Измерительные цепи емкостных датчиков с временным и пространственным разделением каналов Мишина Марина Александровна

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Исследование путей повышения точности измерений емкостных датчиков 12

1.1 Анализ структурных схем емкостных параметрических преобразователей 12

1.2 Обзор измерительных цепей емкостных датчиков 25

1.3 Анализ структурных методов повышения точности измерений 39

Основные результаты и выводы 55

ГЛАВА 2. Временное разделение каналов преобразования пассивных величин в активные величины 57

2.1 Формирование требований к системе базисных функций временного разделения каналов преобразования пассивных электрических величин в активные величины 57

2.2 Синтез систем базисных функций измерительных цепей емкостных датчиков с временным разделением каналов 67

2.3 Фазовое разделение каналов в измерительных цепях емкостных датчиков 82

2.4 Разработка способов фазового разделения каналов в измерительных цепях емкостных датчиков 87

2.5 Анализ возможностей реализации измерительных цепей с фазовым разделением каналов 99

2.6 Разработка измерительных цепей емкостных датчиков с фазовым разделением каналов 106

Основные результаты и выводы 128

ГЛАВА 3. Измерительные цепи емкостных датчиков с пространственным разделением каналов 131

3.1 Исследование итерационных методов повышения точности аналоговых преобразователей

3.2 Анализ методической погрешности измерительных цепей с физическим моделированием рабочей емкости параметрического преобразователя датчика 141

3.3 Разработка способов электрического моделирования рабочей емкости датчика 156

Основные результаты и выводы 176

ГЛАВА 4. Исследование погрешности измерительных цепей емкостных датчиков 178

4.1 Оценка точности работы измерительных цепей емкостных датчиков с фазовым разделением каналов 178

4.1.1 Исследование погрешности ИЦ емкостного датчика, обусловленной несовпадением базисов «выделения» и «разделения каналов» в системе координат с координатным углом (р = л 12 178

4.1.2 Исследование погрешности ИЦ емкостного датчика, обусловленной несовпадение базисов «выделения» и «разделения каналов» в системе координат с координатным углом (рФл /2 .85

4.2 Коррекция погрешности в измерительных цепях емкостных датчиков с фазовым разделением каналов 192

4.2.1 Коррекция погрешности ИЦ емкостных датчиков с разделением каналов в системе координат с координатным углом (р = л /2 192

4.2.2 Коррекция погрешности ИЦ емкостных датчиков с разделением каналов в системе координат с координатным углом (рФл /2 197

4.3 Исследование случайной погрешности двухканального итерационного активного преобразователя 202

Основные результаты и выводы 206

Заключение и выводы 208

Литература

• Обзор измерительных цепей емкостных датчиков
• Синтез систем базисных функций измерительных цепей емкостных датчиков с временным разделением каналов
• Анализ методической погрешности измерительных цепей с физическим моделированием рабочей емкости параметрического преобразователя датчика
• Исследование погрешности ИЦ емкостного датчика, обусловленной несовпадение базисов «выделения» и «разделения каналов» в системе координат с координатным углом (рФл /2

Введение к работе

Актуальность темы. Современное состояние науки и техники сделало датчики неотъемлемой частью практически любого технического устройства. Благодаря своим высоким эксплуатационным х-рактеристикам широкое распространение получили преобразователи, основанные на емкостном принципе. С целью снижения инструме-тальной погрешности емкостных датчиков в их конструкцию вводят конструктивно совмещенный с рабочим конденсатором опорный конденсатор, емкость которого выполняет функцию образцовой (для данного экземпляра датчика) величины, хотя значение емкости этого конденсатора изменяется от образца к образцу и определяется геоме-рическими размерами параметрического преобразователя. Это позволяет осуществлять преобразование отношения емкостей рабочего и опорного конденсаторов или относительного приращения емкости рабочего конденсатора датчика. Измерительная цепь (ИЦ) как неотъемлемая часть датчика должна обеспечить преобразование в выходной сигнал информативного параметра параметрического преобразователя (ПП) и инвариантность к внешним факторам, влияющим на нее. Пропорциональность выходного сигнала информативному параметру да-чика обеспечит линейную зависимость выходного сигнала измерительной цепи от измеряемой датчиком величины и позволит уменьшить погрешность от действия влияющих на ПП факторов.

