автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.05, диссертация на тему:Разработка и исследование измерительных цепей емкостных и индуктивных датчиков

РГБ 0« 2 4 ЛПР 1935

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

АРБУЗОВ Виктор Петрович

УДК 621.317.733(088.8)

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ЦЕПЕЙ ЕМКОСТНЫХ И ИНДУКТИВНЫХ ДАТЧ И КОВ

Специальность 05.11.05 — Приборы и методы измерения электрических и магнитных величин

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 1995

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации Осадчий Е. П.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Шахов Э. К.; кандидат технических наук Путилов В. Г.

Ведущее предприятие: Научно-исследовательский институт физических измерений (г. Пенза).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета по адресу: 440017, г. Пенза, ул. Красная, 40.

Защита состоится 1995 г., в 14 часов, на за-

седании диссертационного совета Д.063.18.01 Пензенского государственного технического университета по адресу: 440017, г. Пенза, ул. Красная, 40.

Диссертация в виде научного доклада разослана

1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к. т. н., доцент

Ю. М. Крысин

Азгтуялгькпгть. Современное состояние пауки и техники характеризуется широким применением датчиков, одной из составных частей которых является электрическая измерительная цепь (Щ>. Щ датчика должна обеспечивать инвариштное преобразование одного или нескольких информативных параметров параметрического преобразователя датчика <ПЭД) в реальных условиях эксплуатации.

К началу данной работа для измерения параметров ПЦЦ механических величин использовались либо ИЦ на одном операционном усилителе (ОУ), либо неуравновешенные мосты, а для преобразования ПЦЦ, представляемых двух- и трехэлементной схемой замещения применялись квазиуравновешенные измерительные цепи (КУИЦ) с ограниченными функциональными возможностями. Разработка новых конструкций и внедрение современных технологий в изготовление ПЦД, ужесточив требования к ИЦ, обусловили необходимость разработки новых структур Щ, обладающих высокой точностью и широкими функциональными возможностями. Таким образом, проблема повышения точности ИЦ датчиков механических величин и расширение функциональных возможностей КУЩ датчиков с двух- и с трехэлементной схемой за-юазэния ПЛД является актуальной.

Ргвпвятая лжя работы. Работа выполнена автором в Отраслевой научно-исследовательской лаборатории Пензенского государственного технического университета и проводилась в течение более 20 .взт в процэссе выпадюяия НИР по хоздоговорам с различными предприятиями страны. Все ИЦ, прэдетавлэшые в данной работе, защищены авторскими сввдэга»ствг?.щ, а результаты их исследований опубликованы.

Пздъ, работа- Разработка и исследование ИЦ емкостных и индуктивных датчиков, обладающих широкими функциональными возможностями н высокими кетрологнческшк характеристиками.

Запячц идслэдо^яиз, Для достдазния поставленной цели необходимо было решить следуюодо задачи: синтез обобщенных КУЩ датчиков с двух- и с трехэлементной схемой замещения ЩЦ, обеспечивающих измерения как в ренше заданного напряюяия,' так и в режима заданного через ППД тока; разработка ИЦ емкостных и индуктивных ' датчиков механических величин с высокими метрологическими характеристиками.

Методы исплодовяяий базируются на классической теории электрических цепей, теории графов, теории погрешностей и на струк-

турных методах повышения точности. Оснобеь® теоретические еыводу подтверждены экспериментальными исследованиями макетных и опытных образцов Щ.

ряучняя новизна.

1. Предложены способы преобразования параметров емкостных и индуктивных ППД, представляемых двух- и трехэлементной схемой замещения, и синтезированы обобщенные КУЩ датчиков с двух- и с трехэлементной схемой замещения ШЩ, обеспечиващкэ измерение параметров ППД как в режиме заданного тока, так и в режиме заданного напряжения.

2. Предложены способы повышения точности измерения параметров ППД, на основе которых разработаны ИЦ датчиков механических веди-чин, обеспечивающие исклзочение методической погрешности.и влияние емкости кабельной перемычки, коррекция инструментальной погрешности и погрешности, вызванной изменением температуры 1ВД.

3. Проведенные исследования показали, что в КУКЦ возможно установление экстремального состояния квазиравновесия.

4. Разработана методика проектирования КУИЦ с заданными техническими характеристиками.

Достоверность научных,. .ггсушоттей выводов и практических рекомендаций подгвервдзна расчетами, совпадением результатов теоретических и экспериментальных нсовздований и внедрением разработанных ИЦ в промышленность.

Реализация и ваедреаиа .розудтатоз работы* Результата работы в виде приборов и Щ датчиков внедрены на следующих предприятиях: п/я. А-7445, НИЮЮШМАШ (г. Пенза), П5 ВШТИприЗор (г. Пенза), п/я. А-1891, ИП ТексСтар (г. Пенза), ШШФИ (г. Пэнза), кооператив Меланж (г. Пенза), п/я.Г-4725, ОКБ Феррит (г. Воронеж).

Практическая пентюстк состоит в той, что полученные результаты могут быть использованы для создания: группозых ункфивдрован-ных преобразователей параметров ПЕЩ, представляемых дзух- и трехэлементной схемой замещения; системы автоматизированного проектирования КУШ датчиков; ИЦ, шдшшчгемых к ППД кабельной перемычкой различной длины; ИЦ емкостных датчиков, работающих в условиях воздействия высоких температур на ПЦД.

