CC BY
7
УДК 621.317.733
ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ
С. Е. Ларкин
Пензенский государственный университет, Пенза, Россия
eltech@pnzgu.ru
Аннотация. Использование параметрических датчиков для преобразования физических величин требует разработки измерительных цепей, основным элементом которых является преобразователь пассивных параметров параметрических датчиков в активный сигнал. Возникающая при этом погрешность требует разработки новых способов повышения точности преобразования. Разработанный способ повышения точности преобразования информативного параметра емкостного датчика позволяет скорректировать погрешность от комплексного значения коэффициента усиления, используемого для преобразования пассивной величины в активный операционный усилитель.
Ключевые слова: параметрический датчик, информативный параметр, погрешность преобразования, комплексный коэффициент усиления, способ повышения точности
Для цитирования: Ларкин С. Е. Повышение точности преобразования параметров параметрических датчиков // Вестник Пензенского государственного университета. 2023. № 3. С. 89-94.
Параметрические датчики нашли широкое применение для преобразования физических величин в электрические сигналы. Они применяются в разных отраслях, таких как автоматизированные системы управления производством, медицинская техника, аэрокосмическая промышленность, автомобильное производство и т.д. Преимуществом параметрических датчиков являются их высокая точность и надежность при измерении, а также возможность использования в разных условиях.
Параметрические датчики могут работать на основе разных физических явлений, таких как изменение сопротивления, емкости, индуктивности. Как правило, внутри корпуса датчика изготавливают рабочий (Ях, Сх, Ьх) и опорный (Я0, С0, 10) элементы, что позволяет осуществлять логометрическую коррекцию погрешности показаний при деформации датчика вследствие воздействия температуры. Схемы замещения параметрических датчиков приведены на рис. 1.
К Ко Сх с0 4 А
Рис. 1. Схемы замещения параметрических датчиков
Для преобразования пассивных параметров в активный сигнал датчики подключают к активному преобразователю, в качестве которого в большинстве случаев выступает
© Ларкин С. Е., 2023
операционный усилитель (ОУ). Для получения линейной зависимости активного сигнала от физической величины необходимо преобразовывать информативные параметры, ко-
АС, АС, .
торые для емкостных датчиков имеют вид —- или —-. Аналогичные выражения могут
С0 Сх
быть записаны для потенциометрических и индуктивных датчиков.
При преобразовании пассивных величин в активные возникает погрешность вследствие неидеальности используемого ОУ. Разработчики измерительных цепей прикладывают немалые усилия для снижения указанной погрешности. В ряде случаев для повышения точности преобразования информативного параметра осуществляют два последовательных такта измерения [1]. Так, при использовании емкостного датчика в первом такте ко входу ОУ подключена опорная емкость, на которую подается синусоидальное напряжение и выходное напряжение усилителя пропорционально опорной емкости. Во втором такте ко входу усилителя подключается так же измеряемая емкость, на которую подается противофазное синусоидальное напряжение. Второе напряжение с выхода ОУ зависит от разности между измеряемой и опорной емкостями датчика. Повышение точности преобразования информативного параметра достигается путем лого-метрической коррекции от деления данных напряжений. Вместе с тем указанный подход не позволяет существенно снизить погрешность, так как при ее оценке исходили из предположения о том, что коэффициент усиления ОУ является действительной величиной. На самом деле коэффициент усиления является комплексной величиной, о чем будет сказано ниже, что не позволило осуществить коррекцию погрешности преобразования информативного параметра датчика в полной мере.
Одни из наиболее ощутимых эффектов по повышению точности привносит использование фазового разделения каналов в пределах периода несущей частоты. В этом случае напряжения на опорный и рабочий элементы датчика подаются сдвинутыми относительно друг друга на некоторый угол. Наличие второго канала передачи позволяет получить дополнительную информацию о параметрах тракта передачи информации, что позволяет использовать ее в дальнейшем для повышения точности преобразования. Так, в преобразователе емкости датчика в частоту в основном используются напряжения, сдвинутые относительно друг друга на 90° [2]. Использование синфазного и квадратурного фазочувствительных выпрямителей позволяет выделить действительную и мнимую части выходного напряжения усилителя, а схема сравнения изменяет частоту генератора до тех пор, пока эти составляющие не станут равны. Значение частоты с выхода генератора зависит от рабочей и опорной емкостей датчика. Как уже было сказано, недостатком существующих подходов является предположение о том, что коэффициент усиления ОУ является чисто действительной величиной. В данном случае это так же не позволило существенно снизить погрешность преобразования информативного параметра датчика.
Как известно, в активной полосе частот, начиная с частоты Д в несколько десятков герц и вплоть до частоты единичного усиления /и, как показано на рис. 2, логарифмическая амплитудно-частотная характеристика операционного усилителя имеет спад -20 дБ/дек, а следовательно, коэффициент усиления является чисто мнимой величиной и рассчитывается из выражения
Ку = ^. (1)
Модуль коэффициента усиления равен
и —
Ку = р
здесь Д - рабочая частота.