При преобразовании выходных параметров ПП датчиков, представляющих собой пассивные электрические величины, в активные электрические величины широкое распространение получили активные преобразователи (АП), выполненные на основе операционных усилителей (ОУ). Такие АП достаточно легко позволяют получить выходной сигнал, пропорциональный отношению емкостей конденс-торов ПП. Однако неидеальность ОУ, а именно конечное значение его коэффициента усиления приводит к возникновению погрешности, значение которой определяется не только значением коэффициента усиления, но и значениями параметров опорного и рабочего конденс-торов и емкостью кабеля. Тенденции развития датчиков, направле-ные на их миниатюризацию, приводят к уменьшению емкости рабоч-го конденсатора до единиц и долей пФ, а экстремальные условия, в которых зачастую предстоит функционировать датчику, не позволяют размещать ПП и ИЦ в одном корпусе, тогда возникает необходимость разносить в пространстве эти узлы. В связи с этим емкость кабеля превышает рабочую емкость в десятки раз, а погрешность ст-новится значительной и для ее коррекции требуется применение в ИЦ структурных методов повышения точности измерений.

Исследованиям в области повышения точности измерений эле-трических величин посвящены труды научных коллективов под руко-

Так как большинство существующих структурных методов повышения точности предназначены в основном для преобразования а-тивных электрических величин, то создание новых методов для повышения точности преобразования пассивных электрических величин в активные величины или адаптация для этой же цели известных методов представляется актуальной задачей, решение которой позволит обеспечить высокую точность преобразования информативного пар-метра датчика и инвариантность к параметрам кабеля связи и неидеальности элементной базы ИЦ.

Объектом исследования диссертационной работы являются методы повышения точности преобразования пассивных электрических величин в активные величины.

Предмет исследования - измерительные цепи емкостных да-чиков с временным и пространственным разделением каналов.

Целью работы является повышение точности преобразования информативных параметров емкостных ПП посредством временного или пространственного разделения каналов в ИЦ датчика.

Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы и решены следующие основные задачи:

1. исследование известных структурных методов повышения точности измерений с целью определения направления дальнейшей работы;

2. разработка систем базисных функций для описания временного разделения каналов в измерительных цепях датчиков;

3. разработка способов реализации фазового разделения каналов в измерительных цепях емкостных датчиков для обеспечения инвар-антности результата преобразования пассивных электрических вел-чин в активные величины к параметрам кабеля и неидеальности элементной базы;

4. разработка способов создания «электрических» моделей им-митанса параметрического преобразователя емкостного датчика в дополнительных каналах многоканальных итерационных преобразов-телей;

5. исследование погрешности измерительных цепей емкостных датчиков с фазовым разделением каналов и выработка рекомендаций

по выбору параметров узлов, формирующих базисы ИЦ, с целью минимизации указанной погрешности, разработка алгоритма коррекции погрешности.

Методы исследования. Проведенные в работе исследования базируются на анализе и обобщении научных трудов в области структурных методов повышения точности измерения электрических величин с временным и пространственным разделением каналов, методах классической теории электрических цепей, теории погрешности, дифференциальном и интегральном исчислении, теории разложения сигналов в системе базисных функций. Теоретические исследования проводились с использованием пакета программ MathCAD и Multisim.

Соответствие паспорту специальности. Область исследований соответствует п. 1 «Создание новых научных, технических и нормативно-технических решений, обеспечивающих повышение качества продукции, связанных с измерениями электрических и магнитных величин» паспорта специальности 05.11.01 «Приборы и методы измерения (электрические и магнитные величины)».

Научная новизна работы:

1. Разработаны системы базисных функций временного разделения каналов для ИЦ параметрических датчиков (на примере емкостных), которые обеспечивают как разделение каналов преобразования пассивных электрических величин в активные величины во времени, так и возможность выделения из выходного напряжения АП составляющих, пропорциональных выходным параметрам ПП датчика.

2. Разработаны способы реализации фазового разделения каналов для ИЦ емкостных датчиков, заключающиеся в подаче на конденсаторы ПП датчика, подключенные к входу АП, двух синусоидальных тест-сигналов, сдвинутых друг относительно друга на некоторый угол ф, и различающиеся особенностью разложения выходного сигнала АП на его составляющие. Предложенные способы обеспечивают исключение погрешности, вызванной конечным значением коэффициента усиления входящего в состав АП операционного усилителя и наличием емкости кабеля связи.

