервал за механізмами формування часових інтервалів, за видом математичних моделей, за структурною організацією та за природою ефектів і явищ, які можуть лежати в основі даного перетворення.

Завершується даний розділ формулюванням напрямів і задач дослідження.

У другому розділі розроблено теоретичні засади для побудови вимірювальних каналів ІВС з часовим представленням вимірювальної інформації. Узагальнена метрологічна модель такого вимірювального каналу подана на рис.1.

Головною частиною даної моделі є вимірювальний перетворювач, який здійснює перетворення фізична величина - часовий інтервал. У загальному випадку він здійснює послідовне перетворення значення фізичної величини в проміжний інформаційний сигнал з наступним його перетворенням в часовий інтервал.

Разом з тим, створено чимало вимірювальних перетворювачів, у яких відсутнє проміжне перетворення. Для них функціональна залежність має вигляд: Формально розглянуте перетворення є дискретним представленням аналогового сигналу в межах інтервалу зміни поточного часу у вигляді послідовності координат часової осі, за значеннями яких можна отримати оцінку початкового значення вимірюваної фізичної величини. Таке представлення і зворотнє до нього відновлення можна записати у вигляді:

де - оператор представлення, - оператор відновлення, - результати вимірювань часових інтервалів, за якими виконується відновлення значення вимірюваної фізичної величини. Потенційно така структура вимірювального каналу здатна забезпечити точність вимірювань значень фізичних величин, наближену до точності вимірювань часу.

Задача створення вимірювальних каналів є однією з найбільш складних і відповідальних ланок у процесі побудови ІВС з часовим представленням інформації, оскільки саме їхні властивості в більшості практичних випадків визначають метрологічні характеристики вимірювальних систем в цілому. Імпульсний режим роботи вимірювальних каналів дає такі переваги: підвищується економічність роботи ІВС, збільшується чутливість, підвищується завадостійкість і точність вимірювань. В цілому виділені два загальні напрями принципів побудови ІВС з часовим представленням інформації, як це подано на рис. 2.

У рамках першого напряму пропонується створювати вимірювальні канали ІВС на основі використання принципу модуляції вимірюваною фізичною величиною часової тривалості, що визначається на заданому рівні імпульсного тестового сигналу напруги, який подається на потенціометричну або мостову вимірювальну схему з резистивними сенсорами. Загальний принцип побудови вимірювального каналу показано на рис. 3. Він передбачає вимірювання або отримання з інших джерел достовірної інформації про значення часової тривалості ІТС на наперед визначеному рівні на вході вимірювальної схеми та вимірювання часової тривалості ІТС на тому ж рівні на виході вимірювальної схеми.

Внаслідок дії вимірюваної фізичної величини на резистивні сенсори вимірювальної схеми разом із зміною амплітуди ІТС буде спостерігатися і зміна їх тривалості, вимірювання якої технічно здійснюється простіше і з більшою точністю. Оцінка значення вимірюваної фізичної величини визначається на основі встановлених у даній дисертаційній роботі математичних залежностей.

Розроблені структури вимірювальних каналів з одноканальними та двоканальними вимірювачами тривалості ІТС. Приклад структури вимірювального каналу з двоканальним вимірювачем показано на рис. 4.

В якості тестових сигналів можуть використовуватися імпульсні сигнали, які відповідають введеному критерію однозначності визначення тривалості на заданому рівні амплітуди імпульсного сигналу. Форма таких сигналів повинна описуватися унімодальними функціями, які є диференційованими на інтервалах із збереженням постійності знаку: на інтервалі зростання, на інтервалі стаціонарності, на інтервалі спадання. Причому, в загальному випадку будь-який із означених інтервалів може включати в себе лише одну точку. Приклади типових форм ІТС наведені на рис. 5.

У дисертації розроблені математичні моделі основних форм ІТС. Знайдені аналітичні вирази для функцій залежності змін тривалості ІТС на визначеному рівні в залежності від змін амплітуди таких ІТС.