операционного усилителя
Задачей является разработка такого способа повышения точности преобразования информативного параметра датчика, который учитывает комплексное значение коэффициента усиления ОУ. Кроме того, предпочтительно использовать цепь прямого преобразования как имеющую высокое быстродействие и отсутствие необходимости расчета обеспечения устойчивости в случае возникновения положительной обратной связи. После проведенного анализа существующих решений в этой области и учитывая тот факт, что для коррекции погрешности предпочтительно использовать современные средства вычислительной техники, была предложена измерительная цепь емкостного датчика на основе микроконтроллера (МК), приведенная на рис. 3, на котором использованы следующие обозначения: БФН - блок формирования напряжений; У - усилитель; Сх и С0 - рабочая и опорная емкости датчика; Я - сопротивление обратной связи усилителя.
Для получения информативного параметра вида или достаточно обеспе-
С0 Сх
С
чить преобразование отношения напряжения вида —. Дальнейшие арифметические
С0
преобразования будет осуществлять микроконтроллер.
Рис. 3. Измерительная цепь емкостного датчика
При практической реализации способа повышения точности предложено измерение выходных напряжений усилителя осуществлять с помощью встроенных аналого-цифровых преобразователей АШо и АШ1. При этом микроконтроллер управляет всеми режимами работы: процессом формирования двух синусоидальных напряжений и их переключением; определением моментов времени измерения напряжений, а также расчетом отношения емкостей датчика по заданному алгоритму.
Рассмотрим реализацию способа. Прежде всего, МК обеспечивает формирование на выходе БФН двух комплексных напряжений и01 и и02 на Сх и С0 соответственно:
и = Ще^; и= и0е^+90) =шп , —01 0 ' —02 0 ^01'
где и0 - амплитуда напряжений и01 и и02.
При формировании указанных напряжений осуществляется фазовое управление по шине изменением напряжений на выходе БФН. Выходное напряжение усилителя может быть найдено из системы уравнений
фа + ]шС0 +-$) = =Ц[ + и01 ]^СХ + и02 ¿ш^
иу (2)
Фб-Фа=1Г. — —
Подставим второе уравнение системы (2) в первое и учтем, что фб = 0, а коэффициент усиления имеет комплексное значение согласно уравнению (1):
иу(а-]в) =-%г С0 + и02 Сх,
где
1
а =
в = ^£ + ^0__
Н Ку Ку шЯ
После преобразования выходное напряжение усилителя может быть найдено из выражения
Ну =Н01 Сх(А + }В) + } и01 С0(А + }В),
„ И 1-. в
здесь А = ; В =
а2+в2 а2+в2 Проведем перегруппировку слагаемых
иу = Ще]ш(СхА - С0В) + ]и0е^(СхВ + С0А).
Микроконтроллер производит измерение выходных напряжений усилителя в два
т
момента времени: при Ь = 0 и £ = -. При этом в первом случае выделяется сумма мнимой составляющей выходного напряжения, пропорциональной ^ , и действительной составляющей, пропорциональной и , как показано на рис. 4,а. Выходное напряжение, фиксируемое МК, равно
Щ = и0 (СХВ + С0А).
и0спв
и()с{)в
I (Л
+ ->
а)
б)
Рис. 4. Векторная диаграмма напряжений с выхода усилителя: а - при £ = 0; б - при £ = Т
т
Второй раз микроконтроллер фиксирует напряжение в момент времени £ = -. В этом случае складываются действительная составляющая выходного напряжения, про-
порциональная и , на рис. 4,б:
и мнимая составляющая, пропорциональная и , как показано
и2 = ио(СхА - СоВ).
После этого производится переключение подаваемых напряжений и на Сх будет подаваться и02, а на С0 - и01. Выходное напряжение усилителя будет равно
иу = Ще&КСоА - СхВ) + ¡Ще^СоВ + СхА).
Производится повторное измерение выходных напряжений при Ь = 0 и ^ = Анализ векторной диаграммы на рис. 4 показывает, что для данного случая выходные напряжения равны
и = и (СоВ + СхА), и4 = ио(СоА - СхВ).
Числовое значение отношения емкостей датчика МВых, которое высчитывает контроллер, может быть получено из анализа выражений и1 - и4, откуда
Сх и2 + и
С
и1 + и4
Итак, проведенный анализ показал, что можно предложить способ повышения точности преобразования информативного параметра емкостного датчика, заключающийся в формировании двух синусоидальных напряжений на рабочей и опорной емкостях датчика, сдвинутых относительно друг друга на 90°, измерении двух выходных
т
напряжений усилителя в моменты времени Ь = 0 и £ = -, причем такие измерения проводятся дважды с переключением входных напряжений, а числовое значение отношения емкостей определяется по результатам полученных напряжений.
Список литературы
1. Патент № 1822986 Российская Федерация, кл. О 01 Я 27/26. Преобразователь информативного параметра емкостного датчика / Арбузов В. П., Ларкин С. Е., Маланьин В. П.; опубл. 23.06.1993, Бюл. № 23.
2. Патент № 1827647 Российская Федерация, кл. О 01 Я 27/26. Преобразователь емкости датчика в частоту / Арбузов В. П., Ларкин С. Е., Маланин В. П., Лебедев Д. В.; опубл. 15.07.1993, Бюл. № 26.
3. Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы : пер. с англ. М. : Мир, 1988. 583 с.
Информация об авторе
Ларкин Сергей Евгеньевич, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Электроэнергетика и электротехника», Пензенский государственный университет.
Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.
