Linearizzazione delle caratteristiche del sensore

Linearizzazione delle caratteristiche del sensore: una trasformazione non lineare del valore di uscita del sensore o di una quantità ad esso proporzionale (analogica o digitale) che raggiunge una relazione lineare tra il valore misurato e il valore che lo rappresenta.

Con l'ausilio della linearizzazione è possibile ottenere linearità sulla scala del dispositivo secondario a cui è collegato un sensore con caratteristica non lineare (es. termocoppia, termoresistenza, analizzatore di gas, misuratore di portata, ecc.). La linearizzazione delle caratteristiche del sensore consente di ottenere la precisione di misura necessaria tramite dispositivi secondari con uscita digitale. Ciò è necessario in alcuni casi quando si collegano sensori a dispositivi di registrazione o quando si eseguono operazioni matematiche sul valore misurato (es. integrazione).

In termini di caratteristica dell'encoder, la linearizzazione agisce come una trasformazione funzionale inversa.Se la caratteristica del sensore è rappresentata come y = F (a + bx), dove x è il valore misurato, a e b sono costanti, allora la caratteristica del linearizzatore collegato in serie al sensore (Fig. 1) dovrebbe apparire in questo modo: z = kF (y), dove F è la funzione inversa di F.

Di conseguenza, l'uscita del linearizzatore sarà z = kF(F (a + bx)) = a ' + b'x, cioè una funzione lineare del valore misurato.

Riso. 1. Schema a blocchi di linearizzazione generalizzata: D — sensore, L — linearizzatore.

Inoltre, scalando, la dipendenza z è ridotta alla forma z '= mx, dove m è il fattore di scala appropriato. Se la linearizzazione è fatta in modo compensativo, cioè basata su un servosistema come Fig. 2, allora la caratteristica del convertitore di funzione di linearizzazione dovrebbe essere simile alla caratteristica del sensore z = cF (a + bx), perché il valore linearizzato del valore misurato è preso dall'ingresso del convertitore del linearizzatore di funzione e dal suo l'uscita viene confrontata con il valore di uscita del sensore.

Una caratteristica dei linearizzatori come convertitori funzionali è una classe relativamente ristretta di dipendenze da essi riprodotte, limitata a funzioni monotone, che è determinata dal tipo di caratteristiche del sensore.

Riso. 2. Schema a blocchi di linearizzazione basato sul sistema di tracciamento: D — sensore, U — amplificatore (trasduttore), FP — convertitore funzionale.

I linearizzatori possono essere classificati secondo i seguenti criteri:

1. Secondo il metodo di impostazione della funzione: spaziale sotto forma di modelli, matrici, ecc., Sotto forma di una combinazione di elementi non lineari, sotto forma di un algoritmo di calcolo digitale, dispositivi.

2.Dal grado di flessibilità dello schema: universale (cioè riconfigurabile) e specializzato.

3. Per natura del diagramma strutturale: tipo aperto (Fig. 1) e compensazione (Fig. 2).

4. Sotto forma di valori di ingresso e uscita: analogici, digitali, misti (analogico-digitale e digitale-analogico).

5. Per tipo di elementi utilizzati nel circuito: meccanici, elettromeccanici, magnetici, elettronici, ecc.

I linearizzatori di funzioni spaziali includono principalmente meccanismi a camme, modelli e potenziometri non lineari. Sono utilizzati nei casi in cui il valore misurato di ogni stadio di conversione è presentato sotto forma di movimento meccanico (camme - per la linearizzazione delle caratteristiche dei sensori manometrici e dei trasformatori, modelli - nei registratori, potenziometri non lineari - nei circuiti potenziali e a ponte ).

La non linearità delle caratteristiche del potenziometro si ottiene avvolgendo su telai profilati e sezionando con il metodo dell'approssimazione lineare a tratti manovrando le sezioni con opportune resistenze.

In un linearizzatore basato su un servosistema elettromeccanico di tipo potenziometrico che utilizza un potenziometro non lineare (Fig. 3), il valore linearizzato appare come angolo di rotazione o spostamento meccanico. Questi linearizzatori sono semplici, versatili e ampiamente utilizzati nei sistemi di controllo centralizzato.

Riso. 3. Linearizzatore per servosistema elettromeccanico di tipo potenziometrico: D - sensore con uscita sotto forma di tensione CC, Y - amplificatore, M - motore elettrico.

Le non linearità delle caratteristiche dei singoli elementi (elettronici, magnetici, termici, ecc.) Sono utilizzate nei convertitori funzionali parametrici. Tuttavia, tra le dipendenze funzionali che sviluppano e le caratteristiche dei sensori, di solito non è possibile ottenere una corrispondenza completa.

Il modo algoritmico di impostare una funzione viene utilizzato nei convertitori di funzioni digitali. I loro vantaggi sono l'elevata precisione e la stabilità delle caratteristiche. Usano le proprietà matematiche delle singole dipendenze funzionali o il principio dell'approssimazione lineare per parti. Ad esempio, una parabola viene sviluppata in base alle proprietà dei quadrati degli interi.

Ad esempio, un linearizzatore digitale si basa sul metodo di approssimazione lineare a tratti, che funziona secondo il principio di riempire i segmenti in avvicinamento con impulsi di diversa frequenza di ripetizione. Le frequenze di riempimento variano a salti ai bordi dei segmenti in avvicinamento a seconda del programma inserito nel dispositivo in funzione del tipo di non linearità. La quantità linearizzata viene quindi convertita in un codice unitario.

Un'approssimazione lineare parziale della non linearità può anche essere eseguita utilizzando un interpolatore lineare digitale. In questo caso le frequenze di riempimento degli intervalli di interpolazione rimangono costanti solo mediamente.

I vantaggi dei linearizzatori digitali basati sul metodo di approssimazione lineare delle parti sono: facilità di riconfigurazione della non linearità accumulata e velocità di passaggio da una non linearità all'altra, che è particolarmente importante nei sistemi di controllo centralizzato ad alta velocità.

In sistemi di controllo complessi contenenti calcolatori universali, macchine, la linearizzazione può essere eseguita direttamente da queste macchine, in cui la funzione è incorporata sotto forma di una subroutine corrispondente.