Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния методов и средств измерения электрофизических свойств сыпучих материалов 9
1.1. Представление емкостных датчиков эквивалентными схемами замещения 11
1.2. Обзор и анализ устройств измерения параметров емкостных датчиков
Основные результаты и выводы по главе 1 41
2. Разработка алгоритмов построения преобразователей параметров емкостных датчиков 43
2.1, Выбор опорных воздействий и синтез измерительных СХЄМ 43
2.2, Алгоритмы построения преобразователей параметров ЕД 57
Основные результаты и выводы по главе 2 89
3. Разработка функциональных схем преобразователей параметров емкостных датчиков 91
3,1- Преобразователи параметров емкостных датчиков с полной компенсацией в канале компенсации и измерения 91
3.2. Преобразователи параметров емкостных датчиков с частичной перекомпенсацией в канале компенсации и измерения 117
Основные результаты и выводы по главе 3 132
4 Исследование преобразователей параметров емкостных датчиков 134
4.1. Анализ погрешностей измерительных схєм 134
4.2. Анализ метрологических характеристик преобразователей параметров емкостных датчиков 150
4.3. Экспериментальное исследование 157
Основные результаты и выводы по главе 4 190
5. Перспективы совершенствования преобразователей параметров емкостных датчиков 192
5.1. Повышение точности 192
5.2. Повышение чувствительности и расширение диапазона изменения параметров емкостных датчиков 203
5.3. Повышение быстродействия 218
Основные результаты и выводы по главе 5 221
Основные результаты и выводы по работе 223
Литература 226
- Обзор и анализ устройств измерения параметров емкостных датчиков
- Алгоритмы построения преобразователей параметров ЕД
- Преобразователи параметров емкостных датчиков с частичной перекомпенсацией в канале компенсации и измерения
- Анализ метрологических характеристик преобразователей параметров емкостных датчиков
Введение к работе
Актуальность темы
Повышение качества различной продукции, снижение энергозатрат при производстве и хранении готового продукта является одной из актуальных задач народного хозяйства . Решение данной задачи невозможно без создания приборов для измерения качественных показателей веществ Одним из наиболее распространенных показателей качества сыпучих веществ является влажность В народном хозяйстве требуется [1,2,3] определять влажность более 1000 различных веществ. Одно из направлений измерения влажности сыпучих веществ основано на использовании емкостных параметрических датчиков/ конструк г тивно представляющих собой конденсатор, диэлектриком которого является исследуемое вещество. Воздействуя электрическим полем на вещество и исследуя результат этого воздействия, получают информацию о электрофизических па-. раметрах вещества, косвенно связанных с подлежащим измерению параметром. В известных разработках [4,5] емкостной датчик с веществом представляется в основном двухэлементной схемой замещения, что приводило к появлению погрешности от влияния неучитываемых параметров.
Повышение точности приборов для измерения влажности возможно лишь при более корректном представлении схемы замещения емкостных датчиков с веществом в виде многоэлементного двухполюсника. Задача раздельного преобразования параметров многоэлементных двухполюсников (ПМД) в общем случае не нова [6,7,8] и различные аспекты ее решения интенсивно разрабатываются многими научными коллективами [9. ..22] .
Специфика преобразования НМД, представляющих схемы замещения емкостных датчиков (ЕД) влажности сыпучих веществ, заключается в сложности наиболее полной адекватной электрической схемы замещения и чрезвычайно широком диапазоне соотношений параметров для некоторых классов веществ . Получение с высокой точностью информации о значении параметров ЕД при широком диапазоне их значений является темой данной диссертационной работы.
Научная новизна.
1 - Определены пути совершенствования ИП параметров ЕД, обладающих расширенным диапазоном изменений параметров эквивалентной электрической схемы замещения и повышенной точностью преобразования.
2 . Исследованы варианты построения измерительных схем для получения напряжений, составляющие которых несут информацию о параметрах ЕД.