Виведено аналітичні вирази для функцій чутливості знайдених залежностей. Отримані математичні моделі та характеристики зведені в таблицю 1.

Аналіз отриманих моделей показав, що для ІТС з гіперболічною формою фронтів існує лінійна залежність зміни його тривалості від зміни амплітуди, тому у всьому діапазоні зміни для даної залежності спостерігається постійна чутливість. Отже, використання даного ІТС у запропонованій структурі вимірювального каналу дозволяє отримувати високочутливу і лінійну шкалу вимірювань. Для інших форм ІТС вказані залежності мають нелінійну форму.

Графічні результати моделювання для дзвоноподібного ІТС при різних значеннях порогового рівня L подані на рис. 6.

Практична реалізація вимірювальних каналів у рамках першого напряму можлива при застосуванні потенціометричної та мостової вимірювальних схем. При класичному застосуванні потенціометричної вимірювальної схеми з резистивним сенсором на її вхід подається стабільна напруга живлення, а з виходу знімається напруга, яка визначається впливом вимірюваної фізичної величини на сенсор і відповідає рівнянню перетворення:

Особливість такого використання цієї схеми полягає в тому, що її чутливість є пропорційною до значення струму, який протікає через резистивний сенсор, тому для збільшення чутливості струм потрібно збільшувати, але це призводить до саморозігріву сенсора, що викликає додаткову похибку. Вказаний недолік практично зникає при застосуванні нового підходу, оскільки внаслідок теплової інерційності за короткий час дії ІТС, коли, власне, і відбувається вимірювальне перетворення, температура сенсора не встигає суттєво змінитися.

У даному розділі дисертації виведені рівняння перетворення та функції чутливості для потенціометричної вимірювальної схеми при застосуванні типових форм ІТС. Також виконані дослідження потенціометричної вимірювальної схеми окремо з терморезистором і з термістором, які використані як сенсори та виведені основні метрологічні характеристики такого застосування.

Як модель терморезистора при його використанні в обмеженому діапазоні температури використана залежність:

де , - опір сенсора при температурі , - температурний коефіцієнт опору.

Для здійснення високоточних вимірювань із застосуванням платинових термометрів опору їх градуювальну характеристику потрібно розділяти на два діапазони, у кожному з яких застосовується уточнена апроксимуюча формула. Однак, такий перехід принципово не змінює суть запропонованого підходу, тому використовувалась модель (6). Для моделювання термістора використана така математична залежність:

де А - опір термістора при безкінечно великій температурі, В - коефіцієнт температурної чутливості.

Отримані основні математичні моделі, які відображають метрологічні характеристики потенціометричної вимірювальної схеми при її використанні у вимірювальному каналі з часовим представленням вимірювальної інформації, зведені в таблицю 2. Графічні результати комп'ютерного моделювання вимірювального перетворення та його чутливості, отримані при використанні пилкоподібного ІТС для вимірювальної схеми з терморезистором і термістором, показані на рис. 7.

Моделювання виконувалось для температурного діапазону 0 - 500 ⁰С, тривалості вхідного імпульсу =10 мс, діапазону вибору 5 - 9 мс, матеріал терморезистора - мідь.

Покращенні метрологічні характеристики вимірювальних каналів, побудованих за розглянутим принципом, можна отримати при використанні у їх структурі неврівноважених мостових вимірювальних схем із резистивними сенсорами. З позицій запропонованого підходу розглянуті мостові вимірювальні схеми з одним сенсором, з двома сенсорами, коефіцієнти чутливості яких мають однаковий або різні знаки і з чотирма сенсорами.

Виведені у дисертації основні статичні метрологічні характеристики мостових вимірювальних схем при використанні основних форм ІТС для застосування у вимірювальних каналах з часовим представленням вимірювальної інформації зведені в таблицю 3.