^пробящя работы. Основные положения и результаты докладывались и обсуждались на Всесоюзных и республиканских научно-технических конференциях: "Структурные катода повышения точности, быс-

4

гродействия и чувствительности измерительных у свойств и систем" (Киев, 1972, 1981 г.г.); "Применение информационно-измерительных зистем при эксплуатации авиационной техники" (Киев, 1979 г.): "Измерительны© информационные системы. ИИС-87"(Ташкент, 1987 г.); "Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления" (Пенза, 1986, 1939, 1992, 1994 г.г.): "Методы и средства тензометрии и их применение в народном хозяйстве. Гензометрия-89" (Свердловск, 1989 г.); "Проблемы теории чувствительности измерительных датчиков, электронных и электромеханических систем" (Владимир, 1989 г.) и семинарах: "Вопросы теории и проектирования преобразователей параметров электрических сигналов и цепей" (Ульяновск, 1978 г.); "Метода и технические средства улучшения характеристик устройств для преобразования не электрических величин" < Севастополь, 1980 г.); "Измерение перемещений в динамическом режиме "(Каунас, 1987 г.); "САПР в машиностроении" {Ульяновск.1990 г.); "Методы и средства измерений механических параметров в системах контроля и управления"(Пенза, 1983, 1990, 1991 г.г.).

.Уичтгй вютял. Основная часть теоретических исследований и практических разработок выполнены автором самостоятельно во время работы в ПГТУ. Определяющим является вклад автора в исследовании и в разработке больгнтаства Щ, приведенных в докладе.

РуПлугкяттии. По результатам выполненных исследований опубликовано 71 работа, в том числе 29 авторских свидетельств СССР на изобретения.

На защиту выносятся: способы преобразования, методика проектирования и измерительные цепи емкостных и индуктивны* датчиков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Дведйнкэ . Щ датчика является одной из вахнейпш. частей его структурной схемы, обеспечивающей преобразование выходной пассивной электрической величины ПДД,_ функционально связанной с измеряемой неэлектрической величиной, в электрическую величину. Являясь составной частью датчика, ИЦ находится либо в зоне действия измеряемой величины в одном корпус© с ППД, либо на некотором взсстсг-шш от ППД и соединена с им кабальной перемычкой. Поэтому структурная схема ИЦ должна обеспечивать инвариантность результата измерения как к 'дестабилизирующим факторам, воздейст-

5

вующим на ИЦ, так и к параметрам кабельной горамычки. Друга-: особенность ИЦ заключается в том, что она долхва обесточивать преобразование только тех параметров схеш замещения ШД, функ-шональная связь которых с исследуемым процессом позволит, обработав выходные сигналы Щ, получить результат измерения,заз:!.спщй1 только от измеряемой величины. Существующие «Д емкостных датта-ков механических величин ( давления, перемещения, ускорения и т.д.) измеряют параметры ПГЩ по одноэлементной схеме замещения, а в индуктивных датчиках ИЦ измеряет только один параметр ПГЩ по двухэлементной схеме замещения. В датчиках концентрации, влажности, солености и т.д. схема замещения ГЩ является сложной, а параметры ППД измеряются, в основном, по одноэлементной и, в лучшем случае, по двухэлементной схеме замещения. Даш переход от двух- к трехэлементной схеме замещения позволит значительно уменьшить методическую погрешность. Кроме этого, ИЦ датчика должна иметь низкую инструментальную погрешность.

Разработка и исследование КУЩ датчиков с дзух- и с трехэлементной схемой замещения ПОД.

Схему замещения большинства ППД датчиков концзнграции, влажности, солености и т.д. можно представить в ввдэ двухэлементного нерезонансного двухполюсника (ШД) или в виде трехэлементного нерезонансного двухполюсника (ТНД). Поэтому в таких случаях задача измерения параметров ПЦД сводится к раздельному измерению параметров ДНД ши ТЦД. Этому требованию отвечают КУИЦ с компенсацией напряжения, для которых методика проектирования до начала работы автора отсутствовала. Наличие промежуточных преобразований активных величин в КУЩ с компенсацией напряжения позволяет выполнить измерение параметров ППД в режиме заданного напряжения или в режима заданного тока через ППД, имеющего, как правило, нелинейную вольтфарадную или веберампэрную характеристику.

КУШ датчиков п двухэлементной схецоа аямзюения ППП. В обобщенных параметрах комплексное сопротавлзша <КС) или кожгкхсная проводимость (КП) ДНД независимо от схэ:дл соодкеонг-я его сгт.'ет]-тов описываются выражением [1]

Вх>у = Р4 + (3»)"» Р2, где Р3»Р2 - параметры элементов ДНД: п - коэффициент, отражающий

6

поогэлователъноэ (п=-1) пхя параишъноз (п=1) соединение элементов ЛНД: в - коэффициент, характеризующий индуктивный (т=-1> или емкостной (ш=1) характер Р2. Включением ППД в цепь отрицательной обратной связи ОУ автоматически обеспечивается либо режим заданного наряжения, либо режим заданного тока через ПДД в зависимости от места его включения, при этом выходное напряжение усилителя, пропорциональное КС (КП). ППД имеет вид:

иу - и0{[?1+ (^)па Р2]/Р0)1.

