CC BY
29
УДК 681.121.7
1.З.МАНУЛЯК
1вано-Франювський нацюнальний техшчний ушверситет нафти i газу
СХЕМОТЕХН1ЧН1 Р1ШЕННЯ ЗАСОБ1В ОПРАЦЮВАННЯ 1МПУЛЬСНИХ СИГНАЛ1В ПЕРЕТВОРЮВАЧ1В ОБ'СМУ ТА ОБ'СМНО1 ВИТРАТИ ГАЗУ
Проведено огляд схемотехнгчнихрШень засоб1в опрацювання iмпульсних сигналгв вим1рювальних перетворювачгв об'ему та об'емно'1 витрати газу на ocHoei якого запропоновано один з eapiaHmie Их вдосконалення, що Трунтуеться на використаннi оцток ентропИ i дозволяють реалiзувати опрацювання сигналiв оптичного, магштотдуктивного та мехатчного типiв. Залучення методiв цифрового опрацювання та недорогих цифрових засобiв у системах опрацювання вимiрювальних сигналiв дозволяють зменшити тформацшт втрати зумовлет впливом завад i, як на^док, покращити точтсть первинних перетворювачiв з механiчним мiрним елементом.
Ключовi слова: первинний перетворювач, iмпульсний сигнал, опрацювання.
И.З.МАНУЛЯК
Ивано-Франковский национальный технический университет нефти и газа
СХЕМОТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ СРЕДСТВ ОБРАБОТКИ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ОБЪЕМА И ОБЪЕМНОГО РАСХОДА ГАЗА
Проведен обзор схемотехнических решений средств обработки импульсных сигналов измерительных преобразователей объема и объемного расхода газа на основе которого предложен один из вариантов их совершенствования, основанный на использовании оценок энтропии и позволяют реализовать обработки сигналов оптического, магнитоиндуктивного и механического типов. Привлечение методов цифровой обработки и недорогих цифровых средств в системах обработки измерительных сигналов позволяют уменьшить информационные потери обусловлены влиянием помех и, как следствие, улучшить точность первичных преобразователей с механическим мерным элементом.
Ключевые слова: первичный преобразователь, импульсный сигнал, обработки.
I.Z.MANULYAK
Ivano-Frankivsk National Technical University of Oil and Gas
DECISION OF PROCESSING CIRCUIT PULSE SIGNAL CONVERTERS AMOUNT AND
VOLUMETRIC GAS CONSUMPTION
The review means processing circuit solutions pulse signals measuring transducers amount and volumetric gas flow through which offered one of the options for improvement, based on the use entropy estimates can realize optical, mechanical and magnetic sensors signal processing. Attracting digital methods of processing and low cost of digital processing systems measuring signals reduce the information loss caused by the noise influence and as a result, improve the accuracy of gas counters with mechanical dimensional element.
Keywords: primary converter, a pulse signal processing.
Постановка проблеми
Первинш перетворювач^ зокрема об'ему газу, традицшно оснащуються засобами перетворення мехашчного перемщення мiрного елементу в електричний сигнал, зокрема iмпульсний, на основi геркошв, оптичних та магштошдуктивних первинних перетворювачiв, що дозволяе представити дискретш об'еми вимiрювальноl величини як послщовнють таких iмпульсiв. Перевагами використання такого шдходу е простота реалiзацil та зручшсть опрацювання згаданих сигналiв. У iмпульсному режимi роботи можна отримати значну потужшсть в iмпульсi, а оскшьки габарити електронних пристро1в визначаються середньою потужшстю, то iмпульснi перетворювачi мають меншi габарити порiвняно з пристроями з безперервним режимом роботи. Проте використання простих рiшень зумовлюе ряд обмежень щодо форми i частотних характеристик iмпульсних сигналiв перетворювача, а також експлуатацшних умов iнформацiйно-вимiрювальних каналiв, реалiзованих на 1х основi.