3. Предложен алгоритм коррекции инструментальной погрешности ИЦ с фазовым разделением каналов, которая обусловлена неидеальностью узлов, формирующих базисы ИЦ, за счет введения дополнительных фазосдвигающих цепей.

4. Разработаны способы создания «электрических» моделей рабочего конденсатора емкостного ПП, применение которых в дополнительных каналах итерационных многоканальных АП позволит повы-

сить по сравнению с одноканальным АП точность преобразования пассивных электрических величин в активную величину в К_ур раз

при использовании потенциальных и в К_у/р раз при использовании

токовых моделей рабочего конденсатора датчика при наличии только одного рабочего элемента ПП датчика.

Практическая значимость работы. Предложенные в диссерт-ции способы повышения точности позволяют исключить или сущес-венно снизить погрешность преобразования информативных параметров емкостных датчиков, вызванную конечным значением коэффициента усиления операционного усилителя. Разработаны измерительные цепи емкостных датчиков, инвариантные к параметрам кабеля и неидеал-ности элементной базы.

На защиту выносятся:

5. Системы базисных функций временного разделения каналов преобразования пассивных электрических величин в активные вел-чины.

6. Способы фазового разделения каналов в измерительных цепях емкостных датчиков, отличающиеся процедурой выделения соста-ляющих из выходного напряжения АП и позволяющие повысить то-ность преобразования информативного параметра за счет исключения погрешности, вызванной конечным значением коэффициента усил-ния ОУ активного преобразователя и наличием емкости кабеля связи.

7. Способы создания «электрических» моделей рабочего конде-сатора емкостного ПП в дополнительных каналах итерационного многоканального активного преобразователя, позволяющие обеспечить выполнение условий настройки итерационного алгоритма при нал-чии только одного рабочего элемента ПП.

8. Результаты исследования инструментальной погрешности ИЦ емкостных датчиков с фазовым разделением каналов и алгоритм коррекции указанной погрешности за счет использования дополнител-ных фазовращателей, обеспечивающих совпадение базисов ИЦ.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты ди-сертационной работы использованы в испытательном стенде для полигонных испытаний АСУ ТП редукционно-охладительной установки Тамбовским обособленным подразделением ООО «Р.В.С.» (г. Тамбов); в учебном процессе кафедры «Автоматика и телемеханика» Пензенского государственного университета в рамках дисциплин «И-мерительные преобразователи систем управления», «Проектирование датчиков систем управления», «Контрольно-измерительные приборы и комплексы».

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается совпадением результатов теоретических и экспериментальных исследований, внедрением результатов в учебный процесс и реализацией разработанных измерительных цепей.

Апробация работы. Основные положения диссертационной р-боты докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международном юбилейном симпозиуме «Актуальные проблемы на-ки и образования» (Пенза, 2004); Международной конференции «Кон-тинуальные алгебраические логики, исчисления и нейроинформатика в науке и технике (КЛИН-2004)» (Ульяновск, 2004); Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2004); Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерения физических величин» (Н. Новгород, 2004, 2005); Международной научно-технической конференции «Методы, средства и технологии получения измерительной информации» (Пенза, 2004, 2008, 2012); Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2004, 2007, 2008, 2009, 2011, 2013, 2015); Международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (Украина, Алушта, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликована 41 печатная работа, из них 15 - в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 4 печа-ные работы без соавторов, 4 статьи переведены на английский язык и переизданы в журнале Measurement Techniques, входящем в базу цитирования Web of Science.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Объем работы: 232 страницы машинописного текста, 81 рисунок, 11 таблиц. Список литературы содержит 120 наименований.

Обзор измерительных цепей емкостных датчиков

Структурная схема датчика состоит их нескольких основных блоков (рисунок 1.2) [4]: параметрического преобразователя (ПП), кабельной перемычки (КП); измерительной цепи (ИЦ) и нормирующего преобразователя (НП). По виду выходной величины параметрического преобразователя датчики подразделяются на генераторные и параметрические. Выходная величина ПП генераторных датчиков представляет собой активную электрическую величину (ток, напряжение, заряд), а у параметрических датчиков - это пассивная электрическая величина (сопротивление, емкость, индуктивность).