где й0 -входное напряженка ОУ; Р0 - КС (КП) образцовой меры с параметрами ?01,Р02' 1=:!:1 коэффициент, отражающий прямо пропорциональное (ПП) или обратно пропорциональное преобразование (ОП) "Вху- б". в результате анализа выражения* для выходного напряжения усилителя разработан способ преобразования параметров КС (КП) ЛНД [2], заключающийся в том, что напряжение ивх у,прямо пропорциональное Вх , раскл^льваэт на синфазную и квадратурную составляющие относительно напряжения йр0, прямо пропорционального Р0, причем отношения подученных составляющих к йр0 прямо пропорциональны измеряемым параметрам ДНД, т.е.

= ^йЛКс.У^О " Р2 = (ЧЛ.у)^'

На основе предложенного способа автором разработана КУЩ с компенсацией напряжения, обобщенный граф которой изображен на Рис.1 13]. Исследование выражения для сигнала разбаланса КУЩ с кс?лпенсац}!ей напряжения

= " Йо< Вх,у / Р0)1К4 * й0Кз показало, что в КУЩ возможны четыре состояния квазиравновесия: = О' и йецои1 = 0; Ь,)!^ = 0 и Не,)й1 = О,

а такие экстремальное состояние квазиравновесия [41: •

(Э|й|/<ЗК = о,

причем дая измерения параметров Р1 и Р2 следует выполнил. необходимое и Рис.1 достаточное условия. Первое

из них (необходимое) предъявляет требования к ¿^(¿3) в зависк мости от Р01 и ?02 и ©го выполнение является достаточным тольк для установления состояния квазиравновесия. Сущность второг (достаточного) условия состоит в том, что оно конкретизирует а; гумент ¿з (К4) для обеспечения прямо пропорциональной зависимо: ста между выходными величинами КУИЦ и измеряемыми параметрами ПП, Результаты исследования КУИЦ приведены в £3]. где указан: необходимые и достаточные условия раздельного измерения и обобщенные функции преобразования. В процессе уравновешивания узел < регулируемым коэффициентом передачи может находиться на одном и; участков КУЩ(К1-К4). В табл.1 сведены результаты анализа функци-циональных возможностей разработанной КУЩ с комгонсацией напряжения в зависимости от места расположения регулируемого коэффициента передачи, откуда видно, что КУИЦ с компенсацией напряжен!« позволяет измерить любые два параметра ДЦД независимо от схемь соединения элементов и энергетического режима измерения.

Таблица 1

Регулируемый коэффициент передачи Преобразуемые параметра

ПП "Вх>у —» и« оп "Вх у — и"

»1 Ох ¿х

■ V

*з

К4 V- Ох «5х р • р Г1 » 2

Построение конкретных КУИЦ заключается в детализации обобщенного графа и в переходе от детализированного графа к функциональной схеме. На основе обобщенного графа синтезирована груша КУЩ [2-6]. Щ [53 положена в основу устройства АМЦ 1531 для измерения и регистрации вольтфарадных характеристик полупроводниковых структур , измеряющего емкость полупроводниковой структуры в диапазоне от 3 пФ до 3000 тЗ. с погрешностью Зй на двух частотах тест-сигнала: 1мГц и 80 Гц.

Тх" у можно представить в виде суммы 1/Вх и сопротивления (проводимости) В элемента Р3 (В = Р3), включенного псаладова-

тельно (параллельно) ДЩ! [1]

-за пп -1

Тх.У = Л + 1/[?1 + Р2]'

где з - коэффициент, отражающий индуктивный (з=-1 >, активный . (з=0) и емкостной (з=1) характер Р3. Сущность измерения параметров ТНД заключается в том, что первоначально „ и Р„ прзобразу-

I л , и "

от в пропорциональные км активные величины (Лт и Ар), связанные

соотношением: ... . . ,

= Ар[(В + 1/Вх у)/Р031 .

Затем раскладывает" Ат на две активные величин.!. которые должны быть пропорциональны В и 1/Вх у. После этого активную ве-' личину, пропорциональную 1/Вх (/. раскладывает? на две квадратурные составляющие, одна из которых не будет зависеть от частоты только при правильном определении активных величин, пропорциональных В и 1/Вх . Перечисленные операции положены в основу разработанного автором способа преобразования параметров ТНД [7], на основе которого синтезирован обобщенный граф КУЩ [8], изображенный на рис.2. Сигнал разбаланса КУИЦ описывается выражением

К = - V ' ^о >ьМз+ V ч* + К >•

анализ которого показал, что для раздельного измерения параметров ТНД в КУИЦ- необходимо установить одновременно два состояния квазиравновесия. Первое: - 0 или 1а^/и, - 0 или й|А^|/с1К3 = О I! второе: сЖд/с1<л> = О или сКб/сЫ = 0 Исследование условия раздельного измерен™ показали, что они определяются полученными ране© необходимыми и достаточными условиями измерения параметров ДЩ при замене в них индексов коэффициентов передачи.

в-.с.г - - -

Функции преобразования параметров ТНД приведены в табл.2, из

которой видно» ^го раараЗоташая 1ШЩ обасшчнааэт изшрэнка трз: параметров. Если одаа из параметров схекы замещения Ш1Д известен то КУИЦ долша измерять только два параметра ППД. 33ая вид извес тного параметра ППД, по табл. 2 выбирается соответствуюда этогя; параметру коэффициент передачи, а по значению известного парамэт ра определяется значение выбранного коэффшдента, причем в КУЙ будет устанавливаться только одно (первое) состояакэ квазиравновесия [91.