3. Разработаны и исследованы ИП -параметров ЕД с временным разделением каналов и селективными методами обеспечения инвариантности.
4. Разработаны и исследованы ИП параметров ЕД с пространственным разделением каналов и использованием в каналах компенсации и измерения (ККиИ) режимов компенсации и перекомпенсации.
5 _ Разработаны и исследованы ИП параметров ЕД с улучшенными метрологическими характеристиками и определены направления дальнейшего совершенствования путем соче тания нескольких методов.обеспечения инвариантности.
6, Предложена и апробирована методика экспериментального исследования метрологических характеристик средств измерения влажности сыпучих веществ.
Основные положения( выносимые на защиту
2. 1. Анализ информативности параметров эквивалентных электрических схем замещения ЕД и выбор ИП, обеспечивающих требуемые для измерения влажности сыпучих веществ диапазоны изменения параметров ЕД Исследование вариантов измерительных схем с целью определения оптимального соотношения между чувствительностью преобразования по каждому из параметров ЕД, устойчивостью и сложностью реализации,
3. Разработка и исследование ИГЕ с полной компенсацией влияния сквозной проводимости ЕД в канале компенсации и измерения (ККиИ).
4. Разработка и исследование ИП с частичной перекомпенсацией влияния сквозной проводимости ЕД в ККиИ,
і 5.Теоретическое и экспериментальное исследование точностных характеристик ИП с целью достижения оптимальных соотношений погрешностей измерения отдельных параметров ЕД и интервалов инвариантности.
6. Определение путей совершенствования и разработка ИП параметров ЕД с улучшенными метрологическими характеристиками.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладыва-лись и обсуждались на 2-ой Всесоюзной конференции «Методы и средства аналого-цифрового преобразования параметров сигналов и цепей» (г - Москва,1981 г), на 7-ои Всесоюзной НТК «Достижения и перспективы работ в области разработки и внедрения средств измерения влажности продукции предприятий агропромышленного комплекса и других отраслей народного хозяйства» (г . Кутаиси, Грузия, 1984 г .) , на 7-ой республиканской НТК «Структурные методы повышения точности, чувствительности, быстродействия измерительных приборов и систем» (г. Киев, Украина, 198 5 г,), на зональном семинаре «Интегрирующие частотные, время-импульсные преобразователи и цифровые средства измерения на ихоснове» (г_ Пенза/ 1987 г)/ на зональной школе-семинаре «Повышение эффективности автоматизированных средств восприятия и обработки информации» (г. Пенза, 1985 г _) , на 7-ом Всесоюзном симпозиуме «Проблемы автоматизации в прочностном эксперименте» (г, Новосибирск, 1989 г,), на 2-ой Всесоюзной НТК «Методы и средства, измерений физических величин» (г. Нижний Новгород, 1997 г.), на Международной НТК «Me-тоды и средства преобразования и обработки аналоговой информации» (г. Ульяновск, 1999 г,} , на Международной НТК «Методы и средства измерения в системах контроля и измерения» (г,. Пенза, 1999 г.) , на Международной НТК «Измере-ния 2000» (г. Пенза, 2 0 00 г,) и на НТК профессорско-преподавательского состава Пенз. ГУ в 1981. .,2002 гг.
Актуальность работы подчеркивается тем фактом, что многие научные коллективы, ведущие исследования в данном направлении, оказались за пределами Российской Федерации.
Обзор и анализ устройств измерения параметров емкостных датчиков
Для измерения влажности вещества необходимо поместить в электрическое поле между обкладками ЕД. Для задания воздей ствия определенной интенсивности, формы и частоты повторе ния необходим источник опорного воздействия (ИОВ). Возни кающие между обкладками ЕД электрические токи необходимо выделить, преобразовать в промежуточные активные величины и произвести их дальнейшую обработку по определенным алгоритмам . Достигается это измерительной схемой [ИС) , состоящей из ЕД, опорных элементов (опорных конденсаторов, резисторов или катушек индуктивности) и активных элементов, например, операционных усилителей (ОУ) . Выходное напряжение ИС пред ставляет собой или суперпозицию составляющих, зависящих от значений параметров ЕД и значений опорных величин, или сложную временную зависимость от значений двух или более параметров ЕД и опорных величин.
