CC BY
22
УДК 681.586
Васильев В.А., Громков Н.В., Жоао А.Ж.
ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
УНИВЕРСАЛЬНЫЙ МОДУЛЬ ЧАСТОТНОГО ИНТЕГРИРУЮЩЕГО РАЗВЁРТЫВАЮЩЕГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ ДАТЧИКОВ
Проведён анализ известных частотных преобразователей для датчиков физических величин. Выделены преимущества частотных интегрирующих развёртывающих преобразователей (ЧИРП). Исследована обобщённая структурная схема ЧИРП с измерительной цепью (ИЦ) первичного преобразователя (датчика). Сделан вывод о возможности и целесообразности создания универсального модуля ЧИРП для резистивных и емкостных датчиков. Предложена электрическая схема универсального модуля ЧИРП для датчиков физических величин. Она имеет минимальное и достаточное количество основных элементов. Установлены оптимальные соотношения номинальных значений элементов универсального модуля. Представлены схемы подключения универсального модуля к резистивному датчику температуры и емкостному датчику влажности. Приведены функция преобразования таких схем включения. Показаны временные диаграммы, иллюстрирующие работу универсального модуля. Сделан вывод о том, что описанный модуль частотного интегрирующего развёртывающего преобразователя обладает универсальностью и обеспечивает построение различных электрических схем ЧИРП для резистивных и емкостных датчиков.
Ключевые слова:
измерительный преобразователь, резистивный датчик, емкостный датчик, частотный интегрирующий развертывающий преобразователь
Введение
Существуют различные универсальные модули, используемые в измерительной технике. Это модули измерения и контроля физической величины, присоединительные модули и другие функциональные модули информационно-измерительных систем [1-3], предназначенные для различных целей.
Известны различные частотные преобразователи для датчиков физических величин [4], среди которых особое место занимают частотные интегрирующие развёртывающие преобразователи [5-7]. Создание частотных интегрирующих развертывающих преобразователей (ЧИРП) для работы с датчиками физических величин, в силу их простоты в схемотехническом решении, представляет практический интерес. ЧИРП могут быть совмещены с датчиками ак-тюаторов [8-10]. Они не требуют дополнительных настроек и программирования, имеют малое энергопотребление, частотный выходной сигнал. ЧИРП обладают большей помехозащищенностью по сравнению с аналоговыми преобразователями при передаче сигнала на большие расстояния. Кроме того, при работе с резистивными и емкостными датчиками ЧИРП не требуют стабилизированных источников питания измерительной цепи и при относительно несложных схемотехнических решениях позволяют снизить температурную погрешность преобразователей [11-14]. Все они содержат различное количество дискретных элементов для получения тех или иных технических характеристик.
Для практического применения ЧИРП целесообразно иметь универсальный модуль частотного интегрирующего развёртывающего преобразователя, который позволял бы достаточно просто реализовы-вать не одну, а несколько различных электрических схем; имел бы минимальное и достаточное количество основных элементов, объединённых в одном корпусе, с оптимальными номинальными значениями. Такой универсальный модуль востребован, особенно в условиях необходимости замещения импортной продукции, для реализации комплексных задач измерения физических величин (температуры, давления, силы и др.) резистивными и емкостными датчиками в системах измерения, контроля и управления.
Основная часть
На рис. 1 показана обобщённая структурная схема ЧИРП с измерительной цепью (ИЦ) первичного преобразователя (датчика). Измерительная цепь (ИЦ) имеет одну из схем включения: мостовая или в виде делителя напряжения (из резисторов или конденсаторов, конденсаторов с резисторами). В состав ЧИРП входит интегратор (ИНТ), сравнивающее устройство (компаратор) (СУ) 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, используются для питания первичных измерительных преобразователей (датчиков) в зависимости от их типов и схем включения в ИЦ.
Анализ обобщённой структурной схемы ЧИРП и известных схемотехнических решений показал, что возможно создание универсального модуля ЧИРП с
определённым, оптимальным набором элементов и связей между ними, на основе которого можно ре-ализовывать различные электрические схемы ЧИРП для датчиков физических величин.
Рисунок 1 - Обобщённая структурная схема ЧИРП с измерительной цепью (ИЦ) первичного преобразователя (датчика)
На рис. 2 показана электрическая схема предлагаемого универсального модуля частотного интегрирующего развёртывающего преобразователя для датчиков физических величин (универсальный модуль выделен квадратом), на основе которой разработана схема датчика температуры. Электрическое питание универсального модуля осуществляется от источника постоянного напряжения и (в диапазоне от 5 до 15В).
