Linealización de las características del sensor

Linealización de las características del sensor: una transformación no lineal del valor de salida del sensor o una cantidad proporcional a él (analógica o digital) que logra una relación lineal entre el valor medido y el valor que lo representa.

Con la ayuda de la linealización, es posible lograr la linealidad en la escala del dispositivo secundario al que se conecta un sensor con una característica no lineal (por ejemplo, termopar, resistencia térmica, analizador de gases, medidor de flujo, etc.). La linealización de las características del sensor permite obtener la precisión de medida necesaria a través de dispositivos secundarios con salida digital. Esto es necesario en algunos casos cuando se conectan sensores a dispositivos de registro o cuando se realizan operaciones matemáticas en el valor medido (por ejemplo, integración).

En términos de la característica del codificador, la linealización actúa como una transformación funcional inversa.Si la característica del sensor se representa como y = F (a + bx), donde x es el valor medido, a y b son constantes, entonces la característica del linealizador conectado en serie con el sensor (Fig. 1) debería verse así: z = kF (y), donde F es la función inversa de F.

Como resultado, la salida del linealizador será z = kF(F (a + bx)) = a' + b'x, es decir, una función lineal del valor medido.

Arroz. 1. Diagrama de bloques de linealización generalizada: D — sensor, L — linealizador.

Además, escalando, la dependencia z se reduce a la forma z '= mx, donde m es el factor de escala apropiado. Si la linealización se realiza de forma compensatoria, es decir, en base a un servosistema como el de la Fig. 2, entonces la característica del convertidor de función de linealización debe ser similar a la característica del sensor z = cF (a + bx), porque el valor linealizado del valor medido se toma de la entrada del convertidor del linealizador de función y su la salida se compara con el valor de salida del sensor.

Un rasgo característico de los linealizadores como convertidores funcionales es una clase relativamente estrecha de dependencias reproducidas por ellos, limitada a funciones monótonas, que está determinada por el tipo de características del sensor.

Arroz. 2. Diagrama de bloques de linealización basado en el sistema de seguimiento: D — sensor, U — amplificador (transductor), FP — convertidor funcional.

Los linealizadores se pueden clasificar según los siguientes criterios:

1. Según el método de configuración de la función: espacial en forma de plantillas, matrices, etc., en forma de una combinación de elementos no lineales, en forma de algoritmo de cálculo digital, dispositivos.

2.Por el grado de flexibilidad del esquema: universal (es decir, reconfigurable) y especializado.

3. Por la naturaleza del esquema estructural: tipo abierto (Fig. 1) y compensación (Fig. 2).

4. En forma de valores de entrada y salida: analógicos, digitales, mixtos (analógico-digital y digital-analógico).

5. Por tipo de elementos utilizados en el circuito: mecánicos, electromecánicos, magnéticos, electrónicos, etc.

Los linealizadores de funciones espaciales incluyen principalmente mecanismos de leva, patrones y potenciómetros no lineales. Se utilizan en los casos en que el valor medido de cada etapa de conversión se presenta en forma de movimiento mecánico (levas — para la linealización de las características de los sensores manométricos y transformadores, modelos — en registradores, potenciómetros no lineales — en circuitos de potencial y puente ).

La no linealidad de las características del potenciómetro se logra enrollando en marcos perfilados y seccionando utilizando el método de aproximación lineal por tramos maniobrando las secciones con resistencias adecuadas.

En un linealizador basado en un servosistema electromecánico de tipo potenciométrico utilizando un potenciómetro no lineal (Fig. 3), el valor linealizado aparece como un ángulo de giro o desplazamiento mecánico. Estos linealizadores son simples, versátiles y ampliamente utilizados en sistemas de control centralizados.

Arroz. 3. Linealizador para servosistema electromecánico de tipo potenciométrico: D — sensor con salida en forma de voltaje DC, Y — amplificador, M — motor eléctrico.

Las no linealidades de las características de los elementos individuales (electrónicos, magnéticos, térmicos, etc.) se utilizan en convertidores funcionales paramétricos. Sin embargo, entre las dependencias funcionales que desarrollan y las características de los sensores, normalmente no es posible lograr una coincidencia completa.

La forma algorítmica de establecer una función se utiliza en convertidores de funciones digitales. Sus ventajas son la alta precisión y la estabilidad de las características. Utilizan las propiedades matemáticas de dependencias funcionales individuales o el principio de aproximación lineal por partes. Por ejemplo, una parábola se desarrolla en base a las propiedades de los cuadrados de los números enteros.

Por ejemplo, un linealizador digital se basa en el método de aproximación lineal por partes, que funciona según el principio de llenar los segmentos que se aproximan con pulsos de diferentes tasas de repetición. Las frecuencias de llenado cambian a saltos en los puntos fronterizos de los segmentos que se aproximan según el programa insertado en el dispositivo según el tipo de no linealidad. La cantidad linealizada luego se convierte a un código unitario.

También se puede realizar una aproximación lineal parcial de la no linealidad utilizando un interpolador lineal digital. En este caso, las frecuencias de llenado de los intervalos de interpolación permanecen constantes solo en promedio.

Las ventajas de los linealizadores digitales basados ​​en el método de aproximación lineal de piezas son: la facilidad de reconfiguración de la no linealidad acumulada y la velocidad de cambio de una no linealidad a otra, lo que es especialmente importante en sistemas de control centralizado de alta velocidad.

En sistemas de control complejos que contienen calculadoras universales, máquinas, la linealización se puede realizar directamente desde estas máquinas, en las que la función está incrustada en forma de una subrutina correspondiente.