Структурная схема датчика Параметрический преобразователь осуществляет преобразование поступающей на его вход измеряемой физической величины X в пассивную (для параметрических датчиков) или активную (для генераторных датчиков) электрическую величину Р. Кабельная перемычка соединяет ПП с измерительной цепью, причем ИЦ воспринимает Р вместе с параметрами КП, то есть на вход ИЦ подается величина Р\ зависящая как от входной величины, так и от параметров кабеля, а измерительная цепь обеспечивает преобразование величины Р в электрический сигнал Y\ который затем с помощью НП преобразуется в унифицированный сигнал Y. Измерительную цепь трудно выделить в виде одного конструктивного узла датчика, поскольку часть ее находится в параметрическом преобразователе и соединительном кабеле, а часть - в НП. Помимо основной задачи, а именно, преобразования информативного параметра датчика в электрический сигнал, ИЦ должна еще осуществлять коррекцию погрешности, возникающей в ПП и в ней самой.

Для решения проблем современных измерений параметров физических величин в экстремальных условиях возникает необходимость значительного улучшения td характеристик td датчиков: td чувствительности, помехозащищенности, надежности, возможности дистанционных измерений, существенного снижения габаритных размеров, массы, и энергопотребления[6], а также обеспечение малого значения основной и дополнительной погрешности, возникающей вследствие изменения в широком диапазоне влияющих факторов (температуры, влажности, атмосферного давления и т.д.), при этом реализация должна быть достаточно простой [7].

Как показывает опыт отечественного и зарубежного приборостроения, перспективными для измерения широкого круга физических величин являются емкостные датчики (ЕД), отличающиеся высокими эксплуатационными характеристиками. Емкостные датчики могут непосредственно измерять любые параметры движения (перемещение, положение), химический состав, параметры электрического поля и, косвенно, определять многие другие параметры - давление, ускорение, уровень жидкости, состав жидкости и т.д. [8]. Емкостные чувствительные элементы датчиков физических величин в большинстве случаев представляют собой конденсаторы. Конструктивное исполнение чувствительного элемента ЕД зависит от вида измеряемой физической величины и несмотря на многообразие конструкций может быть сведено к двум основным типам: плоскопараллельному и коаксиальному [1,9,10]. Емкость конденсатора, образованного двумя плоскопараллельными пластинами определяется выражением: Сх = 8 td - td (1.1) dx где єх- диэлектрическая проницаемость межэлектродной среды; е0 диэлектрическая проницаемость вакуума; Sx - площадь перекрытия пластин; dx - расстояние между пластинами рабочего конденсатора. Выражение для емкости коаксиального датчика имеет вид: Л где L - полная длина обкладок датчика; Гу и г2 - радиусы внутренней и внешней обкладок датчика соответственно. Приведенные выражения для емкостей датчиков позволяют оценить область их применения в зависимости от того, какой из параметров (єх, Sx, dx, L) является информативным. К изменению емкости рабочего конденсатора может привести изменение любого из параметров в выражениях (11) и (1-2), однако емкостные параметрические преобразователи (ЕПП) конструируют по принципу изменения только одного из указанных параметров [11, 12].

Выделяют три типа емкостных датчиков [8]. У датчиков первого типа емкость изменяется за счет изменения диэлектрической проницаемости межэлектродной среды. Такие датчики используют для определения состава материала, наличия несплошности, определения абсолютного линейного положения, присутствия объектов и т.п. У датчиков, относимых ко второму типу, изменение емкости вызывается изменением площади перекрытия обкладок конденсатора, за счет чего может производиться измерение линейного перемещения, а также углового положения. К третьему типу относят датчики, принцип работы которых основан на изменении расстояния между двумя параллельными обкладками конденсатора. Данная способность используется в микрометрах, акселерометрах, инклинометрах, датчиках давления. Изначально в практике широкое применение получили емкостные преобразователи, образованные двумя электродами (рисунок 1.3,а). Схема замещения такого датчика представляет собой конденсатор (рисунок 1.3,6), емкость которого определяется выражением (1.1).

Рассматриваемая конструкция имеет ряд недостатков, одним из которых является наличие краевого эффекта. Для получения равномерного электрического поля и устранения краевых полей на концах пластинок используют охранное кольцо (рисунок 1.3,в) [13]. Благодаря такому устройству краевой эффект имеет место на внешней кромке охранного кольца, а поле внутри площади, охваченной охранным кольцом, оказывается однородным. Охранное кольцо должно иметь тот же потенциал, что и пластина, которую оно охватывает.

