автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.05, диссертация на тему:Структурные методы совершенствования измерительных преобразователей параметров двухэлементных электрических цепей

РГО 0.1

' Пензенский государственный технический университет

На правах рукописи

ПУТИЛОВ Виктор Геннадьевич

УДК 681.327.(088.8)

СТРУКТУРНЫЕ МЕТОДЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПАРАМЕТРОВ ДВУХЭЛЕМЕНТНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ.

Специальность 05.11.05 — « Приборы и методы намерения электрических и магнитных величин »

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

Пенза 1994 г.

Работа выполнена в Отраслевой научно-исследовательской лаборатории автоматиэациин электрических измерений и контроля Пензенского государственного технического университета.

Научный руководитель - академик Ломтев Е.А.

Научный консультант - кандидат технических наук, доцент Крысин Ю.М.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Михотин В.Д., кандидат технических наук Кутыркин С.Б.

Ведущее предприятие - НИИВТ (г. Пенза).

Защита состоится в 14 часов, 17 февраля 1994 г. на заседании специализированного совета Б063.18.01 в Пензенском государственном техническом университете по адресу: 440017, г. Пенза, ул. Красная, 40.

Научный доклад разослан "17" Января 1994 г.

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

Крысин Ю.М.

Актуальность темы. Измерение и контроль параметров двухэлементных электрических цепей (ДЭЦ), является одним из важнейших разделов современной информационно-измерительной техники, так как двухэлементная схема замещения наиболее часто используется как эквивалентная схема различных датчиков, элементов радиоэлектронного оборудования, в биологических, медицинских исследованиях и т.п.

К началу данной работы для получения информации о параметрах ДЭЦ использовались различные виды пассивных измерительных цепей (ИЦ). С появлением в 70-х годах операционных усиилителей (ОУ), пассивные ИЦ были вытеснены активным» ИЦ. Активная ИЦ позволяет наиболее просто получить раздельную информацию о каждом измеряемом параметре ДЭЦ, при использовании полигармонического входного воздействия.

Однако большое количество разнообразных задач, решаемых с помощью исследования ДЭЦ, не позволяет создать схемы унифицированного измерительного преобразователя (ИП). Поэтому в каждом случае встают вопросы повышения чувствительности, помехоустойчивости, точности и т.д. нового преобразователя. Такие работы постоянно проводятся как в странах СНГ так и за рубежем, что подтверждает актуальность задачи.

Основания для работы. Работа выполнена автором в Отраслевой научно-исследовательской лаборатории автоматизации электрических измерений и контроля (ОНИЛАИ) Пензенского политехнического института, реорганизованного в 1993 году в Пензенский государственный технический университет. Работа проводилась в течение 20 лет, в процессе выполнения ряда НИР по хоздоговорам с различными организациями страны. Все ИП, представленные в данной работе являются оригинальными, защищены авторскими свидетельствами и внедрены в производство. Результаты исследований этих ИП опубликованы.

Цель работы. Создание простых ИП параметров ДЭЦ в унифицированные сигналы, обладающих повышенной точностью, помехоустойчивостью, чувствительностью с увеличенным диапазоном измеряемых параметров ДЭЦ и расширенными функциональными возможностями.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели использовались структурные методы совершенствования схем ИП, основанные на преобразовании ИЦ входных воздействий сложной формы и обработке выходных сигналов.

Методы исследований базируются на использовании теории электрических цепей, теории систем автоматического регулирования, математического моделирования и математическом анализе.

Научная новизна работы. Развиты структурные методы построения ИП параметров ДЭЦ в унифицированные сигналы, в результате пего получены простые ИП параметров ДЭЦ:

- в среднее и амплитудное значения напряжений;

- с раздельным выбором пределов по активной и реактивной составляющей;

- с токовой ИЦ, повышенной помехоустойчивости;

- компенсационного типа с ЦАП в цепи обратной связи, повышенной точности;

- для емкостных датчиков, использующих жидкие электролиты, повышенной термостабильности;

- в частоту, с двумя параллельными каналами.

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждена расчетами, совпадением результатов экспериментов и теоретических исследований, внедрением и практическим использованием разработанных ИП в производстве.

