автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Измерительный преобразователь параметров реактивных элементов в частоту на основе фазовых резонансных методов

Введение.

Глава 1. Анализ методов определения параметров реактивных элементов, пригодных к использованию в измерительных преобразователях информационно-измерительных систем.

1.1. Общие положения.

1.2. Существующие методы определения параметров реактивных элементов.

1.2.1. Методы уравновешивания.

1.2.2. Компенсационные методы уравновешивания.

1.3. Методы прямого преобразования.

1.4. Выводы.

Глава 2. Обобщенная модель измерительных преобразователей "параметр реактивного элемента-частота".

2.1. Общие положения.

2.2. Обобщенная функциональная схема.

2.3. Аналитическое представление.

2.4. Векторное представление.

2.5. Представление частотными характеристиками.

2.6. Выводы.

Глава 3. Разработка преобразователя "параметр реактивного элемента- частота" на основе предложенной модели.

3.1. Общие положения.

3.2. Выбор структуры измерительного преобразователя.

3.3. Анализ работы системы ФАПЧ в режиме измерительного преобразователя.

3.4. Выводы.

Глава 4. Способ определения параметров разнородных величин включенных в состав заземленного плеча измерительного трехполюсникат.

4.1. Общие положения.

4.2. Топологии ИТ, позволяющие определять параметры реактивного и активного сопротивлений, входящих в состав измерительной цепи.

4.3. Выводы.

Глава 5. Разработка преобразователя "параметр реактивного элемента- частота" на основе стандартной ИМС К174ХА12.

5.1. Общие положения.

5.2. Структура измерительного преобразователя.

5.3. Расчет фазового сдвига на ИТ возбуждаемом потоком прямоугольных импульсов.

5.4. Измерительный преобразователь на основе системы ФАПЧ.

5.5. Исследование преобразователя "параметр реактивного элемента- частота".

5.6. Результаты экспериментальных исследований преобразователя "емкость-частота" на основе контура ФАПЧ.

5.7. Выводы.

Глава 6. Разработка интеллектуального измерительного преобразователя параметров реактивных элементов в частоту на базе ИМС

К174ХА12.

6.1. Общие положения.

6.2. Структура преобразователя.

6.3. Измерительный блок преобразователя.

6.4. Микроконтроллерный блок преобразователя.

6.5. Выводы.

Управление технологическими процессами на производствах, а также проведение научных экспериментов и исследований неразрывно связаны с получением и обработкой информации о состоянии контролируемых объектов и среды[12,52,115].

Интенсивность и динамичность изменения параметров контролируемых объектов во времени вызывают необходимость автоматизации процессов измерений.

Средством, позволяющим автоматизировать измерительные операции, являются информационно-измерительные системы (ИИС).

В основе создания ИИС лежит представление о процессе измерения как совокупности последовательных преобразований, важнейшими из которых являются первичное преобразование и селекция измеряемых величин; функциональное преобразование измерительного сигнала в нормированный; представление измерительного сигнала в форме удобной для представления и регистрации [94,113].

Первичное восприятие и селекция измеряемых величин осуществляются в первичных измерительных преобразователях [12,52].

Измерительным преобразователем (ИП) называется устройство, представляющее собой совокупность преобразующих элементов, осуществляющих видоизменение контролируемой величины в удобный для измерения сигнал.

Использование этих преобразователей основано на связи параметров чувствительного элемента с электрофизическими параметрами контролируемой среды [15,23,35].

Как правило, именно тип чувствительного элемента и определяет выбор типа измерительного преобразователя.

Поскольку для измерения широкого класса неэлектрических величин используются емкостные и индуктивные чувствительные элементы, совершенствование и развитие ИП параметров реактивных элементов является задачей важной и актуальной [15,25,27,30,31,34,35,38,51,71, 73,77,75,81,76,85,87,88,90,94,98,105,109].

В данной, достаточно обширной, задаче может быть выделено несколько направлений, одним из которых является разработка ИП, работающих со средами , обладающими большими электрическими потерями [2,8,11,14,25,20,30,35 ,50,72,80,93,94,98].

В ряде отмеченных случаев, моделью, представляющей чувствительный элемент (ЧЭ) первичного преобразователя, является емкость, шунтируемая резистором, отражающим влияние потерь в среде [29,54,70,94,98].

Учитывая соответствие представленной модели различным объектам в нефтегазовой, химической, деревообрабатывающей, строительной промышленности, медицине, а также в научных исследованиях, развитие ИП, работающих с отмеченным типом ЧЭ, позволит способствовать решению важных народнохозяйственных задач.

