CC BY
37
УДК 621.7.08
Жоао А.Ж., Каширин М.В., Конин Е.Н., Орехов В.Ю.
ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет» Пенза, Россия
СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ С ДАТЧИКОВ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН НА БАЗЕ УНИВЕРСАЛЬНОГО МОДУЛЯ ЧИРП И ИНТЕРФЕЙСА RS-485
Рассмотрена система измерения параметров с датчиков физических величин на базе универсального модуля ЧИРП и интерфейса К8-485, показаны схемы построения и принцип действия Ключевые слова
Информационно измерительная система, датчик, частотный интегрирующий развёртывающий преобразователь, преобразователь частота-напряжение, измерительный преобразователь, преобразователь интерфейса, интерфейс 1^-4 85
В настоящее время информационно измерительные системы широко применяются в различны отраслях. При проектировании автоматических систем для измерения различных параметров используются датчики различных физических величин (датчики температуры, давления, влажности, ускорения, кавитации, энкондеры и др.). Примером могут быть системы мониторинга и управления параметрами окружающей среды («умный дом», «метеостанция»), работающие в режиме непрерывного времени. В качестве первичных преобразователей используются в большинстве случаев датчики резистивного или емкостного типа, выходной сигнал с которых в дальнейшем преобразуется с помощью вторичных преобразователей в удобный для наблюдения оператором
цифровой сигнал, либо для машинной обработки в цифровой код. При этом для каждого типа датчика нужен свой вторичный измерительный преобразователь с унифицированным выходным сигналом. Одним из видов унифицированного сигнала является частота. Как в России, так и за рубежом выпускаются различные измерительные модули для работы с первичными преобразователями и преобразователи интерфейсов с программным обеспечением. На рисунке 1 представлена структурная схема [1,2] измерительной сети, составленная из модулей ZETLAB (Россия, г. Зеленоград). Однако в данной схеме для каждого датчика необходим свой измерительный преобразователь, в результате чего в случае многоканальной системы увеличивается её стоимость.
Первичные преобразователи (датчики)
Рисунок 1 - Структурная схема измерительной сети
В статье авторами предлагается использовать универсальный модуль частотного интегрирующего развёртывающего преобразователя (ЧИРП) [3], совместимого с различными типами датчиков физических величин (резистивные, ёмкостные и др.) [4,5], в составе информационно-измерительной системы, структурная схема которой представлена на рисунке 2.
большие расстояния. Кроме того, при работе с датчиками ЧИРП не требуют стабилизированных источников питания измерительной цепи и при несложных схемотехнических решениях позволяют снизить температурную погрешность преобразователей.
Структурная схема ЧИРП с датчиком [6] представлена на рисунке 3.
Рисунок 2 - Схема электрическая структурная
Схема электрическая структурная включает в себя: датчик (Д); частотный интегрирующий развёртывающий преобразователь (ЧИРП); преобразователь частота-напряжение (ПЧН); измерительный преобразователь (ИП); преобразователь интерфейса (ПИ); персональный компьютер (ПК). В отличие от предыдущей схемы (рис.1) не требуется набора различных измерительных модулей для каждого датчика, т.к. модуль ЧИРП можно подключать к любому типу датчика (резистивного или емкостного типа) по схеме делителя напряжения или по мостовой схеме, получая на выходе унифицированный частотный сигнал типа «меандр».
В связи с этим актуальным является применение частотных интегрирующих развертывающих преобразователей (ЧИРП) для работы с датчиками физических величин в силу того, что они просты в схемотехническом решении, не требуют дополнительных настроек и программирования, с малым энергопотреблением, частотным выходным сигналом, который обладает большей помехозащищенностью по сравнению с аналоговыми при передаче на
Рисунок 3- Структурная схема ЧИРП
Она содержит измерительную цепь (ИЦ) с датчиком, включенным по одной из схем включения (мостовая или в виде делителя напряжения), и непосредственно ЧИРП, содержащий интегратор (ИНТ), сравнивающее устройство СУ (компаратор) и инвертирующий усилитель ИУ (с переменным коэффициентом передачи), который может быть использован как инвертор (с коэффициентом передачи, равным единице), либо как второй компаратор. Отрицательные обратные связи, показанные пунктиром, могут использоваться для питания датчиков в зависимости от их типов и схем включения в ИЦ.
Учитывая опыт работы с ЧИРП и развитие отечественной элементной базы, авторами предлагается универсальный микромодульный ЧИРП, собранный на бескорпусных микромощных операционных усилителях (ОУ) [6]. Схема модуля с номерами и обозначениями выводов представлена на рисунке 4.
Рисунок 4 - Схема универсального модуля ЧИРП
Схема содержит: интегратор, собранный на ОУ Х1 с конденсатором С1=20пФ в отрицательной обратной связи, резисторами Я1=10к0м и Я2=500к0м с дозирующей емкостью С2=5пФ, включенной между инвертирующим входом ОУ интегратора и выходом компаратора, собранного на ОУ Х2; инвертирующий усилитель на ОУ Х3 с коэффициентом передачи, задаваемым отношением сопротивлений резисторов Я4/Я3, равных в данном случае по ЮкОм. Питание модуля осуществляется от двухполярного источника постоянного напряжения +Е и -Е в диапазоне от 5 до 15В. Имеется возможность подключения навесных элементов к выводам модуля с целью изменения номиналов С1, С2, Я1, Я2 и Я4 в зависимости от схем подключения ИЦ с датчиком и задания необходимых параметров диапазона изменения частоты выходного сигнала и чувствительности ЧИРП.