Практическая ценность. Разработанные подходы к методам построения параметров ДЭЦ в унифицированные сигналы позволяют значительно упростить структурные схемы ИП, снизить требования к их узлам, повысить помехоустойчивость при одновременном сохранении или повышении точности. *

Реализация и внедрение результатов р а б о т ы. Результаты работы в виде приборов и отдельных преобразователей, защищенных а.с.СССР, внедрены на следующих предприятиях СССР и РФ:

- завод "Электроизмеритель" г. Житомир [11];

- ПО "Пенздизельмаш" г. Пенза [34,35];

- Институт "Психологии" АН СССР г. Москва [32];

- Пензенское областное отделение общества психологов АН СССР [26];

-гг/яГ4141 [11, 17, 19,25];

- институт "Биосистемных и социологических исследований" АН СССР г. Пенза [22, 39];

-в/ч64176 [15];

Пензенское высшее артиллерийское инженерное училище им. Н.Н.Воронова [28,11];

- п/я А-3808 [20,23];

- СКВ "Турбостроение" г. Пенза [39];

Вес узлы входящие в ИП хорошо известны, погрешность их исследована (см например А.Е.Морозов. Разработка и исследование принципов построения преобразователей параметров электрических цепей и сигналов для систем контроля и измерения . / Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Пенза . Пенз. политех, ин-т, 1976). Повышение точности разработанных ИП происходит за счет упрощения их структур и уменьшения числа узлов , испол-зуемых в ИП.

- КНИТИВТ г. Казань [13,19,27,29].

Разработанные приборы неоднократно демонстрировались на ВДИХ СССР и награждены двумя серебряными медалями и дипломом лауреата НТТМ.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на V Всесоюзной конференции по ИИС (г. Львов 1981г.); II Всесоюзной научно-технической конференции "Методы и средства аналого-цифрового преобразования параметров электрических сигналов и цепей" (г. Москва 1981 г.); VI Всесоюзной научно-технической конференции по ИИС (г. Куйбышев в 1983 г.); Всесоюзной конференции "Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления" (г. Пенза 1986); зональном семинаре "Интегрирующие частотные время-импульсньте преобразователи и цифровые средства измерения на их основе" (г. Пенза 1987 г.); зональном семинаре "Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления" (г. Пенза 1988 г.); Всесоюзной конференции "Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления" (г. Пенза 1992 г.).

Личный, вклад. Основная часть теоретических исследований и практических разработок выполнены автором самостоятельно во время работы в ОНИЛАИ ППИ. Определяющим является вклад автора в исследовании и разработке большинства ИП приведенных в докладе, служащих развитию структурных методов совершенствования ИП параметров ДЭЦ в унифицированные сигналы, в их теоретическом обосновании.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 75 работ, в том числе получено 38 авторских свидетельств СССР на изобретения.

На защиту выносятся: структурные методы совершенствования характеристик ИП параметров ДЭЦ в унифицированные сигналы.

Содержание работы

Введение. Основным узлом И П определяющим его свойства является ИЦ. В активной ИЦ контролируемая ДЭЦ вместе с опорным элементом в большинстве случаев может быть апроксимировано линейным звеном, при воздействии на которое сигнала полигармонической формы, информация на выходе ИЦ получается в виде суперпозиции двух напряжений, одно из которых представляет собой масштаб входного воздействия, а второе его интеграл или дифференциал, при этом каждое напряжение зависит только от одной составляющей ДЭЦ.* Обрабатывая выходные напряжения ИЦ можно разделить информацию о параметрах ДЭЦ. В

Впервые это сформулировано в монографии : Мартяшин А.И., Шахов Э.К., Шляндин В.М. Преобразователи электрических пэраметрон для систем контроля и измерения / М. : Энергия. 1976.

этом случае получается два независимых канала информации. Такие ИП получили название инвариантных.

Так как информация о параметрах ДЭЦ представлена в таких ИП в большинстве случаях в виде напряжений прямоугольной и треугольной форм, которые разделены по каналам, то учитывая общность построения ИП в напряжение я в частотно-временные сигналы они могут легко трансформироваться из одного вида в другой [1]. Однако в частотных преобразователях теряется информации, об одном из параметров ДЭЦ.