Таблица 2

Состояние шрвого кв.равнов. Б Функции преобразования

р2 р гз

кеяа = о Б=0 из ~ ксрор1 рэ v-/

3=т г к6р0р4 А1 = к6?0р2

1иаа = 0 3=0 к г = кар1 К3=(3<<))1"ш К6р0р2

Б=а Ау — - кбро?г а,

На основе обобщенного гргфа синтезировала группа КШ [7-181, причем КЭОД 111,121 разработана для измерения параметров Т0ЕК0ШЮН0ЧНЫ2 шгретокоБЩ ППД. КУЩ солемера обеспечивает измерение с погрешностью 1% вЕфориагаваого парагшра (й,) бесконтактного ППД по трехэлементной схека зезашаеизя {Н^кОа-ШСа, С2=<25-50)пФ„ С3=1рСОгт5) 1173, а 1ШЩ Езмерятедя солесодериа-ния товарной нефти ИСН-2'преобразует два информативных параметрг ППД(Н1,С1) по трехэлементной схеш замещения. При ¡^=(0,5-10)к0м, С2=<25-50) С3=200 I© погрешость измерения нэ превыош 1,5%,-*что значительно ни®, чем у его пр&даественника лСН-1 118].

Наследование .погрешности КУШ емкостаьв, я ивдкгшпд. датчиков*. В результате анализа топологии КУЩ определены основные составляющие погрешности 1193: погрешность от нестабильности образцовых мер и амплитуда энергетического воздействия на ШЗД; погрешность от неполного уравновешивания КУЩ; погрешость, обусловзен-

язя конечным значением Ку ОТ КУИЦ; погрешность от невдеальности уравновешиваодих элементов.

Под неполным уравновешиванием понимается неточное установление состояния квазиравновесия ( Аф), принципиально необходимое для формирования регулирующего воздействия при уравновешивании КУИЦ. На основа условий квазиравновесия, учитывающих Аф Е203, получено, что погрешность преобразования по основному параметру равна А<р2/2 и нэ превышает 0,02% при ¿<р = 1град. В результате исследования КУЩ с экстремальным регулированием автором получены соотношения между порогом чувствительности экстремум-детектора 1Ьа и А<р, в соответствии с которыми для обеспечения одинаковой точности при и»д, равным 1мВ, Аср должен быть равен 1 град.[4].

Исследований погрешности, вносимой конечным значением Ку ОУ, проведанное по известной методике,, показало, что погрешность преобразования определяется значенном Ку на частоте тест-сигнала и глубиной обратной связи ОУ по измеряемому параметру 1211. Повысить точность можно, применив для преобразования КС (КП) ППД в напряжение итерационный преобразователь.

Анализ погрешности от невдеальности уравновешивающего элемента показал, что точность КУЩ определяется фазовым сдвигом уравновешивающего элемента ф^ и t©^xt а погрешность равна <Руэгз5х, причем при даМерзнциальном включении оптронов или полэвьгх транзисторов не превышает 4,5/Ку радиан [221.

ния позволили создать математическое обеспечение синтеза КУЩ датчиков, положенное в основу методики проектирования [231. Целью методики является синтез КУИЦ с заданными функциональными возможностями и техническими характеристиками. На первом этапе осуществляется пэреход от общепринятой Форш записи параметров схемы замещения ППД к обобщенным параметрам. На следующем этапе по заданному энергетическому режиму измерения выбирается место подключения ПЦЦ. Затем в зависимости от выбранного ранее места подключения ПЦД, от требуемьш в техническом задании выходных величин ( активные, пассивные, прямо или обратно пропорциональные измерявши параметрам > по соотштсггеущзй тг&шцэ определяется тот расположения уравдошшзгжгэго элмюнга в КУИЦ. На четвертом этгпэ по частоте тест-сигнала выбирается ввд состояния квашфсз-новасия (компонентное или экстремальное) и тем самым определяется

Проведанные автором исследова-

детектор хвазиравновесия ( фазочувсггаительный индикатор пл.; экстремум-детектор ). После этого в зависимости ст вяда основного параметра схемы замещения ППД выбирается евд обра^цоьоя кер:л ( емкостная, индуктивная, резистивная ). Следующий этгл посвадн компенсации нендеальвости параметров образцового элемента. Исходя из определенных ранее места подключения ППД, состояния ::ваз;:р£Е-новесия и вида образцовой меры. определяется ко сто подк-^чегая б КУЩ и коэффициент передачи корректирующего звена. На основе проведенных ранее операций осуществляется переход от обобщенного к детализированному графу. По детализированному графу строится функциональная схема проектируемой КУКЦ датчика. Затем в зависимости от требуемой точности измерения и соотношения значений измеряемых параметров ПГЩ определяются требования к погрешности узлов КУИЦ.

Примеры синтеза КУИЦ датчикоз по описанной методике приведены в [3,81.

На основе изложенной методики разработана система автомати-зированного'проектирования [24,25], позволяющая получить в соответствии с техническим заданием черте?.! сгекы электрической функциональной и требования к узлам КУЩ.

Коррекция погрешностей измерительных цешй и параметрических преобразователей датчиков с одно- и с двухэлементной схемой

закепзения.