Аналіз отриманих математичних моделей показав, що вимірювальне перетворення має лінійний характер для мостових вимірювальних схем з двома резистивними сенсорами, які мають протилежні за знаками коефіцієнти чутливості і для мостових схем з чотирма сенсорами при використанні ІТС з гіперболічною формою фронтів. Причому, чутливість вимірювального перетворення останньої схеми вдвічі вища, ніж для першої і є постійною в обох випадках.

Створення ІТС струму з формою, яка повторює форму досліджених ІТС напруги, є зручним для подачі на віддалені мостові вимірювальні схеми, оскільки при цьому падіння напруги на провідниках, по яких передається сигнал, не впливає на точність вимірювань. Для отримання ІТС струму потрібно джерело ІТС напруги доповнити джерелом струму, яке керується напругою. Проведені дослідження показали, що рівняння перетворення для двох видів мостових вимірювальних схем з двома резистивними сенсорами при їх живленні ІТС струму є однаковими. Виведені в роботі математичні моделі вимірювальних перетворень та функцій їх чутливості для мостових вимірювальних схем з резистивними сенсорами при використанні основних форм ІТС струму зведені в таблицю 4.

На підставі отриманих результатів можна зробити висновок, що при використанні у вимірювальних каналах з часовим представленням вимірювальної інформації мостових вимірювальних схем з резистивними сенсорами і подачі на них ІТС напруги або струму виконуються досить прості, а в ряді випадків і лінійні вимірювальні перетворення, чутливість яких залишається незмінною у всьому діапазоні вимірювань. Це свідчить не лише про високу точність таких вимірювань, але й про зручність обробки результатів вимірювань. Разом з тим, для формування ІТС розглянутих форм необхідно використовувати спеціальні схеми їх генерування або функціональні генератори з цифровим методом синтезу, які відповідають високим вимогам до стабільності метрологічних характеристик. Тому особливої актуальності набуває вирішення питання можливості застосування у розроблених вимірювальних каналах прямокутних імпульсів, які, з одного боку, відповідають критерію однозначності визначення їх часової тривалості, а з іншого боку їх безпосереднє формування можливе засобами цифрової техніки, що дозволяє добре узгодити запропонований принцип вимірювань із цифровими пристроями обробки вимірювальної інформації. Однак, пряме застосування прямокутних ІТС у даній структурі вимірювального каналу є неможливим. Оскільки зміна амплітуди таких ІТС внаслідок дії вимірюваних величин на сенсорні елементи відповідної вимірювальної схеми не призведе до зміни їх часової тривалості.

Для того, щоб використання прямокутних ІТС у розглянутій методиці вимірювань стало можливим, необхідно в структуру вимірювального каналу ввести додатковий елемент, який забезпечить перетворення зміни амплітуди прямокутного ІТС в зміну тривалості іншого імпульсного сигналу.

Аналіз відомих математичних операторів і відповідних їм схемотехнічних рішень показав, що найкраще метрологічним і економічним вимогам виконання такого перетворення ІТС відповідає лише інтегрувальне перетворення, яке забезпечує формування вихідного сигналу як лінійної функції тривалості вхідного сигналу і нелінійної функції від його амплітуди. Структура вимірювального каналу з додатковим перетворенням (ДП) показана на рис. 8.

Отримані у дисертації основні метрологічні характеристики для вимірювального каналу на основі резистивних вимірювальних схем з додатковим інтегрувальним перетворенням при використанні прямокутного ІТС зведені в таблицю 5.

Значення внесеної додатковим перетворенням похибки з точністю до величини другого порядку можна оцінити за формулою:

Графічні результати моделювання вимірювального перетворення та його чутливості для вимірювального каналу на основі потенціометричної вимірювальної схеми з додатковим інтегрувальним перетворенням при використанні прямокутного ІТС і таких значень параметрів: , =1 мс, 50 - 150 Ом, Ом, 1 - 10 мс наведені на рис. 9.