Первоначально, при разработке таких ИП, обрабатывались их мгновенные значения [2-6]. Но сложность этих ИП, очень высокие требования к узлам и ограниченный диапазон соотношений элементов ДЭЦ не позволили им найти широкое распространение.

Для упрощения узла обработки разрабатывались ИЦ с коммутацией опорных элементов [7-8]. Однако они все же оставгшись очень сложны и требование к узлам не снижались.

Также были попытки разработать ИП, инвариантность которых обеспечивалась сложным входным функциональным воздействием, что давало возможность упростить устройство обработки до интегрирующей цепи [9]. Однако сложность генератора опорного воздействия и наличие существенных методических погрешностей сделали преобразователи такого типа бесперспективными.

Более перспективными оказались ИП в среднее и амплитудное значения напряжения. Первые основаны на преобразовании параметров ДЭЦ в суперпозицию двух ортогональных напряжений, разделение которых производится с помощью временного стро-бирования. Сущность вторых заключается в использовании свойств интегрирующей цепи. В этом случае, выходное напряжение ИЦ принимает свое максимальное значение, когда влияние неинформативного параметра равно нулю.

В процессе работы были синтезированы различные виды входных воздействий на ИЦ различной конфигурации, большое количество которых обусловлено разнообразием решаемых задач.

Первый из вариантов ИП параметров ДЭЦ в среднее значение напряжения, пред-ложенногов [10], приведен на рис. 1. Принцип его работы заключается в следующем. По команде "пуск" и соответствующему сигналу с узла управления (УУ) генератор прямоугольного напряжения (ГПН) вырабатывает пачку импульсов напряжений прямоугольной формы. В результате этого на выходе УУ ИЦ получается суперпозиция двух напряжений. Двух полярного напряжения прямоугольной формы, амплитудное значение которого линейно связано с емкостьюСд: измеряемой цепи и однополярного треугольного напряжения, среднее значение которого связано линейной зависимостью с проводимостью С*. Несложно показать, что среднее значение за время действия опорного напряже-

Е Т

ния на выходе ОУ ИЦ будет равно Ус = Сх а его средневыпрямленное значение

на выходе выпрямителя (В) соответственно Vc = Сх -рг-, где Е0 - амплитудное значение

bo

опорного напряжения с выхода ГПН; Со - размер емкости опорного конденсатора; Т0 -период импульсов опорного воздействия.

Дальнейшее развитие ИП параметров ДЭЦ в унифицированные сигналы происходило по мере решения различных прикладных задач.

Структурные методы совершенствования ИП параметров ДЭЦ в среднее и амплитудное значение напряжения

Решение практических задач, поставленных мультиметрией, привело к необходимости решать вопрос точности и простоты ИП. Устранение основных источников погрешности ИП [10] путем введения узла временного стробирования, с целью разделения информации о составляющих ДЭЦ, трансформировало его в ИП [11] рис.2. Принцип его работы заключается в следующем. Опорное напряжение с выхода ГПН поступает на контролируемую RC ДЭЦ, при этом на выходе ОУ ИЦ появляется суперпозиция двух напряжений, одно из которых имеет форму меандра, сдвинутого на 1.80 \ по отношению к входному и зависит только от емкости Сх, второе треугольную форму и сдвинуто относительно опорного напряжения на 90 " и имеет гиперболическую зависимость от сопротивления Rx измеряемой цепи.

Выделяя с помощью ключа (К1) вольтсекундную площадь выходного напряжения ИЦ совпадающего по фазе с опорным, получаем напряжение со средним значением

Eg 2 Со

В то же время выделенное вторым ключем (К2) напряжение, с помощью УУ,

Т

управление которого сдвинуто относительно опорного на —, будет иметь следующее 1 Е0Т0

значение vrx = - —.

Кх чСо

Как видно, на это устройство не влияет дрейф нуля ОУ ИЦ, а логический узел управления прост, и не вносит погрешности при формировании сигналов управления ключами. Кроме того, использование параллельных ключей, значительно расширяют диапазон перекрытия параметров измеряемой ДЭЦ.

В случае необходимости измерения параметров последовательной ЬхЯх ДЭЦ, она включается в отрицательную обратную связь ОУ ИЦ, а в качестве опорного элемента используется опорная катушка индуктивности, которая включается на входе ИЦ.