Аналiз останшх досл1джень i публiкацiй
На сучасному етапi первиннi перетворювачi е первинною ланкою iнформацiйно-вимiрювальних каналiв, швидкий розвиток яких приводить до необхвдносп збору даних з вiддалених шформацшних джерел. Проте бiльшiсть вимiрювальних пристро1в, що експлуатуються, не призначенi для функцюнування за наявностi впливу рiзних промислових завад, а 1х замша е неефективною. З метою
часткового виршення згадано! проблеми використовують схемотехшчш рiшення на базi нелiнiйних елементiв, як1 додатково накладають обмеження на частотнi характеристики сигналiв. В перетворювачах iмпульсного типу величини вимiрювального параметру в бшьшосп представляють в унiтарному базисi [1,2]. Проте унггарний базис практично не володie завадостiйкiстю, зокрема в умовах завад iмпульсного типу [3]. Одним iз способiв компенсацп низько! завадостшкосп е зменшення ваги одиничного iмпульсу. Такий пiдхiд дозволяе не враховувати одиничш спотворення, проте чим менша вага iмпульсу (бiльша к1льк1сть), тим вищою стае частота !х формування, що накладае додатковi обмеження на частотш характеристики задiяного iнформацiйного каналу приводить та зумовлюе ускладнення апаратно! частини пристрою опрацювання.
Формулювання мети дослiдження
Сенсорш елементи типу геркона, давачi Холла, оптичш та магнiтоiндуктивнi перетворювачi представляють даш про фiксованi перемiщення мiрного елементу лiчильникiв газу механiчного типу. 1нтенсивний розвиток нових технологiй переважно спрямований на формування цифрових бшарних сигналiв, як1 дозволяють, пiсля вщповщного опрацювання (реалiзуеться безпосередньо на замiрнiй дiлянцi) подати данi в зручнш формi для цифрових обчислювальних систем та !х компонентiв [4]. В iнформацiйно-вимiрювальних каналах на базi первинних перетворювачiв зi згаданим представленням сигналiв в експлуатацiйних умовах iснуе ряд задач, як необх1дно вирiшити, зокрема захист ввд завад та некоректних спрацювань. Найчастiше, для вирiшення таких недолЫв використовують блокувальнi конденсатори, тдключають вхiднi виводи через резистори до плюсово! шини джерела живлення тощо [5]. Також для зменшення впливу завад зменшують вагу iмпульсу iз залученням складних схемотехнiчних рiшень, зокрема на базi нелiнiйних елементiв, таких як емшсного та iндуктивного типу, яш додатково обмежують частотнi характеристики сигналiв та мають нижчу експлуатацшну надiйнiсть. Отже, актуальними залишаються задачi опрацювання вимiрювальних iмпульсних сигналiв таким чином, щоб уникнути хибних детектувань, втрати вимiрювальних сигналiв чи появи нових через сторонш завади, а також вдосконалення юнуючих i розробки нових, ефективних методiв опрацювання.
Викладення основного матер1алу досл1дження
Для формування дискретних сигналiв порiвняно часто використовують перетворювачi з входом типу «сухий контакт» [6]. В такому випадку необх1дно забезпечити сторонне джерело живлення, яке е обов'язковим елементом системи опрацювання. Таке ршення мае перевагу в плаш ремонтопридатностi, простоти реалiзацil, застосування та забезпечуе гальвашчну розв'язку. Перевагами використання датчиков Холла е висока надшнють i довговiчнiсть, малi габарити, а недолiками - постшне споживання енерги i порiвняно висока вартють. При використаннi оптопар характерним е поява шумiв (рис. 1, а), пов'язаних, з одше! сторони, наявшстю прохщно! емностi мiж свплодюдом i базою транзистора, а з шшо! - наявнiстю паразитно! емносп м1ж колектором i базою фототранзистора.
а)
и,
3.0
1
А
■ к»
] /
1
1п 15
24» 20» 160 120 «0 40
б)
1 -1Оме
100 мс
1-10 мс
Рис. 1. Амплггудне представлення а) одиничного 1мпульсу 1 завади: hms - часова шкала перетворення мс, smpl - одиничш перетворення АЦП вщ 0 до 255; б) перехщного процесу
замикання контакт1в «брязкоту»
У випадку використання мехашчних сенсорних елементiв, зокрема геркошв, при замиканнi i розмиканнi контакпв у колi виникають iмпульснi завади, яш називають брязкотом (рис. 1, б), що викликае збо! в робот пристро!в, а також може призвести до псування електронних та електричних компонентiв. Через це не завжди е допустимою безпосередня подача сигналiв на входи логiчних елеменпв, на яких реалiзуються схемотехнiчнi ршення цифрового опрацювання сигналiв. Фактично, формування дискретних рiвнiв сигналу на лiчильнi входи мiкросхем вимагае погашення згаданих завад, як1 е причиною випадкового багаторазового спрацювання лiчильникiв.
Одним з найпоширешших способiв боротьби зi згаданою iмпульсною завадою е використання ЯС-ланок (рис. 2), як1 зокрема задiянi, як промiжнi ланки iнформацiно-вимiрювального каналу з використанням турбiнних лiчильниках СГ-16М i СГ-75М, ротацiйних - ЯУв.