В настоящее время ИП параметров реактивных элементов развиваются на базе двух основных методов -уравновешивания и прямого преобразования [12,94,118].

В отличие от методов уравновешивания, где требуется производить настройку схемы по нескольким параметрам, методы прямого преобразования, как правило, основаны на использовании лишь одного образцового элемента [1].

Среди методов прямого преобразования, ввиду высокой чувствительности и значительной помехоустойчивости, обусловленных высокими избирательными свойствами колебательных контуров, получили широкое распространение резонансные методы измерений [94].

Для определения момента выхода системы на резонанс могут применяться амплитудные и фазовые признаки [1,94,20,6,35,64,70].

В условиях больших потерь амплитудные признаки теряют свою информативность и не могут быть использованы для определения искомых величин [2].

В то же время применение фазовых признаков, формально, лишено подобного недостатка.

Кроме того, использование в резонансных методах фазовых признаков позволяет определять не только величину расстройки системы относительно резонансной частоты, но и ее направление. Это обстоятельство представляется достаточно важным при создании автоматических измерительных устройств [94].

Таким образом, развитие ИП параметров реактивных элементов на основе фазовых резонансных методов является важной и актуальной задачей, которая поставлена в качестве цели настоящей работы.

Для достижения отмеченной цели работы были поставлены следующие задачи.

1. Анализ методов определения параметров пассивных многоэлементных двухполюсников применительно к использованию в средствах контроля.

2. Анализ существующих преобразователей "параметр реактивного элемента - частота" разработка на их основе обобщенной модели и ее исследование.

3.Исследование различных топологий измерительных цепей с переменной структурой и отбор тех из них, которые позволяют обеспечить измерение нескольких разнородных элементов.

4.Разработка преобразователя "параметр реактивного элемента - частота" на основе предложенной модели.

5 .Исследование преобразователя "параметр реактивного элемента - частота", на основе интегрального контура фазовой автоподстройки частоты с целью выявления оптимальных участков работы. 6.Разработка прототипа интеллектуального датчика, предназначенного для применения в составе информационно измерительных систем.

Данные задачи были последовательно решены в шести главах настоящей диссертационной работы.

Научная новизна решений поставленных задач заключается в следующем.

1.Предложена обобщенная модель преобразователя "параметр реактивного элемента - частота".

2.Предложены аналитические соотношения , связывающие параметры измерительных цепей преобразователей на некоторых характерных частотах.

3.Предложены топологии измерительных позволяющих проводить измерения параметров разнородных элементов одним преобразователем.

4.Предложена структура преобразователя " параметр реактивного элемента - частота" на основе контура фазовой автоподстройки частоты.

5^Разработана конструкция преобразователя "параметр реактивного элемента - частота" на основе интегрального контура фазовой автоподстройки частоты, обеспечивающего 5 нарастающую выходную характеристику, проведены экспериментальные исследования.

Данные положения и выносятся автором на защиту

6.5. Выводы

В данной главе показано, что используя достаточно недорогие и распространенные компоненты, можно разработать средство измерений, пригодное для решения различных задач контроля и управления.

При этом следует отметить, что такие преимущества ИП на базе контуров ФАПЧ как электронная регулировка рабочей области преобразователя и частотный выходной сигнал делают предложенное направление развития схемотехники преобразователей достаточно перспективным для различных практических приложений.

Кроме того, следует отметить, что применение элементов коммутации, не нашедших применения в данном устройстве, позволяет с помощью предложенных в четвертой главе способов определять параметры нескольких чувствительных элементов или составляющих комплексного сопротивления.

На базе отдельных решений схемы представленного измерительного преобразователя, был разработан интегральный емкостный первичный преобразователь, выполненный в малой серии ООО "Комкон", внедренный на ОАО "Моспромжелезобетон", см. Приложение 1. Преобразователь используется для определения влажности песка в системе автоматизированного управления процессом приготовления бетонных смесей. Внешний вид преобразователя представлен на рис.6.4. Установка преобразователей на технологическом оборудовании представлена на рис.6.5. Градуировочная характеристика преобразователя представлена на рис 6.6.

Рис.б.5. Установка измерительных преобразователей на технологическом оборудовании

Влажность

С*10 (пФ)

Рис.6.6. Градуировочная характеристика емкостного измерительного преобразователя влажности строительного песка

Заключение

В ходе представленной 'работы были исследованы методы определения параметров реактивных элементов. Анализ проведенный с точки зрения применимости данных методов к использованию в измерительных преобразователях современных ИИС, показал, что одними из наиболее пригодных к использованию, в средствах измерений, являются резонансные методы, определяющие выход на резонансную частоту по особенностям фазочастотных характеристик.