При необходимости измерения в RC цепях только емкости, ее можно легко преобразовать в амплитудное значение напряжения, с помощью ИП приведенного на рис. 3. Принцип его работы заключается в следующем. Двухполярное треугольное напряхсение

Vc^Cx-.

с выхода генератора (ГТН) поступает на контролируемую /?С цепь. В этом случае амплитудное значение напряжения на выходе УО ИЦ будет зависить только от емкости Сх, а сопротивление Лх будет влиять только на форму выходного напряжения, так как интегральное значение входного воздействия за его период, которое зависит от Ях, будет равно нулю [1, 12]. Это напряжение легко преобразуется в постоянное с помощью

К Т

амплитудного детектора (АД). Напряжение на его выходе будет Ус = Сх . п , где

4 Ьо

К - крутизна опорного напряжения.

В тех случаях, когда необходимо получить большую чувствительность ИП и большое выходное напряжение, которое превышает напряжение питания, источник треугольного напряжения необходимо заменить генератором синусоидального напряжения и одновременно увеличить мощность выходной каскад ОУ ИЦ. Преобразуя выходное напряжение ИЦ в ток и подавая его на токовый трансформатор, можно получить большое выходное напряжение [13]. Такие ИП могут использоваться при динамических измерениях, для измерения скорости и ускорения изменения емкости, путем последовательного дифференцирования выходного напряжения ИЦ.

Необходимость использования в некоторых случаях опорной индуктивности привело к модернизации ИП [ 11 ]. В нем источник меандра был заменен источником треугольного напряжения, при этом как показано в [14-16] целесообразно использовать фазома-нилулированные опорные воздействия, в результате этого расширяется функциональное назначение ИП и появляется возможность измерять параметры ЬС. контуров. Пример такого устройства [15] приведен на рис.4. Принцип его работы заключается в следующем. Фазоманипулированный сигнал треугольной формыс ГТН поступает на ИЦ. В результате этого на выходе ОУ ИЦ появляется суперпозиция двух напряжений. Первая составляющая этой суперпозици представляет собой интеграл от входного воздействия и зависит от соотношений Ьх и Я0, а также от крутизны, амплитуды и периода опорного воздействия. В то же время вторая составляющая представляет собой дифференциал входного воздействия и зависит от соотношений Сх и До и крутизны опорного воздействия. В связи с фазовой манипуляцией опорного сигнала, постоянная составляющая в выходном напряжении отсутствует. Однако за полупериод входного воздействия, среднее значение напряжения на выходе ИЦ будет линейно связано с измеряемым Ьх параметром, и это может быть выделено с помощью ключа К1.

Составляющая, зависящая от Сх, легко получается с помощью ключа К2, выделяющего напряжение в интервалы времени, когда крутизна опорного напряжения имеет одинаковый знак (нарастание "пилы" или ее спад). Однако в этом среднем значении напряжения будет присутствовать часть напряжения вносимая Ьх, которая связана коэффициентом с напряжением И/,. Это напряжение несложно получить, промасштабировав напряжение с канала и вычесть его из напряжения канала Сх.

рис. i

%

0L---

L МППГ

Wl

MvFW r-i ^ <

n r-t

ibL-Ü

5

рис. 4

Использование вместо ключей фазовых преобразователей (ФП), дискретно управляемых узлов, изменяющих полярность напряжения, позволит повысить чувствительность ИП в два раза.

Эта ИЦ пригодна также для получения информации о параметрах параллельных (последовательных) ЯХЬХСХ цепей. В этом случае информация о емкости Сх получается в интервалы времени, когда крутизна опорного воздействия имеет одинаковый знак, о сопротивлении Ях когда оно имеет одинаковую полярность, а о индуктивности Ьх когда опорное воздействие имеет одинаковый знак манипуляции.

Чувствительность ИП в целом должна регулироваться под каждый конкретный случай. Регулировка производится подбором размера резистора обратной связи, а также амплитуды и периода входного воздействия.

Сложность регулировки чувствительности связана с тем, что изменение чувствительности одного параметра, приводит к изменению чувствительности другого, что ограничивает область использования таких преобразователей случаями, когда диапазон изменения параметров ДЭЦ ограничен и лежит в определенном диапазоне.