+1)жив.
t
+ижив.
ев Г) К.2 ЮОк
Ш
20к
а) Т
Р1.1 тн
ВИХ1Д]
С1
0.1мл
б)
Рис.2. Схемотехшчш р1шеммя формувачiв iмпульсних сигналiв на основi RC-ланок
У схемi на рис. 2 час, необхвдний для зарядження/розрядження конденсатора до порогово! напруги, компенсуе можливiсть виникнення згадано! завади на герконовому перетворювачi [6].
1ншим варiантом е формування довгого iмпульсу за допомогою тригера, тут формування затримки також грунтуеться на використаннi нелiнiйних елеменпв, типовi реалiзацi! яких, зокрема на базi тригера Шмiтта, подано на рис.3.
а)
+ижив.
1
С1 0.1 мк
20к
К2 ЮОк
Р1Л 1(5,)
И
Р1.2 1(8.)
б)
Рис. 3. Схемотехшчш ршення формувачiв iмпульсних сигналiв на основi тригерiв
Ще одним iз способiв боротьби зi спотвореннями iмпульсних сигналiв зумовлених впливом адитивних завад та нерiвномiрнiстю (наявнiстю флуктуацiй) руху мiрних елементiв перетворювачiв витрати, особливо в области малих витрат е схеми затримки включення i виключення, типовi реалiзацi! яких подано на рис.4.
а)
+11жив.
4
ш
20к|
УР1 С10.1МК
ч<-
И2 ЮОк
Р1.1
б)
-
=1
Рис. 4. Схемотехшчш ршення формувачiв iмпульсних сигналiв на основi затримки
включення/виключення
Недолiками розглянутих методiв та реалiзованих на !х основi засобiв е використання елементiв з нелшйними характеристиками, характеристики яких змiнюються з часом та мають залежшсть вiд температурних режимiв функцiонування, а також обмежують частотний дiапазон сигналiв.
1ншими перетворювачами, як1 використовуються е оптопари, осшльки в них вже оптимально пщбраш характеристики випромiнювача i фотоприймача та !х взаемне розташування. Так1 пристро! дозволяють спрощувати виршення завдань сполучення блоков, рiзнорiдних за функцюнальним призначенням. Оптопари використовуються для вимiрювання витрати як iмпульсний не вибухозахищений вих1д в турбiнних лiчильниках газу СГ-16М i СГ-75 М, а також коректорах об'ему газу, зокрема Precistream, ультразвукових витратомiрах, зокрема SITRANS F US. Крiм того, згадаш перетворювачi використовують для узгодження цифрових мiкросхем з рiзними видами лопки: транзисторно-транзисторно! логiки (ТТЛ), емггерно-звязано! логiки (ЕЗЛ) тощо [7]. Типовi варiанти реалiзацi! дискретного перетворювача перемщення мiрного елементу лiчильника газу iз узгодженням елемента ТТЛ з МДП за допомогою транзисторно! оптопари подано на рис. 5. У схемi (рис.5а) операцiйний пiдсилювач забезпечуе необхщний рiвень сигналiв на входi цифрових пристро!в опрацювання сигналiв.
Пiдсиленi сигнали фотоприймача опрацьовують логiчнi елементи, що використовуються, зокрема, в цифрових схемах лiчильникiв. Прикладами тако! розв'язки можуть служити два варiанти найбiльш поширених напiвпровiдникових реле, розiмкнутих i замкнутих (рис. 5в). Реле комутуе сигнали
постшного струму. Сигнал, що сприймаеться фототранзистором оптопари, вщкривае транзистори УТ1, VT2 i включае або вiдключае И.
На основi оптопар розроблено i випускаються модут, як1 мають в своему склащ одну або калька оптопар, пiдсилювачi та iншi функцiональнi елементи, проте юнування подвiйного перетворення сигналу е причиною значно! споживано! потужностi, сильно! залежносл параметрiв та температури, високого рiвня власних шумiв, конструктивно-технолопчно! недосконалосп, пов'язано! з використанням пбридно! технологи. Перевагами використання схем з оптопарами е висока електрична iзоляцiя входу та виходу, односпрямованiсть передачi шформацп, вiдсутнiсть зворотно! реакцп фотоприймача на випромшювач, широка смуга пропускання.
ш
а)
Я2
+и>КИБ.
