Введение к работе
Актуальность. Современное состояние науки и техники характеризуется широким применением датчиков, одной из составных частей которых является измерительная цепь (ИЦ). Она относится к важнейшим узлам структурной схемы датчика и обеспечивает преобразование выходной пассивной электрической величины параметрического преобразователя (ПП) в активную электрическую величину. Являясь составной частью датчика, ИЦ должна обеспечивать инвариантность результата измерения как к дестабилизирующим факторам, воздействующим на ПП, так и к параметрам необходимых для датчика кабельных соединений (например, емкости кабельной перемычки). Другая особенность измерительной цепи заключается в том, что она должна выполнять преобразования только тех параметров ПП, функциональная связь которых с исследуемым процессом позволит, обработав входные сигналы измерительной цепи, получить выходной сигнал, зависящий только от величины, измеряемой датчиком.
Выходной сигнал измерительных цепей современных емкостных датчиков давления, как правило, пропорционален отношению емкостей опорного и рабочего конденсаторов, поскольку этот параметр наиболее удобен для построения ИЦ, в то время как информативным параметром ПП может быть и относительное изменение емкости рабочего конденсатора. В том случае, когда схема замещения ПП датчика представляет собой иммитанс, измерительная цепь должна обеспечить раздельное измерение его параметров в любом из заданных энергетических режимов независимо от схемы соединения его элементов.
Основным источником возникновения инструментальной погрешности измерительной цепи датчика является неидеальность операционного усилителя, на основе которого или с участием которого пассивные электрические величины (например, рабочая и опорная емкости параметрического преобразователя) или их отношение преобразуются в активную величину. Наибольший вес имеет погрешность, вызванная конечным значением коэффициента усиления усилителя. Наличие емкости кабельной перемычки и изменение коэффициента обратной связи операционного усилителя при изменении измеряемой датчиком величины не позволяют исключить ее известными методами.
Стремление уменьшить погрешность нелинейности и габариты ПП, а также расширить температурный диапазон эксплуатации датчика привело к созданию емкостных параметрических преобразователей с девиацией рабочей емкости, составляющей сотые доли пикофарад. Основные трудности при разработке измерительных цепей таких датчиков связаны с необходимостью обеспечения преобразования малых приращений рабочей емкости на фоне большого значения емкости кабельной перемычки, которое во много раз превышает значение рабочей емкости.
Теоретические основы проведенных исследований базируются на анализе и обобщении научных результатов в области структурных методов повышения точности активных величин, обеспечивающих коррекцию погрешности либо за счет аппаратурной, либо за счет временной избыточности измерения электрических величин. Значительный вклад в теорию и практику измерения пассивных электрических величин внесли работы научных коллективов, руководимых Л. И. Волгиным, Ф. Б. Гриневичем, К. Б. Карандеевым, В. Ю. Кнеллером, Л. Ф. Куликовским, А. И. Мартяшиным, П. В. Новицким, Е. П. Осадчим, П. П. Орнатским, Э. К. Шаховым, Ю. А. Скрипником, Ю. М. Тузом, В. М. Шляндиным, Г. А. Штамбергером и др. Известные методы повышения точности, основанные на временном или пространственном разделении каналов, предназначены для преобразования активных величин. Для функционирования тестовых методов повышения точности необходимо иметь одновременно и аддитивный, и мультипликативный тесты в параметрическом преобразователе, что приведет как к усложнению датчика, так и к уменьшению быстродействия измерительной цепи. Следовательно, проблема создания новых методов и средств преобразования информативных параметров ПП датчиков, обладающих высокой точностью, является актуальной.
Цель работы и задачи исследования. Цель работы состоит в разработке и исследовании методов повышения точности преобразования информативных параметров емкостных и индуктивных ПП.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
– разработка принципа и методов временного разделения каналов преобразования пассивной величины в активную величину, позволяющих исключить погрешность, обусловленную неидеальностью элементной базы и параметрами кабельной перемычки;
– разработка методов пространственного разделения каналов преобразования пассивной величины в активную величину для существенного уменьшения погрешности, вызванной конечным значением коэффициента усиления усилителя;
– разработка метода двойной аддитивной коррекции погрешности преобразования электрической пассивной величины в активную величину с целью обеспечения инвариантности результата преобразования отношения рабочей и опорной емкостей датчика как к коэффициенту усиления усилителя, так и к параметрам кабельной перемычки;
– разработка способов раздельного измерения параметров иммитанса ПП, позволяющих исключить методическую погрешность преобразования информативных параметров датчиков с комплексной схемой замещения параметрического преобразователя;
– разработка моделей температурной погрешности емкостных ПП датчиков и синтез алгоритма коррекции погрешности с целью расширения температурного диапазона работы емкостных датчиков.
Методы исследований. Исследования базируются на дифференциальном и интегральном исчислениях, на классической теории электрических цепей, теории графов, теории чувствительности, теории погрешности, теории функций комплексного переменного и на структурных методах повышения точности измерения активных величин.
Научная новизна.
1. Разработаны теоретические основы повышения точности измерительных цепей емкостных и индуктивных датчиков, обеспечивающие либо исключение, либо существенное уменьшение погрешности преобразования отношения пассивных электрических величин в выходной сигнал ИЦ за счет временной или структурной избыточности.
2. Разработан принцип временного разделения каналов преобразования пассивных величин в активные величины, на основе которого предложены методы временного разделения каналов измерительных цепей емкостных и индуктивных датчиков: метод коммутаций, метод фазового разделения каналов и метод полигармонических тест-сигналов, причем каждый из предложенных методов по сравнению с известными обеспечивает инвариантность как к неидеальности элементной базы, так и к параметрам кабельной перемычки.
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 проектирования 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.
