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

Одной из значимых народно-хозяйственных задач, определяющих научно-технический прогресс, является развитие и переход к комплексному управлению сложными технологическими процессами. Для решения общесистемных задач применяется метод декомпозиции, заключающийся в разработке локальных моделей различных по физическим принципам действия элементов и устройств. На этих локальных решениях отрабатывается весь системный аппарат, а отдельные специфические направления, включая структурыпервичного преобразования, доводятся до конкретного математического описания. Теоретические основы и методы решения локальных и системных задач динамических процессов применительно к информационно-измерительным и управляющим системам разработаны и изложены в трудах Трапезникова В. А., Котельни-кова В.А., Солодовникова В. В., Воронова А. А., Попова Е. П. и др. Принципы, методы и системы обработки и исследования информации измерительных сигналов представлены в работах Шеннона К. Е., Френкса Л., Орнатского П. П., Темникова Ф. Г. и др. авторов [1−6].

Существующие системы обеспечивают измерения различных физических процессов в широких динамических и частотных диапазонах.

Общие методы разработки и исследования первичных преобразователей различных физических принципов изложены в трудах Агейкина Д. И., Гаври-лова А.Н., Браславского Д. А., Туричина A.M. 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 контрольно-измерительных методов и приборов, 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 другие.

Регистрация и изучение инфранизкочастотных динамических процессов — вибраций, сейсмических, акустических, гидроакустических — естественных и искусственных волн является важным этапом в решении проблем прогнозирования различных природных процессов — землетрясений, цунами, тайфунов, а также при контроле эксплуатационных характеристик различных объектов и несанкционированных механических воздействий. Глобальная сеть регистрации на основе интегрирования региональных сетей колебательных процессов позволит решать многие фундаментальные задачи природного и техногенного мониторинга.

Определяющее значение имеют характеристики аппаратуры, в том числе по частотному и динамическому диапазонам, линейности преобразования, собственным шумам, стабильности работы и идентичности преобразования сигнала случайного распределения на фоне помех. Перспективы технического совершенствования приборов1 и устройств измерительной техники, расширения функциональных возможностей и повышение информационных показателей, особенно первичных измерительных преобразователей, расширяются с применением теории обратных связей и процессов автоматизированного синтеза и исследования1.

Методы проектирования и исследования качественной аппаратуры, применяемой при измерениях силовых динамических процессов, являются приемлемыми и для^других смежных областей — в акустических, гидроакустических исследованиях, при разработке навигационных устройств и т. п.

Наиболее развитые направления первичного преобразования сигналов, использующие физические процессы твердого тела, удовлетворяют многим задачам преобразования. Но требования к расширению областей изучения и измерения различных естественных и искусственных процессов выдвигают задачи по расширению функциональных возможностей и диапазонов измерения и по разработке новых методов преобразования, согласованного взаимодействия" элементов различной физической природы и построения высокоэффективных измерительных структур. Расширение диапазонов исследования волновых механических процессов и параметров движения выдвигает задачу повышения эффективности преобразования неэлектрических процессов малого энергетического уровня в электрический сигнал.

Построение систем пространственного измерения распределенных процессов, использующих многоканальные сети с оптимальным размещением приемников-преобразователей, выдвигает требования, как по точности, так и по идентичности преобразования случайных сигналов, что достигается с помощью коррекции динамических свойств преобразователей и измерительных цепей гибкой внутренней и внешней обратной связью.

Традиционные принципы преобразования — электродинамические, магнитоэлектрические, пьезоэлектрические, емкостные и другие — доведены до высокой степени совершенства, практически до уровня их предельных возможностей. При этом, уменьшение энергетического порога преобразования достигается разработкой уникальных конструкций, весьма ограниченного применения, требующих постоянно настройки и специфичных условий эксплуатации.

Задача создания экономичных с высоким коэффициентом преобразования, пригодных для' промышленного производства, устройств и систем измерения акустических, сейсмических процессов и параметров механического движения решается на базе нового научно-технического направления — молекулярной электроники (МЭ). Теоретической основой МЭ являются физические процессы в молекулярных средах, на границе раздела фаз с участием электронов электродных структур.