Если в ЕПП, изображенном на рисунке 1.3,а, измеряемая физическая величина вызывает изменение расстояния между обкладками конденсатора, то в этом случае существенным недостатком является нелинейная зависимость емкости конденсатора от изменения расстояния между обкладками, вызванного воздействием измеряемой физической величины, так как защемленная по краям мембрана под действием давления прогибается (рисунок 1.3,а пунктирная линия). Выражение, показывающее зависимость изменения емкости от приложенного давления, получено в литературе [13]. Анализ этого выражения позволяет сделать вывод, что линейную зависимость емкости датчика от измеряемого давления можно обеспечить лишь при незначительных прогибах мембраны

Синтез систем базисных функций измерительных цепей емкостных датчиков с временным разделением каналов

В соответствии с одним из необходимых условий (рис. 2.1) для реализации временного разделения каналов преобразования емкостей конденсаторов датчика тест-сигналы Ui(t) и (0 следует формировать таким образом, что бы функции, описывающие их, составляли ортогональную систему функций [58]. В то же самое время функции, описывающие каждый из тест-сигналов, должны удовлетворять достаточным условиям (рис. 2.1), что позволит осуществить разложение выходного сигнала АП на составляющие и при осуществлении логометрической коррекции обеспечит инвариантность к параметрам сигналов, подаваемых на емкости ПП. Схемотехнические условия определяются видом активного преобразователя и их выполнение обеспечивает работоспособность ИЦ в целом и достижение полной коррекции погрешности. Рассмотрим приведенный на рис.2.3 [63] активный преобразователь емкости в напряжение на основе операционного усилителя У, к входу которого подключены рабочий Сх и опорный Сд конденсаторы ПП датчика кабелем емкостью Ск, а в обратной связи ОУ включен конденсатор емкостью С. Напряжения Ui(t) и (0 подаются на конденсаторы ПП, в результате чего выходной сигнал активного преобразователя UY(t) равен:

Для получения на выходе ИЦ сигнала, пропорционального отношению емкостей рабочего Сх и опорного CQ конденсаторов, необходимо выделить из выходного сигнала АП составляющие, одна из которых пропорциональна емкости CQ , а вторая - емкости Сх, а затем найти отношение этих составляющих. Поскольку погрешность ум входит в обе составляющие с одинаковым весом, то при делении указанных составляющих наряду с формированием функции преобразования, осуществляется логометрическая коррекция погрешности, в результате которой выходной сигнал ИЦ не зависит от погрешности ум и имеет вид:

Из принципа действия рассматриваемого АП вытекают схемотехнические условия временного разделения каналов преобразования отношения емкостей конденсаторов датчика в напряжение, которые заключаются в следующем: напряжения Ui(t) и (0 должны быть периодическими и двухполярными, а среднее значение каждого из них за период равно нулю, т.е. сигналы не должны содержать постоянную составляющую. В противном случае конденсатор С, стоящий в обратной связи ОУ (рис.2.3), будет накапливать заряд, и усилитель перейдет в режим насыщения.

Таким образом, сформулированные необходимые, достаточные и схемотехнические условия временного разделения каналов процесса преобразования пассивных величин ПП датчика в активные величины представляют собой требования к системе базисных функций ИЦ. В результате выполнение указанных требований возможно формирование тест-сигналов Uj(t), обеспечивающих и временное разделение преобразования емкостей конденсаторов ПП в выходное напряжение активного преобразователя, и выделение составляющих, пропорциональных емкостям конденсаторов ПП из выходного напряжение активного преобразователя, а использование логометрической коррекции дает возможность устранить зависимость выходного сигнала ИЦ от параметров активного преобразователя, от емкости кабеля и от нестабильности амплитуды напряжений, подаваемых на конденсаторы датчика.

