CC BY
93
УДК 621.317.33
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ БЕСКОНТАКТНЫХ ЕМКОСТНЫХ ДАТЧИКОВ ДЛЯ КОНДУКТОДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
© 2016 А.В. Грачев, П.П. Чураков
Пензенский государственный университет
Статья поступила в редакцию 15.04.2016
В статье рассматривается преобразователь параметров четырехэлементной электрической схемы замещения бесконтактного емкостного датчика для кондуктодиэлькометрических измерений неэлектрических величин. Представлены уравнения преобразования по каждому из параметров и рекомендации по практической реализации. Достоинствами преобразователя являются широкие функциональные возможности и коррекция дополнительных погрешностей. Ключевые слова: бесконтактный емкостной датчик, кондуктодиэлькометрические измерения, функциональные возможности и погрешности преобразования, параметры эквивалентной электрической схемы замещения.
Емкостные кондукто- и диэлькометрические датчики широко используются [1,2,3,4] для измерения влажности сыпучих и твердых веществ, для анализа состава жидкостей при контроле сточных вод, определении концентрации растворов и качества жидкого топлива и нефти, а так же при проведении ряда медико-биологических исследований. Среди таких датчиков лучшими характеристиками обладают бесконтактные емкостные датчики (БЕД), в которых отсутствует непосредственный контакт обкладок конденсатора БЕД с веществом, параметры которого измеряются. Первичными информативными параметрами БЕД могут являться изменение активного сопротивления (удельной проводимости)- кондуктометрические датчики и измерения или изменение электрической емкости (диэлектрическая проницаемость)- диэлькометрические датчики и измерения. Методы построения и области применения емкостных датчиков весьма разнообразны [5,6,7,8,9].
Точность измерительных устройств с емкостными датчиками во многом определяется адекватностью используемой электрической схемы замещения БЕД, как источника первичной информации. По этой причине в настоящее время при построении унифицирующих преобразователей параметров емкостных датчиков используют методы измерения параметров многоэлемент-
Чураков Петр Павлович доктор технических наук, профессор кафедры «Информационно-измерительная техника и метрология», руководитель регионального учебного «Центра технологий National Instruments», член диссертационных советов при Пензенском государственном университете и Воронежском государственном техническом университете; член экспертного совета ВАК РФ по электронике, измерительной технике, радиотехнике и связи. E-mail: [email protected] Грачев Андрей Владимирович начальник отдела технических средств обучения. E-mail:[email protected]
ных электрических цепей. Среди этих методов следует выделить инвариантные методы [10,11] с использованием активных измерительных цепей и импульсных опорных воздействий, эквивалентных многочастотному воздействию.
На рис. 1 приведена функциональная схема преобразователя [12] параметров БЕД в напряжение с использованием комбинированного метода обеспечения инвариантности [13] с временным и пространственным разделением каналов обработки сигналов. Преобразователь содержит: узел управления УУ, формирователь опорного напряжения ФОН, бесконтактный емкостной датчик БЕД, операционный ОУ и вычитающий ВУ усилители, масштабирующий преобразователь МП, первый ОК1 и второй ОК2 опорные конденсаторы, три узла выборки и хранения (УВХ1, УВХ2, УВХ3, четыре логометрических преобразователя (ЛП1, ЛП2, ЛП3, ЛП4), дифференциатор Д с переменными параметрами, компаратор напряжений КН, элемент задаержки ЭЗ, одновибратор ОВ и три выпрямителя (В1, В2, В3).
Бесконтактный емкостной датчик БЕД характеризуется эквивалентной электрической схемой замещения со следующими параметрами: С1 - емкость, обусловленная диэлектрическими свойствами изоляции электродов; R1 - активное электрическое сопротивление раствора или вещества, находящегося между электродами датчика; С2 - емкость, обусловленная полярными свойствами этого раствора или вещества; С3 -«геометрическая» емкость между электродами незаполненного датчика, определяемая конструкцией, размерами датчика и дополнительной емкостью соединительного кабеля в режиме телеизмерений.
На первом этапе при незагруженном датчике осуществляется компенсация влияния «геометрической» емкости С3 БЕД. При этом по сигналу
Рис. 1. Функциональная схема преобразователя параметров БЕД в напряжение
с КН осуществляется регулирование коэффициента передачи МП до момента получения на выходе ОУ весьма малого скомпенсированного сигнала, определяемого порогом срабатывания КН, который работает при наличии разрешающего сигнала на втором выходе УУ. Данный процесс описывается следующими сигналами (напряжениями) на выходе узлов преобразователя.
На выходе ФОН формируется последовательность прямоугольных импульсов типа «меандр» стабильной амплитуды:
(1)
иф0Н (t) = ±Eo.
На выходе ОУ имеем:
Uoy (t < ti ) = ±E0 [CjC0
kMn
( n ) CO / Co ]
где C0 и C0 - значения емкости первого ОК1 и второго оК2 опорных конденсаторов. Обычно
берется C0 = C0, далее обозначим C0 ; кМП (n) -коэффициент передачи МП, где n - номер такта компенсации.
