автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.05, диссертация на тему:Интегрирующие функциональные аналого-цифровые преобразователи сопротивления для резистивных датчиков

ТО 0,1

г , Омский государственный технический университет

' ДНР ЯПЛ

На правах рукописи

ЩЕЛКАНОВ Александр 5&аноБИЧ

ШГЕГРИРУЩИЕ ОУШЦИОШЬШЕ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЛЯ РЕЗИСТШШХ ДАТЧИКОВ

Специальность 05.11.05 - Прибора И метода' измерения

электрических к магнитных величин

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук в форме. научного доклада

Окск-1994

Работа выполнена в НПО "Скокриотехника" г. Омск

Научные руководители - доктор технических наук,

профессор Нилин Н.С., у ' кандидат технических наук, доцент Кривой Г.С. ;

Официальные оппоненты:- доктор технических наук,

профессор Рогачевский Б.М., кандидат технических наук .. Чершш A.M.; '

Ведущее предприятие- Омский научно-исследовательский

институт приборостроения . : ■

Защита состоится уи^ыс/^Х 1994 г. в ¿¿£^1асов (ауд.

6-340) на заседании специализированного совета Д 063.23.01 при Омском государственном техническом увдверситете.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета. ■' '

Вза отзыв, заверенный гербовой печатью« 'в двух экземплярах просил направлять.по адресу: 644050, Омск-50, пр. Ь'лра.И, ОмГТУ.

Диссертация разослана. " : Л-^р 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор технических наук, профессор / В.К.Федоров

з

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации обобщены научно-исследовательские и конструкторские работы, посвященные созданию гатегркрущях функциональных аналого-цифровых 'преобразователей сопротивления (ФАЦП) для ренис-тивных датчиков температуря и-давления,.применяемых в' устройствах контроля и управления мккрокриогеншх'систем' (ККС).

Актуальность работ. Резистивкые. датчики наиболее' широко применяются для!измерения большинства физических величин, что подтверждается отечественным.и зарубежным опитом приборостроения. Доминирующая тенденция автоматизации управляющих и измерительных систем на основе 'микропроцессорннх средств обусловливает потребность в аналого-цифровых преобразователях (АЦП), являющихся неотъемлемой частью таких .систем/3 :мйкрокриогенноЛ технике, интенсивно разви--. вающейся в настоящее Бремя, используются только резистивкые датчики, важявЯталг' из которых являются термометры сопротивления и тен-. зометрическио .преобразователи давления. ■ Специфика применения этих датчиков.в микрокриогенной технике предполагает:

- наложение на полезный'сигнал помех промышленной частоты;

- индивидуальность' и нелинейность^номинальных статических ха-,. рактеристик резистивних датчиков,- требующ1х обеспечить преобразование пр!фацеш1й сопротивления и формирование заданной; передаточной' характеристаш измерительного канала для.''конкретного датчика';.

- 'принятие, специальных -.. мер! по Л обеспечению ■■■независимости ■ результата преобразования,от параметров-.линии связи. .

Для АЦП приращения сопротивления в цифровой код используются . мостовые методы преобразования, сложные в реализации при работе с. •датчиками,' имеющими- Не стандартизованные характеристики < Линеаризация. характеристик путем 'формирования нелинейной.функции преобразования АШ производится .такими методам, как кусочно-линейная аппроксимация- (К1А) и сплайи-функция, которые не нашли применения в промышленных АЦП из-за значительных аппаратурных затрат. •

Ввиду того, что необходимость, в отмеченных АЦП при разработке Измерительных приборов й систем очень велика, рассматриваемая про. блема является актуальной и всжяой' народно-хозяйственной задачей, 'реиение.' которой преда смотрено комплексной научноттехнической программой ,'Ю.7,Приостановление ГКЯГ; и АН СССР от 10.11.55 £673/137).'. , - 'Целью рхзст' ..является'' '..создание' интегрирующих , функционал к-шх ^.аналого^кФрокгх-'Преобразйвателеа. сопротивления для. всей совокупности- резистивних датчиков,;прш>ншшх. в цжрокркогевной . технике. ■

Методы исследования. При теоретических исследованиях в работ© использовался математический аппарат диф|йренциального и интегрального исчисления, линейной алгебры и аналитической геометрии, теории аппроксимации функций и теории погрешностей. Основные теоретические результаты проверены экспериментально.