Для реализации временного разделения каналов в ИЦ емкостных датчиков необходимо сформировать систему базисных функций согласно сформулированным ранее требованиям, которые заключаются в выполнении необходимых, достаточных и схемотехнических условий (рис.2.1), причем в зависимости от вида базисной системы можно классифицировать методы временного разделения каналов измерительных цепей датчиков. В дальнейшем будем рассматривать емкостные ПП с одноэлементной схемой замещения (без учета потерь). Учитывая, что у дифференциальной конструкции ПП два рабочих конденсатора с емкостями Q и С2, у квазидифференциальной конструкции ПП один конденсатор рабочий - Сх, а

второй конденсатор опорный - CQ, И поскольку число элементов системы базисных функций определяется числом выходных параметров ПП, то разрабатываемые системы базисных функций измерительных цепей емкостных датчиков будут иметь только два элемента: U\(t) и /2(0

Для обеспечения возможности разделения выходного напряжения АП на составляющие, пропорциональные емкостям датчика, сигналы Ui(t) и Uj{t) должны различаться либо по амплитуде, либо по фазе, либо по форме[48]. Следует отметить, что использование сигналов Ui(t) и [/2(ґ), отличных по частоте (для моногармонических сигналов) или по частотам гармоник спектра (для полигармонических сигналов), не обеспечивает даже теоретически полной коррекции погрешности преобразования емкости датчика в активную электрическую величину, а приводит лишь к ее снижению при уменьшении разницы между частотами рассматриваемых сигналов (для моносигналов) или частотами гармоник с одинаковыми порядковыми номерами (для полисигналов). В общем случае напряжения Ui(t) и [/2(ґ), формируемые от одного генератора с выходным сигналом амплитуды и фазы z-ых составляющих напряжений U\(t) и [/2(0 соответственно; ч(0 2 (0 " коэффициенты пропорциональности между напряжениями Ui(t), /2(0 и г(0 АІ ФІ Щ) и f2(t,cp j ,C0j) - функции, описывающие частотные и временные характеристики напряжений Ui(t) и /2(0 В то же время функции Ui(t) и /2(0 должны быть линейно независимыми. Такое представление напряжений наиболее полно удовлетворяет требованиям, предъявляемым к функциям базисной системы. С учетом всех вышеизложенных требований к сигналам, подаваемым на конденсаторы датчика, структура блока разделения каналов БРК (рис. 2.2) [64], формирующего U\(t) и Ujit), имеет вид, представленный на рис.2.4, где Г генератор периодического сигнала; Ф1 и Ф2 - формирователи напряжений Ui(t) и Ujit). Такой вариант создания напряжений Ui(t) и [/2(0 как было отмечено ранее, обеспечивает возможность устранения влияния нестабильности напряжения Ur(t) на результат преобразования за счет применения в ИЦ логометрической коррекции погрешности.

Анализ методической погрешности измерительных цепей с физическим моделированием рабочей емкости параметрического преобразователя датчика

В измерительной цепи, разработанной на основании структурной схемы рис.2.13,6 (рис.2.16,6) по сравнению с предыдущей ИЦ отсутствует УДН, а операция деления составляющих Uy и Uy осуществляется за счет изменения амплитуды выходного напряжения генератора Г, входящего в состав БРК, причем амплитуды тест-сигналов Ui(t) и [/2(0 как и в предыдущей ИЦ (рис.2.16,а), изменяются до достижения равенства между Uy и Uou, а выходной сигнал ИЦ описывается выражением (2.29).

Синтезируем ИЦ, обеспечивающую преобразование в напряжение информативного параметра вида на основе структурной схемы рис.2.13,а. УОС посредством фазочувствительного выпрямления осуществляет разложение выходного сигнала АП в системе базисных функций \[ \{t\ [/2(0}-Следовательно, весовой коэффициент при U\(t) должен быть пропорционален (Сх - CQ), а весовой коэффициент при Uj(0 - пропорционален CQ. Для получения этого на рабочий конденсатор следует подать сигнал Uy(t), а на образцовый конденсатор - разность тест-сигналов: ([/2(0 U\(t)), что потребует введения в ИЦ дополнительного узла - сумматора S (рис.2.17). Тогда выходной сигнал АП будет иметь следующий вид: между ними равен ± —, выделение синфазной и квадратурной составляющих из выходного сигнала АП и последующее их деление позволит получить выходной сигнал в виде напряжения, пропорционального информативному параметру вида

