CC BY
75
УДК 621.317.7
А.А. Шевченко, А.А. Львов, В.В. Гуреев, В.А. Пыльский
ПРИМЕНЕНИЕ ФОРМИРОВАТЕЛЯ СИГНАЛА ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ
ДАТЧИКОВ «ТОКОВАЯ ПЕТЛЯ» ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
Описан метод измерения температуры с помощью резистивных датчиков, свободный от ошибок измерений, связанных с влиянием факторов окружающей среды, механических воздействий и естественного «старения» компонентов измерителя.
Токовая петля, датчик, аналого-цифровой преобразователь, мультиплексор
A.A. Shevchenko, A.A. Lvov, V.V. Gureev, V.A. Pylskiy
APPLICATION OF THE SIGNAL CONDITIONER "CURRENT LOOP" FOR TEMPERATURE MEASUREMENTS
The temperature measurement methodfree of uncertainties caused by the environment influence, mechanical effects as well as natural deterioration of components is described.
Current loop, transducer, analog-to-digital converter, multiplexer
Топология линейной петлевой схемы обработки сигналов с параметрических датчиков описана в [1]. Целью этой схемы является устранение измерительных ошибок, возникающих из-за влияния длинных проводников, связывающих датчики с измерительным оборудованием [1]. Во многих приложениях токовая петля значительно превосходит классические схемные решения в виде моста Уитстона и цепи Кельвина. С развитием цифровых технологий и полупроводниковой техники в целом токовая петля стала доминирующим техническим решением для обеспечения высокоточных измерений сопротивления датчиков измерительных систем.
Входные дифференциальные каскады, которые используются в формирователе сигала параметрических датчиков «токовая петля» (ТП), реализуются на базе измерительных усилителей (ИУ). Благодаря их применению обеспечиваются такие фундаментальные свойства формирователя сигнала ТП, как высокое входное сопротивление и большой коэффициент подавления синфазных сигналов. Буферизованные ими отклики датчика и опорного элемента оцифровываются двумя АЦП (или одним мультиплексированным АЦП) и вводятся для дальнейшей обработки в цифровое вычислительное устройство. Применение в качестве последнего персональной ЭВМ не всегда является оптимальным решением, так как ЭВМ обладает значительными габаритами и энергопотреблением.
Более рациональным вариантом при создании автоматических измерительных и управляющих систем является применение современного микроконтроллера со
встроенным или внешним двухканальным или мультиплексированным АЦП.
Микропроцессорная обработка
измерительной информации позволяет использовать большее число измерений, а результат получать с помощью оптимальных статистических методов оценивания неизвестных параметров сигнала. Увеличение числа измерений в одной выборке обеспечивает более точные измерения. Однако это требует большей тактовой частоты аналого-цифрового преобразователя (АЦП), большего объема памяти и повышает аппаратные затраты. Поэтому, кроме увеличения количества измерений, необходимо повышать точность оцениваемых параметров исследуемых выходных сигналов формирователя ТП на основе оптимального выбора состава измерений, базирующегося на применении теории планирования эксперимента [2].
Однако на практике часто возникает необходимость в масштабировании входных сигналов перед тем, как обрабатывать их с помощью АЦП. Масштабирование осуществляется с помощью усилительных каскадов, подключаемых между каналами АЦП и токовой петлей. Предположим, что усилительные каскады имеют разные коэффициенты усиления по напряжению, а коды АЦП линейно зависят от измеряемых напряжений
= аУт , Ыге/ = Ыге/ ,
где Мт - код АЦП, соответствующий напряжению Ут; Ыге/ - код АЦП, соответствующий напряжению Уге/. В этом случае сопротивление датчика будет вычисляться по формуле
Я = Ке^т / ^ = Яге1аУт /фУ^ ).
Использование усилительных каскадов для измерения напряжений на эталонном резисторе и на датчике приводит к зависимости результата измерений от отношения коэффициентов усиления данных каскадов. Коэффициенты усиления каскадов могут изменяться из-за зависимости параметров электронных приборов от температуры, влажности, механических воздействий. Режим работы электронного прибора при изменяющихся внешних условиях относят к динамическим режимам. Изменения коэффициентов усиления могут быть вызваны также естественными необратимыми процессами в электронных приборах (старением). Для того, чтобы исключить влияние коэффициентов усиления промежуточных каскадов преобразования входных сигналов, необходимо использовать только один промежуточный каскад с заданным коэффициентом усиления, а процесс масштабирования сигналов разделить во времени переключения входных каналов (рис. 2).
иц(1)
мих АЦП ЦВУ
и°Ъ)
б
Рис. 1. Функциональная схема формирователя «токовая петля» с цифровым УСДН: а - с двухканальным АЦП; б - с мультиплексированным АЦП, МУХ - мультиплексор
а
Конфигурация токовой петли, представленная на рис. 2, полностью исключает влияние изменения коэффициента усиления промежуточного каскада на результат измерений только в том случае, если за время коммутации входных сигналов данный коэффициент остается постоянным. Во многих прецизионных приложениях после коммутации входных сигналов несколько отсчетов АЦП отбрасываются перед тем как получить отсчет, используемый для вычисления сопротивления датчика. Эта мера необходима из-за возникновения
нежелательных переходных процессов после коммутации сигналов. В связи с этим время между коммутацией сигналов возрастает, а, следовательно, вероятность того, что коэффициент усиления за это время изменится на величину, приводящую к появлению существенной ошибки измерения.