Основные теоретические положения и пути исследования такого типа преобразователей информации, базирующие на фундаментальных работах А. Н. Фрумкина, Я. И. Френкеля и др., [7−9] разработаны и развиты в нашей стране в работах Н. С. Лидоренко, Б. М. Графова, П. Д. Луковцева [10−12], и др. отечественных (Б.Б. Дамаскин, О. А. Петрий, Р. М. Нигматулин, В. С. Боровков, Б. М. Смольский, В'.П. Попов, А.П. Шорыгин) и зарубежных (Дебай П., Делахей П., Ларкам С., Иоахим К.) ученых [13−17]. Результаты исследований, проводимых в Hi ill «Квант», институте электрохимии РАН (ИЭЛАН), институте проблем управлении (ИПУ), Московском физико-техническом университете (МФТУ), Казанском государственном техническом университете (КГТУ) им. А. Н. Туполева, институте океанологии (ИОРАН) им. П. П. Ширшова, Московском открытом университете (МГОУ) и в других предприятиях, позволили обосновать методы математического моделирования физических процессов и построения различных типов устройств преобразования весьма малых энергетических воздействий, что позволяет расширить современный арсенал средств измерения, регулирования, управления, используемых в научных исследованиях и в промышленности [10 — 12, 18 — 20, 35 — 57]. Физические основы этого направления определили разработку различных устройств — элементов электронной. техники, сенсоров и диагностических устройств на основе ионообменных систем, а также преобразователей и приборов для измерения механических и акустических сигналов малого энергетического уровня в низком и инфранизком частотном диапазонах, где возможности твердотельной электроники ограничены.

Основой построения электрохимических измерительных преобразователей давления, перепада давления, параметров механического движения и т. п. являются закономерности диффузионного, электрокинетического и электроосмотического (обратного) принципов преобразования гидродинамического смещения рабочей жидкости в пропорциональный электрический сигнал.

В разделах работы изложены результаты исследований и разработки электрохимических измерительных преобразователей динамических сигналов малого уровня (до Ю-10 g), являющиеся частью научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, выполненных в НЛП «КВАНТ» и в Московском государственном открытом университете — МГОУ. В результате выполнения ОКР разработаны, изготовлены и поставлены на эксплуатацию несколько типов преобразователей линейных и угловых механических сигналов и изделий на их основе (ПДС, ИУУ-М, К-214, К-215 и др.). Проведенные в работе исследования были использованы и при выполнении в НПП «Квант» ОКР.

Система автоматического опережающего оповещения о динамических процессах", шифр «Волна».

Регистрация и изучение пространственных колебательных процессов (от Ю-9 м/с, 10−10g, от Ю-3 Гц), определяемых волновым распространением сейсмических, акустических, гидроакустических, естественных и искусственных волн, является важной народно-хозяйственной задачей для решения проблем прогнозирования различных природных процессов, контроля несанкционированных механических воздействий и динамического состояния объектов. Необходимость решения данной задачи определена «Федеральной программой „Сейсмобезопасность территории России“ (2002;2010 годы)», федеральной целевой программой «Снижение рисков и смягчения последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 20Г0 года», рядом региональных программ по обеспечению безопасности работы жизнеобеспечивающих объектов и жизнедеятельности населения.

Актуальной проблемой’для^изученшкпространственного распространения сейсмических, акустических и гидроакустических сигналов является исследование идентичности характеристик МЭ измерительных устройств. Перспективным направлением можно считать разработку методов гибкой коррекции и разработку адаптивных систем, обеспечивающих устойчивую работу в изменяющихся условиях.

В работе проводятся исследования, направленные на наиболее полное использование возможностей МЭ систем в устройствах преобразования механических параметров. Расширение частотного и динамического диапазонов, повышение точности достигается построением системы согласованного взаимодействия МЭ и инерционного преобразователей, а также с помощью обратных связей, обеспечивающих коррекцию динамических свойств общей цепи.