Для получения частотно-временного или кодо-импульсного выходного сигнала ИЦ при реализации способа фазового разделения каналов, основанного на выделении синфазной и квадратурной составляющих выходного сигнала АП, в качестве основы следует использовать структурные схемы рис.2.13,в и рис.2.13,д с учетом вида информативного параметра ПП датчика. Пусть необходимо обеспечить преобразование информативного параметра дифференциального емкостного датчика в частоту или длительность импульса. За основу при разработке ИЦ следует использовать структурную схему рис.2.13,в. Для реализации преобразования в ИЦ информативного параметра вида — — необходимо обеспеченить в выражении для выходного сигнала АП пропорциональность весового коэффициента при Ui(t) разности емкостей конденсаторов ПП (Q - С2), а весового коэффициента при [/2 (0 - сумме емкостей конденсаторов ПП датчика (Q + С2). Следовательно, на конденсатор Q нужно подать сигнал, равный сумме тест-сигналов (Ui (t) + [/2 (0) а на конденсатор С2 - сигнал, равный разности тест-сигналов ([/2 (0 U\(/)), что потребует введения в ИЦ двух дополнительных узлов - сумматоров S1 и S2 (рис.2.18). Выходной сигнал АП при такой реализации ИЦ имеет вид:

Для получения частотно-временного выходного сигнала ИЦ необходимо обеспечить изменение частоты генератора при изменении емкости рабочего конденсатора. Для этого на СС подадим напряжения Uy и Uy , при сравнении которых формируется воздействие, изменяющее частоту генератора до тех пор, пока напряжения не станут равны между собой. При достижении равенства между Uy и Uy получим:

В зависимости от типа используемого фазовращателя (интегратор или дифференциатор) выходным сигналом ИЦ, пропорциональным информативному параметру, будет либо частота /вых, либо период Твых синусоидального напряжения. Если в качестве фазовращателя используется интегратор, то выходной сигнал ИЦ имеет вид:

Для получения кодового выходного сигнала пропорционального, например, информативному параметру вида — —, необходимо, чтобы в выражении для выходного сигнала АП весовой коэффициент при Ui(t) был пропорционален разности емкостей рабочего и опорного конденсаторов ПП (Сх —CQ), а весовой коэффициент при U2 (0 - пропорционален Сх. Отсюда следует, что на Сх необходимо подать разность тест-сигналов, а на CQ - сигнал U±(t) (рис.2.19). С учетом коэффициента передачи УДН выходной сигнал АП будет равен:

Такая ИЦ кроме кодового позволяет получить и импульсный выходной сигнал Л вых, который формируется на выходе СС.

Таким образом, для любого вида информативного параметра из таблицы 2.5 можно синтезировать ИЦ с потенциально-токовым, кодо-импульсным и частотно-временным выходным сигналом на основе любой из структурных схем, приведенных на рис.2.13.

В том случае, если фазовый сдвиг между тест-сигналами Ui(t) и (0 отличен от +л"/2, процесс разложения выходного напряжения АП на составляющие осуществляется в системе координат с координатным углом р Ф +л 12, образованной векторами функций тест-сигналов, путем определения мгновенных значений выходного напряжения АП в моменты времени, когда одна из составляющих этого напряжения (выражение (2.15)) обращается в нуль.

Пусть необходимо получить выходной сигнал ИЦ в виде напряжения, пропорциональный отношению емкостей рабочего и опорного конденсаторов датчика. Для формирование тест-сигналов БРК должен содержать генератор и фазовращатель (рис.2.6). Для выделения составляющих из выходного сигнала АП будем использовать устройствами выборки и хранения УВІ и УВ2, время срабатывания которых задается устройствами управления УУ1 и УУ2 через сигналы управления UYIJP и UYIJP , соответственно (рис.2.20). Устройства управления формируют базис, в котором осуществляется разложение выходного сигнала АП, и обеспечивают его совпадение с базисом, в котором формируется сигнал иш ). Выделяемые составляющие Uy и Uy определяются выраженими системы (2.28), в которой

Исследование погрешности ИЦ емкостного датчика, обусловленной несовпадение базисов «выделения» и «разделения каналов» в системе координат с координатным углом (рФл /2

Из выражения (4.3) следует, что выходной сигнал ИЦ зависит не только от информативного параметра CQ / Сх, но и от параметров фазовращателя и частоты тест-сигналов, что позволяет использовать такую ИЦ для преобразования емкости как в частоту, так и в напряжение. Точность преобразования емкости в выходной сигнал ИЦ (выражение (4.4)) так же определяется как частотой тест-сигнала, так и типом фазовращателя.

В качестве фазовращателя в ИЦ могут быть использованы, как пассивные интегрирующая и дифференцирующая цепи, так и интегратор и дифференциатор на ОУ [75, 112]. В таблице 4.1 приведены схемы фазовращателей, соответствующие им погрешности, а также погрешности всей ИЦ с учетом погрешности входящего в нее фазовращателя.