Задача измерения значений параметров ЕД во многом аналогична измерению значений ПМД, Разработке устройств измерения значений ПМД в последнее время посвящено значительное число диссертационных работ и монографий.
В монографии [ 6] значения ПМД определяются или путем моделирования активными или пассивными элементами аналогов многоэлементного двухполюсника соответствующей структуры с последующим уравновешиванием по каждому из параметров или путем обработки сигналов о переходном процессе в определенным образом синтезированной ИС при воздействии на ее вход импульсным сигналом или использованием алгоритма вы числения коэффициентов иммитанса при последовательном воздействии на ИС синусоидальными сигналами различных частот с последующим решением сложной системы уравнений, В работе [ 28 ] с целью упрощения вычислений модернизируется алгоритм решения системы уравнений путем определения еще одного промежуточного параметра - коэффициента иммитанса.
В работах [29,30,31,32] для определения значений ПМД предлагается использовать мостовые схемы с различными алгоритмами уравновешивания при воздействии на ИС одно- или многочастотными гармоническими сигналами последовательно во времени. Особенностью работ [29,31,32] является использование в плечах мостов и в качестве источников компенсирующего сигнала схем с OY.
Измерительный двухполюсник ИД представляет собой пассивный колебательный контур LCH, параллельно которому включены ЕД со схемой замещения рис. 1.1 и три опорных емкости Сзі С$2 С"зз которые в процессе измерения поочередно трехкратно подключаются переключателем П к ключу К, периодически замыкаемому с частотой С1 и скважностью, равной двум. Б результате такого воздействия на ИД образуется амплитудно-модулированное напряжение, огибающая которого после демодулятора ДМ, фильтра нижних частот ФНЧ и усилителя-ограничителя УО поступает на один из входов фазового детектора ФД, на второй вход которого подается опорное напряжение той же частоты от модулятора М. В зависимости от соотношения фаз напряжений на входах ФД его выходное напряжение управляет работой электронного ключа ЗК, который через интегратор И управляет частотой генератора ГУН. Преобразователь образует замкнутую систему, динамическое равновесие которой соответствует равенству модулей полной проводимости ИД при замкнутом и разомкнутом ключе К.
По достижении напряжением Uнс\ч тРех опорных уровней (У0/71 , иоп2, Uoni формируются три интервала времени Т у, Т2 , 7 з, которые и являются основой для получения системы уравнений. В обоих случаях решение систем уравнений осуществляется с помощью средств вычислительной техники.
Пространственное разделение каналов реализуется и с помощью ИП с весовым суммированием (ВС) [35]. В этом случае ЕД (рис. 1 6) включается на вход ОУ, а опорный конденсатор емкостью CQ - в цепь отрицательной обратной связи.
Обобщая результаты обзора, следует отметить, что ЕД при отсутствии Б нем предварительно накопленной электрической энергии является пассивным элементом электрической цепи. Поэтому информация о значении его параметров может быть получена лишь в ходе активного измерительного эксперимента, когда на исследуемый ЕД, описываемый параметрами П АМ ], оказывается опорное электрическое воздействие Э(р) и анализируется реакция А(/?) измерительной цепи на это воздействие . Здесь: X = {xj - множество информативных параметров ЕД, подлежащих измерению; У ={у} - множество неинформативных параметров ЕД, не подлежащих измерению в данном эксперименте; р - оператор Лапласа или Карсона при записи в операторной форме. Процесс преобразования пассивных параметров nf/ V] в электрический сигнал А{р) осуществляется с участием опорных пассивных цепей П0(р).
