Аспирант. Соколов Ю. C., д.т.н. Желонкин А.И., аспирант. Алексеев Н.В.

Московский государственный открытый университет им. В.С. Черномырдина, г. Москва,

Управление характеристиками молекулярно-электронных

преобразователей

Динамически свойства измерительных систем определяются параметрами структуры измерительной цепи. Задача коррекции путем применения электронных структур (обратная связь, фильтрация и др.) в цепях съема и считывания информации широко применяется в различных системах. Принцип работы и свойства молекулярно-электронных преобразователей позволяют осуществлять коррекцию параметров собственно первичного преобразователя. Одним из таких методов является применение внутренней обратной связи с целью повышения эффективности преобразования в заданных режимах и диапазонах, Внутренняя обратная связь, осуществляемая путем изменения концентрации в приэлектродных зонах пропорционально первой, второй и третьей производным от смещения, изменяет коэффициент преобразования на всех режимах, Однако, в области низких частот необходимо введение интегрирования выходного сигнала. Более широкая коррекция достигается обратной связью с помощью электроосмотического преобразователя, осуществляющего дополнительное силовое воздействие на основную систему через любой ее элемент [1,2].

В области низких частот электроосмотический преобразователь является усилительным звено с коэффициентом преобразования – K_x, который характеризуется силой F_дв, развиваемой электроосмотическим давлением - Р под действием приложенного напряжения – U и определяется дзета-потенциалом x и параметрами электроосмотического преобразователя:

.

где: а, N, S_эф – средний радиус, число пор и эффективная площадь преобразующей перегородки, S_м, – рабочая площадь мембраны.

Параллельное соединение прямого и обратного преобразователей образует механическую систему с одной степенью свободы. Последовательное соединение через упругий или демпфирующий элементы дает систему с двумя степенями свободы и позволяет получить многоконтурную обратную связь, увеличивая ее воздействие.

При последовательном соединении механической системы и диффузионного преобразователя и при параллельном включении обратного преобразователя, получим систему, структурная схема которой приведена на рис. 1. Передаточная функция образованной цепи находится из следующего выражения [2]:

; (1)

где: W₁(p) = ;

, N = (0, 1, 2).

Рис.1. Схема включения обратного преобразователя

При этом: К = К_д К_Y определяется измеряемым параметром, s, r – характеризуют наличие интегрирующего звена. После преобразования (1) получим передаточную функцию с характеристическим уравнением третьего порядка [2]:

. (2)

Коэффициенты этого выражения определяют функциональное влияние на исходные параметры системы:

b=K_дT²; a₃=T²T_д; a₂=2bTT_д+T²; a₁= T_д +2bT; a₀=1.

Коэффициент обратной связи KK_x в зависимости от значений s, z будет изменять значения коэффициентов а_i:

при s=z=0: a’₂=2bTT_д+T²±K’K’_x; K’=K/T_д ; K^’_x= K_x / T_д (3)

при s=1, z=0, или s=0, z=1: a’₁ = T_д+2bT±KK’_x . (4)

если же: s=z=1, то: a’₀= 1±KK_x . (5)

Коррекция АЧХ диффузионного преобразователя может быть осуществлена путем дополнительного подвода электроактивного компонента из резервных камер, соединенных с рабочими камерами каналами, на входе и выходе которых установлены дополнительные электроды, подключенные к выводам электродов считывания. Обратная связь такой системы (рис. 2) охватывает диффузионный преобразователь и передаточная функция имеет вид:

Рис.2. Схема обратной связи по диффузионному преобразователю

W_м(p), W_д(p), W_ос(p) – передаточные функции преобразователей: инерционного, диффузионного и обратного (концентрационного).

Как видно из выражения (6), положительная обратная связь по скорости и ускорению, увеличивает чувствительность и расширяет частотной диапазон.

Возможность перестройки характеристик преобразователя позволилона их основе разработать управляемые системы измерения.

Для построения интеллектуальных систем измерений (ИнСИ) разработаны несколько типов молекулярно-электронных датчиков линейных и угловых ускорений. Датчики обладают широкой внутренней управляемостью за счет изменения как электрохимической основы, так и конструктивных параметров [2]. Это позволяет с помощью внешних контролируемых воздействий проводить корректировку характеристик в зависимости от изменения условий работы системы. Реализуется такое управление, а также обработка сигналов с использованием компьютерных программ типа Simulink, DASYLab, LabView. Наиболее полное управление и адаптации системы обеспечивается применением HART-протокола [3].

Разработанная система включает в себя три функциональных уровня. Нижний уровень включает первичные преобразователи – интеллектуальные датчики с выходным электрическим сигналом. Второй уровень системы представляет собой аппаратные средства с соответствующей программной поддержкой. Третий уровень системы составляет ее методическое, алгоритмическое и программное обеспечение. Первый и третий уровни являются инвариантными по отношению к различным способам построения ИнСИ.

Литература:

1. Введение в молекулярную электронику. Под ред. Н.С. Лидоренко. М., Энергоатомиздат, 1985.

2. Желонкин А.И. Молекулярно-электронные аналоговые преобразователи неэлектрических сигналов. – М.: Квадрат – С, 2004.-140с.

3. Раннев Г.Г. Интеллектуальные средства измерений – М.: Академия, 2011, - 272 с.