В универсальном модуле имеется интегратор на операционном усилителе ОУ1 с конденсатором С1 в отрицательной обратной связи, резисторами К1 и К2 с дозирующей емкостью С2, включенной между инвертирующим входом интегратора и выходом компаратора на операционном усилителе ОУ2. Электрическое сопротивление резистора К2 определяется из отношения:
Я2--
Я1
(1)
или должно превышать его, но не более чем в 9 раз, еном - номинальный разбаланс измерительной
цепи (в относительных единицах) при номинальном значении измеряемого параметра физической величины. Электрическая емкость конденсатора С2 = 0,5С1 или должна быть меньше её, но не менее 0,1С1 .
Выход компаратора на операционном усилителе ОУ2 соединён с инвертирующим усилителем на операционном усилителе ОУ3 с коэффициентом передачи, задаваемым отношением сопротивлений резисторов К4/К3. Электрические сопротивления резисторов КЗ и К4 определяют коэффициент передачи инвертирующего усилителя на операционном усилителе ОУ3, который равен 1 при К3=К4.
В зависимости от схем подключения измерительной цепи (ИЦ) с датчиком физических величин и задания необходимых параметров диапазона изменения частоты выходного сигнала и чувствительности ЧИРП возможно подключение навесных элементов к электрическим контактным выводам универсального модуля с целью изменения номиналов конденсаторов С1, С2 и резисторов К1, К2 и К4. В схеме рис. 2 универсальный модуль подключен к резистивному датчику температуры (К7) через дополнительный резистор К6 (к примеру, К6=200 кОм, который может быть и больше). Следует отметить, что чем выше номинал резистора К6 (по сравнению с К7), тем меньше погрешность нелинейности.
Рисунок 2 - Электрическая схема предлагаемого универсального модуля ЧИРП
Дополнительно к модулю подключены навесные элементы: конденсатор С3 (С3=30 пФ), параллельно конденсатору С1 (С1=20 пФ) и резистор Р5 (Р5=10 кОм, параллельно Р4 = 10 кОм). На рис. 3 показаны временные диаграммы, иллюстрирующие работу данной схемы (моделирование с помощью И1сгоСар). Верхняя строка временных диаграмм отражает форму сигнала на выходе интегратора, а вторая и третья - формы сигналов на выходе операционных усилителей ОУ2 и ОУ3, соответственно.
Функция преобразования для данной схемы включения:
К4К7
г -
4К3(К6 + К!)К1С1
2)
0.000 -1 ООО
0.000 -5.000
I ............ РеЛогшапсе | Са$ез | Функция Выражение Условие N
|Ргедиепсу |у(5) |5
Ргедиепсу=3644.62
-1 084Е-16т 0.600т 1М4) (V) 818.634т Т(Беса) 231 408и ^—Релоб—► Р-1/Репо<1 По умолчанию |
Р«1/р«Ы а1 риЬе тЙроВК
I
1 А I-
ШШУ1 Т (Беоэ)
-228.790т 357.259и
-228.790т 631 636и
705.214f 274.377и
0.000 -2.400
п
Рисунок 3 - Временные диаграммы, иллюстрирующие работу схемы
В связи с тем, что параллельно резистору Р4 универсального модуля (рис. 2) подключен навесной резистор Р5 того же номинала, что и Р4, напряжение на выходе инвертирующего усилителя ОУ3, подаваемое на измерительную цепь из резисторов Р6, Р7, равно половине напряжения с выхода компаратора ОУ 2 и в формуле (2) нужно считать сопротивление Р4 как параллельное соединение Р4||Р5. К конденсатору С1 также подключен параллельно конденсатор С3 (к примеру, С3=30 пФ) и аналогично нужно считать С1 в формуле (2) как С1|| С3 (С1||С3=50 пФ). При условии, что Р6>>Р7 ( на несколько порядков), формулу (2) можно записать:
/ = К - К7, (3)
где £ - частота выходного сигнала ЧИРП, а К -коэффициент преобразования, имеющий размерность [1/Ом*с] и определяемый соотношением:
К *
К4
Подбирая номиналы резисторов и конденсаторов в функции преобразования (2), можно получить необходимые параметры выходного сигнала ЧИРП в заданном диапазоне измеряемых температур.