Алгоритмы построения преобразователей параметров ЕД
В разделе 2,1L определены возможные конфигурации ИС, в которых выходное напряжение представляет собой сумму автономных составляющих (см, табл. 2.2 и 2,3). Эти составляющие имеют различную информационную значимость во времени, что позволяет использовать в алгоритмах методы селекции во времени [ 45] . Для обеспечения характерного для ЕД очень широкого изменения параметров эквивалентной схемы требуется уменьшение интенсивности входного воздействия, что приводит к снижению чувствительности по параметрам, изменяющимся в узком диапазоне значений (см. табл. 2,4 и 2,5).
Использование компенсационных методов обеспечения инвариантности путем введения ДК позволяет, сохранив все достоинства селективных методов, измерить все параметры ЕД при широком диапазоне их соотношений. В этом случае в процессе преобразования нейтрализуется влияние отдельной автономной составляющей, наличие и изменение которой не позволяет измерить значения остальных параметров из-за выхода ОУ в ИС за преде лыс линейного участка амплитудной характеристики. Остальные составляющие могут быть измерены с использованием селективных методов обеспечения инвариантности , Б работе [37] такие преобразователи называются преобразователями с комбинированными методами обеспечения инвариантности, сочетающими в себе достоинства многоканальных и селективных методов. Компенсирующий сигнал формируется в данном случае набором узлов, объединенных в канал компенсации, который так же выполняет функции анализа и измерения значения компенсируемой автономной составляющей .
В свою очередь, преобразователи с ККиИ по характеру компенсации можно разделить на преобразователи с полной компенсацией автономной составляющей (группа 11) и преобразователи с частичной перекомпенсацией этой составляющей (группаЮ) Преобразователи с частичной перекомпенсацией и дополнительными опорными каналами могут быть построены как релаксационные автогенераторы, параметры которых зависят от измеряемых параметров. Это позволяет устранить некоторые составляющие погрешности, присущие преобразова ітелям с непериодическим воздействием [55] на исследуемую электрическую цепь . В дальнейшем разделение преобразователей параметров ЕД осуществляется по виду преобразования в ККиИ, которое может быть развертывающим (группы 100, 110} или следящим {группы 101 и 111) .
Одним из наиболее оптимальных вариантов решения (2.34) является дифференцирование выходного сигнала ИС, которым устраняется первая неизменная составляющая, а вторая и третья преобразуются, соответственно, в постоянное напряжение пропорциональное параметру П2 и составляющую изменяющуюся по экспоненциально затухающему закону [37]. Продифференцированный сигнал в моменты смены знака напряжения воздействия /0 пропорционален сумме параметров П2 и параметра І74 / а в установившийся момент времени t »C2R2 пропорционален параметру П2 -
Информация о параметре /73 может быть получена путем выделения из продифференцированного сигнала напряжения пропорционального параметру П2г интегрирования полученной экспоненциально-затухающей составляющей и измерения в установившийся момент времени t с помощью УВХ этого напряжения Яз(ф0 ; K%ltK%2,Kfo{teT)=0 (2.37) где К"Пі - коэффициенты передачи по параметрам с учетом операции вычитания и интегрирования,
Таким образом, получен набор необходимых для выделения (се- . лекции) информации операций, составляющих алгоритм преобразования (рис 2.9), основываясь на котором можно построить функциональную схему ИП- К достоинству этого алгоритма следует также отнести то, что с его помощью можно получать информацию о параметрах других объектов, представляемых много элементными двухполюсниками и выходное напряжение ИС которых определяется суммой идентичных составляющих, в частности о параметрах бесконтактного ЕД.