ЯЗ
вхшЕ
и1
вихы
б)
Я-4
В)
Рис. 5. Схемотехнiчнi р1шеммя формувачiв iмпульсних сигналiв на основi оптопари
1ншими доступними та надшними елементами е iндуктивнi датчики. Схеми на основi iндуктивних датчиков також використовують в турбшних лiчильниках, зокрема СГ-16М i СГ-75М, перетворювачi витрати «ТУРБОМИД-01», магнiто-iндукцiйних витратомiрах SITRANS FM тощо. На рис. 6 подано типову схему iндуктивного датчика наближення [8].
Перевага схеми, зображено! на рис. 6а - в здатносп до стшкого функцiонування в широкому дiапазонi напруги живлення: 10-30В. При перемщенш мiрного елементу (ротора), в якому можуть наводитися вихровi струми, здатнiсть коливального контуру до коливань рiзко падае через взаемоiндукцiю котушок i мiшенi. Тобто чутливiсть iндуктивних датчиков до наближення металевого або магнггного матерiалу дуже висока, що е перевагою схеми.
Недолгом тако! схеми iндуктивного датчика наближення е рiзна ввдстань перемикання датчика для рiзних матерiалiв мiшенi - так званий коефщент редукци.
а)
б)
Рис. 6. Схемотехшчш р1шеммя формувачiв iмпульсних сигналiв на основi шдуктивних датчикiв
Широке застосування в схемах датчиков посiли мiкроконтролери мiстять, яш мають компаратори та АЦП. Для виявлення та опрацювання iмпульсних сигналiв застосовуються рiзнi схемотехнiчнi рiшення, зокрема п що мiстять в своему складi iндуктивнi елементи [10]. Реалiзацi! схем з використанням таких чутливих елементiв поданi на рис. 7.
Слад зазначити, що використання iндуктивних елементiв мае ряд переваг, серед яких висока довговiчнiсть, завдяки ввдсутносп зiткнень i механiчних впливiв, не реагують на дотик рук, стшш до механiчних впливiв. Проте в них порiвняно мала чутливiсть, залежшсть iндуктивного опору ввд частоти живлячо! напруги, значний зворотний вплив на вимiрювану величину (за рахунок тяжшня якоря до сердечника) тощо [11].
Описаш схемотехнiчнi рiшення, орiентованi на порогову оцшку амплiтуди iмпульсного вимiрювального сигналу, що за наявностi завад потребуе суттевого зменшення ваги окремого iмпульсу,
також стльним недолжом вище наведених рiшень е використання елементiв, як1 потребують адаптацп шд конкретнi рiшення.
и
а)
б)
в)
Рис. 7. Схемотехшчш ршення формувачiв iмпульсних сигналiв на основi iмдуктивних датчишв з
мiкроконтролерами
Одним з варiантiв вирiшення вище описано! задачi е залучення статистичного оцiнювання. 1нтенсивний розвиток цифрових компоненпв та мiкроконтролерiв, яш мають в своему складi АЦП дозволяе проводити аналiз форми сигналу та ощнювати його статистичнi характеристики [12]. Запропонований в [13] щдхщ дозволяе реалiзувати ефективне цифрове опрацювання iмпульсних сигналiв представлених в унитарному базисi з подальшим переходом до традицшних базисiв. Крiм того, ще одним варiантом цифрового опрацювання iмпульсних сигналiв первинних перетворювачiв витрати, представлених послщовними бiнарними реалiзацiями, е ощнювання iнформацiйно! ентропi! у iнформацiйно-вимiрювальних каналах комп'ютерних систем. Такий щдхвд не потребуе використання аналого-цифрових перетворювачiв, що спрощуе апаратнi вимоги.
Варiант реалiзацi! схемотехнiчного рiшення цифрово! системи первинного опрацювання вимiрювальних iмпульсних сигналiв на основi типового мiкроконтролера ATMEGA8QFP подано на рис.8.
Рис. 8. Схема опрацювання сигнатв на базi ATMEGA8QFP
Запропонована схема дозволяе реалiзувати опрацювання сигналiв сенсорiв оптичного, магнiтоiндуктивного та мехашчного типiв. У випадку використання оцшок iнформацiйно! ентропi! достатньо опрацьовувати дворiвневий сигнал, що дозволяе спростити апаратне забезпечення за рахунок використання компаратора.
Подальшi дослiдження в цьому напрямку дозволять зменшити необхiднi обчислювальнi ресурси для реалiзацi! промiжних перетворювачiв унiтарного коду.