У даному розділі також були виконані дослідження вимірювальних каналів з додатковим інтегрувальним перетворенням при застосуванні інших форм ІТС. Аналітичні дослідження виконувалися на основі використання інтегралу згортки і з використанням методу перетворення Лапласа. Отримані результати даних досліджень показали, що введення у вимірювальний канал інтегрувального перетворення підвищує чутливість при застосуванні інших форм ІТС. Однак, потрібно зауважити, що отримані в аналітичному вигляді математичні моделі вимірювальних перетворень, особливо для ІТС з нелінійною формою фронтів, мають досить складний вигляд, тому для їх практичного використання доцільно побудувати відповідні градуювальні характеристики.

Реалізація інваріантності до дії завад у вимірювальних каналах з часовим представленням інформації на основі принципу багатоканальності має суттєві особливості. У роботі розроблено структурний метод синтезу інваріантних вимірювальних каналів, який передбачає можливість застосування активних і пасивних вимірювальних перетворювачів. Математична модель багатоканального засобу вимірювання з часовим представленням інформації:

де - вимірювана фізична величина, - сигнали завад, - множина значень часових інтервалів, сформованих на виходах вимірювальних каналів, - коефіцієнти чутливості, - коефіцієнти впливу сигналів завад на чутливість, - коефіцієнти впливу сигналів завад на вихідний параметр.

Застосування часових дискримінаторів у багатоканальній ІВС дозволяє досягти інваріантності до дії завад. Формально це означає отримання розв'язку системи (9) відносно , з якого виключені всі компоненти вектора :

У вимірювальних каналах з часовим представленням вимірювальної інформації інваріантність до дії завад може бути досягнута пасивними або активними методами. Умови досягнення інваріантності пасивними методами зводяться до наступного: рівність нулю змін впливних величин; рівність нулю коефіцієнтів впливу впливних величин. Отже, пасивну інваріантність можна забезпечувати шляхом зменшення змін впливних величин, зменшення коефіцієнтів їх впливу або першим і другим одночасно.

Не виключаючи застосування пасивних методів досягнення інваріантності у вимірювальних каналах з часовим представленням інформації, слід відзначити, що більш стабільні і повторювані результати в цьому відношенні досягаються при застосуванні активних методів, які базуються на використанні принципу багатоканальності, що в даному випадку може бути реалізований шляхом просторового або часового розділення каналів. Характерною особливістю структурної організації таких вимірювальних каналів є присутність у їх структурі засобів для виконання процедури дискримінації часових інтервалів. Розроблені в роботі конструктивні і структурні рішення, які забезпечують інваріантність вимірювань до дії завад у вимірювальних каналах з часовим представленням вимірювальної інформації, захищені рядом патентів України, які подані в списку публікацій.

Третій розділ присвячено розробці нових методів та засобів вимірювальних перетворень, які є основою другого напряму розвитку принципів побудови ІВС з часовим представленням вимірювальної інформації. Узагальнення запропонованих структур вимірювальних перетворювачів значень фізичних величин у часові інтервали дозволило запропонувати класифікацію, у відповідності з якою дані вимірювальні перетворювачі можуть створюватися як замкнені або розімкнені структури з пасивним або активним генеруванням. Замкнена структура передбачає наявність зворотного зв'язку, який дозволяє здійснювати режим рециркуляції імпульсу в схемі перетворювача. У перетворювачах з пасивним генеруванням як чутливий елемент використовується елемент затримки (у загальному випадку це ділянка фізичного середовища з відомою залежністю зміни її властивостей для певного виду сигналів від впливу вимірюваних фізичних величин), через який проходить імпульсний сигнал. У перетворювачах з активним генеруванням часовий інтервал, який визначає значення вимірюваної фізичної величини, генерується безпосередньо у їх структурі за допомогою спеціальної генеруючої схеми (ГС), яка знаходиться в очікувальному режимі (одновібратор (ОВ), таймер і т.п.). Вимірювальний перетворювач активується імпульсом запуску, який є керуючим сигналом ІВС або подається зі спеціального генератора імпульсів запуску (ГІЗ). Приклади розімкненої та замкненої структури вимірювальних перетворювачів показані на рис. 10, де 2 - чутливий елемент затримки, 3 - лінія затримки.