Преобразователи параметров емкостных датчиков с частичной перекомпенсацией в канале компенсации и измерения
Как видно из алгоритмов рис.2.18 и рис-2.19, введение частичной перекомпенсации приводит к схеме ИП, образующего релаксационное устройство, параметры выходных колебаний которого определяются параметрами ЕД. Согласно классификации, приводимой в [ 73], такие ИП относятся к преобразователям с переменным периодом входного воздействия на ИС. Специфика этих ИП состоит в построении ККиИ, Структура преобразований остальных1 параметров ЕД может в принципе повторять структуру предыдущих ИП, на пример, по алгоритмам рисунков 2.9., 2.16 и 2,17, но может и отличаться, реализуя алгоритмы рисунков 2.18 и 2,19.
Обобщенная схема ИП с частичной перекомпенсацией приведена на рис.3.12. В отличие от обобщенной схемы ИП с полной компенсацией управление источником опорного воздействия ИОВ осуществляется не от узла управления УУ, а от компаратора КІ в момент смены знака выходного напряжения ИС. :
Уравнение для определения периода следования импульсов на выходе компаратора КІ запишем, приравняв нулю выходное напряжение ИС. Для обеспечения перекомпенсации выбирают максимальным значение коэффициента к0цАП . Для фиксации момента времени, в который линейно-изменяющаяся составляющая с выхода ККиИ в два раза превышает линейно-изменяющуюся составляющую, определяющую сквозную проводимость ЕД, используется цифровой дискриминатор ЦД. Принцип действия ЦД базируется на выравнивании длительностей информативного интервала времени Atx, косвенно определяющего компенсирующую величину, и опорного интервала времени At$, задаваемого на выходе счетчика СТ, работающего на вычитание. Выделение информативного интервала времени Atx осуществляется с помощью компаратора К2, одновибраторов 0В1 и 0В2 и триггера ТІ _ Выделение опорного интервала времени Д. 0 осуществляется с помощью одновибра тора ОВЗ, вычитающего счетчика СТ, схемы совпадения &3 и триггера Т2. С помощью генератора Г и схем совпадения &1 и &2 интервалы времени преобразуются в число импульсов , воздействующих на суммирующий или вычитающий входы реверсивного счетчика РСТ, управляющего ЦАП,: При равенстве интервалов времени Atx = At$ импульсы на входах реверсивного счетчика отсутствуют, При невыполнении этого равенства появляются импульсы на том или ином входе РСТ. На рис-3.14 представлена схема еще одного ИП развертывающего уравновешивания с частичной перекомпенсацией и с использованием двух счетчиков СТ1 и СТ2 работающих на вычитание. Отличие данного ИП состоит в том, что в счетчике СТ1 происходит вычитание импульсов, частота которых определяется частотой смены полярности сигнала на выходе компаратора К1, то есть в схеме отсутствует дополнительный генератор высокой частоты. Уравнения сигналов на выходе узлов и уравнения преобразования аналогичны рассмотренным выше.
Достоинство развертывающего уравновешивания состоит в обеспечении высокой устойчивости. Недостатком являются значительные погрешности, вызванные возможным изменением значения сквозной проводимости ЕД, которые не отслеживаются при однократном использовании принципов развертывающего уравновешивания. Для устранения этого недостатка был разработан ИП, в котором цикл развертывающего уравновешивания периодически повторяется Структурная схема такого ИП [ 67] приведена на рис. 3.15. На рис. 3.16 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие его работу.
Анализ метрологических характеристик преобразователей параметров емкостных датчиков
Анализ погрешностей проведем с использованием мето дов теории чувствительности [54]/Что позволяет опреде лить знаки и весовые коэффициенты составляющих резуль тирующей погрешности,
В этом выражении г их «R2C2- длительности импульсов входных воздействий малой длительности положительной и отрицательной полярности. Погрешности коэффициента передачи пикового детектора 5КПд , нестабильности опорного напряжения SUQ И опорной емкости SCQ входят в уравнение результирующей погрешности полным весом. Остальные составляющие входят в результирующую погрешность с коэффициентом существенно меньшим единицы.