На рис. 4 изображена схема подключения универсального модуля к емкостному датчику влажности в виде конденсатора С4. В измерительную цепь датчика также входит конденсатор С3 и резистор К5. Конденсатор С5 - добавочная емкость к конденсатору С1 интегратора на операционном усилителе ОУ1. Частота выходного сигнала схемы изменяется линейно в диапазоне от 2,02 до 2,22 кГц при изменении значения ёмкости датчика С4 в диапазоне от 100 до 101 пФ (параметры элементов: С3=100 пФ; Р5=10 кОм; С5=10 пФ).
Функция преобразования такой схемы включения емкостного датчика в общем случае имеет вид:
1 С 3 - С 4
/ = -
5)
4КС 2 4(К1 + К5)С 2(С 3 + С 4)
где Р0 - электрическое сопротивление входного резистора (Р2 или Р2 плюс внешнее добавочное электрическое сопротивление Р6) интегратора на операционном усилителе 10 (ОУ1), служащее для задания начальной частоты £ при равенстве емкостей С3= С4.
4К3К6К1С1
Рисунок 4 - Схема подключения универсального модуля к емкостному датчику влажности
Характерной особенностью электрических схем на основе универсального модуля ЧИРП является их инвариантность к изменению напряжения питания модуля (± ипит.) и отсутствие жестких требований к стабильности ёмкости конденсатора С1 интегратора на ОУ1, так как она не входит в функции преобразования таких схем.
С использованием универсального модуля ЧИРП могут быть реализованы также электрические схемы [8-11] и т.п.
Заключение
Таким образом, описанный модуль частотного интегрирующего развёртывающего преобразователя обладает универсальностью и обеспечивает построение различных электрических схем ЧИРП для ре-зистивных и емкостных датчиков. Он позволяет унифицировать электронную компонентную базу измерительных преобразователей на основе ЧИРП. С применением универсального модуля ЧИРП во многих случаях отпадает необходимость использования микропроцессоров и микропроцессорных систем, что позволяет снизить затраты, особенно на мелкосерийное производство. При этом могут быть получены достаточно высокие потребительские качества измерительных устройств.
Универсальный модуль частотного интегрирующего развёртывающего преобразователя для датчиков физических величин обеспечивает создание ряда вторичных измерительных преобразователей резистивных и емкостных датчиков с частотным выходным сигналом. Он может быть изготовлен в интегральном и гибридном исполнении с применением бескорпусных микромощных операционных усилителей и найти широкое применение при создании вто-
ричных частотных измерительных преобразовате- комплексных задач измерения в системах измере-лей, работающих совместно с датчиками физических ния, контроля и управления, величин (температуры, давления, силы и др.) ре-зистивного и емкостного типов при реализации
ЛИТЕРАТУРА
1. Пат. 2562749 РФ. Интерфейсный модуль контроля температур / А.И. Горностаев, В.А. Даныкин // Изобретения. Полезные модели. 2015. № 25.
2. Пат. 2569326 РФ. Присоединительный модуль распределителя/Буссе Р. Д., Нойметцлер Х., Штарк Й., Майер Ф., Нейхуис А.// Изобретения. Полезные модели. 2015. № 32.
3. Пат. 2439500 РФ. Универсальный модуль информационно-измерительной системы / В.Н. Карпов, А.Н. Халатов, З.Ш. Юлдашев, А.В.Котов, Ю.А. Старостенков, В.А. Подберезский // Изобретения. Полезные модели. 2012. № 1.
4. Васильев В. А., Громков Н. В. Совмещение частотных интегрирующих развертывающих преобразователей с датчиками давления // Измерительная техника. - М., 2012. №8.- C.54 -56; Vasiliev V. A., Gromkov N. V. Combining integrating scanning frequency converters with pressure sensors // Measurement Techniques. - USA, New York: Springer, 2012. - V. 55. - N 8 - P. 932-935.
5. Громков Н. В. Частотные тензопреобразователи с постоянным напряжением питания измерительной цепи // Измерительная техника. 2008. № 5. С. 22-26; Gromkov N. V. Frequency strain gage transducers with constant supply voltage of the measuring circuit // Measurement Techniques. 2008. V. 51. N 5. P. 490-497.
6. Частотные преобразователи для датчиков давления на основе нано- и микроэлектромеханических систем: моногр. / В.А. Васильев, Н.В. Громков, А.Н. Головяшкин, С.А. Москалёв; под ред. д.т.н., проф. В.А. Васильева.- Пенза: Изд-во ПГУ. - 130 с.
