Linearizácia charakteristík snímača

Linearizácia charakteristík snímača — nelineárna transformácia výstupnej hodnoty snímača alebo jej úmernej veličiny (analógová alebo digitálna), ktorá dosahuje lineárny vzťah medzi nameranou hodnotou a hodnotou, ktorá ju predstavuje.

Pomocou linearizácie je možné dosiahnuť linearitu na stupnici sekundárneho zariadenia, ku ktorému je pripojený snímač s nelineárnou charakteristikou (napr. termočlánok, tepelný odpor, analyzátor plynu, prietokomer a pod.). Linearizácia charakteristík snímača umožňuje získať potrebnú presnosť merania prostredníctvom sekundárnych zariadení s digitálnym výstupom. Je to potrebné v niektorých prípadoch pri pripájaní snímačov k záznamovým zariadeniam alebo pri vykonávaní matematických operácií s nameranou hodnotou (napr. integrácia).

Z hľadiska charakteristiky kódovača pôsobí linearizácia ako inverzná funkčná transformácia.Ak je charakteristika snímača znázornená ako y = F (a + bx), kde x je nameraná hodnota, a a b sú konštanty, potom by charakteristika linearizátora zapojeného do série so snímačom (obr. 1) mala vyzerať takto: z = kF (y), kde F je inverzná funkcia F.

Výsledkom je, že výstup linearizátora bude z = kF(F(a + bx)) = a' + b'x, t.j. lineárna funkcia nameranej hodnoty.

Ryža. 1. Bloková schéma zovšeobecnenej linearizácie: D — snímač, L — linearizátor.

Ďalej škálovaním sa závislosť z redukuje na tvar z '= mx, kde m je príslušný mierkový faktor. Ak je linearizácia vykonaná kompenzačným spôsobom, t.j. na základe servosystému, ako je obr. 2, potom by mala byť charakteristika prevodníka linearizačnej funkcie podobná charakteristike snímača z = cF (a + bx), pretože linearizovaná hodnota nameranej hodnoty sa odoberá zo vstupu prevodníka funkčného linearizátora a jeho výstup sa porovnáva s výstupnou hodnotou snímača.

Charakteristickou črtou linearizátorov ako funkčných prevodníkov je relatívne úzka trieda nimi reprodukovaných závislostí obmedzená na monotónne funkcie, ktorá je určená typom charakteristík snímača.

Ryža. 2. Bloková schéma linearizácie na základe sledovacieho systému: D — snímač, U — zosilňovač (prevodník), FP — funkčný prevodník.

Linearizátory možno klasifikovať podľa nasledujúcich kritérií:

1. Podľa spôsobu nastavenia funkcie: priestorová vo forme šablón, matíc a pod., vo forme kombinácie nelineárnych prvkov, vo forme digitálneho výpočtového algoritmu, zariadení.

2.Podľa stupňa flexibility schémy: univerzálna (tj rekonfigurovateľná) a špecializovaná.

3. Podľa charakteru štrukturálnej schémy: otvorený (obr. 1) a kompenzačný (obr. 2) typ.

4. Vo forme vstupných a výstupných hodnôt: analógové, digitálne, zmiešané (analógovo-digitálne a digitálno-analógové).

5. Podľa typu prvkov použitých v obvode: mechanické, elektromechanické, magnetické, elektronické atď.

Linearizátory priestorových funkcií zahŕňajú predovšetkým vačkové mechanizmy, vzory a nelineárne potenciometre. Používajú sa v prípadoch, keď je nameraná hodnota každého konverzného stupňa prezentovaná vo forme mechanického pohybu (vačky — na linearizáciu charakteristík manometrických a transformátorových snímačov, modely — v zapisovačoch, nelineárne potenciometre — v potenciálových a mostíkových obvodoch ).

Nelinearita charakteristík potenciometra je dosiahnutá navíjaním na profilované rámy a delením metódou po častiach lineárnou aproximáciou manévrovaním sekcií s vhodnými odpormi.

V linearizéri založenom na elektromechanickom servosystéme potenciometrického typu s nelineárnym potenciometrom (obr. 3) sa linearizovaná hodnota javí ako uhol natočenia alebo mechanického posunutia. Tieto linearizátory sú jednoduché, všestranné a široko používané v centralizovaných riadiacich systémoch.

Ryža. 3. Linearizátor pre elektromechanický servosystém potenciometrického typu: D — snímač s výstupom vo forme jednosmerného napätia, Y — zosilňovač, M — elektromotor.

V parametrických funkčných meničoch sa využívajú nelinearity charakteristík jednotlivých prvkov (elektronické, magnetické, tepelné a pod.). Medzi funkčnými závislosťami, ktoré vyvíjajú, a charakteristikami senzorov však zvyčajne nie je možné dosiahnuť úplnú zhodu.

Algoritmický spôsob nastavenia funkcie sa používa v digitálnych prevodníkoch funkcií. Ich výhodou je vysoká presnosť a stabilita charakteristík. Využívajú matematické vlastnosti jednotlivých funkčných závislostí alebo princíp lineárnej aproximácie po častiach. Napríklad parabola je vyvinutá na základe vlastností druhých mocnín celých čísel.

Napríklad digitálny linearizér je založený na metóde po častiach lineárnej aproximácie, ktorá funguje na princípe vypĺňania približujúcich sa segmentov impulzmi s rôznou frekvenciou opakovania. Frekvencie plnenia sa skokovo menia na hraničných bodoch približujúcich sa segmentov podľa programu vloženého do zariadenia podľa typu nelinearity. Linearizovaná veličina sa potom prevedie na jednotný kód.

Čiastočnú lineárnu aproximáciu nelinearity možno vykonať aj pomocou digitálneho lineárneho interpolátora. V tomto prípade zostávajú frekvencie plnenia interpolačných intervalov konštantné iba v priemere.

Výhody digitálnych linearizátorov založených na metóde lineárnej aproximácie častí sú: jednoduchosť rekonfigurácie akumulovanej nelinearity a rýchlosť prepínania z jednej nelinearity na druhú, čo je obzvlášť dôležité vo vysokorýchlostných centralizovaných riadiacich systémoch.

V zložitých riadiacich systémoch obsahujúcich univerzálne počítadlá, stroje možno linearizáciu vykonávať priamo z týchto strojov, v ktorých je funkcia zabudovaná vo forme zodpovedajúceho podprogramu.