научная статья по теме КОМПЛЕКС НИЗКОЧАСТОТНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ ПРОВОДЯЩИХ СРЕД Энергетика

Текст научной статьи на тему «КОМПЛЕКС НИЗКОЧАСТОТНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ ПРОВОДЯЩИХ СРЕД»

вания источников сигналов с большой базой. Метод потенциально обладает высокими точностью определения координат излучателей и разрешающей способностью в силу узости пика трехмерной ФВК, что выгодно отличает его от других, используемых в аналогичных системах, алгоритмов определения относительных временных задержек регистрации излучения [4, 5].

Компьютерное моделирование показало, что на данном этапе разработки метода достигнута разрешающая способность, определяемая соотношением Агт,л = (у/2)ткОрр, где Агт,л — минимальное расстояние между точечными источниками излучения, при котором достигается их разрешение в пространстве по всем координатам; V — скорость распространения излучения; ткорр — время корреляции излученных сигналов. Кроме того, при соблюдении указанного условия максимумы трехмерной корреляционной функции, соответствующие "истинным" источникам, всегда будут превышать "комбинационные".

Описанный метод не лишен недостатков. Так, для его эффективной реализации необходимы быстродействующие вычислительные ресурсы

(компьютерная память, коррелятор, логическое устройство поиска максимумов и пр.). Необходимо также решать задачу оптимизации порогового значения для сведения к минимуму вероятностей ошибок метода (пропуска "истинного" или сохранения "ложного" максимума ФВК).

ЛИТЕРАТУРА

1. Сайбель А. Г. Разностно-дальномерный метод радиопеленгации // Радиотехника. — 2003. — № 4. — С. 38—41.

2. Март-мл. С. Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. — М.: Мир, 1990. — 584 с.

3. Тейлор Дж. Введение в теорию ошибок. — М.: Мир, 1985. — 272 с.

4. Бекетов С. В., Королев А. Н., Потапов А. В. Оценка местоположения источника импульсного сигнала неизвестной формы // Радиотехника и электроника. — 1973. — Т. 18, № 8. — С. 1598—1604.

5. Кондратьев В. С, Котов А. Ф., Марков Л. Н.. Многопозиционные радиотехнические системы. — М.: Радио и связь, 1986. — 264 с.

Владимир Анатольевич Канаков — канд. техн. наук, доцент кафедры радиотехники радиофизического факультета ННГУ им. Н. И. Лобачевского;

Владимир Владимирович Горда — магистрант той же кафедры. E-mail: 7vova@rambler.ru □

УДК 621. 317. 3; 542. 2

КОМПЛЕКС НИЗКОЧАСТОТНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ ПРОВОДЯЩИХ СРЕД

А. В. Афанасьев, А. Н. Москвичев, А. А. Москвичев, В. А. Односевцев, И. Я. Орлов

Разработан измерительный комплекс для измерения активной и реактивной составляющих импеданса диэлектрической проводящей среды. Предложен алгоритм использования сплайна и-го параметра для представления непрерывных сигналов. Приводятся результаты экспериментального исследования. Ключевые слова: комплекс, низкочастотная спектроскопия, электрофизические параметры.

Низкочастотная диэлектрическая спектроскопия (измерение комплексных импедансов сред в

_3 5

частотном диапазоне 10 3...105 Гц) в настоящее время широко используется для исследования электрофизических параметров диэлектрических и проводящих сред, изучения механизма и кинетики химических реакций и фазовых переходов [1—5]. Подобные исследования позволяют получить дисперсионную зависимость Е = Е (ю), характеризующую механизм межмолекулярного взаимодействия, и проводятся как в равновесных условиях, так и при стимулирующих токовых воздействиях.

Комплексную диэлектрическую проницаемость, определяемую в системе СИ соотношением [11]

Е = £0£ - У8/ю, (1)

где ео — электрическая постоянная, е — относительная диэлектрическая проницаемость, 8 — удельная проводимость, ю — частота, можно представить в виде

Е = еое(1 + у ЛБф), (2)

где 1§ф = 1т2/Ке^ КеД ImZ — действительная и мнимая части импеданса измерительной ячейки,

Рис. 1. Структурная схема измерительной установки

в которой заключено анализируемое соединение. Поскольку ReZ = |Z |cos9, ImZ = |Z |sin9, то анализ дисперсионной характеристики é = é (ю) сводится к исследованию зависимостей |Z | = /(ю), ф = ф(ю).

Характерной особенностью импедансных измерений электрофизических параметров сред является требование малости прилагаемых к измерительной ячейке потенциалов. Если E — энергия межмолекулярного взаимодействия, то во избежание влияния разности потенциалов на ячейке на свойства среды амплитуда напряжения на ячейке должна удовлетворять условию

U « E/e, (3)

где e — заряд электрона.

Поскольку E « (K100)KT [12], где K — постоянная Больцмана, T — термодинамическая температура, то согласно выражению (3) допустимая амплитуда напряжения не должна превышать уровень Uq « 10 мВ.