Висновки
В робот проведено аналiз типових схемотехнiчних рiшень, призначених для опрацювання вимiрювальних iмпульсних сигналiв перетворювачiв витрати механого типу, сотворених завадами. Запропоновано реалiзацiю схеми опрацювання сигналiв на базi ATMEGA8QFP, яка складаеться з двох частин i дозволяе опрацьовувати iмпульснi сигнали рiзних титв. Схемотехнiчне рiшення е унiверсальним, осшльки дозволяе щд'еднати розглянутi три типи сенсорiв (герконовi, оптичнi та
магнпшндуктивш), а за рахунок статичниного опрацювання тдвищити ефективнють опрацювання iмпульсних сигналiв i , як наслщок, пiвищити точнiсть первинних перетворювачiв витрати газу.
Важливою складовою частиною iнформацiйного простору е шформацшш та шформацшно-вимiрювальнi системи, яш забезпечують формування об'ективноГ шформацп. Таким чином, залучення методiв цифрового опрацювання та недорогих цифрових схемотехшчних ршень систем опрацювання вимiрювальних сигналiв дозволяють зменшити iнформацiйнi втрати зумовленi впливом завад i, як наслiдок, покращити точнють первинних перетворювачiв з мехашчним мГрним елементом.
Список використаиоТ лггератури
1. Николайчук, Я.М. Теорiя джерел шформацп. / Видання друге, виправлене / Я.М. Николайчук. -Тернотль: ТзОВ "Терно граф", 2010. -536 с.
2. Волинський О. Систематизация характеристик теоретико-числових базисiв та гх застосування для побудови високопродуктивних спецпроцесорiв / О. Волинський, В. Пуюл // Вюник ТНТУ. — 2011. — Том 16. — No 3. — С.183-189. — (приладобудування та iформацiйно-вимiрювальнi технологii).
3. Питерсон У. Коды, исправляющие ошибки: пер. с англ. / У. Питерсон, Э. Уэлдон - М.: Мир, 1976. - 600 c.
4. Мельничук С.1. Методи та засоби формування iнформацiно-вимiрювальних сигналiв в первинних перетворювачах витрати газу. / С.1. Мельничук, 1.З. Мануляк/ XVI Мiжнародна конференцiя по математичному моделюванню МКММ 2015. Вюник Херсонського нацiонального техшчного унiверситету. - №3(54), 2015. с. 156-159.
5. Логические микросхемы. Часть 10. Как избавиться от дребезга контактов. [Електронний ресурс]. Режим доступу до журналу: http://electrik.info/main/praktika/328-logicheskie-mikroshemy-chast-10-kak-izbavitsya-ot-drebezga-kontaktov.html.
6. 6. Схемы подавления дребезгов контактов. [Електронний ресурс]. Режим доступу до журналу: http://esxema.ru/?p=4416.
7. Электротехника. Частотные преобразователи. [Електронний ресурс]. Режим доступу до журналу: http ://electrono. ru/6 -2 -primenenie -optopar-kvant_opt.
8. Так что же это за «хитрость» - индуктивный датчик приближения? [Електронний ресурс]. Режим доступу до журналу: http://www.kipinfo.ru/info/stati/?id=160.
9. Индукционный датчик. [Електронний ресурс]. Режим доступу до журналу: http://klddetsad56.ru/bin/layfhaki/induktsionnyy-datchik-shema-skachat.
10. Индуктивные датчики электромагнитного поля в схемах на МК. [Електронний ресурс]. Режим доступу до журналу: http://nauchebe.net/2011/04/induktivnye-datchiki-elektromagnitnogo-polya-v-sxemax-na-mk/.
11. Индуктивные датчики. Бесконтактные индуктивные датчики в схемах на МК. [Електронний ресурс]. Режим доступу до журналу: http://nauchebe.net/2011/03/induktivnye-datchiki%C2%A0-beskontaktnye-induktivnye-datchiki-v-sxemax%C2%A0-na-mk/.
12. Бабак В.П. Основи теори ймовiрностей та математичног статистики / В. П. Бабак, А. Я. Бшецький, О. П. Приставка. - К.: КВЩ, 2003. - 432с.
13. Мануляк 1.З. Застосування статистичних оцшок при опрацюванш вимiрювальних сигналiв спотворених Тмульсними завадами. / 1.З. Мануляк, С.1. Мельничук / Пращ 4-ог мiжнародноi науково-практичноГ конференцп «Проблеми шформатики та комп'ютерног техшки» (П1КТ-2015). Чершвщ. с.109-111.
