Az érzékelő jellemzőinek linearizálása

Az érzékelő jellemzőinek linearizálása – az érzékelő kimeneti értékének vagy azzal arányos mennyiségének (analóg vagy digitális) nemlineáris transzformációja, amely lineáris kapcsolatot hoz létre a mért érték és az azt reprezentáló érték között.

A linearizálás segítségével linearitást lehet elérni azon szekunder készülék skáláján, amelyre nemlineáris karakterisztikával rendelkező érzékelő van csatlakoztatva (pl. hőelem, hőellenállás, gázanalizátor, áramlásmérő stb.). Az érzékelő karakterisztikáinak linearizálása lehetővé teszi a szükséges mérési pontosság elérését digitális kimenettel rendelkező másodlagos eszközökön keresztül. Erre bizonyos esetekben szükség van szenzorok rögzítő eszközökhöz való csatlakoztatásakor, vagy a mért érték matematikai műveletei során (pl. integrálás).

A kódoló karakterisztikáját tekintve a linearizálás inverz funkcionális transzformációként működik.Ha az érzékelő karakterisztikája y = F (a + bx), ahol x a mért érték, a és b állandók, akkor az érzékelővel sorba kapcsolt linearizáló karakterisztikája (1. ábra) nézzen ki. így: z = kF (y), ahol F az F inverz függvénye.

Ennek eredményeként a linearizáló kimenete z = kF(F (a + bx)) = a ' + b'x lesz, azaz a mért érték lineáris függvénye.

Rizs. 1. Általánosított linearizációs blokkdiagram: D — érzékelő, L — linearizáló.

Továbbá skálázással a z függőséget z '= mx alakra redukáljuk, ahol m a megfelelő léptéktényező. Ha a linearizálás kompenzációs módon történik, azaz egy szervorendszeren alapul, mint az 1. ábra. 2, akkor a linearizáló függvény konverter karakterisztikája hasonló legyen a z = cF (a + bx) érzékelő karakterisztikájához, mert a mért érték linearizált értékét a függvény linearizáló konverterének bemenetéről és annak a kimenetet összehasonlítja az érzékelő kimeneti értékével.

A linearizátorok, mint funkcionális konverterek jellemző tulajdonsága az általuk reprodukált, monoton funkciókra korlátozódó függőségek viszonylag szűk osztálya, amelyet az érzékelő jellemzőinek típusa határoz meg.

Rizs. 2. Linearizálás blokkvázlata a nyomkövető rendszer alapján: D — érzékelő, U — erősítő (transzducer), FP — funkcionális átalakító.

A linearizálók a következő kritériumok szerint osztályozhatók:

1. A függvény beállítási módja szerint: térbeli sablonok, mátrixok stb. formájában, nemlineáris elemek kombinációja formájában, digitális számítási algoritmus, eszközök formájában.

2.A séma rugalmasságának mértéke szerint: univerzális (azaz újrakonfigurálható) és speciális.

3. A szerkezeti diagram jellege szerint: nyitott (1. ábra) és kompenzációs (2. ábra) típusú.

4. Bemeneti és kimeneti értékek formájában: analóg, digitális, vegyes (analóg-digitális és digitális-analóg).

5. Az áramkörben használt elemek típusa szerint: mechanikus, elektromechanikus, mágneses, elektronikus stb.

A térfunkciós linearizátorok elsősorban bütykös mechanizmusokat, mintákat és nemlineáris potenciométereket tartalmaznak. Olyan esetekben használatosak, amikor az egyes átalakítási fokozatok mért értékét mechanikus mozgás formájában mutatják be (bütyök - manometrikus és transzformátoros érzékelők jellemzőinek linearizálására, modellek - rögzítőkben, nemlineáris potenciométerekben - potenciál- és hídáramkörökben ).

A potenciométer karakterisztikájának nemlinearitása profilozott keretekre tekercseléssel és darabonkénti lineáris közelítési módszerrel a szakaszok megfelelő ellenállású manőverezésével való metszéssel érhető el.

A nemlineáris potenciométert használó, potenciometrikus típusú elektromechanikus szervorendszeren alapuló linearizátorban (3. ábra) a linearizált érték forgásszögként vagy mechanikai elmozdulásként jelenik meg. Ezek a linearizátorok egyszerűek, sokoldalúak és széles körben használatosak a központi vezérlőrendszerekben.

Rizs. 3. Linearizáló potenciometrikus típusú elektromechanikus szervorendszerhez: D — érzékelő egyenfeszültség formájú kimenettel, Y — erősítő, M — villanymotor.

A paraméteres funkcionális átalakítókban az egyes elemek (elektronikus, mágneses, termikus stb.) jellemzőinek nemlinearitásait alkalmazzák. Az általuk kialakított funkcionális függőségek és az érzékelők jellemzői között azonban általában nem lehet teljes egyezést elérni.

A funkció beállításának algoritmikus módját a digitális függvényátalakítókban használják. Előnyük a nagy pontosság és a jellemzők stabilitása. Az egyes funkcionális függőségek matematikai tulajdonságait vagy a részenkénti lineáris közelítés elvét alkalmazzák. Például egy parabolát az egész számok négyzeteinek tulajdonságai alapján fejlesztenek ki.

Például egy digitális linearizáló a darabonkénti lineáris közelítésen alapul, amely azon az elven működik, hogy a közeledő szegmenseket különböző ismétlési gyakoriságú impulzusokkal tölti meg. A kitöltési frekvenciák ugrásban változnak a közeledő szakaszok határpontjain a készülékbe beillesztett program szerint a nemlinearitás típusának megfelelően. A linearizált mennyiség ezután egységes kóddá alakul.

A nemlinearitás részleges lineáris közelítése digitális lineáris interpolátor segítségével is elvégezhető. Ebben az esetben az interpolációs intervallumok kitöltési gyakorisága csak átlagosan marad állandó.

Az alkatrészek lineáris közelítésének módszerén alapuló digitális linearizátorok előnyei a következők: a felhalmozott nemlinearitás egyszerű újrakonfigurálása és az egyik nemlinearitásról a másikra való váltás sebessége, ami különösen fontos a nagy sebességű központi vezérlőrendszerekben.

Az univerzális számológépeket, gépeket tartalmazó komplex vezérlőrendszerekben ezekről a gépekről közvetlenül is végrehajtható a linearizálás, melybe a funkció megfelelő szubrutin formájában van beágyazva.