Особенности физических процессов молекулярно-электронных преобразователей позволяет довольно широко применять не только отрицательную обратную связь, но и положительную, дающую возможность проводить управляемую коррекцию динамических свойств преобразователя.

Основной теоретической задачей является разработка обобщенной для различных схем взаимодействия математической модели, позволяющей проводить синтез и анализ систем измерения для различных диапазонов входных сигналов на фоне шумов и помех.

Проведенный анализ физических процессов в различных электрохимических системах определил направления исследований и разработку методов технологической коррекции характеристик МЭ преобразователей. Рассмотрены механизмы и получены аналитические выражения суперпозиционного воздействия электрических и электромагнитных процессов на основной (электрохимический) процесс преобразования.

Одной' из главных задач работы является обоснование математического описания и построение моделей с различным взаимодействием МЭ и других физических принципов преобразователей. Разработка обобщенной, описывающей различные пог принципу действия и сложности структуры, математической модели позволяет перейти к единой методике автоматизированного проектирования и исследования измерительных систем практически любого назначения, существенно упрощая синтез, анализ, инженерные расчеты и сокращая сроки проектирования.

Разработка методов моделирования и расчета многоканальных МЭ измерительных систем, применяемых для измерения параметров динамических волновых полей различной природы, определяется актуальностью задач защиты локальных и распределенных объектов от несанкционированных воздействий, прогнозирования стихийных явлений и др. процессов.

В настоящее время проводится совершенствования автоматизированных методов управления-характеристиками системы преобразования и обработки информации при многоканальных пространственных измерениях.

Работы ведутся кафедрой ИСИТ Московского государственного открытого университета (МГОУ) совместно с НПП «КВАНТ» в рамках НИР «Разработка и исследование МЭ информационно-измерительных систем преобразования».

В первом разделе работы рассматриваются концептуальные решения мониторинга сейсмических процессов, определяются основные требования к функциям и характеристикам первичных измерительных преобразователей и приборов для измерительных систем. Проведен функциональный анализ моле-кулярно-электронного способа преобразования неэлектрических сигналов и показана перспективность молекулярно-электронного (МЭ) принципа преобразования силовых воздействий в конвективное смещение подвижной, потому и чувствительной жидкостной фазы, образуемой совестно с твердым телом двойной электрический слой.

Во втором разделе исследуются теоретические положения, определяющие основные характеристики диффузионных процессов в окислительно-восстановительных системахполучена математическая модель инерционного МЭ преобразователя, исследования которой установили возможность повышения эффективности преобразования при взаимодействии твердофазного инерционного и диффузионного преобразователей. Приведены структуры построения различных вариантов взаимодействия. Разработан комплекс математических моделей синтезированных структур, включая аппроксимирующую обобщенную модель второго порядка.

В третьем разделе изложены результаты исследований МЭ преобразователей с обратной связью, обеспечивающей коррекцию динамических свойств и расширение функциональных возможностейполучены аналитические выражения, устанавливающие характер и диапазоны влияния обратной связи на характеристики преобразованияпоказано, что МЭ обратная связь, воздействуя на различные параметры системы, позволяет расширить частотный диапазон и увеличить коэффициент преобразования. Проведен сравнительный анализ различных по структуре систем, заключающийся в сопоставлении обобщенных характерных параметров, определяемых по эквивалентной математической модели пониженного порядка, полученной из исходных функций методом приравнивания интегральных квадратичных оценок переходных процессов.

В четвертом разделе исследуются технологические и конструктивные способы стабилизации и коррекции характеристик. Обоснованы способы построения комбинированных МЭ преобразователей и разработаны конструктивные варианты преобразователей. Установлено математическое описание образования вихревого движения жидкости по поверхности преобразующего элемента, разработан и реализован способ уменьшения влияния неизмеряемых конвективных потоков рабочей жидкости на процесс преобразования. Рассмотрены способы термокомпенсации МЭ' преобразователей. Предложены оригинальные решения по созданию электролитических измерительных устройств с резистивным и емкостным считыванием, обеспечивающие измерение постоянно действующих механических величин. Данные конструктивные решения явились основой создания высокоточных преобразователей для устройств измерения угла наклона.