Результаты расчета погрешностей преобразования значения емкости СІ в зависимости от изменения каждой из составляющих уравнения (4 - 40) представлены максимальными значениями в табл _ 4.2-4,6, Из таблиц следует, что максимальные значения составляющих погрешностей по каждому из параметров не превышает 0,2% для наихудшего соотношения параметров ИП и ЕД.
Практически рассмотренные погрешности преобразования значений емкостей С1 и С2 имеют примерно одинаковые значения. Результаты расчета погрешностей были использованы при выборе элементов и узлов принципиальных электрических схем устройств измерения влажности зерна.
Как известно [79], влажность сыпучих веществ является сравнительно медленно изменяющимся параметром, поэтому быстродействие разработанных преобразователей может быть незначительным, и время первого измерения порядка 10 с в большинстве случаев является приемлемым. Выберем Л0=Д]тіп=2кОж, тогда кщлп min -10" укІЦЛПтах = 2 и для реализации достаточно объема 3-разрядного десятичного счетчика РСТ {JVmax =1000 ) . Определим максимальное число тактов компенсации [56] для равномерного поразрядного уравновешивания: \ 4 4 (4,56 шах КцАПтлп іЦЛПтах J = 4000-4/18 4000. Максимальное время преобразования определим [81] как сумму членов арифметической прогрессии. Для наихудшего соотношения параметров ЕД ( С{ — 1000/?ФТ С2 - ЮОООПФ, RQ = Я1тіп = 2кОм ) при уравновешивании с равномерным шагом, начиная с младшего разряда, максимальное время преобразования равно 160с, (4.57) 9k п«ш=2пЛАС\+С2) \ ЛЩАП mm іЦАП max J что практически неприемлемо. При использовании уравновешивания со взвешенным кодированием, начиная со старшего разряда ЦАП, удается на порядок уменьшить время преобразования. L56 Если используется четырехзлементная эквивалентная схема контактного ЕД, то с помощью унифицирующего преобразователя необходимо сформировать систему четырех уравнений вида: C{=F{[WMuM29„.9Mny C2=F2(WMi,M2 ...Mn\\ R,=F WMiM2 Mn\\ R2=F4(W,MuM2,» Mn\ где: W - измеряемая влажность продукта, МХг1М7-,-—,Мп дестабилизирующие факторы, влияние которых необходимо устранить в процессе измерения Представленная система исходно неразрешима при числе дестабилизирующих факторов YI З г и необходимо отбросить факторы, имеющие существенно меньшие весовые коэффициенты в уравнениях результирующей погрешности. в результате система (4.58) приводится к виду: C2=F2{fV,M],M2,M,)\ / \ г (4.59) RX = F3{W,MX,M2,M.A\ R2=FA{W,Mi,M2 Mi\ В результате проведенных исследований [79], установлено, что 80% вклада всех мешающих факторов связано со структурно-геометрическими параметрами зерна, с которыми связаны электрические параметры С2 и R2 ЕД, характеризующие процессы дипольно-структурной поляризации в зерне.
ККиИ значения сопротивления R1 состоит из компаратора К4, схем совпадения &2, &4 и &5, РСТ2 и РСТЗ, узла задания кода УЗК, ПКН2, генератора Г опорной частоты, узла задания опорного кода УЗОК и триггера Т - Канал преобразования значения емкости С1 состоит из одно-вибратора 0В1, УВХ1 и ПНК1. Канал преобразования значения емкости С2 состоит из формирователя пилообразного напряжения ФПН, весовых сумматоров ВСІ и ВС 2, компараторов КЗ и К5, одновибраторов 0В2 и ОВЗ, УВХ2 и УВХЗ, схем совпадения &1 и &3, РСТ1, ПНКЗ и ПКН1. Канал преобразования значения сопротивления R2 состоит из ВСЗ, компаратора К2 и ПНК2.