Научная новизна работы определяется ее основными результатами:

1. Впервые в России разработаны и исследованы ФАЦП сопротивления, позволяющие использовать в качестве первичного измерительного преобразователя любой тип резистивного датчика температуры и дав-' ления, применяемый в микрокриогенной ¡технике. :

2. Разработаны математические модели и структурные схемы ФАЦП сопротивления, позволившие создать инженерные методики расчета ФАЦП сопротивления. \ '.

3. Показано, что реализация передаточной функции ФА1Щ в виде, 'гиперболической сплайн-функции перспективна (с точки зрения минимизации аппаратурных: затрат > для линеаризации градуировочшх характеристик датчиков, описываемых полиномами не вшле 4-й степени. . *

4. Исследована возможность применения ФАЦП на основе метода КЛА для линеаризации зависимостей,. аппроксимируемых логарифмическими полиномами.

5. Получены• уравнения функционального аналого-цифрового преоб- • разования, проведен анализ погрешностей. ;

Практическая ценность результатов работы состоит в том, что:

- разработаны инженерные методики расчета САШ, обеспечивающих заданные характеристики. преобразования г >

- предложены структуры ФАЦП с алгоритмами коррекции потрешюс- , ти линейности, учитываюсь» индивидуальность характеристик датчиков без аппаратурного вмешательства в структуру при смене типа датчика в • мультиплицированной измерительной структуре.; ^ .. .! : ':' ■

Реализация результатов работ. Результаты работы использованы при разработке гаформационно-управлвдой системы комплекса "КВАЗАР -КВО", цифровых измерителей температуры ЦЙТ-1 и ЩГГ-г . успешно .эксплуатируемых в составе автоматизированных МКС; Разработан, испытан и внедрен в систему автоматического управления вакуумнкм'крио-насосом многоканальный ФАЦП, обеспечивающий обработку сигналов любого из рвзистившх датчиков, нашедших применение или перспективах для применения в современных ЫКС. V. .. . .;;.'.,•

Структурные схемы устройств и схемы отдельных узлов преобразователей защищены семнадцатью авторскими свидетельствами на изобретения, большая часть которых внедрена в созданных шдел5!ях *

(Д8=ао), то ■ значения погрешности увеличатся соответственно в Г8 п 160 раз.

Минимизация погрешности преобразования обесяечиваетсд при равных значениях ТКС резисторов R1...R4, R5...R9 и малом значении ТКС резистора Д5. Напряжения смэдишя и дрейф нуля ОУ Z)r,7W turner гга

муль-шиикатиБную, а 1)2,1)3.-на аддитивную составляющие погрешности преобразования.

Для гляимкзацшт мультипликативной составляющей погрешности преобразования необходима обеспечить выполнение условия:

А6, 0,2 О,1 О -0,1 -0,2

ш

i

а

__

-гоо -loo о 1оо е,°с

Рис.2 Расчетная зависимость ■ погрешности линейности ФД1Щ

itM

R1*P2 Р3+Ш[

где +Еп, -питающие напряжения;гл— сопротивление одного из проводов линии'связи, а л^«--сопротивление канала V' при токе Го.

Для уменьшения аддитивной составляющей.' погревщостк. оправдано применение прецизионных операционных усилителей, вштолнеиннх. по КМОП-технодогий с карманами ге-йша(например-, 140УД24).- В этом случае аддитивная ссстаатегаая погрешности, . ос'усдовоенная дрейфом Д? и РЗ при изменении ЛЭ температур« окружающей среди, не будет превышать (\5Ю,1№ (До; 10~г>0и.

' "шш.язация тешогпжтоков из окружающей среды к датчику по проводам линии связи осуществляется путем их гкполткшгя из адаягя-нинового иикропровода,. при этом сопротивление проводов лики с^язй может достигать' 10"'Ом без ухумтоахтя. метрологических характеристик.

Разработанная структура защищена "тремя . авторскими свидетельствами на изобретения.

о'. Теоретические и эксгергг-.'еятальнке асследозг;няя. двухтактного интегрирующего аптфскснг.'пруви'.его преобразования

Ф.АЦГТ с дробно-Г ""! ДО-НИ "и

Г

ITU

с IIr f. 1< ■HI тл '

Т Y- »J Ц ^ 1

•KHOi

.4.? fi.;"' Г-УД^сУ

г- ->Г Г

< ч ! Р.

пол

ЭРК'ЧГ

изменения номиналов резисторов схеш для коррекции разброса параметров датчиков. Значительная .нелинейностьполупроводниковых ■ датчиков, получивших к настоящему /времени широкое распространение, приводит к резкому сужению .диапазоне преобразования.