В качестве преобразователя частоты, которая поступает с выхода ЧИРП, в напряжение (ПЧН) (рис. 3), была выбрана микросхема 1108ПП1, у которой среднее значение аналогового выходного напряжения пропорционально частоте импульсов входного сигнала.
Для преобразования напряжения с выхода ПЧН и дальнейшей передачи по каналу связи RS-485 предлагается использовать ИП ZET 7080-У, который
оцифровывает сигнал с выхода 1108ПП1 и выдаёт значения измеряемой величины в цифровом виде. Преобразователь интерфейса ZET 7070 предназначен для преобразования канала связи RS-485 в USB для отображения информация на ПК.
При разработке многоканальной информационно-измерительной системы измерения, мониторинга и управления с различными типами датчиков физических величин в режиме реального времени можно применять любые каналы связи (мобильной связи, космической связи, радиоканалы, интернет и др.), унифицированные преобразователи интерфейса (RS-232, RS-485). При этом применение универсального модуля ЧИРП с разными схемами подключения к датчикам через управляемый мультиплексор и имея унифицированный сигнал на его выходе в виде двухполярного прямоугольного типа «меандр» появляется возможность упростить структуру измерительной системы, повысить её помехоустойчивость, надежность и снизить себестоимость [6,7,8].
В качестве примера на рисунке 5 приведена од-ноканальная система измерения давления с тензо-датчиком, включающая универсальный модуль ЧИРП и ПЧН.
Рисунок 5 - Система измерения давления с тензодатчиком
ЛИТЕРАТУРА
1. Информация об измерительном преобразователе ZET 7080^. https://zetlab.com/shop/tsifrovyie-datchiki/izmeritelnyiy-modul-zet-7 0 8 0-v/#toggle-id-3
2. Информация о преобразователе интерфейса ZET 7070. https://zetlab.com/shop/tsifrovyie-datchiki/preobrazovateli-interfeisov/usb/zet-7070/
3. Громков Н.В., Интегрирующие развёртывающие преобразователи параметров датчиков систем измерения, контроля и управления: монография/ Н.В. Громков. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. - 244 с.
4. Бардин В.А., Васильев В.А., Громков Н.В. Частотные интегрирующие развертывающие преобразователи и их применение для датчиков и актюаторов/ Труды международного симпозиума "Надежность и качество"-Пенза: Изд-во ПГУ, 2015. -Т.2 - С. 8-11.
5. Громков Н.В., Жоао А.Ж. Универсальный модуль частотного преобразователя для информационно-измерительных систем/ Труды международного симпозиума "Надежность и качество"- Пенза: Изд-во ПГУ, 2016 г. С. 95-102.
6. Васильев В.А., Громков Н.В., Жоао А.Ж. Универсальный модуль ЧИРП для решения задач измерения, контроля и управления/«Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика», М - 2016. №9. С. 2129.
7. Бардин В.А., Васильев В.А., Громков Н.В. Универсальный модуль ЧИРП и его интеграция с нано-и микро-электромеханическими системами датчиков и актюаторов /«Нано-и микросистемная техника», М. 2017. -№2. - С.93-104.
8. Васильев В.А., Громков Н.В., Жоао А.Ж. Универсальный микромодульный частотный интегрирующий развертывающий преобразователь для резистивных датчиков физических величин/ Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2016. - № 1 (15). - С. 68-75.
УДК 542.3
Виньчаков А.Н., Доросинский А.Ю., Недорезов В.Г,
ОАО «Электромеханика», Пенза, Россия
ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
АНАЛИЗ ИНФОРМАТИВНЫХ СИГНАЛОВ В МАГНИТОСТРИКЦИОННЫХ ПОПЛАВКОВЫХ ДАТЧИКАХ
Описан процесс получения данных при функционировании магнитострикционного поплавкового датчика. Выполнен анализ методов обработки информативных сигналов. Сформировано пространство признаков для порогового метода анализа информативных параметров сигнала
Ключевые слова:
магнитострикционных датчик, пространство признаков, сигнал, параметр
Магнитострикционные датчики поплавкового типа, предназначены для измерения параметров топлива, таких как уровень и плотность [1]. За счет того что в поплавки вмонтированы магниты в датчике возникает «эффекта Видемана» за счет которого происходит измерение временных интервалов между началом подачи импульса возбуждения и сигналами-откликами от обоих поплавков.
Для более наглядного понимания процесса работы модуля сбора и обработки данных была разработана диаграмма последовательностей, которая относится к диаграммам взаимодействия иИЬ, описывающим поведенческие аспекты системы, но рассматривает взаимодействие объектов во времени.
Диаграмма последовательности управления процессом получения данных о параметрах топлива изображена на рисунке 1.
Процесс сбора, обработки и передачи данных .
Рисунок 1 - диаграмма последовательности сбора, обработки и передачи информации
Из диаграммы, изображенной на рисунке 1 видно, что программа для микроконтроллера инициирует процесс измерения путем вызова функции impulse(), которая инициирует подачу импульса возбуждения на магнитострикционный стержень. При этом запускается таймер, который функционирует в режиме непрерывного счета до окончания цикла преобразования. Далее вызывается функция разрешения работы компараторов en comp(). Полученный отклик в виде информативного сигнала выделяется компараторами с передачей сообщения comp take о
выделении информативного сигнала. Далее класс, отвечающий за преобразование (Periferial) посылает сообщение останавливающее таймер -stop conv. Полученное значение времени определяемое счетом таймера сохраняется микроконтроллером для чего предусмотрена функция save time(). Далее процесс повторяется 3 раза до тех пор пока не будут выделены все информативные составляющие.
По полученным данным осуществляется расчет измеряемых параметров с помощью функции
