Linearização das características do sensor

Linearização das características do sensor — uma transformação não linear do valor de saída do sensor ou uma quantidade proporcional a ele (analógica ou digital) que alcança uma relação linear entre o valor medido e o valor que o representa.

Com a ajuda da linearização, é possível obter linearidade na escala do dispositivo secundário ao qual um sensor com característica não linear é conectado (por exemplo, termopar, resistência térmica, analisador de gás, medidor de vazão, etc.). A linearização das características do sensor permite obter a precisão de medição necessária através de dispositivos secundários com saída digital. Isso é necessário em alguns casos ao conectar sensores a dispositivos de registro ou ao realizar operações matemáticas no valor medido (por exemplo, integração).

Em termos da característica do codificador, a linearização atua como uma transformação funcional inversa.Se a característica do sensor for representada como y = F (a + bx), onde x é o valor medido, a e b são constantes, então a característica do linearizador conectado em série com o sensor (Fig. 1) deve parecer assim: z = kF (y), onde F é a função inversa de F.

Como resultado, a saída do linearizador será z = kF(F (a + bx)) = a ' + b'x, ou seja, uma função linear do valor medido.

Arroz. 1. Diagrama de blocos de linearização generalizada: D — sensor, L — linearizador.

Além disso, por escalonamento, a dependência z é reduzida para a forma z '= mx, onde m é o fator de escala apropriado. Se a linearização for feita de forma compensatória, ou seja, baseada em um sistema servo como a Fig. 2, então a característica do conversor de função linearizante deve ser semelhante à característica do sensor z = cF (a + bx), porque o valor linearizado do valor medido é retirado da entrada do conversor do linearizador de função e seu saída é comparada com o valor de saída do sensor.

Uma característica dos linearizadores como conversores funcionais é uma classe relativamente estreita de dependências reproduzidas por eles, limitada a funções monotônicas, que é determinada pelo tipo de características do sensor.

Arroz. 2. Diagrama de blocos de linearização baseado no sistema de rastreamento: D — sensor, U — amplificador (transdutor), FP — conversor funcional.

Os linearizadores podem ser classificados de acordo com os seguintes critérios:

1. De acordo com o método de configuração da função: espacial na forma de modelos, matrizes, etc., na forma de uma combinação de elementos não lineares, na forma de um algoritmo de cálculo digital, dispositivos.

2.Pelo grau de flexibilidade do esquema: universal (ou seja, reconfigurável) e especializado.

3. Pela natureza do esquema estrutural: tipo aberto (Fig. 1) e compensado (Fig. 2).

4. Na forma de valores de entrada e saída: analógico, digital, misto (analógico-digital e digital-analógico).

5. Por tipo de elementos utilizados no circuito: mecânicos, eletromecânicos, magnéticos, eletrônicos, etc.

Os linearizadores de função espacial incluem principalmente mecanismos de came, padrões e potenciômetros não lineares. São utilizados nos casos em que o valor medido de cada estágio de conversão é apresentado na forma de movimento mecânico (cames — para linearização das características de sensores manométricos e transformadores, modelos — em registradores, potenciômetros não lineares — em circuitos de potencial e ponte ).

A não linearidade das características do potenciômetro é obtida enrolando em estruturas perfiladas e seccionando usando o método de aproximação linear por partes, manobrando as seções com resistências adequadas.

Em um linearizador baseado em um sistema servo eletromecânico do tipo potenciométrico usando um potenciômetro não linear (Fig. 3), o valor linearizado aparece como um ângulo de rotação ou deslocamento mecânico. Esses linearizadores são simples, versáteis e amplamente utilizados em sistemas de controle centralizado.

Arroz. 3. Linearizador para sistema servo eletromecânico de tipo potenciométrico: D — sensor com saída na forma de tensão CC, Y — amplificador, M — motor elétrico.

Não linearidades das características de elementos individuais (eletrônica, magnética, térmica, etc.) são usadas em conversores funcionais paramétricos. No entanto, entre as dependências funcionais que desenvolvem e as características dos sensores, geralmente não é possível obter uma correspondência completa.

A maneira algorítmica de definir uma função é usada em conversores de funções digitais. Suas vantagens são alta precisão e estabilidade de características. Eles usam as propriedades matemáticas das dependências funcionais individuais ou o princípio da aproximação linear por partes. Por exemplo, uma parábola é desenvolvida com base nas propriedades dos quadrados dos números inteiros.

Por exemplo, um linearizador digital é baseado no método de aproximação linear por partes, que funciona com base no princípio de preencher os segmentos que se aproximam com pulsos de diferentes taxas de repetição. As frequências de preenchimento mudam em saltos nos pontos de borda dos segmentos que se aproximam de acordo com o programa inserido no dispositivo de acordo com o tipo de não linearidade. A quantidade linearizada é então convertida em um código unitário.

Uma aproximação linear parcial da não linearidade também pode ser realizada usando um interpolador linear digital. Nesse caso, as frequências de preenchimento dos intervalos de interpolação permanecem constantes apenas na média.

As vantagens dos linearizadores digitais baseados no método de aproximação linear de peças são: facilidade de reconfiguração da não linearidade acumulada e a velocidade de comutação de uma não linearidade para outra, o que é especialmente importante em sistemas de controle centralizado de alta velocidade.

Em sistemas de controle complexos contendo calculadoras universais, máquinas, a linearização pode ser realizada diretamente a partir dessas máquinas, nas quais a função é incorporada na forma de uma sub-rotina correspondente.