Серед розроблених у дисертації вимірювальних перетворювачів окремо слід відзначити перетворювачі, у яких чутливим елементом є оптичне волокно. Поряд з високою точністю, надійністю та іншими технологічними перевагами такі перетворювачі можуть застосовуватися в середовищах, де використання електричних сигналів є неприпустимим.

Функціональна схема рециркуляційного волоконно-оптичного вимірювального перетворювача показана на рис. 11. У ній використані такі позначення: ФОІ - формувач одиночних короткотривалих імпульсів; СС - сенсорний світловод; ОС - опорний світловод; ФП1, ФП2 - фотоприймачі (лавинні фотодіоди); К1, К2 - компаратори; ДОС - джерело опорного сигналу.

Загальна затримка в каналі з сенсорним світловодом. Затримка в каналі з опорним світловодом.

Тривалість вихідного імпульсу перетворювача є функцією від значення вимірюваної фізичної величини. Конкретний вигляд цієї функції залежить від виду фізичного ефекту і конструкції сенсора. Часова діаграма, яка ілюструє принцип роботи перетворювача, показана на рис. 12.

Враховуючи те, що в оптичних обчислювальних і вимірювальних системах результатом виконаних операцій досить часто є тривалість оптичного імпульсу, існує потреба виконувати її вимірювання без перетворення виду енергії сигналу. Таке вимірювальне перетворення на основі нового методу було розроблено у дисертації. Суть методу полягає в одночасній багаторазовій затримці вимірюваного імпульсу відносно фіксованого моменту часу, що здійснюється завдяки розпаралелюванню імпульсу з наступним додаванням затриманих імпульсів шляхом їх просторового суміщення і підрахунком отриманої кількості імпульсів. Причому, час затримки у елементах блоку багатоканальної затримки повинен відповідати значенням членів числового ряду, які визначаються рекурентною або аналітичною формулами:

де . Роздільна здатність розроблених вимірювальних перетворювачів залежить від вибору значення , а кількість елементів затримок визначається діапазоном вимірювань за формулою . Цифровий результат вимірювань: , де - число імпульсів на виході. Структура вимірювального пристрою, який працює за даним методом, показана на рис. 13.

У наведеній структурі прийняті такі позначення: 1 - блок розпаралелювання вхідного сигналу; 2 - багатоканальний блок елементів затримки; 3 - пристрій для додавання сигналів; 4 - лічильник.

Важливе значення для практичного конструювання багатоканального блоку елементів затримки має отримана у роботі формула, яка дозволяє обчислити значення сумарної затримки -го числа членів числового ряду (11, 12).

Запропонований числовий ряд має цінні властивості, які дозволяють будувати на його основі за розробленим методом вимірювальні засоби з лінійною шкалою вимірювань. Останнє забезпечується тим, що ряд має лінійний ріст приростів значень його членів, тобто, виконується . Наведені співвідношення дозволяють за вибором значень: , які визначають метрологічні характеристики проектованого пристрою, розраховувати значення -го елемента затримки за формулою:

Розроблений метод є теоретичною основою нового виду перетворення аналогової величини, представленої у формі часової тривалості імпульсного процесу, в код. Практичні особливості його технічної реалізації у дисертації розглянуті на прикладі вимірювання тривалості оптичного імпульсу. Багатоканальний блок затримки виконується у вигляді жгута світловодів різної довжини, які мають спільні вхідні і, відповідно, вихідні оптичні входи, що забезпечує розпаралелювання вхідного і додавання вихідних імпульсів. Довжина кожного світловоду визначається: . Як приклад, виконані розрахунки довжин світловодів з матеріалом серцевини СaAlAs для проведення вимірювань з роздільною здатністю не гірше 1 нс на довжині хвилі вхідного імпульсу у вакуумі - 850 нм.