Для отмеченных методов разработана обобщенная модель преобразователя параметр реактивного элемента частота. В рамках модели получены соотношения связи параметров элементов измерительных цепей ИП и отмечены возможные направления развития, реализующих эти методы, устройств.

В качестве примера реализации одного из методов определения параметров реактйвных элементов разработан преобразователь "параметр реактивного элемента- частота", на основе контура фазовой автоподстройки частоты. Преобразователь реализован как макет для исследования работы систем ФАПЧ. Показана возможность реализации предложенного типа преобразователей на основе выпускаемых промышленностью интегральных контуров фазовой автоподстройки частоты. На созданном макете впервые получена нарастающая зависимость частоты от емкости включенной в параллельный колебательный контур.

Самостоятельный интерес представляет предложенный способ определения нескольких разнородных параметров одним измерительным преобразователем. Способ основан на коммутации активного сопротивления и, формально, может быть реализован на одном кристалле специализированной микросхемы.

Часть результатов работы применена при разработке внедренного измерительного преобразователя влажности строительного песка.

В целом поставленные в работе задачи были успешно решены. Результаты работы представлены в 8 публикациях и 1-й заявке на патент.

1. Агалаков А.А. Математическое моделирование заземленных трехполюсников с резонансными структурами: Тез.докл./1 всероссийская конференции молодых ученых по математическому моделированию при МВТУ им. Баумана. -Калуга:2000.

2. Агалаков А.А., Жуган Л.И., Матвеев В.Н.

3. Бесконтактный контроль электрических изолирующих материалов методом фазовой автоподстройки частоты:

4. Тез. Докл./У1-й международной конференции "Безопасность АЭС и подготовка кадров". -Обнинск: 1999.

5. Агалаков А.А., Жуган Л.И., Матвеев В.Н.

6. Фазовый сдвиг на измерительном трехполюснике, возбуждаемом потоком импульсов произвольной скважности: Тез. докл./ VII-й Международной конференции "Безопасность АЭС и подготовка кадров".-0бнинск:2001.

7. Агалаков А.А., Жуган Л.И. Определениепараметров пассивных двухполюсников методом прямыхизмерений: Тез. докл./ 1 всероссийскаяконференция молодых ученых по математическомумоделированию при МВТУ им Баумана.-Калуга: 2000.

8. Агалаков А.А., Вернее С.И. Приоритетная справка по заявке "Преобразователь параметров реактивных элементов в частоту" №2001107681 от 21 марта 2001г.

9. Агамалов Ю.Р., Кнеллер Ю.В., Курчавое В.И.

10. Преобразователь емкости и проводимости, работающий в непрерывном диапазоне частот.1. ПиСУ.-1978, -Ш, С.21-23.

11. Агамалов Ю.Р., Кнеллер В.Ю., Десова А. А. Автоматические измерители комплексныхвеличин с координированным уравновешиванием. М.: М.: Энергия, 1975,-169с.:ил.

12. Азаркин В.А., Ковалъков В.И. Некоторые вопросы теории частотных датчиков параметров электрических цепей.//ПиСУ.-1971, -№5,С.30-35.

13. Алиев Т.М., Мелик -Шахназаров A.M., Шайн И.Л. Автокомпенсационные измерительные устройства переменного тока.-М. .Энергия, 197 7.-360с.: ил.

14. Алиев Т.М., Тер-Хачатуров А.А. Измерительная техника-М.;ВШ. ,1991.-384с. :ил.

15. Analog Device Semiconductor "A practical guide to applying I.С multipliers.-Route one industrial park.

16. P/o 280.Nordwood. massatchussets 02062

17. Андреев B.C., Беспрозванный Б.С. Бесконтактные кондуктометрические преобразователииз материалов с высокой диэлектрической проницаемостью.

18. Измерительная техника.-1969,-№3,С.51-53.

19. Андреев B.C. Кондуктометрические приборыи методы в биологии и медицине-М.: Медицина., 1973.-335.с.:ил.

20. Андреев B.C. Об электрических эквивалентныхсхемах емкостных преобразователей для измерения электропроводимости бесконтактным методом. //Измерительная техника. -1971, -№8,С.80-82.

21. Arhtur B.Williams Designers handbook of integrated circuits.-Cohherent communications Syst.Corp. Hauppage. N.Y. McGraw Hill Сотр. 1987

22. Арбузов В.П. Итерационные методы пространственного разделения каналовизмерительных цепей емкостных и индуктивных датчиков. -//ПиСУ,№10, 1997,С36-37

23. Арбузов В.П. Измерительные цепи дифференциальных емкостных датчиков. //ПиСУ.-1998,-№2,С.28-29.