После компенсации Uoy (t = tl) = 0, КН отключается и kMn(n) = /C0. Напряжение на выходе МП определяет значение «геометрической» емкости
C3 UМП = ± E0 Cll C0 .
Затем БЕД загружается исследуемым раствором или веществом и начинается процесс определения информативных параметров, который описывается следующими уравнениями.
Напряжение на выходе ОУ для каждого из полупериодов опорного воздействия имеет вид:
,-t/R. (C +с2)
Uоу (t > ti ) = ±E0
CC
12
C0 (C+C2)
+ C (i - е
C
-t/R^C +C2
(3)
Перепад напряжений на выходе ОУ в момент смены знака опорного сигнала фиксируется вторым УВХ 2:
UyBX 2 (t > t) = ± E0 Cf2/ C0 (C + C2). (4) иД(t >11 +) = ±ET R tC +C)'e
Первое устройство выборки и хранения УВХ1 фиксирует значение выходного напряжения ОУ в конце каждого полупериода о, 5Т входного воздействия, которое определяется емкостью С1, обусловленной диэлектрическими свойствами изоляции:
иувх 1 (Х > Хх ) = ±Ео С ¡Со . (5)
Необходимая временная задержка обеспечивается ЭЗ :
Х3 = 0,5Т > ^ (С + С2 )тах . (6)
Период входного воздействия выбирается из условия Т > 12Я1 (С1 + С2). Это необходимо для практического завершения переходных процессов в каждом из полупериодов входного воздействия.
На выходе первого ЛП1 имеем:
иЛП1 (Х > Х1 ) = иУВХ 1 (Х > Х1 )/иУВХ2 (Х > Х1 ) , т.о.
илт (Х > Х1) = ±Ео (С1 + С2 )/С2 = ± Ео (1 + Сх/ С2). (7)
На выходе ВУ получаем напряжение, определяемое отношением емкостей С1 и С2.
иВУ (Х > Х1 ) = иЛП3 (Х > Х1 ) - иФОН (Х) , т.о.
иву (Х > Х1 ) = ±Ео Сх/С2. (8)
Для определения значения емкости С2, обусловленной полярными свойствами исследуемого раствора или вещества используется второй логарифмический преобразователь ЛП 2:
иЛП2 (Х > Х1 ) = иУВХ 1 (Х > Х1 )/иву (Х > Х1 ) ,
илт2 (Х > Х1 ) = ±Ео С2/С0 . (9)
Наиболее сложным является определение значения активного сопротивления R1. Для решения этой задачи в схему введен Д, в котором на время импульса с выхода ОВ реализуется нулевой коэффициент передачи. В результате на выходе Д получаем:
........ ', (10)
fR, (С, +С2)
где т Д - постоянная времени Д.
На выходе третьего УВХ 3 получаем:
иУВХ 3 ( > ) = ±Е0ТД С/СоR ( +C2)
На выходе третьего ЛП 3 имеем сигнал, равный отношению напряжений на выходах второго УВХ 2 и третьего УВХ 3:
UЛП3 (t > tl ) = UYBX2 (t > tl )/ишх3 (t > tl ) ,
иЛп3 (t > t ) = ±E rc2/t д . (12)
На выходе четвертого ЛП 4 получаем сигнал, равный отношению напряжений на выходах ЛП2 и ЛП3, определяющий значение активного сопротивления R1:
UЛП4 (t > tl ) = UЛП3 (t > tl )/UЛП2 (t > tl ) ,
илП4 (t > t ) = ±E RC0/t д . (13)
Сигналы с выходов УВХ1, ЛП2 и ЛП4 поступают на входы прецизионных выпрямителей В1, В2 и В3 соответственно, а затем на входы аналого-цифровых преобразователей.
Одновибратор, элемент задержки, дифференциатор, узлы выборки и хранения, прецизионные выпрямители выполнены по типовым схемам на дифференциальных усилителях 140УД20, логометрические преобразователи - на микросхемах аналоговых перемножителей сигналов типа 525ПС3, включенных в режиме деления напряжений. Это обеспечивает требуемую точность преобразования и быстродействие при сравнительно простой реализации.
Экспериментальные исследования проводились с использованием двухпараметрового цифрового влагомера зерна, разработанного в Пензенском государственном университете, который был предварительно аттестован по образцовой установке определения влажности зерна УВТ-1 [11].