Умзяьтениэ нэтошчаскоя погрело сти томорзтальнут тгепеа ям-костныт и цнпукт'.тчмт тятчтюп. В мостовья неуравновешенных Щ индуктивных датчиков методическая погрешность обусловлена изменением активной составляющей КС катушек индуктивности ППД как при изменении измеряемой величины, так и при изменении частоты питающего напряжения и температуры ППД [263, поскольку выходной слгкал ИЦ пропорционален разности КС кгтугек инд^гпшнссти ППД. -г*.информативным параметром является разность 1шцугстшнос7зй. Известные способы коррекции указгоноп г.огр-лнсст:: пэзл^яст несколько укепкшггъ ее» но не шслзчзгъ поесстьз,

иг цутеп логрс^^стя

является рззд&ль2Ы1 отсчет ицдуягкзкоэтс:: каго^^ ТТЛ г^^сдстзон выделения падения нацряазяЕа на Е2Д?:с:2£гогтйз цр^ с.~озро-

12

::з-.:сЯ стабилис-а^кл тока, текущего через катушки индуктивно стел датчика [26]. По такого принц-лу азторсм разработаны ЯЦ дафферэнциадьньп этлуктивпых ддткхсв, преобразующие развесгь ;:лд^<тиЕностей катуцек независимо от значения их сопротивлэ;шй а частоту [27,26] ч в период выходного напряжения генератора "4Ц [293» а их практическая реализация позволила получить в Щ дэдхерешдаального индуктивного датчика перемещения погрешность менее 0,2 % [30]. Погрешность дафферешдаально-трансформаторнсго датчика, ИЦ которого построена в соответствии с указанным принципом, не Ерс-глзсилала 0,3 a при гранении сспротавлониа сб:'.оток от 100 до 150 См. 1313.

Информативным параметром емкостных ППД является относительное изменение значения емкостей опорного (С.,) и рабочего <С2> конденсаторов ППЯ (С3- Сг)/С3[32]. Однако существующие >Щ еакост-гих датчиков ссуцгэствлякгг преобразование на переменном токе только отношения емкостей (Ct/C2). а последующие преобразования полученного сигнала осуществляются на постоянном токе с неизбежной погрешностью, обусловленной дрейфа нуля ОУ. Преобразована . же eso информативного п&рататра емкостного ППД на переменном токе позволит значительно укеныг.яъ погрлшость, вызванную игмене-гязи те»*ператури Щ.

С этой целью автором предяожепо в сущзствуккцих Щ пэренеста :санад с единичным коэффициентом передачи и сумматор кз цэпи, работающей на постоянном токе, в цепь, работающую на переданном токе. Преобразование <С4- С2)/С2 емкостного бесконтактного ППД толщины диэлектрических материалов, икенно на шремеином токе Í33], позволило при изменении толщены оргстекла от 0,5 до 4 :at. получил» погрешность кенее 0,5 % Í321.

Уманыпетте инструментальной погрешности МП структурными ~е-тшша». В тех случаях, когда кпЗюрмативнъм параметром ПЦД является КС Zx. одним из путей коррекции инструментально а погрешности МЦ, обусловленной конечным значением Kv 07, являвтся пркмененш этергаг'.оняьп: яетодов повышения точности.

Иродлске-.о -.кменять в игзестаа -слолн.фхк их

Гчта: oj-sícrpKnecKirwi медалями, при этом сущность способа повышения точности 134 j зах/зоч-'йтся в замене доио^ггельных тико..-., так.-шкм чере:з ЯС, включенное в последний корректируккий яаяа«. Лд р-дс.З пршюлемн функциональная схема .тз/пегаялалс-л КЦ

работаавдэй по итерационному алгоритму, где У1- основной, а У2-корректирукщий усилители. Выделение тока, текущэго через 'ZK, осуществляется трансформатором Т. В общем случае погрешность преобразования КС <КП) в напрдаэниэ описывается вырайикиам

Tsl/XVjPjPlKv , t«a

где n-количество каналов, р, - коэффициент обратной связи, а ее значение меньше чем для известных устройств, вследствие того, что значение тока, поступаодрго на оба канала, связано только с ош5-кой корректирующего канала е2. Дальнейшее развитие рассмотренной ИЦ заключалось в исследовании инструментальной погрешности ВД с электронным устройство»! выделения тока [361.

Уменьшений влияния емкости кабельной перемычки на результат ипмдрания. в ИЦ, работающих на частотах до 100 кГц, схема замещения кабельной перемычки представляет собой сосредоточенную емкость Ск 1371. Изменение длины кабельной перемычки приводит к возникновению погрешности, обусловленной изменением емкости, шун-Пфующей входную цепь ОУ ИЦ. Для исключения влияния Ск на результат измерения наиболее перспективны!*! является применение методов временного разданная каналов. Поочередное пэрэклхтэнкэ каналов позволило уменьшить погрешность, но нз исключить ее полностью, поскольку значения коэффициентов обратной связи ОУ в каждом из тактов преобразования не равны гсзаду собой.

