CC BY
109
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА
УДК 681.586.722
УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ЕМКОСТНОГО ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА
В. А. КАРПОВ, В. А. ХАНАНОВ
Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого», Республика Беларусь
Введение
Емкостные датчики применяются для измерения большого количества разнообразных технологических величин, таких, как перемещение, приближение, влажность, ускорение, уровень жидкости, концентрация газов и др. [1], [2]. В зависимости от измеряемого параметра меняется конструктивное исполнение емкостных чувствительных элементов, что вызывает необходимость разрабатывать отдельный измерительный преобразователь [3]. В данной работе предложен метод построения универсального измерительного преобразователя для дифференциальных емкостных чувствительных элементов.
Универсальная схема для дифференциального емкостного чувствительного
Предложенная схема основана на структуре «интегратор-дифференциатор», представленной в [4], которая обладает следующими преимуществами:
- ЕЧЭ включается в схему потенциально токовым методом, что позволяет устранить влияние паразитных емкостей на результат измерения [5];
- гибкая структура «интегратор-дифференциатор» позволяет реализовать различные алгоритмы преобразования для дифференциальных емкостных чувствительных элементов (ЕЧЭ), например [6]:
- предлагаемая структура позволяет подключать дополнительные блоки, например, термозависимый конденсатор для корректировки погрешности, вызванной различной температурой плеч ЕЧЭ или их различными температурными коэффициентами.
Алгоритм преобразования (1) применяется для преобразования емкостей полу-дифференциальных (квазидифференциальных) датчиков. В таких чувствительных элементах только одна из емкостей ^ (х) или ^ (х) зависит от измеряемой величины, в то время как вторая емкость предназначена для осуществления логометриче-
элемента
(1)
(2)
= д( *) - ^( *).
у( ) од+од;
(3)
ской коррекции влияния дестабилизирующих факторов (температурного расширения электродов, влияния влажности воздуха и т. п.) Например, пусть имеется плоскопараллельный ЕЧЭ (рис. 1) с переменным расстоянием d между пластинами, где электроды 1 и 2 образуют переменный конденсатор С1 (х), а электроды 2 и 3 - опорный конденсатор С2.
к измерительной схеме
__________£_ / Р
2
1
Рис. 1. Плоскопараллельный квазидифференциальный ЕЧЭ
Обозначим аддитивную температурную погрешность у,, а уъ - аддитивную погрешность, вызванную изменением влажности воздуха. Так как электроды ЕЧЭ расположены в одном корпусе, внешние факторы оказывают на них одинаковое воздействие. Применим преобразование (1) к ЕЧЭ (рис. 1):
880£
С2(1 + У,)(1 + У к) = ^ = d (х)
сі( х)(1 + У( )(1 + У к) єєо£ do
d ( х)
Принимая за искомую величину отношение ивых = d(х)/ d0 = х, получим результат, не зависящий от влияния условий внешней среды.
В ряде случаев, из-за конструктивных особенностей ЕЧЭ применяют алгоритм (2) [7]. Он осуществляет логометрическую коррекцию аналогично алгоритму (1).
Алгоритм преобразования (3) используется в полностью дифференциальных емкостных датчиках для получения ратиометрического выходного сигнала. Как было показано в [4], применение выражения (3) также позволяет осуществить логометрическую коррекцию погрешностей, вызванных действием окружающей среды.
На рис. 2 представлена схема универсального измерительного преобразователя (ИП) для дифференциального ЕЧЭ, где Г, Инв., И и Д - соответственно генератор, инвертор, интегратор и дифференциатор переменного напряжения. В предложенном ИП реализуемый алгоритм задается путем замыкания/размыкания перемычек П1 и П2.
Рис. 2. Функциональная схема универсального ИП для дифференциального ЕЧЭ
При размыкании перемычек П1 и П2 преобразователь представляет собой каскадное соединение интегратора и дифференциатора. Определим выходное напряжение ивых данной схемы, для этого запишем следующие выражения в операторном виде:
1 Я:
и1(р) = ~Е (р)^гг; (4)
ивых( Р) = -U1(P)PC2R2. (5)
Подставим (4) в (5) и получим:
и-< р)=Е (р) РсА=Е (р) А !■
где R2 /R = К - коэффициент усиления преобразователя.
Таким образом, данная схема реализует алгоритм (1).
Вычислим выходное напряжение схемы, образованной при замыкании перемычки П1. Выражение (5) преобразуется следующим образом:
ивых(Р) = -и,(Р)рсгА - Е(р) Ъ-.
R4
Подставим выражение (4) в полученное уравнение, при этом примем А1 = А4 : ивых (Р) = Е (р)( ^ - £) = Е (р) • ^ С -1),
С1А1 А4 С1
где ^ /Я1 = К - коэффициент усиления преобразователя. Таким образом, данная схема реализует алгоритм (2).
Вычислим выходное напряжение схемы при замкнутых перемычках П1 и П2 [4]:
Данное выражение соответствует алгоритму (3). Таким образом, с помощью введения в структуру различных обратных связей, можно получить любую требуемую функцию преобразования.
Коррекция температурной погрешности
Если конденсаторы C1 и С2 подвержены одинаковым внешним воздействиям (что обеспечивается расположением емкостей ЕЧЭ в одном корпусе), то применение алгоритмов преобразования (1)-(3) позволяет осуществить логометрическую коррекцию температурной погрешности благодаря равенству температурных коэффициентов емкостей чувствительного элемента. В ряде случаев такая коррекция невозможна [8]:
- при температуре ЕЧЭ свыше 200 °С;
- при разных температурных коэффициентах;
-при различной температуре емкостей C1 и C2.
