Linéarisation des caractéristiques du capteur

Linéarisation des caractéristiques du capteur — transformation non linéaire de la valeur de sortie du capteur ou d'une quantité proportionnelle à celle-ci (analogique ou numérique) qui établit une relation linéaire entre la valeur mesurée et la valeur qui la représente.

A l'aide de la linéarisation, il est possible d'obtenir une linéarité à l'échelle de l'appareil secondaire auquel est connecté un capteur à caractéristique non linéaire (par exemple thermocouple, résistance thermique, analyseur de gaz, débitmètre, etc.). La linéarisation des caractéristiques du capteur permet d'obtenir la précision de mesure nécessaire grâce à des dispositifs secondaires à sortie numérique. Ceci est nécessaire dans certains cas lors de la connexion de capteurs à des appareils d'enregistrement ou lors de l'exécution d'opérations mathématiques sur la valeur mesurée (par exemple, l'intégration).

En termes de caractéristique du codeur, la linéarisation agit comme une transformation fonctionnelle inverse.Si la caractéristique du capteur est représentée par y = F (a + bx), où x est la valeur mesurée, a et b sont des constantes, alors la caractéristique du linéariseur connecté en série avec le capteur (Fig. 1) devrait ressembler comme ceci : z = kF (y), où F est la fonction inverse de F.

En conséquence, la sortie du linéariseur sera z = kF(F (a + bx)) = a ' + b'x, c'est-à-dire une fonction linéaire de la valeur mesurée.

Riz. 1. Schéma fonctionnel de linéarisation généralisée : D — capteur, L — linéariseur.

De plus, par mise à l'échelle, la dépendance z est réduite à la forme z' = mx, où m est le facteur d'échelle approprié. Si la linéarisation est effectuée de manière compensatoire, c'est-à-dire basée sur un système d'asservissement comme la Fig. 2, alors la caractéristique du convertisseur de fonction de linéarisation doit être similaire à la caractéristique du capteur z = cF (a + bx), car la valeur linéarisée de la valeur mesurée est tirée de l'entrée du convertisseur du linéariseur de fonction et de son la sortie est comparée à la valeur de sortie du capteur.

Une caractéristique des linéarisateurs en tant que convertisseurs fonctionnels est une classe relativement étroite de dépendances reproduites par eux, limitée aux fonctions monotones, qui est déterminée par le type de caractéristiques du capteur.

Riz. 2. Schéma fonctionnel de la linéarisation basée sur le système de suivi : D - capteur, U - amplificateur (transducteur), FP - convertisseur fonctionnel.

Les linéarisateurs peuvent être classés selon les critères suivants :

1. Selon la méthode de réglage de la fonction: spatiale sous forme de modèles, de matrices, etc., sous la forme d'une combinaison d'éléments non linéaires, sous la forme d'un algorithme de calcul numérique, de dispositifs.

2.Par le degré de flexibilité du schéma : universel (c'est-à-dire reconfigurable) et spécialisé.

3. Par la nature du schéma structurel: type ouvert (Fig. 1) et compensation (Fig. 2).

4. Sous forme de valeurs d'entrée et de sortie : analogique, numérique, mixte (analogique-numérique et numérique-analogique).

5. Par type d'éléments utilisés dans le circuit : mécanique, électromécanique, magnétique, électronique, etc.

Les linéarisateurs de fonctions spatiales comprennent principalement des mécanismes de came, des modèles et des potentiomètres non linéaires. Ils sont utilisés dans les cas où la valeur mesurée de chaque étage de conversion est présentée sous forme de mouvement mécanique (cames - pour la linéarisation des caractéristiques des capteurs manométriques et transformateurs, modèles - dans les enregistreurs, potentiomètres non linéaires - dans les circuits de potentiel et de pont ).

La non-linéarité des caractéristiques du potentiomètre est obtenue par bobinage sur des cadres profilés et sectionnement selon la méthode d'approximation linéaire par morceaux en manœuvrant les sections avec des résistances adaptées.

Dans un linéariseur basé sur un système d'asservissement électromécanique de type potentiométrique utilisant un potentiomètre non linéaire (Fig. 3), la valeur linéarisée apparaît comme un angle de rotation ou de déplacement mécanique. Ces linéarisateurs sont simples, polyvalents et largement utilisés dans les systèmes de contrôle centralisés.

Riz. 3. Linéariseur pour servosystème électromécanique de type potentiométrique : D — capteur avec sortie sous forme de tension continue, Y — amplificateur, M — moteur électrique.

Les non-linéarités des caractéristiques des éléments individuels (électroniques, magnétiques, thermiques, etc.) sont utilisées dans les convertisseurs fonctionnels paramétriques. Cependant, entre les dépendances fonctionnelles qu'ils développent et les caractéristiques des capteurs, il n'est généralement pas possible d'obtenir une adéquation complète.

La méthode algorithmique de réglage d'une fonction est utilisée dans les convertisseurs de fonctions numériques. Leurs avantages sont une grande précision et la stabilité des caractéristiques. Ils utilisent les propriétés mathématiques des dépendances fonctionnelles individuelles ou le principe de l'approximation linéaire par parties. Par exemple, une parabole est développée sur la base des propriétés des carrés d'entiers.

Par exemple, un linéariseur numérique est basé sur la méthode d'approximation linéaire par morceaux, qui fonctionne sur le principe de remplir les segments qui approchent avec des impulsions de taux de répétition différents. Les fréquences de remplissage évoluent par sauts aux points frontières des segments en approche selon le programme inséré dans le dispositif selon le type de non linéarité. La quantité linéarisée est ensuite convertie en un code unitaire.

Une approximation linéaire partielle de la non-linéarité peut également être effectuée à l'aide d'un interpolateur linéaire numérique. Dans ce cas, les fréquences de remplissage des intervalles d'interpolation ne restent constantes qu'en moyenne.

Les avantages des linéariseurs numériques basés sur la méthode d'approximation linéaire des pièces sont : la facilité de reconfiguration de la non-linéarité accumulée et la rapidité de passage d'une non-linéarité à une autre, ce qui est particulièrement important dans les systèmes de contrôle centralisé à grande vitesse.

Dans les systèmes de contrôle complexes contenant des calculateurs universels, des machines, la linéarisation peut être effectuée directement à partir de ces machines, dans lesquelles la fonction est intégrée sous la forme d'un sous-programme correspondant.