Получены аналитические зависимости и приведены результаты исследований взаимодействия электрохимических, электрических и электромагнитных полей. Приведено описание процессов в электрохимической ячейке при воздействии на основной процесс переменного электрического тока.

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

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 уменьшить адсорбцию поверхностно активных веществ на поверхности электродов, обеспечивая повышение точности и расширения температурного диапазона. Получено выражение, устанавливающее значение частоты переменного тока для конкретных параметров преобразователя.

Пятый раздел посвящен оценке точности МЭ преобразователей. Определены статические и динамические погрешности для различных режимов работыустановлена аналитическая зависимость влияния обратной связи на точность преобразования. Проведена оптимизация параметров инерционной МЭ системы по минимуму СКО при воздействии случайного сигнала на фоне помехи.

Расчеты элементов конструкции преобразователей различного исполнения, базирующиеся на полученных математических моделях и зависимостях, рассматриваются в шестом разделе. Здесь же приведены результаты экспериментальных — лабораторных и натурных — исследований и технические характеристики эксплуатируемых устройств на их основе.

Математическое описание многоканальных измерительных систем, моделирование измерительного канала, включающего приемник сигналов на основе МЭ преобразователя, системы устройства обработки и передачи информациихарактеристики входных сигналов, необходимые для машинного исследованияособенности цифровой обработки и оценка погрешности преобразования приведены в седьмом разделе работы. Здесь же представлены методы геометрического и статистического синтеза для построения системы пространственных измерений динамических (сейсмических, акустических и т. п.) волн. Разработанные эквивалентные математические модели измерительных систем измерения на основе МЭ преобразователей, проведенные теоретические и практические исследования использованы при разработке «системы автоматического контроля». На основе анализа требований технического задания к системе разработан трехкомпонентный МЭ преобразователь типа СПМ. Выбор типа преобразователя определялся конкретными требованиями, включая характеристики измеряемого процесса, параметры контролируемого объекта, геофизическую обстановку. Разработанная методика позволяет, изменяя характеристики или используя другой тип преобразователя в качестве обнаружителей, проектировать и исследовать аналогичные системы с другими техническими требованиями.

7.6. Выводы.

Решение задачи фиксации заданного уровня пространственных сигналов сводится к построению многоканальных измерительных систем. Статистический анализ эквивалентной помехи, представляющей собой суммарное воздействие возмущений, проводится по известным динамическим характеристикам и случайным воздействиям с помощью спецпроцессора и ЭВМ. В процессе эксплуатации осуществляются следующие операции: определяются реальные динамические характеристики, устанавливаются характеристики помех, проводится сравнение оптимальных данных с реальными характеристиками и устанавливается математическая модель корректирующих воздействий.

Реализация оптимальной многоканальной системы проводится введением единого корректирующего устройства, включенного в цепь суммирования сигналов по всем входам. Обработка массива данных, передача и регистрация сигналов проводится путем цифровой обработки, что обеспечивает сокращение времени и увеличение объема информации. Операции цифрового преобразования эффективны при использовании моделей с полиномами пониженного порядка, так как упрощается процедура восстановления.

Исследования волновых полей проводится группами измерительных приемников. Рассмотрены основные виды и принципы построения антенных решеток (АР) при регистрации распределенной динамической волны. Для обнаружения сигналов на фоне помех использовался метод задержек, величина которых устанавливается в зависимости от направления сигнала и метода суммирования.

Проведенные исследования показали, что разработанные устройства могут быть использованы в системах пространственного измерения сигналов волновых полей. Для обнаружения динамических сигналов разработана автоматическая система опережающего оповещения о распространении динамической волны от удаленных эпицентров.

Заключение

.