7. Ашанин В.Н., Чувыкин Б.В. Проблемы теории анализа и синтеза интегрирующих преобразователей информации гетерогенной структуры // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - Пенза, 2010. № 1 (13). С. 84-91.
8. Бардин В.А., Васильев В.А., Громков Н.В. Частотные интегрирующие развёртывающие преобразователи и их применение для датчиков и актюаторов. Труды Международного симпозиума «Надёжность и качество» в 2т. - Пенза, 2015. - 2 том, с. 8 - 11.
9. Бардин В.А., Васильев В.А., Рудаков П.Г., Юлоськов Р.В. Контроль и управление в системах прецизионного позиционирования на основе пьезоэлектрических актюаторов. Труды Международного симпозиума «Надёжность и качество» в 2 т. - Пенза, 2016, том 1, с. 308 - 312.
10. Амельченко А.Г., Бардин В.А., Васильев В.А., Царев П.С. Усиливающие пакетные пьезоэлектрические актюаторы для систем управления. Труды Международного симпозиума «Надёжность и качество» в 2 т. - Пенза, 2016, том 2, с. 150 - 154.
11. Пат. 2398196 РФ. Устройство для измерения давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы с частотным выходным сигналом / В. А. Васильев, Н. В. Громков // Изобретения. Полезные модели. 2 010. № 24.
12. Пат. 2396705 РФ. Частотный преобразователь сигнала разбаланса тензомоста / В. А. Васильев, Н. В. Громков // Изобретения. Полезные модели. 2010. № 22.
13. Пат. 2406985 РФ. Устройство для измерения давления с частотным выходом на основе нано- и микроэлектромеханической системы / В. А. Васильев, Н. В. Громков // Изобретения. Полезные модели. 2010. № 35.
14. Пат. 2395060 РФ. Частотный преобразователь сигнала разбаланса тензомоста с уменьшенной температурной погрешностью. / В. А. Васильев, Н. В. Громков // Изобретения. Полезные модели. 2010. №
20.
УДК 004.932.2 Данилова Е.А.
ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
ОЦЕНКА ПОВЫШЕНИЯ ИНФОРМАТИВНОСТИ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ДЕФЕКТОВ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ Ключевые слова:
печатные платы, дефекты, информативность, скрытые дефекты, моделирование
Существующие информационно-измерительные системы (ИИС) используемые для контроля печатных плат производят исключительно обнаружение дефектов, геометрические размеры которых превышают предельные отклонения размеров, установленные нормативной документацией на печатные платы. Однако, в ходе эксплуатации часть дефектов не отнесенных ИИС контроля к критическим может стать причиной отказа печатной платы из-за их возможного развития. Переход дефектов от малозначительных в критические происходит за счет действия механических, температурных и иных видов факторов. Для прогнозирования развития дефектов предложено включение в ИИС блока моделирования развития дефектов, реализованного в пакете математического моделирования, например, Апэуэ [13].
Поскольку производство печатных плат представляет собой сложный многооперационный процесс, содержащий множество операций, каждая из которых может стать причиной появления дефектов. Причем значимость различных дефектов на работоспособность печатных плат неравнозначна [2, 4]. Наличие определенного дефекта, является следствием нарушения конкретной технологической операции при производстве печатных плат и, было бы полезно располагать информацией, позволяющей
своевременно осуществлять корректировку технологического процесса [5].
Для устранения указанного недостатка, предложено дополнение ИИС контроля печатных плат блоком анализа технологических дефектов, в котором производится накопление данных о дефектах и их сопоставление с возможными причинами их появления [6]. Таким образом, ИИС позволяет своевременно давать рекомендации по корректировке ТП. Структурная схема ИИС дополненная блоками моделирования развития дефектов и анализа технологических дефектов представлена на рисунке 1.
За счет расширения функциональных возможностей ИИС обеспечивается повышение информативности системы, под которым будем понимать увеличение количества предоставляемой ИИС информации полезной для заинтересованных пользователей за счет увеличения количества и типов сообщений [7, 8]. Повышение информативности ИИС достигается за счет введения в ИИС блока моделирования развития дефектов и организации обратной связи для корректировки технологического процесса (базы данных по видам дефектов и причинам их возникновения в процессе производства). По сравнению с существующими ИИС контроля печатных плат, генерируемое предложенной ИИС количество информации
