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

Автор: Арбузов Виктор Петрович

Функциональные возможности КУИЦ с компенсацией напряжения

Регулируемый

, включенного последовательно или параллельно его двухэлементной части:

), связанные между собой соотношением

. Тогда

, а условие второго квазиравновесия имеет вид:

В момент достижения второго состояния квазиравновесия имеем:

Перечисленные операции положены в основу разработанного автором способа, на основе которого синтезирован обобщенный граф КУИЦ преобразователей параметров ТНД, причем для обеспечения раздельного измерения необходимо одновременно установить в КУИЦ два состояния квазиравновесия:

первое состояние квазиравновесия:

второе состояние квазиравновесия:

Проведенные исследования позволили создать методику проектирования, дающую возможность получить в соответствии с техническим заданием функциональную схему КУИЦ датчика. Построение конкретных измерительных цепей датчиков с двух- и с трехэлементной схемой замещения емкостных и индуктивных ПП заключается в последовательной

и целенаправленной детализации обобщенного графа с последующим переходом от детализированного графа к функциональной схеме.

. Такая процедура позволяет перейти от графического представления схемы замещения к ее математическому описанию. Затем по заданному энергетическому режиму преобразования определяется место подключения параметрического преобразователя в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя, т. е. осуществляется первый шаг детализации обобщенного графа. Затем определяется вид преобразования иммитанса в выходное напряжение усилителя (прямо или обратно пропорциональное).

Следующий этап детализации обобщенного графа посвящен определению регулируемого в КУИЦ коэффициента передачи и вида индикатора квазиравновесия: квадратурного или синфазного фазочувствительного индикатора.

Дальнейшая детализация обобщенного графа заключается в определении аргумента регулируемого коэффициента передачи. На завершающей стадии проектирования уточняется тип индикатора квазиравновесия: фазочувствительный индикатор или экстремум-детектор – 

и осуществляется переход от детализированного графа к функциональной схеме КУИЦ датчика.

В шестой главе рассмотрена коррекция температурной погрешности датчиков, в основе которой лежат полученные автором математические модели температурной погрешности емкостного ПП датчика давления.

). Для осуществления коррекции температурной погрешности автором рассмотрено несколько подходов к синтезу моделей погрешности, основанных на использовании температурных коэффициентов изменения зазора, площади, чувствительности, емкости рабочего и опорного конденсаторов, а также аддитивных и мультипликативных составляющих абсолютных погрешностей емкостей рабочего и опорного конденсаторов, которые можно определить как теоретически, так и экспериментально.

емкостного датчика. Результаты первого подхода сведены в табл. 3 и показывают, что температурная погрешность зависит не только от температуры датчика, но и от измеряемой величины, т. е. является функцией двух переменных, и, следовательно, корректирующее воздействие или поправка должны зависеть не только от температуры, но и от информативного параметра датчика.

Таблица 3

Модели температурной погрешности

Модели

– зависимость относительной погрешности информативного параметра от температуры. Такая модель обусловливает использование аддитивно-логометрической коррекции температурной погрешности в ИЦ емкостного датчика, а величиной, с помощью которой формируется корректирующее воздействие, может быть как температура датчика, так и неинформативная составляющая входного сигнала ИЦ.

. Выходное напряжение ИЦ описывается выражением

Рис. 8. Измерительная цепь с коррекцией

температурной погрешности емкостного датчика

= (25 – 50) пФ

= 3 пФ и изменении емкости кабеля от 100 до 1000 пФ приведенная погрешность измерения меньше 0,1 %.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Созданы теоретические основы повышения точности измерительных цепей емкостных и индуктивных датчиков, включающие в себя принцип временного разделения каналов преобразования пассивных величин в активные величины, методы повышения точности измерительных цепей датчиков: методы временного разделения каналов, методы пространственного разделения каналов измерительных цепей и метод двойной аддитивной коррекции погрешности. Предложенные способы преобразования параметров параметрических преобразователей с двух- и с трехэлементной схемой замещения позволяют исключить методическую погрешность преобразования информативных параметров датчиков с комплексной схемой замещения параметрического преобразователя, а полученные модели температурной погрешности параметрического преобразователя емкостного датчика предоставляют возможность уменьшить его температурную погрешность.

2. На основе предложенного автором принципа разработаны методы временного разделения каналов измерительных цепей датчиков: метод коммутаций, метод фазового разделения каналов и метод полигармонических тест-сигналов, каждый из которых обеспечивает инвариантность как к несовершенству элементной базы, так и к параметрам кабельной перемычки, а применение метода фазового разделения каналов или метода полигармонических тест-сигналов позволяет исключить необходимость в традиционном переключении каналов.

3. Разработаны методы пространственного разделения каналов измерительных цепей емкостных и индуктивных датчиков, обеспечивающие повышение точности преобразования иммитанса параметрического преобразователя датчика в активную величину как при физическом, так и при «электрическом» моделировании преобразуемого иммитанса за счет создания необходимых для работы итерационного алгоритма коэффициентов передачи дополнительных каналов аналогового операционного преобразователя. Предельное значение методической погрешности при пространственном разделении каналов измерительных цепей не зависит от значения преобразуемого иммитанса и определяется произведением коэффициентов усиления каналов.

4. Предложен метод двойной аддитивной коррекции погрешности, реализация которого обеспечивает преобразование отношения рабочей и опорной емкостей датчика независимо как от коэффициента усиления усилителя, так и от параметров кабельной перемычки.

5. Предложены способы преобразования параметров параметрических преобразователей с двух- и трехэлементной схемой замещения, на основе которых синтезированы обобщенные графы квазиуравновешенных измерительных цепей с компенсацией напряжения, обеспечивающих раздельное измерение параметров двухполюсников как

в режиме заданного тока, так и в режиме заданного напряжения на двухполюснике независимо от вида соединения его элементов.

6. Разработана методика проектирования измерительных цепей емкостных и индуктивных датчиков с комплексной схемой замещения параметрического преобразователя, в основе которой лежит предложенная автором формализованная запись иммитанса двух- и трехэлементного двухполюсника и исследования функциональных возможностей квазиуравновешенных измерительных цепей с компенсацией напряжения. На основе разработанной методики создана система автоматизированного проектирования функциональных схем измерительных цепей датчиков с комплексной схемой замещения их параметрического преобразователя.

7. Получены выражения для моделей температурной погрешности емкостных датчиков, параметры которых можно определить как теоретически, так и экспериментально, причем температурная погрешность датчика является функцией двух переменных: температуры параметрического преобразователя и величины, измеряемой датчиком. Предложена аддитивно-логометрическая коррекция температурной погрешности, на основе которой синтезированы измерительные цепи, обеспечивающие коррекцию температурной погрешности датчика.

8. Теоретические результаты работы воплощены в измерительных цепях емкостных и индуктивных датчиков, внедренных в составе измерителей солесодержания воды с трехэлементной схемой замещения параметрического преобразователя датчика; неохлаждаемого высокотемпературного емкостного датчика давления; емкостного датчика избыточного давления для текстильных машин; емкостного микроманометра с малым потреблением энергии; индуктивного датчика угловых микроперемещений; емкостного анероидного датчика абсолютного давления; емкостного датчика силы и лабораторных установок по курсу «Измерительные преобразователи систем управления» Пензенского государственного университета, причем большинство внедренных измерительных цепей защищено авторскими свидетельствами, что подчеркивает их новизну и оригинальность. Результаты исследований и эксплуатации разработанных автором измерительных цепей емкостных и индуктивных датчиков подтверждают достоверность основных научных положений работы.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ

ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:


загрузка...