На рисунке 4.2 представлены графики зависимости погрешности ИЦ с пассивными (рис.4.2,а) и активными (рис.4.2,б) фазовращателями от частоты тест-сигналов (коэффициенты усиления схем фазовращателей на ОУ кц = кд =3, CQ/CX =0,6). Из графиков следует, что модуль погрешности ИЦ с интегратором имеет максимальное значение на низких частотах, а с ростом частоты тест-сигналов /ил уменьшается и стремится к нулю. Модуль погрешности ИЦ с дифференциатором, наоборот, имеет максимальное значение на высоких частотах, а в области низких частот стремиться к нулю. Крутизна рассматриваемых зависимостей определяется постоянными времени 7pj и 7д и коэффициентами передачи л и Лд. Следует отметить, что точность интегрирования, а в результате и точность работы ИЦ, тем выше, чем больше значение постоянной времени интегратора TJJ , а точность

Увеличение значений коэффициентов передачи интегратора и дифференциатора Лд и Лд приводит к увеличению погрешности ИЦ.

Из рисунка 4.2 следует, что при некотором значении частоты погрешность ИЦ с интегратором равна погрешности ИЦ с дифференциатором, т.е. графики погрешностей имеют точку пересечения, координаты которой зависят от параметров звеньев, используемых в качестве фазовращателей, значений емкостей ПП, а значение частоты /д в точке пересечения графиков определяется для пассивных цепей:

Совокупность всех значений /д для конкретного датчика представляет собой фигуру в и-мерном пространстве, причем для ИЦ с пассивными фазовращателями п = 4, а для ИЦ с фазовращателями на ОУ п = 6 . Проекция каждой точки этой фигуры на ось частот f определяет значение частоты, при которой при конкретных параметрах фазовращателей и значениях емкостей конденсаторов датчика погрешности измерительных цепей с интегратором и дифференциатором равны. Отсюда следует, что исходя из заданного значения рабочей частоты тест-сигналов /РАБ необходимо выбирать тип фазовращателя из следующего условия: при /РАБ /п -интегратор, при у РДБ /п - дифференциатор, так как наличие интегратора позволяет получить большую точность на высоких частотах, а применение дифференциатора - в области низких частот.

Таким образом, из-за неидеальности элементной базы в измерительных цепях с фазовым разделением каналов, работающих в системе координат с координатным углом р = ± яу 2, осуществляется неполная коррекция погрешности. Поэтому при разработке таких ИЦ следует уделить особое внимание выбору типа фазовращателя и его параметров, что позволит минимизировать погрешность ИЦ. Если выбор между пассивным или активным звеном осуществляется из собственных соображений разработчика с учетом преимуществ и недостатков одного и второго, то выбор между интегратором и дифференциатором следует осуществлять исходя из заданного в техническом задании значения рабочей частоты.

Исследование погрешности ИЦ емкостного датчика, обусловленной несовпадение базисов «выделения» и «разделения каналов» в системе координат с координатным углом ср Ф л/2 В способах фазового разделения каналов с фазовым сдвигом между тест-сигналами, отличным от —, каких-то жестких условии на тип используемого фазовращателя не накладывается, достаточно лишь обеспечить стабильность фазового сдвига в течение периода тест-сигнала. Проанализируем на примере ИЦ, изображенной на рис.2.20, погрешность УОС и ее влияние на погрешность выходного сигнал ИЦ. В рассматриваемой ИЦ (рис.2.20) составляющие выходного напряжения АП, пропорциональные CQ И СХ , определяются устройствами выборки и хранения УВХ1 и УВХ2, причем выборка осуществляется ими не мгновенно, а в течение некоторого времени At [113]. В результате этого на выходах УВХ1 и УВХ2 будут не мгновенные значения сигнала Uy((), а его среднее значение за время выборки, что аналогично сдвигу каждого из векторов «базиса выделения» на некоторый угол относительно векторов «базиса разделения каналов [76]. В результате этого указанные базисы не будут совпадать и, следовательно, возникнет погрешность, вызванная неидеальностью выборки. Напряжение на выходе устройства выборки и хранения определяется из выражения: УВ — Г J У w в где в - время начала выборки. С учетом выражения (2.15), описывающего выходной сигнал АП, напряжения на выходе У ОС примут вид: