Структурные методы повышения точности измерительных цепей емкостных и индуктивных датчиков (10.03.2009)

Автор: Арбузов Виктор Петрович

3. Разработаны методы пространственного разделения каналов ИЦ датчиков, отличающиеся тем, что итерационный алгоритм обеспечивается путем использования в дополнительных каналах моделей измеряемого иммитанса, причем предельное значение методической относительной погрешности определяется произведением только коэффициентов усиления усилителей каналов и не зависит от значения преобразуемого иммитанса ПП.

4. Предложен метод двойной аддитивной коррекции погрешности преобразования электрической пассивной величины в активную величину, на основе которого синтезирована измерительная цепь, отличающаяся наличием комбинированной обратной связи, позволяющей обеспечить независимость результата преобразования отношения рабочей и опорной емкостей датчика как от коэффициента усиления усилителя, так и от параметров кабельной перемычки.

5. Разработаны способы преобразования параметров двух- и трехэлементных нерезонансных двухполюсников, на основе которых синтезированы обобщенные графы квазиуравновешенных измерительных цепей, отличающиеся тем, что при использовании синусоидального тест-сигнала обеспечивается раздельное измерение параметров двухполюсников как в режиме заданного тока, так и в режиме заданного напряжения на объекте измерения независимо от вида соединения элементов двухполюсника.

6. На основе предложенной автором формализованной записи иммитанса двухполюсника и исследования функциональных возможностей квазиуравновешенных измерительных цепей создана методика проектирования, на основе которой разработана система автоматизированного проектирования функциональных схем измерительных цепей датчиков с комплексной схемой замещения ПП.

7. Получены выражения, описывающие модели температурной погрешности емкостного датчика, параметры которых можно определить как теоретически, так и экспериментально, причем рассматриваемая погрешность емкостного ПП зависит не только от его температуры, но и от измеряемой датчиком величины. На основе полученных моделей синтезированы как алгоритмы коррекции температурной погрешности емкостного датчика, так и ИЦ, отличающиеся тем, что указанная коррекция погрешности обеспечивается по мгновенным значениям в цепи переменного тока.

Практическая ценность.

1. Предложены методы повышения точности, которые позволяют исключить или уменьшить погрешность преобразования информативных параметров датчиков, обусловленную конечным значением коэффициента усиления операционного усилителя.

2. Разработаны измерительные цепи емкостных и индуктивных датчиков, обеспечивающие преобразование информативного параметра ПП датчика инвариантно как к неидеальности элементной базы, так и к параметрам кабельной перемычки.

3. Разработана методика проектированияРР Р квазиуравновешенных измерительных цепей емкостных и индуктивных датчиков с двух- и трехэлементной схемой замещения ПП, позволяющая автоматизировать процедуру проектирования функциональных схем квазиуравновешенных измерительных цепей с компенсацией напряжения.

4. Получены модели температурной погрешности ПП емкостного датчика давления и разработаны измерительные цепи, обеспечивающие расширение температурного диапазона эксплуатации неохлаждаемого высокотемпературного емкостного датчика до 700 (С.

5. Разработаны методы повышения точности и измерительные цепи датчиков, которые используются в процессе преподавания дисциплины «Измерительные преобразователи систем управления» и при выполнении лабораторных работ, курсовых и дипломных проектов.

Реализация и внедрение результатов работы.

1. Преобразователь информативного параметра измерительной ячейки солемера в напряжение, обеспечивающий преобразование сопротивления емкостного бесконтактного датчика солености, имеющего трехэлементную схему замещения, внедрен на предприятии п/я А–7445 в составе бесконтактных солемеров. Техническая документация на солемеры передана на Ленинаканский опытный завод аналитических приборов для серийного выпуска.

2. Измерительная цепь бесконтактного емкостного датчика сплошности потока жидкости внедрена на предприятии п/я А–1891.

3. Измерительная цепь емкостного датчика малого абсолютного давления внедрена на предприятии п/я Г–4725.

4. Измерительная цепь индуктивного датчика угловых микроперемещений внедрена на малом предприятии «Меланж» (г. Пенза) в устройстве динамической балансировки быстровращающихся деталей рыхлительно-очистительных машин.

5. Измерительная цепь неохлаждаемого высокотемпературного емкостного датчика давления внедрена в НИИФИ (г. Пенза), обеспечила коррекцию температурной погрешности датчика в диапазоне температур до 700 (С.

6. Измерительные цепи емкостных анероидных датчиков давления, обеспечивающие преобразование рабочей емкости датчика в частоту и в напряжение, внедрены в ОКБ «Феррит» (г. Воронеж).

7. Измерительная цепь емкостного датчика давления с рабочей емкостью менее 1пФ внедрена в НИИФИ (г. Пенза).