Рассмотрим наиболее распространенный случай прецизионных измерений сопротивления с помощью токовой петли - измерение сопротивления эталонного термометра сопротивления. Конфигурация токовой петли измерительного прибора аналогична рис. 1. Предположим, что один отсчет АЦП можно представить как
Nt = N(tt) + Х, i=0...m, (1)
где - аддитивный гауссовский шум; ti - момент времени, в который происходит выборка. Для уменьшения влияния случайного воздействия ^ на результат измерений после каждой коммутации сигналов считывается несколько значений Ni для последующего сглаживания. В случае одного термометра и одного эталонного резистора получается два набора отсчетов:
(Nref )i = N,, i = 0...k, (Nm)i = N, i = l...l + k . (2)
Период одного измерения составляет tl+k, а между моментами времени tk и tl (tk < происходит коммутация входных сигналов и предварительная подготовка АЦП. Традиционный метод вычисления сопротивления Rm состоит в нахождении отношения:
R = RfNm / Nrf , (3)
где Nm = l/(k +1) zk=o(Nm X , Nf = 1/(k +1) zk=o(Nf . Вычисление сопротивления термометра по формуле (3) возможно корректно только в том случае, если N(tt) = const во время одного измерения.
Предположим, что вследствие дрейфа параметров усилительного каскада NN(ti ) медленно изменяется с течением времени так, что отсчеты АЦП при измерениях напряжений на эталонном резисторе и термометре можно представить в виде полиномов степени M:
i=M
Nf (t) = a0 + £ a, (t - to ) , to < t £ tk ; (4)
i=1
i=M
Nm (t) = bo + £ b (t - t, )i . ti < t < tM . (5)
i=1
Тогда сопротивление термометра на момент времени tl+k должно вычисляться по формуле
R = RfNm (ti+k )/ Nf (ti+k ), (6)
то есть значение Nrf экстраполируется на момент времени tl+k. Коэффициенты at полинома (4) оцениваются с помощью метода наименьших квадратов по набору данных Nrf (ti) при i = 0...k, коэффициенты bi полинома (5) - по набору данных Nm(tt) при i = l...l + k .
Мультиплексор
Рис. 2. Конфигурация токовой петли с использованием одноканального АЦП и мультиплексора
Эффективность предложенного метода проверялась на сравнении двух схемных решений (блок-схема измерительной части приборов показана на рис. 1, 2) на экспериментальных макетах электронных приборов.
Электронные приборы испытывались в двух режимах: измерение постоянного сопротивления датчика в условиях постоянно изменяющейся температуры среды. В режиме с изменяющейся температурой среды прибор сначала нагревался до температуры +50°C, а затем естественной конвекцией охлаждался до комнатной температуры +20°C. Для аппроксимирующих полиномов (4), (5) выбиралась вторая степень.
Результаты экспериментов следующие: приборы при постоянной температуре среды +20°C показали почти одинаковые значения, а вот когда температура изменялась от +50°C до +20°C, прибор, разработанный на основе блок-схемы, представленной на рис. 2, позволил уменьшить динамическую ошибку измерения сопротивления датчика температуры в 6 раз.
Из эксперимента можно сделать вывод, что использование мультиплексора при обработке входных сигналов с использованием формирователя сигнала параметрических датчиков, включенных в токовую петлю, позволяет получить более точные результаты измерений, при этом избавиться от ошибок измерений, которые возникают из-за зависимости параметров электронных приборов от температуры, влажности, механических воздействий и естественного «старения» прибора в целом.
ЛИТЕРАТУРА
1. Львов А.А. Линейная петлевая схема обработки сигналов с датчиков / А.А. Львов, В. А. Пыльский // Вестник СГТУ. 2004. № 2(3). С.102-112.
2. Gureev V.V. Improvement of the Current Loop Circuit for AC and DC Applications Based on Digital Signal Processing / V.V. Gureev, A.A. L'vov, V.A. Pylskiy // Instrumentation and Measurement Technology Conference: Proceedings of the 23rd IEEE IMTC / IEEE, Italy, Sorrento, 2006. P. 1257-1261.
Шевченко Андрей Алексеевич -
аспирант кафедры «Техническая кибернетика и информатика» Саратовского государственного технического университета
Львов Алексей Арленович -
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Техническая кибернетика и информатика» Саратовского государственного технического университета
Гуреев Владимир Валерьевич -
доцент кафедры «Техническая кибернетика и информатика» Саратовского государственного технического университета
Пыльский Виктор Александрович -
доцент кафедры «Техническая кибернетика и информатика» Саратовского государственного технического университета
Статья поступила в редакцию 11.10.10, принята к опубликованию 25.10.10