Переход от традиционного разделения каналов к разделению посредством сдвига фазы напряжения в одном из каналов по отношению к другому позволил обеспечить одинаковые условия преобразования рабочей и опорной емкостей ПГЩ в напряжение, а следовательно, и полностью исключить погрешность, обусловленную Ск. Автором предложен способ повышения точности преобразования С,/С2 в частоту, заключающийся в том. что в Щ изменением частота генератора устанавливают равенство переданных по одному и тому каналу, но разделенных во времени, квадратурных сигналов, один из которых зависит от измеряемой емкости и частота, а другой -от спорной ежости. На рис. 4- приведена функциональная схема ИЦ 138,351]. реализующая предложенный способ. Частота генератора пропорциональна Сл/С2 и не зависит от значения С*

Гвых- (l/ZfRCJCj/Cg. ;

-МШ • i

и&ых -0

Рис.3

г

т

JêtdX

I—7-1

I Ci I

+Hh i

! Cz

Ш) -4HI-

I_____

I

Ca

Hb

*r\

У,

кт

cm

1 _L

Puc.*t

CC

Рис. 5

Разделанио каналов в рассматриваемой ИЦ обеспечивается, во-первых. сдвигом фазы на 90 град, напряжения , поступающего на С2, относительно напряжения, подаваемого на С,, и, во-вторых, выделением информации о С, и С2 из выходного напряжения ОУ синфазным к квадратурным фазочувствительным выпрямителями СФЧЗ ¡г КФЧВ, и не нарушает равенства коэффициентов обратной связи ОУ как при изменении С2, так и при измзнетт С*. Практическая реализация ИЦ показала, что при С, 3 пФ, С2= (3-Ь) гй>, С* = (100-1000) пФ псгроЕность измерения коньшэ 0,1 % в диапазоне изменения температуру КЦ от 20 до 80 град.[40].

чпского преобразователя. Преобразование отношения емкостей С1/С2, ра^полошнньс в одном корпусе, позволяет осуществить мультипли-1;^па.1ую коррекцию температурной погрешности 1ШД при его температуре до 200 град, вследствие равенства ТКЕ С1 и С2. При более бусоккх температурах ТКЕ С4 к С2 отличается и, наряду с мульти-гшй:апшной коррекцией, ИЦ долина выполнять аддитивную коррекцию кзхенуйия как С,, тазе и С2.

«ьтором предложен способ повышения точности, сущность которого состоит в ток, что для обеспечения аддитивной коррекции ти^порстурной погрешности ПГЩ в него вводится 'терчозависимая емкость, составляющая вместо с рабочей и опорной емкостями цзпь отрлцзгальной обратной селзи ОУ. при этом на термозависимую еи::эстъ подается проинвертироЕанная сумма падений напряжения на рабочей и опорной емкостях.0 На рис.5 приведена реализация прод-лс::;а1.ного способа [41], гдэ аддитивная коррекция осуществляется кодкддачвшюм термозависимой емкости С^ ' через сумма- :>р, выпаг-юкньй на усилителе У1, параллельно как С1, так и С2. Выра-шн»;о для выходного напряжения имеет вид:

иВых= и0(С,- сгвэ/н1>/<с2- с^/ту.

Компенсация изменения значений С1 и С2, обусловленных измзне-ш'зм температуры ППД, достигается изменением резисторов и й2. Выполнение условий настройки: И, = ИдС^/а, и Н2 =

ТКЕ С1,С2'и С^. при температуре более 200 град.) позволяет значительно скорректировать температурную погрешность ППД и расширить температурный диапазон работы датчика.

Ссвсвагэ результаты работы:

1. Предложены способы преобразования параметров ППД с дэух-с трехэлементно»! схемой замещения, позволяющие осуществить указанные измерения как в режиме заданного напряжения, так и в рэш-мз'заданного тс:са черва ППД независимо от его схемы замещения.

2. Прэдхс«^2)1 способы повышения точности измерения параметров ППД, обеспечиваю®®: коррекция температурной погрешности емкостных параметрических преобразователей; исключение влияния емкости кабельной перемычки па результат измерения; коррекцию инструментальной погрешности, обусловленной конечным значением Ку СУ Щ.

3. Разработаны обобщенные структуры КУЩ ППД с двух- и с трехэлементной схемой замещения.

4. Разработаны Щ емкостных и индуктивных датчиков механических величин, обеспечивающие исключение методической погрепгаос-'та и влияния кабельной перемычки, коррекцию инструментальной погрешности и погрешности, вызванной изменением температура! ППД.

5. Предложенная автором формализованная запись КС (ЮТ) ДНД и ТЦЦ позволила получить в обдам виде выражения для необходимого и достаточного условий раздельного измерения и для функций преобразования независимо от схемы соединения элементов схемы замещения ПОД.

6. Проведенные автором исследования показали, что в КУЩ возможно экстремальное состояние квазиравновесия, применение которого позволяет уменьшить погрешность от неполного уравновешивания КУЩ на высоких частотах тест-сигнала.

7. Определены основные составляющие результирующей погрешности КУЩ, получены их функциональные зависимости от измеряемых параметров и указаны пути их уменьшения.

8. Разработала методика проектирования КУЩ, позволяющая синтезировать функциональные схемы ИЦ датчиков с двух- и с трехэлементной схемой замещения ППД, удовлетвергаердш тохаотзсксму задания на проектирование.

9. При непосредственном участии автора разработаны и внедрены иззйерительлио цепи, зходящио а состав; ¡.пзлвршелей салесолер-аания воды и товарной нефти с трехэлементной схемой заменили ПдД; устрсДстза ¿¿Щ 153) для изяврения (ш даутале^готнол стс?,^

замещения) и регистрации вольтфараиных характеристик полупрозод никовых структур; неохлаждаемого высокотемпературного емкостног датчика давления; емкостного датчика избыточного давления дя текстильных машин; емкостного микроманометра с мальм потребление энергии; индуктивного датчика угловых микрогоремеиаэний; емкости о го анероидного датчика абсолютного давления; емкостного датчизс. силы весоизмерительного устройства.