ИП параметров ДЭЦ в напряжение с раздельным выбором пределов по активной и

реактивной составляющей

Для расширения области использования и удобства эксплуатации таких ИП на базе структуры, описанной в [11] было разработано устройство для измерения параметров ЯхСх (ЯхЬх) цепей, имеющий раздельный выбор пределов по активной и реактивной составляющей [17,18]. Это достигалось изменением формы входного воздействия. В данном случае входное воздействие представляет сумму двух прямоугольных сигналов одного высокочастотного с большой амплитудой, а второго низкочастотного с малым амплитудным значением. Регулируя амплитуду высокочастотного и период низкочастотного сигнала, можно получить независимый выбор предела по активной и реактивной составляющей. Информация о них выделяется как ив [11], путем временногосгробиро-вания выходного напряжения ИЦ синхронно периоду высокочастотного сигнала о реак-

Т г

тивнои составляющей и со сдвигом на низкочастотного сигнала об активной составляющей.

Этот ИП имеет значительный коэффициент перекрытия по активной и реактивной составляющей и пригодно для работы с различными видами низкодобротных датчиков. Однако при значительном преобладании например одной составляющей над другой оно теряет свою работоспособность.

Для проведения таких измерений, был разработан компенсационный ИП [19], рис.5, в котором влияние активной составляющей устранялось.

Это достигалось следующим образом. Для получения необходимой чувствительно-

Сх

сти ИП соотношение должно быть равным определенному значению. Однако при

данных соотношениях активное сопротивление Rx введет ОУ ИЦ в насыщенный режим и на его выходе появится меандр с амплитудой V», среднее значение которой за период равно нулю. Ограничив это напряжение с одной стороны значением V0, где

VH < V0 < ~Е0,

La

с помощью одностороннего ограничителя (00) и подавая его на фильтр нижних частот (ФНЧ), на его выходе получим постоянное напряжение, которое должно быть скомпенсировано цепью обратной связи. При его компенсации влияние Rx на выходное напряжение ИЦ устраняется. Раскомпенсация этого устройства на 10-20% на погрешность не влияет. ! •

Однако во многих случаях потеря информации об одной из составляющих недопустима, например, при измерении емкости и проводимости кожных покровов человека и т.д.

Для этих целей может быть использован комбинированный ИП [20,21] рис.6. Принцип работы такого преобразователя заключается в следующем. На контролируемую цепь с выхода ГПН подается опорное напряжение, которое ДЭЦ преобразует з ток. Этот ток с помощью расщепительных элементов Ср1 и Ср2 делится на два равных. Один из токов поступает на активный дифференцирующий преобразователь, в результате чего на его выходе появляется напряжение, амплитуда которого и его средневыпрямленное Gx

значение равно -тггг Е0■ Ток второго канала поступает на вход активного инерционного ■2 Оо

звена, в результате чего на его выходе появляется напряжение, амплитудное значение которого равно „ ... Е0-

L L-o

Это устройство легко преобразуется в ИП с компенсацией влияния активного канала на емкостной [22], рис. 7, в котором используется активный расщепитель тока (APT) на ОУ (ДА1).

В этих комбинированных ИП чувствительность преобразования может изменяться независимо друг от друга с помощью изменения глубины обратной связи ОУ ИЦ каналов.

При необходимости измерения активного сопротивления ДЭЦ на постоянном токе хорошо зарекомендовал себя комбинированный ИП [23,24], рис.8. Отличительной особенностью этого преобразователя является то, что опорным воздействием в нем является суперпозиция постоянного напряжения и остроконечных импульсов, которые формируются в генераторе (Г) путем дифференцирования импульсов прямоугольного напряжения. Это напряжение, преобразуемое конролируемой ДЭЦ в ток, который поступает на токоразделительную цепь Ср, Lp. При этом переменная составляющая поступает на емкостной масштабатор, напряжение на выходе которого благодаря свойством остроконеч-

m _ ..

L-Hà-i

Уши О

~1_П_Г

IK14

/mû 8

ных импульсов, прямопропорционально Е„ е~ ¿".Амплитудный детектор преобразует

это напряжение в постоянное, равное Е- Е0- Постоянная составляющая поступает на

I-о

активный масштабатор, напряжение на выходе которого пропорционально проводимости.