Несомненным достоинством рассмотренного унифицирующего преобразователя являются широкие функциональные возможности. Как показано в работах [14,15] для измерения влажности в широких диапазонах на сортирующих линиях осуществляется предварительный контроль процесса сушки в диапазоне до 15% и выше. Контроль влажности в процессе окончательной сушки осуществляется с помощью диэлькоме-трического преобразователя. В рассматриваемом случае можно обойтись одним преобразователем. На первом этапе используется информация о сопротивлении R1 (выход выпрямителя В3), на втором- информация о емкости С2 (выпрямитель В2). Перспективной так же является возможность уменьшения дополнительных (температурных) погрешностей путем использования избыточной информации об изменении неинформативных в данном опыте параметрах датчика- коррекция погрешности инвариантности устройств измерения неэлектрических величин.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мамикоян Б.М., Авитесян А.Р. Методы и средства измерения влажности древесины / Мамикоян Б.М., // Вестник гос. Инженерного ун-та Армении. Серия «Электротехника и энергетика». - Ереван, 2012. Вып. №2 (15). С. 9-27.
2. Берлинер М.А. Измерение влажности. М.: Энергия , 1973. 400 с.
3. Измерения в промышленности: Справ. изд. в 3-х кн. Кн.3. Способы измерения и аппаратура: Пер с нем. [под ред. Профоса П.]. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1990. 344 с.
4. Савосин С.И. Автоматизация контроля влажности зерна и воздуха при его хранении. / Савосин С.И., Солдатов В.В // Вестник ФГОУ ВПО «МАГУ им. В.П. Горячкина». Агроинженерия. 2008. Вып. №3 (28). С. 28-30.
5. Шведов С.Н. Метод и средства двухпараметрового контроля влажности материалов: автореф. дис. ... канд. техн. наук. 05.11.13. Орел: Орловский ГТУ, 2010. 18 с.
6. Савосин С.И. Интеллектуальная система контроля влажности и температуры воздуха в теплице: автореф. дис. ... канд. техн. наук. 05.13.06. Москва: РГАЗУ, 2010. 18 с.
7. Мишков М.Ю. Разработка диэлькометрических измерительных преобразователей для систем экологического мониторинга пресноводных сред: автореф. дис. ... канд. техн. наук. 05.11.13. Ижевск: ИПМ УрОРАН, 2009. 24 с.
8. Подкин Ю. Г. Теоретические основы диэлькоме-трического контроля неравновесных дисперсных систем. М.: Научтехлитиздат, 2003 . 158 с.
9. Емкостные датчики и лабораторные влагомеры зерна и зернопродуктов / Джапаридзе Т.Д., Ша-ламберидзе Э.Д., Месхидзе Р.Н. и др. М.: ЦНИИТЭИ ВНПО «Зернопродукт». Серия: Элеваторная промышленность. 1990. 36 с.
10. Основы инвариантного преобразования параметров электрических цепей/ А.И. Мартяшин, К.Л. Куликовский, С.К. Куроедов, Л.В. Орлова [под ред. А.И. Мартяшина]. М.: Энергоатомиздат, 1990. 216 с.
11. Машошин П.В. Преобразователи параметров емкостных датчиков для измерения влажности сыпучих веществ: автореф. дис. ... канд. техн. наук. 05.11.01. Пенза: ПензГУ, 2003. 21 с.
12. Патент РФ №2483313, 27.05.2013.
13. Чураков П.П., Свистунов Б.Л. Измерители параметров катушек индуктивности. Пенза: изд-во ПензГУ, 1998. 180 с.
14. Леонов Л.В., Чубаров Е.П., Савосин С.И. Комбинирование кондуктометрического и диэлькометри-ческого методов измерения влажности древесных материалов // Лесной вестник. М.: из-во МГУЛ, 2000. №4. С.109-112.
15. Савосин С.И. Новые возможности кондуктометри-ческого метода контроля влажности древесных материалов // Датчики и системы. 2005. №10.
С.44-46. мещения параметрического преобразователя //
16. Арбузов В.П. Квазиуравновешенные измеритель- Известия высших учебных заведений. Поволжский
ные цепи датчиков с комплексной схемой за- регион. Технические науки. 2006. № 6. С. 253-262.
THE TRANSMITTER PARAMETERS OF CONTACTLESS CAPACITIVE SENSORS INTENDED FOR CONDUCT-DIELCOMETRIC MEASUREMENTS
© 2016 A.V. Grachev, P.P. Churakov
Penza State University
Four-element electrical equivalent circuit of a contactless capacitive sensor transmitter parameters for conduct-dielcometric measurement of non-electrical quantities are consider in this article. The transformation equations for each of parameters and recommendations about practical implementation are present. Advantages of the Converter are wide functionality and correction of additional errors. Keywords: contactless capacitor sensor, conduct-dielcometric measurements, functionality and error of transformation, parameters of equivalent electrical replacement circuit.
Petr Churakov, Doctor of Technical Sciences, Professor at the "Information and Measuring Equipment and Metrology Department, the Head of a Regional Training «National Instruments Technology Center", a Member of Dissertation Councils at the Penza State University and Voronezh State Technical University; Member of the Expert Council of Russian Federation VAK on Electronics, Measurement Technology, Radio Engineering and Communications. E-mail: [email protected]
Andrey Grachev, Head of Technical Means Education Department. E-mail: [email protected]