Традиционно используемые средства измерения импеданса (мостовые схемы, фазовые детекторы [3, 5]) имеют ограниченный частотный диапазон, невысокое быстродействие и сравнительно низкую точность порядка 2—5 % вследствие применения аналоговых измерительных средств, а также не способны измерять величину импеданса при напряжении на объекте менее 30 мВ. Как правило, используются методы, основанные на преобразовании импеданса в частоту [2], что, однако, может привести к появлению измерительных артефактов [4].

Широкое распространение быстродействующих многоразрядных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и использование алгоритмов цифровой обработки измерительной информации позволяют в значительной степени устранить недостатки, свойственные аналоговым методам. Разработанный измерительный комплекс состоит из аналогового блока, двухканального АЦП и интерактивного программного приложения, ориентированного на применение ПК. Структура ком-

плекса развивает подход, предложенный в работе [7], и рассчитана на достижение максимальной точности измерения величин активной (Re) и реактивной (Im) составляющих импеданса.

Для решения поставленной задачи был разработан набор программно-аппаратных средств. На рис. 1 представлена структурная схема разработанной системы. Система включает в себя генератор опорного сигнала, аналоговый модуль согласования, персональный компьютер и исследуемый образец. В качестве генератора используется прецизионный генератор сигналов низкой частоты в диапазоне от 0,001 Гц до 200 кГц. Модуль согласования предназначен для согласования уровней сигнала генератора и сигнала, снимаемого с исследуемого образца; предварительного усиления этих сигналов до уровня, необходимого для обеспечения требуемой чувствительности системы. Рабочий частотный диапазон системы разделен на пять поддиапазонов, для каждого из которых модуль согласования имеет соответствующий канал. Согласованные и усиленные сигналы далее поступают в модуль АЦП, который осуществляет их преобразование в цифровую форму для дальнейшей обработки ПК. Модуль построен на базе 16-разрядного АЦП с набором фиксированных частот дискретизации от 100 до 250 кГц и имеет 8 аналоговых входов, программно подключаемых к входу АЦП с помощью мультиплексора. Модуль выполнен в виде PC-card с ISA-интерфейсом.

Система реализована на базе персонального компьютера под управлением операционной системы MS Windows 9x/ME/2000/XP. Для проведения исследования было создано windows-приложение, позволяющее проводить измерения как в автоматическом, так и в ручном режимах в диапазоне частот от 0,01 до 20000 Гц. Разработанное программное обеспечение (ПО) позволяет проводить необходимую настройку и калибровку используемого оборудования.

Приложение представляет собой интерфейс пользователя в виде набора окон, каждое из кото-

32 _Sensors & Systems • № 11.2009

рых обеспечивает выполнение определенной функции. Единообразное оформление пользовательского интерфейса позволяет пользователю быстро переключаться между основными операциями независимо от текущего экрана.

Главное окно приложения используется для вывода графических данных, соответствующих измеряемым значениям амплитуды, частоты и разности фаз входных колебаний. Приложение позволяет в реальном времени получать значения активной и реактивной составляющих импеданса исследуемого образца, графики зависимости вычисленных значений реальной и мнимой частей импеданса образца от частоты, АЧХ и ФЧХ, а также диаграмму Боде. Используя возможности пакета можно проводить корректировку снятых значений, их деактивацию и удаление, одновременно контролируя форму зависимостей на соответствующих видах окна программы. Полученные данные сохраняются в виде графического файла; приложение по запросу пользователя создает отчет (лог-файл) с измеренными значениями.

Лог-файл содержит информацию о времени проведения исследования, для каждой снятой точки значения частоты, активной и реактивной составляющих.

Для измерения параметров входных сигналов (амплитуды, частоты и разности фаз) был разработан математический алгоритм, который заключается в использовании сплайна п-го порядка для формирования и дальнейшего анализа непрерывных сигналов, являющихся функциями времени. Разработанный алгоритм применяется как при проведении исследований, так и при калибровке аппаратных средств системы. Используя данный алгоритм, можно проводить измерение параметров сигнала со значением частоты не менее % значения частоты дискретизации АЦП. Таким образом, используемые аппаратные средства (два входных мультиплексируемых канала с частотой дискретизации 250 кГц) позволяют проводить исследования со значениями частот входных сигналов до 30 кГц.

Аналоговый блок комплекса представлен на рис. 2, он реализует метод многократного (с частотой дискретизации АЦП) сравнения напряжений на одном из образцовых резисторов ^о набора и на импедансе И электрохимической ячейки. Эти напряжения создаются генератором стабильного тока ГСТ, управляемыми напряжением генератора синусоидального сигнала ГСС. На входе измерительного канала включен разделительный конденсатор С1, предотвращающий попадание на вход усилителя возможных внешних воздействий, подаваемых на объект исследования.

Перед началом измерений производится калибровка каналов. Для этого к входам операцион-

Рис. 2. Функциональная схема комплекса

ных усилителей подключается эталонный резистор и программными средствами выравниваются коэффициенты усиления каналов. Тем самым исключается систематическая ошибка, обусловленная неидентичностью каналов.

Вычислительный алгоритм производит оценку модуля импеданса, исходя из соотношения:

И =

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Энергетика»