24. Арбузов В.П. Измерительные цепи емкостных и индуктивных датчиков .//ПиСУ.-1996,-№5,С.33-36.

25. Атаев Д.И., Болотников В.А. Аналоговые интегральные микросхемы для бытовой радиоаппаратуры:справочник.2-е изд.-М.: изд-во МЭИ, ПКФ "Печатное дело", 1992,-240.с.:ил.

26. Артым Л.Д., Трифонов С.В. Частотные методы анализа и синтеза систем ФАП.-М.: Связь, 1976, 160с.:ил.

27. Афиногенова JI.П., Стерната М.С. Автоматическая станция КРАМС: справочник. -Л.: Гидрометеоиздат, 1974,-217.с.:ил.

28. Бахмутский В.Ф., Шляндин В.М. Универсальные цифровые измерительные приборы, современное состояние и перспективы развития.

29. ПиСУ. -1973, -№2,С. 18-23.

30. Берман Л.С. Емкостные методы исследования полупроводников. -JI.: Наука, 1972,104.с.:ил.

31. Берлинер М.А. Измерение влажности. -М. :Энергия, 1973,286.с.:ил.

32. Боровских Л.П. Преобразование параметров многоэлементных двухполюсников в активные величины. // Автоматика и телемеханика.-1973, -№1,С.161-166.

33. Боровских Л.П. Об однозначности определения параметров многоэлементных двухполюсников методом уравновешивания,

34. Автометрия. -1972, -№1, С.64-67.

35. Браго Е.Н., Мартынов Д.В., Великанов Д.Н. Комбинированный измерительный преобразователь для определения влажности в нефтяной промышленности. // ПиСУ.-1996, -№1,С.27-28.

36. Бугров А.В. Высокочастотные емкостные преобразователи и приборы контроля качества.- М.: Машиностроение, 1982,-94.с.:ил.

37. Бухгольц В.П., Тисевич Э.Г. Емкостные преобразователи в системах автоматики, контроля, управления-М.: Энергия Д 972,-80с.:ил.

38. Вагнер ЭМиллер Г., Слитор Т. Фазовый метод определения малых изменений емкостизаземленных конденсаторов

39. Приборы для научных исследований.-1990,-№4, С.77-82.

40. Варламов Р.Г. Справочник конструктора РЭА: Общие принципы конструирования. -М.:Сов.радио, 1980.-480.С. :ил.

41. Ветров В.В., Долгов Е.Н., Катушкин В.П.

42. Электронно-технические измерения при физико-химических исследованиях. -Л.: Энергия, 1971,-219.с.:ил.

43. Викторов В.А., Лунин В.Б., Савлуков А.С., Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин.-М.: Наука, 1978,-280.с.:ил.

44. Волков А.А., Гончаров Ю.Г., Козлов Г.В. Диэлектрические измерения и свойства твердых тел на частотах 1011 -1012 Гц. -М.-.Наука, 1990,-3 51 .е.: ил.

45. Гангули. Т. Компенсация внутреннего с опротивления в схемах с неоднородными и инвертированными цепями Вина. //ТИИЭР, Т 62, -№1 ,С.159-160.

46. Гнусин Н.П., Новицкий С.П. Распознавание эквивалентной трехэлементнойэлектрической схемы для границы электрод-раствор.-М.:Электрохимия, 1970,вып№3,С.299-444.

47. Граф Р. Электронные схемы: 1300 примеров:

48. Пер. с англ.-М.:Мир,1989.-688.с.:ил.

49. Гриневич Ф.Б. Автоматические мосты переменного тока. -Новосибирск: РИО СО АН СССР ,1964,-214.с.:ил.

50. Гутников B.C., Клементьев А.В., Соловьев А.Л., Кравченко Т.А. Микропроцессорный измеритель давления и температуры. //ПиСУ.-1995, -№8,С.20-25.

51. Dallas Semiconductor: System Extension Data Book.-D.S.1997

52. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические функции/пер. с англ. под ред.Семендяева.-изд.5-е-М.:Наука,1977,-244-е.

53. Деч. Г. Руководство к практическому применению оператора Лапласа./Пер с нем. под.ред. Г.А.Вольперта.-М.:Наука,1965,284с.:ил

54. Der Analog multiplicier-//Elektronik. Arbeitsblatt. N122.1979,heftl6.63-65

55. Джапаридзе Т.Д., Месхидзе Р.Н., Пруидзе В.Е. Эквивалентная электрическая схема замещения емкостного первичного преобразователя влажности сизолированными электродами. //Измерительная техника.-1975, -№5, С.77-79.