8. Измерительная цепь емкостного датчика силы, обеспечивающая преобразование емкости датчика в частоту, внедрена в составе весоизмерительного устройства в НИИЭКИПМАШ (г. Пенза).

9. Измерительная цепь емкостного датчика давления с токовым выходным сигналом внедрена в составе микроманометра на малом предприятии «ТексСтар» (г. Пенза).

10. Измерительная цепь емкостного датчика внедрена в составе датчика избыточного давления на малом предприятии «ТексСтар» (г. Пенза).

11. Измерительные цепи: дифференциального емкостного датчика давления, емкостного бесконтактного датчика толщины диэлектрических материалов и дифференциально-трансформаторного датчика перемещения – внедрены в учебный процесс кафедры «Автоматика

и телемеханика» Пензенского государственного университета в составе лабораторных установок.

На защиту выносятся.

1. Принцип и методы временного разделения каналов преобразования пассивных величин: метод коммутаций, метод фазового разделения каналов и метод полигармонических тест-сигналов, отличающиеся от известных тем, что каждый из них обеспечивает исключение погрешности преобразования пассивной величины в активную величину, обусловленной неидеальностью элементной базы и параметрами кабельной перемычки.

2. Методы пространственного разделения каналов, в соответствии с которыми для обеспечения итерационного алгоритма используются физические или «электрические» модели измеряемого иммитанса,

а не дополнительные иммитансы, необходимые для реализации известных итерационных методов повышения точности.

3. Метод двойной аддитивной коррекции погрешности преобразования электрической пассивной величины в активную величину, который по сравнению с известными методами позволяет за счет комбинированной обратной связи обеспечить инвариантность результата преобразования отношения рабочей и опорной емкостей датчика как к коэффициенту усиления усилителя, так и к параметрам кабельной перемычки.

4. Способы раздельного измерения, методика проектирования и квазиуравновешенные измерительные цепи датчиков с двух- и трехэлементной схемой замещения параметрического преобразователя датчика, которые по сравнению с известными позволяют исключить методическую погрешность преобразования информативных параметров датчиков с комплексной схемой замещения параметрического преобразователя.

5. Модели температурной погрешности параметрического преобразователя емкостного датчика давления и измерительные цепи, которые по сравнению с известными, обеспечивая расширение температурного диапазона работы емкостных датчиков, сохраняют высокое быстродействие за счет осуществления коррекции погрешности по мгновенным значениям в цепи переменного тока.

Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались и обсуждались на всесоюзных, республиканских и международных научно-технических конференциях: «Структурные методы повышения точности, быстродействия и чувствительности измерительных устройств и систем» (Киев, 1981 г.), «Применение информационно-измерительных систем при эксплуатации авиационной техники» (Киев, 1979 г.), «Измерительные информационные системы. ИИС-87» (Ташкент, 1987 г.), «Проблемы теории чувствительности измерительных датчиков, электронных и электромеханических систем» (Владимир, 1989 г.), «Методы и средства тензометрии и их применение в народном хозяйстве. Тензометрия-89» (Свердловск, 1989 г.), «Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления» (Пенза, 1986, 1989, 1992, 1994, 1999, 2001, 2002 гг.), «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2004, 2007 гг.), «Континуальные алгебраические логики, исчисления и нейроинформатика в науке и технике» (Ульяновск, 2004 г.) – и семинарах: «Вопросы теории и проектирования преобразователей параметров электрических сигналов и цепей» (Ульяновск, 1978 г.), «Методы и технические средства улучшения характеристик устройств для преобразования неэлектрических величин» (Севастополь, 1980 г.), «Измерение перемещений в динамическом режиме» (Каунас, 1987 г.), «САПР в машиностроении» (Ульяновск, 1990), «Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления» (Пенза, 1983, 1990, 1991 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликована 101 работа, в том числе 2 монографии, 1 учебное пособие, 29 авторских свидетельств

и 42 статьи, из них 39 работ без соавторов, 18 статей опубликовано

в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, библиографического списка из 141 наименования и приложения. Общий объем работы 416 с. Библиографический список и приложение выполнены на 84 с.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении проведен краткий анализ предмета исследования, обоснованы актуальность работы, цель и задачи, решаемые в диссертационной работе, указаны научная новизна и практическая ценность полученных результатов и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены роль и место измерительной цепи в структурной схеме датчика, определены основные составляющие погрешности ИЦ и вид информативного параметра ПП датчика, а также синтезированы ИЦ с потенциально-токовым, с частотно-временным и с кодовым выходными сигналами, обеспечивающие преобразование информативного параметра ПП датчика. В результате анализа методов повышения точности средств измерений сформулирована процедура уменьшения или исключения погрешности ИЦ датчиков.

) функции преобразования датчика; в-третьих, коррекцию погрешности, возникающей


загрузка...