Комплекс проведенных автором теоретических и экспериментальных .исследований по созданию биполярны?; источников эталонного нал--тэття (БИЗН") ипрецизионных преобразователей "напряжение-ток", (ШИТ) позволил разработать и внедрить структурную схему иятегри-. ругаего ФЩ1 с функциональным преобразованием на основе метода КЛА во втором' такте -интегрирования' (рис.3)/ : • /,' _

ППКГ- питает резйстивный датчик В(б) током I», значение которого рекомендовано для каждого, конкретного, типа датчика и определяется модулем |В? | еыходного напряжения БйЭЯ. Возможность' отключения То во втором такте интегрирования значительно уменьшает разогрев датчика измерительным током.. Аналоговые ключи Б!...БЮ, /усилитель ус с доХфзренциалъными Бисоксикпедансннка- входами,; интегратор :ИЙ?'.. к нуль-орган НО . образуют структуру ■ '.двухтактного- интегрирующего преобразователя отношения напряжений в интервал. : времени с .вычитанием из входного сигнала начального значения преобразуемого' сопро- . тивления Н(&>),''.Армированного как напряжение .на конденсаторе1 С?,

ЦйФро-аналогоБый преобразователь. ЩП, .постоянное запоминающее , устройство ПЗУ и адресный счетчик ЛС являются аппаратйыш "Средет- -ваш формирования ашгооксиглдрукщей функции преобразования.'; ФДШ. • В. ходе функционального преобразования АС фиксирует-номер участка -КЛА и выдает управляитфгй код на"адресные еходы ПЗУ: ^ с -первой'1 группы выходов которого -на цифровые входа-ЦАП: поступает двоичный код, со---'отаетствуадай коэффициентам наклона участков: -КЛА. /Вторая группа • выходов ПЗУ подключена к блоку управления,для."• .идентификации' типа датчика и передачи информации о -длине, текущего -участка1 КЛА. '■

. Разработанная,математическая модель ФАЦП предполагает принятие следующих .допущений: ■ :

- идеализация аналоговых ключей, и конденсаторов; .-.••'•

- равенство модулей внхоДннх'напряжений БИЭН; :

- бесконечно большие . значения входного импеданса и-- .-'скорости' нарастания выходного-напряжения.-УС;';

- нулевое, время реакции интегратора на Еходное воздействие.

Цикл преобразования ФАЩ (рис.4) состоит из трех тактов/.

В такте (Ьа,'и корректируются аддитивные погрешности УС,/ИНТ и НО, наиболее подверженных воздействию дестабилизирующих факторов и в значительной степени определяющих метрологические характерно-

и

тики ФАЦП. При этом аналоговые ключи 56...58 открыты, что способствует образованию следящей системы из ОУ Т>1 ,д2 и УС. Систему можно представить в виде обобщенной модели операционного усилителя с коэффициентом усиления, равным произведению коэффициентов усиления частей системы. Напряжение "смещения нуля УС- рассматривается как источник напряжения, подключенный к входу системы, охваченной единичной отрицательной обратной связью. К моменту времени и , характеризующемуся завершением переходных процессов, потенциалы всех точек системы будут нулевыми» если равны нулю напряжения смещения нуля ОУ 0/,02 и УС (реально .напряжения на 02, 03 принимают ненулевые, значения, кошенсирующие,'.срответствую1цце погрешности), а напряжете на конденсаторе 01 будет определяться выражением

;/с1= -¿¡Г- ' ..

где; десятичное значение двоичного числа №» на выходах ПЗУ по нулевому адресу, а щ- число, разрядов ЦЛП. -

В такте --.(и-, и. ) открыта аналоговые ключи 31. ..53, алгебраическая. сумма напряжений на. датчике'-Я(6.)' и С1 подается на входы УС, модуль напряжения,на выходе ИНГ-, линейно возрастает и в момент вре-

мёш и становится равным. ,

■ -

и = ;-1~'\КгЕ°\К*тд) - т, (4)

ИНТ

-1- -г -1 1 Т 1

и

где ч - постоянная времени интегрирования -ИНТ, ■ м - масштабнпй коэффициент ПИНТ, К?.- коэффициент усиления УС, Д(в; - сопротивление датчика.при воздействии на него параметра 9. • Длительность такта первого интегрирования определяется периодом помехи.