Содержанка доклада излозазно в слздушда основных публикациях:

1. Арбузов В.П. Формализованная запись нммитанса датчика представляемого двух- и трехэлементной схемой замещения // Датчп ки систем измерения, контроля и управления: Межвуз. сб. науч. тр,

- Пенза: Пенз. политехи, ин-т, 1987. - Вып.7.- с.38-43.

2. A.c. 523365 СССР. Способ преобразования параметров ком-пдзксных сопротивлений / В.П. Арбузов, С.М. ФельдЗерг, H.H. Чер-кецоз. - Бюл. # 28, 1976. - Зс.

3. Арбузов В.П., Осадчий Е.П. Преобразователи параметрох пассивных комплексных величин с компенсацией напряжения // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 1981, том XXII, а 12. - с.3-8.

4. Арбузов В.П. Экстремальное регулирование в квазиуравно-воэенных измерительных цепях // Проблемы теории чувствительности измерительных датчиков, электронных и электромеханических систем:

докл. Всесоюз. науч.- техн. конф.: В 2ч. - М., 1989. -4.1.

- с.9-3.

5. A.c. 525897 СССР. Преобразователь параметров комплексной проводимости / В.П. Арбузов, С.Ы. йельдберг. К.Н. Чернецов.

- Внедренные изобретения. Библиографическая информация ВНШПИ, Москва, 1981, № 1(69). - с.106; Бюл. » 31, 1976.- Зс.

6. Арбузов В.П. Преобразователь параметров датчиков, представляемых двухэлементными схемами замещения // Датчики систем измерения, контроля и управления: Ыежвуз. сб. науч. тр. --Еенза: Шнз. политехи, ин-т,. 1984.- Вып.4,- с.111-114.

7. A.c. 1647450 СССР. Способ преобразования параметров трехэлементных двухполюсников / В.П. Арбузов.- Бюл.. ii 28, 1991.

- 4с.

8. Арбузов В.П. Преобразователи информативных пар/жэтроа трехэлементных двухполюсников // Вопросы теории и проектиг::БапКя

.-"залоговых измеритз.сьных преобразователя: Межвуз. сб. науч. тр.-:1з.ц-во Сарат. ун-та. 1983. - Вип.З. - с.72-80.

9. Осадчия E.H., Арбузов З.П. Преобразователи информативнее параметров датчиков с трехэлементной схемой замещения // Применение таформационно-измеретгельных систем при эксплуатации авиационной техники: Тез. докл. Республ. науч.- техн. конф. - Кдав, 1979. - с.54.

10. A.c. 1576371 СССР. Преобразователь параметров тротэлементных нерезонансньа пассивных двухполюсников / В.П.Арбузов, Е.П.Осадчий, С.Н.Фидяпжин.- Еал.'Л 25, 1990.- 4с.

11. A.c. 1562838 СССР. Геройство для электромагнитного контроля / В.П. Арбузов, В.П. Маланин, Д.В. Марченко, В.А.Ф'/льчи-хов.- Бюл. № 17, 1990. - Зс.

12. A.c. 1677606 СССР. .Устройство для алзктромапнггнего контроля / В.П. Арбузов, О.Г. Балашов, В.П. Маланин, Д.В. Марченко. - Бюл. К 34, 1991. - Зс.

13. A.c. 1177769 СССР. Преобразователь параметров трехэлементных нерезонансЕЫх двухполюсников / В.П. Арбузов, Д.В. Марченко, В.В. Холястов. - Бал. 33, 1985. - Зс.

14. A.c. 1155960 СССР. Преобразователь параметров пассивных нерезонансных двухполюсников / В.П. Арбузов, Д.В.Марченко, Е.П.Осадчий, А.И.Герасимов. - Бюл. й 18, 1985.- 4с.

15. A.c. 1670624 СССР. Квазиуравновекенный преобразователь параметров трехэлементных резонансных пассивных двухполюсников / В.П. Арбузов. - Еюд. * 30, 1991. - 4с.

16. A.c. 1576872 СССР. Преобразователь параметров трехэлементных резонансных двухполюсников / В.П.Арбузов. - Бюл.» 25, 1990. - 4с.

17. Арбузов В.П., Марггиросов З.А., Мелик-Саакян O.K. и др. Преобразователь параметров измерительной ячейки солемера в напряжение // Обработка информации в автоматических системах: Межвуз. сб. науч. тр.- Рязань: Рязанский радиотехн. -лн-т, 1975. - Вып.2. - с.213-217.

18. Арбузоз В.П., Маланин З.П., Грачев Л.Г. я др. I*?"*?-¡гетадъ солесорврианзд товарной нефти ч нефтепродуктов ИСН-1 // тЛнформацион;^'Л листок о паучяо-техтш^гаоч достигши: Сару_я P61.51.17,- Пэчза, 1S86, №86-5.

19. Арбузов в,П. Анализ готтешост<Ж преобразования

ров коишэкснье величин с ло,лууравновешенной измерительной цзпъа //Вопросы теории и проектирования аналоговых измерительных преобразователей параметров электрических сигналов и цепег;: Тез. дом. Все сою. семинара. - Ульяновск, 1978. - с.26-27.

20. Арбузов В.П., Фельдберг С.М., Чернецов H.H. Исследование влияния погрешности фазочувстайтелъвого индикатора на точность преобразования параметров комплексных величин // Цифровая информационно-измерительная техника: Межвуз. сб. науч. тр.- Пенза: Шнз. политехи, ие-т, 1978.- Вып.8 - с. 121-125.