Основной результат работы — решение научной проблемы построения нового класса измерительных преобразователей сигналов малого энергетического уровня (порядка Ю-10 м/с, Ю-3 Гц) для приборов и систем контроля динамических параметров природной среды и технологических процессов.

В результате решенияактуальной задачи создания* новых средств, дополняющих современный арсенал устройств преобразования сигналов, измерительных и управляющих систем, и расширяющий области научных и практических исследований, разработаны, методы теоретического исследования, полифункциональных преобразователей с использованием электрохимического принципа преобразования. Особенностью данного класса преобразователей является высокая управляемость внутренней структуры и согласованность взаимодействия с элементами преобразования различной физической природы.

Получены следующие результаты.

1. Установлены соотношения, определяющие значения— характерных параметров МЭ преобразователей" в зависимости от режимов и диапазоноввоздействия. На основе анализа физических процессовпреобразования получены аналитические выражения зависимости характеристик преобразования-от геометрических параметров измерительного канала и электродных систем-, определены оптимальные конструктивные исполнения преобразователей-потока рабочей жидкости в электрический сигнал.

2. Получены дифференциальные уравнения и передаточные функции разработанных систем с согласованным взаимодействием твердофазного и МЭ преобразователей: В основу модели МЭ системы положены известные уравнениягидродинамических и электрохимических процессов на границе раздела твердой ижидкой фаз. Разработаны алгоритмы, структурные, функциональные схемы и конструктивные решения оптимального соединения моле-кулярно-электронного и твердофазного инерционного преобразователей для различных режимов работы. Установлено, что такие системы обладают повышенной чувствительностью, увеличенным частотным диапазоном и соотношением сигнал/шум.

3. Исследованы и разработаны способы статической и динамической — внутренней и внешней коррекции характеристик МЭ преобразователей путем суперпозиционного управляемого воздействия на основной процесс прямых и обратных связей различной физической природы — электрохимической, механической, магнитной.

4. Синтезированы математические модели различных структурных построений комбинированных МЭ инерционных преобразователей. Получены алгоритмы вычисления оптимальных параметров прямого и обратного преобразователей для различных режимов и диапазонов работы.

5. На основании анализа методов решения дробно-рациональных описаний динамических процессов проведена оценка качества решения по приближенным моделям, полученным методами разложения передаточных функций в бесконечные ряды и определения дробно-рациональных приближений передаточных функций заданной структуры.

6. Разработан метод аппроксимации исходных передаточных функций с характеристическим уравнением высокого порядка ((apn +.+1), п > 3) функцией с уравнением пониженного порядка. Сравнительная оценка исходных и аппроксимирующей моделей проведена с помощью квадратичных интегральных оценок переходных процессов и установила их высокоточную сходимость.

7. Предложенный метод получения обобщенной математической модели пониженного порядка, учитывающий взвешенные значения всех коэффициентов исходного уравнения, позволяет упростить моделирование, синтез и анализ (включая машинные методы) сложных измерительных систем любого типа с сохранением точности исследований. Сравнение АЧХ, рассчитанных по исходным и инвариантным моделям с применением программы AlgEq ехе показали, что точность аппроксимации составляет от 0 до 5%, время вычислений сокращается до 40%.

8. Исследованы структуры и конструктивные способы построения по полученным математическим моделям комбинированных МЭ преобразователей с расширенными функциональными возможностями, преобразователей постоянно действующих сигналов — широкополосных и повышенной чувствительности резонансного типа. Проведена структурно-конструктивная оптимизация МЭ преобразователя угловых ускорений, обеспечивающая расширение динамического диапазона и улучшения эксплуатационных качеств.

9. Разработаны технологические методы стабилизации характеристик МЭ преобразователей. При этом рассмотрены физические механизмы взаимодействия электрохимических процессов, электрических и электромагнитных полей. Определены алгоритмы расчета параметров взаимодействующих процессов, оптимизирующих динамику преобразования основного сигнала.