Чувствительность данного преобразователя может регулироваться как размером опорного воздействия, так и параметрами элементов обратной связи.

ИП параметров ДЭЦ повышенной помехоустойчивости для емкостных датчиков

Другие проблемы встают при проектировании ИП для работы с емкостными датчиками, которые связаны как со спецификой самих датчиков, так и их использования. Это связано в первую очередь с большой начальной емкостью датчика и относительно малым информативным изменением емкости, что приводит к уменьшению чувствительности ИП. Значительное емкостное сопротивление датчиков приводит к неоходимости использовать ИЦ с большими импедансами, что в свою очередь резко снижает помехоустойчивость ИП.

Решению возникающих проблем может помочь использование токовых схем ИЦ. Идея такой ИЦ заключается в следующем. При подключении емкостной нагрузки к генератору переменного напряжения через нее будет протекать ток, размер которого пропорционален емкости. Обрабатывая и измеряя этот ток можно судить как о самой емкости, так и о процессе исследуемом с помощью емкостного датчика. ИЦ такого вида целесообразно строить с использованием трансформатора тока (ТТ) [25]. Схема такого ИП приведена на рис.9.

Принцип его работы заключается в следующем. Низкочастотное напряжение типа меандр поступает с ГПН на дифференциально включенные токовые обмотки ТТ. В результате этого на его выходной обмотке появляется затухающее напряжение синусоидальной формы, амплитуда которого несет информацию о емкости датчика.

Это напряжение запоминается с помощью устройства выборки и хранения (УВХ). Для устранения влияния броска напряжения, вызванного фронтом входного воздействия на точность преобразования, используется временная задержка импульса управления УВХ, вырабатываемого ждущим мультивибратором Г2, с помощью ждущего мультивибратора Г1.

Подключенный ко второй токовой обмотке конденсатор Ск компенсирует начальную емкость датчика.

Использование ТТ с большим числом токовых обмоток позволяет использовать ИП такого типа для работы с дифференциальными датчиками.

Анализ погрешности схемы такого ИП приведен в [25].

Применяя трансформаторную ИЦ можно построить следящий ИП [26] рис.10. Принцип его работы заключается в следующем. Напряжение треугольной формы с выхода ГТН, частота которого выбирается несколько большей резонансной частоты контура, образуемого обмотками ТТ и емкостью датчика, возбуждает на выходной обмотке ТТ напряжение прямоугольной формы, из которого с помощью ФП и ФНЧ выделяется постоянная составляющая. Из этого напряжения с помощью усилителя разности (УР) формируется компенсирующее напряжение (Vic), которое модулятором (М) преобразуется в импульсы напряжения прямоугольной формы, поступающие на компенсирующую обмотку ТТ, в которой для задания тока компенсации используются резисто-

■ЛС К

ры Rk- При этом напряжение на выходе УР будет равно Vk - ^ . В этом ИП чувствительность преобразования может легко,изменяться с помощью выбора размера сопротивления Rk-

Используя УР в качестве компаратора, а вместо модулятора умножающий ЦАП, питая его от ГПН ИП легко получить цифровой прецизионный измеритель параметров емкости и индуктивности, точность которого будет ограничиваться в основном точностью ЦАП. .

Для динамических измерений параметров процессов с использованием емкостных датчиков хорошие результаты может дать .устройство на базе трансформаторного балансного модулятора с кольцевым диодным мостом [27] рис. 11. Устройство очень простое и в дополнительных пояснениях не нуждается. .

.Определенный интерес для различных экспериментальных исследований могут представлять ИП, использующие свойства динамических конденсаторов и индуктивно-стей. Свойства динамического конденсатора могут использоваться при измерении параметров биений различных вращающихся поверхностей. Эта поверхность используется в качестве одной из обкладок конденсатора, а второй его обкладкой служит поверхность неподвижно закрепленного зонда. Изменение зазора между зондом и контролируемой поверхностью за счет биений во время вращения, приводит к модуляции емкости. При подачи на этот "конденсатор" постоянного напряжения достаточного значения, на зонде будет появляться переменная составляющая напряжения, амплитуда и форма которого несут интересующую информацию.