21. Арбузов В.П., Фельдберг С.М., Чернецов К.Н. Исследование влияния коэффициента усиления операционного усилителя на погрешность преобразования параметров пассивных комплексных величин // Устройства и системы автоматизированной обработки информации: Межвуз. сб. науч. тр. - Пенза: Пенз. политехи, ин-т, 1977. -Вып.З. - с.40-43.

22. Арбузов В. П. Исследование влияния фазового сдвига управляемого делителя напряжения на погрешность преобразования параметров комплексных величин - Пенза, 1979. - Рукопись представлена ГЬнзенским политехническим институтом. Дзп. в ВИНИТИ 17 янв. 1975, & 29-д/79.

23. Арбузов В.П. Ь!етодика проектирования квазиуравновешон-нък преобразователей емкостных и индуктивных датчиков // К!етоды и сродства измерения механических параметров в системах контроля и управлэгшя: Тез. докл. Всесоюз. науч.- техн. конф. - Пенза, 1986. - с.153-154.

24. Осадчий Е.П., Арбузов В.П., Маланин В.П. и др. Принципы построения САПР измерительных цепей датчиков // Измерительны; информационные системы: Тез. докл. VIII Всесоюз. науч.- техн. конф. (ИИС-87). В Зч.- Ташкент, 19S7.- Ч.З.- с.71.

25. Арбузов В.П. САПР квазиуравновешенных измерительных цэ-ше емкости и индуктивных датчиков // Метода и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления: Тез. докл. Всосот. науч.- техн. конф.- Пенза, 1989.- с. 1^2-163.

26.Арбузов В.П. Анализ методической погреиности мостовой измерительной цепи дифференциального индуктивного датчика // Датчики систем'измерения, контроля и управления: Мемвуз.-сб. науч.тр.-Бенза: Пенз. политехи, ин-т, 1988. - Вып.8. - с.42-44.

27. A.c. 1644046 СССР. Преобразователь информативного параметра в частоту / В.П.Арбузов. - Вюл. № 15,1991. - Зс.

20

28 Ларкин С.Е., Арбузов В.П. Преобразователи измеряемого па-раг.етра дифференциальных датчиков в частоту // Приборы и системы управления. - й 10, 1993. - с.32-34.

29. A.c. 1644047 СССР Преобразователь информативного параметра в частоту / В.П.Арбузов. - Вод. й 15, 1991. - Зс.

30. Арбузов В.П.,'Гихоненков В.А., Круглов Е.С. Квазиуравно-вешенныЯ преобразователь информативного параметра дифференциального индуктивного датчика перемещения // Измерение перемещений в динамическом режиме: Тез. докл. науч.- тохн. семинара. - Каунас, 1987. - с.53-54.

31. Арбузов В.П. Измерительная цепь даЭДеренциально-транс-, форматорного датчика // Метода и средства измерения механических

параметров в системах контроля и управления: Тез. докл. науч. .- техн. семинара. - Пенза, 1991. - с.74-75.

32.Арбузов В.П. Устройство для бесконтактного измерения тол-•щшзы изделия из диэлектрического материала // йетода и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления: Тез. докл. науч.- техн. семинара. - Пенза, 1991. - с.75-76.

33. A.c. 1566303 СССР. Преобразователь информативного параметра квазидайеренциального датчика /В.П.Арбузов. - Воя. % 19» 1990. - Зс.

34. Арбузов В.П., Кузнецов E.H., Осадчий Е.П., Чернецов R.H. Способ коррекции методической погрешности комплексного сопротивления в напряжение // Структурные методы повышения точности быстродействия и чувствительности измерительных устройств и систем: Тез.. докл. IV республ. науч.-техн. конф.- Киев, 1981, с.200-201.

35. Арбузов В.П. Итерационный преобразователь комплексного сопротивления в напряжение // Известия высших учебных заведений. Цриборостроэяиэ. 1987, том XXX, » 3. - с.46-48.

36. Арбузов В.П. Исследование инструментальной погрешности итерационного преобразователя комплексного сопротивления' в напряженна //Известия высших учебных заведений. Прйоростроение. 1983, . том XX7I, № 8. - с.28-21. ' ;

. 37. Арбузов В.П., Ларкин ;С.Е., Осадчий Е.П. Анализ влияния соединительного кабеля на погрешность преобразователей параметров датчиков при дистанционных измерениях // Приборы и системы управления.- № 5, 1994. - с.28-31.

38. Ларкин С.Е., Арбузов В.П., Осадчий Е.П. Преобразовали информативного параметра датчика в частоту // Датчики систем и: мерения. контроля к управления: Межвуз. сб. науч. тр.- Пена Изд-во Пнз. гос. техн. ун-та, 1994.- Вып. 13.- с.71-75.

39. А-с. 1827647 СССР. Преобразователь емкости датчика частоту / В.П. Арбузов, С.Е.Ларкин, В.П. Маланин. Д.В. Лебедев. Бол. * 26, 1993. - Зс.

40. Фильчиков В.А., Маланин В.П.. Арбузов В.П., Ларкин С.] Преобразователь параметров емкостного датчика в частоту // Мето, и средства измерения механических параметров в системах контра и управления: Тез. докл. Всесоюз, науч.- техн. конф. - Пена 1989. - с.163-164.

41. A.c. 1796935 СССР. Устройство для измерения давления помощью емкостного датчика /В.П.Арбузов. С.Е.Ларкин, В.П.Малави Е.Ы.Белозубов. - Бал. № 7, 1993. - 2с.