10. Предложены технологические приемы повышения стабильности и точности. Преобразователи, диффузионного типа, выполненные на основе титановых сплавов с окисным покрытием и пленочными электродами, обеспечили увеличение срока работоспособности и снижение расхода драгоценных металлов и открывают перспективу использования приемов нанотехнологии.

11. Получены аналитические выражения’статических и динамических ошибок, позволяющие установить значения погрешностей МЭ преобразователей для различных режимов при воздействии детерминированных и случайных на фоне помехи сигналов и оптимизировать значения характерных параметров по минимуму СКО.

12. Анализ погрешностей МЭ преобразователей позволил определить пути их уменьшения за счет совершенствования конструктивных и схемных решений, а также с помощью коррекции характеристик систем преобразования. Разработаны, способы компенсации температурной зависимости, связанной с изменением коэффициента диффузии и вязкости рабочей жидкости, путем автоматического изменения-концентрации электроактивных компонентов и регулировки гидросопротивления и площади электродов. Схема с гальванически развязанными электродами, фиксирующая конвективные процессы различного направления, уменьшает погрешность и предопределила построение многокомпонентной структуры преобразования с общей электрохимической системой.

13. Проведены экспериментальные исследования разработанных МЭ измерительных устройств. Лабораторные и натурные испытания измерителей угловых ускорений (ИУУ) на основе разработанной конструкции ударопрочного преобразователя типа ПЭУУ-100 подтвердили расчетные характеристики. Данные приборы используются в устройствах стабилизации подвижных объектов и в навигационных системах.

Спроектированные и изготовленные по разработанной схеме соединения диффузионного и твердофазного преобразователей изделия К-214-С, К-21'5-С в течение нескольких лет используются в> системах регистрации сейсмических сигналов различной природы.

14. Предложенные методы повышения точности и стабильности характеристик МЭ преобразователей определили принципы* построения системы регистрации пространственно распределенных сигналов. малого энергетического уровня.- При рассмотрении способов группирования и построения антенных решеток регистрации сигналов сейсмической волны разработаны вероятностная модель измерительного канала. Анализ погрешностей измерительного канала (ИК) определил требования по идентичности ИК и преобразователей.

15.Разработаны аппаратурные методы построения пространственных измерительных структур, проведен геометрический синтез и оптимизация. размещения преобразователей-приемников сигналов. Рассмотрены различные конфигурации и разработан метод статистического синтеза случайных антенных решеток (АР), а также способы формирования и управления диаграммой направленности.

16. Исследованы методы описания и построения математических моделей систем преобразования детерминированного и статистического исследования-и синтеза в спектральной области. Обоснованы методы построения алгоритмов и разработки программ с применением аппарата быстрых преобразований. Рассмотрены методы расчета спектральных характеристик сигналов и систем в ортонормированных базисах.

17. На основании разработанных обобщенных математических моделей и положений спектральной теории разработана модификация метода структурного спектрального исследования системы преобразования, определяемая последовательным представлением системы в различных частотных областях с использованием спектральных характеристик элементарных звеньев.

18. Результаты проведенных исследований использованы при разработке по заданным техническим требованиям «система автоматического опережающего оповещения о сейсмической волне от удаленных землетрясений» — шифр «Волна». При этом рассмотрены возможности применения различных типов МЭ преобразователей. Для конкретной системы разработан электрокинетический преобразователь с дополнительной инерционной массой и с электромагнитной обратной связью типа СПМ.

19. По разработанной структурной модели и общим техническим требованиям определены геометрия размещения пунктов. обнаружения (ПО), требования по параметрам обнаружителя, содержащего МЭ преобразователь, твердофазный инерционный преобразователь, электромагнитную систему обратной связи и калибровки и устройство обработки информации. Установлено, что характеристики обнаружителя обеспечивают надежную работу ПО в заданных динамических диапазонах и условиях эксплуатации.

20. В дальнейшем результаты работы могут быть использованы при разработке и исследованиях как МЭ измерительных устройств различного назначения, так и при проектировании измерительных, контролирующих, регулирующих систем, основанных на других физических принципах.