Для осуществления такой коррекции необходимо к выходному сигналу добавлять выходное термозависимое корректирующее воздействие. Оптимально с этой целью использовать дополнительный термозависимый конденсатор. Схема замещения дифференциального ЕЧЭ с термозависимым конденсатором представлена на рис. 3, а.
Использование общего провода упрощает кабель, но приводит к усложнению измерительной схемы.
Для осуществления наиболее распространенного алгоритма коррекции температуры (1) выходная функция преобразователя должна иметь следующий вид:
Выразим ивых(р)и U1(р)из уравнений:
Выходное напряжение при R2 = R4 и R2 = R3 равно:
ивых( Р) = E (Р)
R2 C1 ~ C2 R1 C1 + C2
(6)
где а и р - коэффициенты передач, предназначенные для настройки блока коррекции.
а)
б)
Рис. 3. Коррекция температурной погрешности: а - схема замещения дифференциального ЕЧЭ с термозависимым конденсатором; б - структурная схема ИП с коррекцией температурной погрешности
На рис. 3, б изображена структурная схема ИП с коррекцией температурной погрешности, построенной на структуре «интегратор-дифференциатор», где Т - блок температурной погрешности. Коррекция погрешности осуществляется по мгновенным значениям в цепи переменного тока, что позволяет добиться высокого быстродействия, а включение всех емкостей потенциально токовым методом позволяет устранить влияние паразитной емкости соединительного кабеля.
Выходная функция ИП, представленного на рис. 3, б, при А = Я2 = Я3 = Я имеет следующий вид:
ивых( Р) = Е (Р)
С -—С
С -—С 1 т? г
Яг 2
Настройка блока коррекции осуществляется путем изменения сопротивлений Яг1 и — 2.
Испытания опытного образца
Для проверки метрологических характеристик предложенного ИП был реализован макет (рис. 1). В качестве опытной установки использовались микросхемы ТЬ071АС, в качестве сопротивлений - резисторы типа С2-29В с допуском 0,1 %. Для имитации ЕЧЭ использовались два образцовых конденсатора типа Р554 с начальной емкостью 20 пФ и дополнительной 0.. .60 пФ с точностью установки электрической емкости 0,5 %. В качестве генератора использовался генератор синусоидальной формы Г3-118. Амплитуда колебаний - 1 В. Рабочая частота выбиралась из условия равенства модулей сопротивлений резистора Я1 и емкости С :
ш =
При выборе сопротивления R = R2 = R3 = R4 = 100 кОм и начальном значении C1 = 20 пФ рабочая частота устанавливалась равной 80 кГц.
Значения напряжений измерялись вольтметром В7-38 (класс точности -0,5 %). Значения емкостей C1 и С2задавались в интервале 20...80 пФ. В результате эксперимента выяснилось, что относительная погрешность не превышала 1 %, что находится на уровне используемых метрологических средств измерений. ИП чувствителен к изменению емкости ЕЧЭ от 0,1 до 300 пФ, что позволяет его применять для широкого круга промышленных задач.
В работе [9] рассматривался ИП, в котором E(р) представлял собой сигнал прямоугольной формы. Преобразователь продемонстрировал достаточную точность преобразования (погрешность не превышала величины 5 % на всем температурном диапазоне и была вызвана температурным дрейфом генератора) и возможность его сопряжения с управляющей микропроцессорной системой. Возможность работы с сигналом генератора прямоугольной формы позволяет интегрировать предложенную структуру в состав интеллектуальных датчиков, основанных на однокристальных микроконтроллерах.
Заключение
В ходе проделанной работы был разработан универсальный измерительный преобразователь для дифференциального емкостного чувствительного элемента. Предложенная схема отличается от существующих решений простотой реализации основных алгоритмов преобразования. Исследования опытного образца показали, что относительная погрешность измерений не превышает 1 %.
Литература
1. Сысоева, С. Н. Автомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы / С. Н. Сысоева // Компоненты и технологии. - 2006. - № 4. -С. 16-30.
2. Фрайден, Дж. Современные датчики : справочник / Дж. Фрайден. - М. : Техносфера, 2005. - 592 с.
3. Baxter, Larry K. Capacitive Sensors: Design and Applications / Larry K. Baxter. - IEEE Pres., 1997.
4. Карпов, В. А. Измерительный преобразователь для дифференциального емкостного чувствительного элемента с ратиометрическим выходным сигналом / В. А. Карпов, В. А. Хананов // Вестн. Гомел. гос. ун-та им. П. О. Сухого. - 2013.- № 3. -С. 58-63.
5. Гриневич, Ф. Б. Измерительные компенсационно-мостовые устройства с емкостными датчиками / Ф. Б. Гриневич, А. И. Новик. - Киев : Наук. думка, 1987. - 112 с.
6. Кудряшов, Э. А. Сравнительный анализ алгоритмов работы емкостных преобразователей / Э. А. Кудряшов // Датчики и системы. - 2001. - № 7. - С. 10-15.
7. Арбузов, В. П. Бесконтактный датчик толщины диэлектрических материалов / В. П. Арбузов // Датчики и системы. - 2013. - № 1.- С. 44-46.
8. Арбузов, В. П. Коррекция температурной погрешности емкостных измерительных цепей / В. П. Арбузов // Датчики и системы. - 2007. - № 4. - С. 39-42.
9. Хананов, В. А. Емкостной датчик уровня солевого раствора / В. А. Карпов, В. А. Хананов // Электроника инфо. - 2013. - № 10. - С. 47-50.
Получено 29.10.2013 г.