В момент Бремени и начинается .такт второго интегрирования. В зависимости от знака суммы;под знаком.модуля.в. (4) открываются аналоговые кличи 37,310 или 56,59 (при отрицательном значении). На счетный вход 4е поступает импульс, обеспечивая.выборку из ПЗУ двоичного числа Ил по первому, адресу. Модуль £/инт начинает линейно уменьшаться. Дальнейший ход'процесса определяется /режимом, на который запрограммирован ФАЦП- ■•.

. Режим линейного преобразования. применяется для работы с мостовыми тензопреобразоватёляш давления, и характеризуется линейной Функцией преобразования,, которая находится из равенства

{а Гз

|лгг»|йлге,1 - —-]. 'йг = -1- ск (5)

'и £ : и

Рис.3. 'Структурная схема универсального интегрирующего ФЩ1

U» в т +

U цап

,lE

,tl__±=L

NMíiilll'

г ¡ ! . ULi ; г ; ¡ i i i ; ¡ ! i ПТПТП1гН

J LI 1П Li 1Ш L

î :\t.

!---i

J—t

1------1 11

llüiiLLiL

Г ■-t-v

я о

;■:.■ v.- Í3-

» 5 п«яем$ю«ке. Р&боту у глобального ФИГ!

г

3. A.c. ü 1518823. Биполярный источник эталонного напряжения /А.И.Щелканов! Опубл. 1989, БИ №40.

4. A.c. $ I522I84. Биполярный источник эталонного напряжения /А.И.Щелканов; Опубл. 1939, БИ М2.

5. A.c. & I5785I8. Устройство для измерения температуры /В.С.Пономарев, A.B.Брмакович, А.И.Щелканов. ; Опубл. 1990,БИ JS26.

6. A.c. 1583757. Цифровой измеритель температуры /А.И.Щелканов;- Опубл. 1990, БИ JSS9.

7. A.c. $ 1597602. Цифровой измеритель температуры /А.И.Щелканов; Опубл. 1990, БИ Ж37,. .

; 8. A.c. I673S7C. Цифровой измеритель температуры /А.И.Щелканов; Опубл. 1991, БИ JS32.

, 9. A.c. Ü I728S78. Цифровой измеритель температуры /А.И.Шелканов; Опубл. 1992, БЙ JSI5. . . . . • .

10. Щелканов А.И. Портапшннй. цифровой измеритель тешературы с платгшовшд термометром сопротивления // Техника электрических и мапштных измерений. СО. статей. - Омск, 1989.-С.83-87.

' II.:Мель S.A., Щелканов А.II.:Малогабаритный щитоеой цифровой измеритель температуры с металлическими термометрами сопротивления// Теория и практика автоматизированных измерений. Сб. статей.

- Омск,' 1990.-С. 73-84.

.":• ЛЙ. Кривой Г.С., Щелканов А.И.. Функциональный аналого-цифровой преобразователь для резмстнвных датчиков температуры и давления// Теория и практика автоматизированных измерений. Сб. статей.

- Омск, 1990.-С. 88-95.

: ;. ' 13. Щелканов А."., Траль И.Ю. Исследования схем контроля параметров МКС//; Микрокриогенная техяика-84.,'.Твз.-- докл. Всесоюзной научно-технической конференции. -Н.,1984.-С. ;75. , .

14. Щелканов А.И., Ермакович A.B. Многоточечный цифровой прибор для измерения криогенных; температур // Электротермометрия-88., Тез. докл. 6-й Всес. науч.-техн. конф. "Электрические методы и средства измерения тешературы".-Луцк, 19-38.-С. 459.

. 15. Щелканов А.И., Ермаков:?»? A.B., Пономарев B.C. Малогабаритный цифровой термометр криогенных тешэратур// Электротермомет-ряя-83. Тез. докл. 6-й Всес, науч.-техн. кокф."Электрические методы и средства измерения ч емпературы".-Луцк, 1938.-С. 460.

16. Щэлкзнов А.И., Шкулвнво В.Н. Исследования криогенных ци-фровах шмерителэй тешературы// Тез. докл. 3-Я Всесоюзной конференции молодых исследователей и конструкторов химического манино-; строения.-М. ,1981 .С. 159.

Подписано к печати 15.03.94. Формат 60x84 1/16. Бумага оТ-сетиая.Опаративный способ печати. Уч.-изд.л. I. Усл'п.л.1

-Тираж 100 экз. заказ28 ______

Родэкцяошо-издательский отдел ОмПУ. 644053. Омск,пр. Мира,11 Типография: ОмГТУ