56. Дж. Коннели. Аналоговые интегральные схемы. Элементы, схемы, системы, применение./ Пер. С англ. Под ред. Бронина Б.Н -М.:Мир,1977,430.с.:ил.

57. Dietmar Muller Grundlagen und Andwendung des PLL-verfahrens nachrighten elektronik 35,1981.heft 5.187-194

58. D.Mallon Phase Lock Loop-Eine vielseiting einesetzbare technik.-//International elektronische rundshau,1972,heftlO.227-231

59. Доброе E.E., Татаринцев И.Г., Чорноус В.Н., Штамбергер Г.А. Раздельное преобразование комплексных сопротивлений. Львов.: Вища Школа,1985,-136.с.:ил.

60. Дудкевич Б.Н., Гусев В.П. Об измерении значений отдельных параметров электрических схем замещения различных сред./Сборник трудов кафедры э-м ф-та Новосибирского института инженеров водного транспорта.-1970. Вып1. С1 53-159

61. Ефтихеев Н.Н., Купершмидт Я.А., Пануловский В.Ф, Скугоров В.Н. Измерение электрических и неэлектрических величин: Учеб. Пособие для вузов. М.:Энергоатомиздат, 1990,-35 2. е.: ил.

62. Жуган Л.И., Штамбергер Г.А. Метрологические аспекты проблемы измерения параметров многоэлементных двухполюсников насинусоидальном токе.

63. Техническая электродинамика. 1989, -№1,С.97-101.

64. Жуган Л.И. Совместные измерения индуктивных сопротивлений: Автоматизация объектов Нефтяной и газовой промышленности .-Межвузовский сборник научных трудов-//Уфа,1999-189с.:ил.

65. I2C and how to use it.-//Philips. 1996

66. Иос сель Ю.Я., Кочанов Э.С., С тру некий М.Г.

67. Расчет электрической емкости.-2-е.изд., перераб. и доп. // Л.:Энергоатомиздат,1981, -288.с.:ил.

68. Капранов М.В. Автоматическая подстройка фазового набега в усилителях.-М.: Советское радио, 1972, -177.с.:ил.

69. Карандеев К.Б., Гриневич Ф.Б., Грохольский А.Л.

70. Быстродействующие компенсационно-мостовые приборы. -М.: Энергия, 197 0,-134. е.: ил.

71. Карандеев К.Б. Мостовые методы измерений . -Киев.: Техиздат УССР,1953,-246.с.:ил.

72. Карандеев К.Б., Штамбергер Г.А. Обобщенная теория мостовых цепей переменного тока.- Новосибирск: РИО СО АН СССР,1961,-222.с.:ил.

73. Каменев Л.В., Левин A.M., Митрофанов В.А., Автоматический диэ-лькометр со статическим уравновешиванием.

74. Измерительная техника. 1971, -№8,С.55-57.

75. Казаков А.В., Бугров А.В., Дудкин Н.И. Математическое моделирование и оптимальное проектирование бесконтактных кондуктометров //ПиСУ. 1976, -№4,С.33-37.

76. М.Кауфман.у А.Сидман. Практическое руководство по расчетам схем в электронике: Справочник, В 2хт.т.1 /Пер. с англ. Под ред. Ф.Н.Покровского.-М.: Энергоатом издат, 1991,-3 68. е.: ил.

77. Кнеллер В.Ю. Средства развития цепей переменного тока тенденции развития и актуальные задачи. -//ПиСУ. -1998, -№1, С.64-68.

78. Кнеллер В.Ю., Павлов A.M. Автоматические измерители и преобразователи параметров комплексных сопротивлений с микропроцессорами.

79. Измерения, контроль, автоматизация. 1980, -№11, С.10-21.

80. Кнеллер В.Ю. Автоматические измерения составляющих комплексного сопротивления.-М.: Энергия,1967,-367.с.:ил.

81. Кнеллер В.Ю. Особенности построения и возможности измерительных цепей с уравновешиванием. //ПиСУ. -1974, -№3,С.14-18.

82. Кнеллер В.Ю. Координированное уравновешивание, его особенности и возможности.1. ПиСУ. -1971,-№3,С. 15-18.

83. Кнеллер В.Ю. Особенности построения ивозможности измерительных цепей с уравновешиванием. // ПиСУ. -1975, -№4,С.18-22.

84. Кнеллер В.Ю., Боровских Л.П. Определение параметров многоэлементных двухполюсников.71