У дисертації досліджено вплив на розроблене вимірювальне перетворення оптичних ефектів, пов'язаних з врахуванням дисперсії оптичних імпульсів. Для розрахунку максимальної довжини світловоду, оптичний імпульс після проходження якого за рахунок модової дисперсії зазнає розширення не більше як на t_min/2, використовується формула:

де q_c- кут, що відповідає повному внутрішньому відбиттю на границі між серцевиною і оболонкою світловоду. Розрахунки показують, що при використанні як лінії затримки багатомодового світловоду з такими параметрами: діаметр серцевини 50 мкм; діаметр оболонки 125 мкм; апертура 0,2; на довжині хвилі 850 нм він має в середньому полосу 1000 Мгц на 1 км, то для отримання роздільної здатності не гіршої 1 нс протяжність найбільшого світловоду у блоці затримки не повинна перевищувати 1,136 км. При використанні одномодових світловодів розширення імпульсу відбувається тільки за рахунок хроматичної дисперсії, що практично знімає обмеження для верхньої границі діапазону вимірювань.

Розроблено та запатентовано індуктивно-резонансний вимірювальний перетворювач, принцип дії якого базується на зміні часу затухання вільних коливань, які виникають у резонансному LC-контурі при зміні відстані від торця осердя котушки індуктивності контуру до поверхні електропровідного об`єкта. Застосування такого перетворювача дозволяє створювати вимірювальні канали для безконтактного вимірювання малих відстаней до поверхні електропровідних об'єктів. Це дає змогу вирішити задачу вимірювання товщини діелектричних покрить металевих поверхонь.

Теоретичні і експериментальні дослідження показали, що при наближенні до торця осердя котушки сенсорного LC-контуру електропровідного матеріалу відбувається зміна часу зниження амплітуди ударно збуджених коливань до наперед визначеного рівня за рахунок зміни активного та реактивного опорів котушки. Рівняння повного опору котушки:

де Z_o - повний опір котушки при відсутності у її полі електропровідного матеріалу; Z_n - додатковий опір, який спричинений появою в полі котушки електропровідного матеріалу; М - коефіцієнт взаємоіндукції котушки і матеріалу обєкту; - функція, яка характеризує розміри, провідність, орієнтацію та інші параметри електропровідного матеріалу.

У результаті моделювання виведеної функціональної залежності постійної часу затухання від відстані до металевої поверхні було з'ясовано, що функція перетворення має близький до лінійного характер в діапазоні відстаней від 0 до 0.005 мм. Це забезпечує високу якість вимірювань лакових покрить, товщина яких не перевищує 0,004 мм. Для оцінки метрологічних характеристик вимірювального каналу були виведені функції чутливості до зміни відстані та функції зміни чутливості по діапазону. Їх аналіз показує, що максимальна чутливість спостерігається в діапазоні 0 - 0,003 мм, у цьому ж діапазоні лежить і лінійний характер зміни чутливості.

Використання часової форми представлення вимірювальної інформації є перспективним і при організації вимірювальних каналів для визначення характеристик обертальних рухів. Для створення вимірювальних каналів на розглянутих засадах були розроблені і запатентовані кілька модифікацій вимірювальних перетворювачів. Приклад їх конструкції наведено на рис. 14.

На рис. 14 використані такі позначення: 1 - світловідбиваюча, 2 - світло- поглинаюча поверхні модулятора, 3 - вал, 4 - фотоприймач (фотолінійка), 5 - діафрагма, 6 - освітлювач.

Вихідний сигнал розроблених перетворювачів задовольняє критерію однозначності визначення часової тривалості на заданому рівні. Їх узагальнене рівняння перетворення має вигляд:

У конструкції з фотолінійкою рівняння перетворення:

де - функція округлення до найближчого цілого, - розрядність фотолінійки.

Модель вихідного сигналу вимірювального перетворювача отримана у вигляді:

У роботі отримані моделі для оцінювання всіх статичних метрологічних характеристик перетворювача. Показано, що похибка нелінійності розглянутого вимірювального перетворювача дорівнює нулю. Розроблені моделі для оцінювання адитивної та мультиплікативної похибки.

...