Аналогично, на постоянном токе, можно использовать и свойства динамической индуктивности, которая может с успехом применяться для решения различных задач внешней балистики [28].

ИП параметров ДЭЦ повышенной термостабильности для работы с емкостными датчикими, использующими жидкие электролиты

В практике промышленных измерений малых перепадов давлений (разряжений),

уровней жидкостей широкое применение нашли различные приборы с использованием Н-образного колена в первичном преобразователе параметр - уровень жидкости.

Использование различного вида обкладок на каждом колене позволяет получить надежный емкостной преобразователь с большой разрешающей способностью. Основной недостаток таких преобразователей очень большая температурная погрешность из-за значительного температурного изменения диэлектрической постоянной жидкости.Созда-ние датчиков отношений позволяют полностью устранить эту погрешность [29]. Например, использование трех обкладок на каждом колене позволяет образовать две пары емкостей [30-31]. При этом емкость одной пары будет увеличиваться под действием перепадов давления на определенное значение, а второй уменьшаться на такое же значение. Включение параллельно двух конденсаторов из разных плеч позволит создать опорную емкость постоянной величины (Со).

Включение такого датчика по дифференциальной схеме в ИП [32-33] рис. 12, инвариантного к сопротивлению потерь в электролите, позволяет получить очень высокое разрешение при хорошей точности. Выходное напряжение ИП подобного типа равно

Увых — Е0Щ-, где Н - высота столба жидкости в колене датчика при отсутствии перепада

давления; с1 - изменение столба жидкости в коленах датчика.

При создании ИП малых перепадов давлений (разряжений) в сигнал частотно-временной группы, на базе такой ИЦ получены аналогичные результаты [34-38].

Структурные методы расширения функциональных возможностей ИП ДЭЦ в частотно временные сигналы

Очень часто при разработке приборов различного назначения, из-за известных достоинств используются инвариантные ИП параметр-частота. Принципы достижения в них инвариантности аналогичны описанным. Однако применение их становится невозможным, когда имеется необходимость получать информацию о двух параметрах ДЭЦ одновременно.

Решить эту задачу позволяет использование двух преобразователей параметров ДЭЦ в частоту, которые питаются от двух самостоятельных, гальванически развязанных источников питания. Это позволяет подключать их к контролируемой ДЭЦ одновременно [39].

Так же для этих целей можно использовать комбинированную ИЦ с расщеплением тока, применяя для входного воздействия на ИЦ суперпозицию постоянного напряжения и импульсов прямоугольной формы, как описано выше. При этом емкость преобразуется в частоту непосредственно, а проводимость, с промежуточным преобразованием в напряжение с помощью ПНЧ [40].

Результаты исследований. Анализ метрологических характеристик по-

"гпн

"л

ГШ_Г1

vn

a.

рис.9

рис. tO

вых.

Ro

Ru

_II Çîi.

-CZH

Co

—II M

-с=ь

ш

рас. it

-Г>1

b

m

ъ -»и

'LO

Vm

Чю i

Унц

:H=Fb<

a.

рис. 12

oNWMW^, t

5.

i6

казал, что разработанные ИП, при их простоте, имеют высокую точность, чувствительность и помехоустойчивость. Все они очень просты в изготовлении и настройке, надежны в эксплуатации. Разработанные ИП использовались в качестве базовых преобразователей в приборах, разработанных при непосредственном участии автора по заказам различных предприятий СССР и РФ. Характеристики этих преобразователей приведены в таблице 1.

Таблица 1.

№ Тип Диапазон Посто- Сопр. Диапаз. Цвых Диапаз. Основн.

ИП измеряемых ям. потерь изм. ин- максим. раб. тем- привед.

описан емкостей (девиации) (Ф) составл. емкости (Ф) (Ом) Дукт. (Гн) (В) ператур 'С погреши. %

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 Fill 10 Ы-И0"6 — 104-106 10"5-Н0"' 3 -20- +60 0.05Ц

2 [131 5*КУ14-М0"12 _ — —. 50 +10- +30 1

3 [151 ю-'Чо-10 — 104-Н05 10"4-10"3 3 -30+ +60 3

4 [171 ю"12-но'ш — 103-И06 _ 1 -4СН- +60 0,3

5 [191 10"'3-И0"п _ >103 — 3 _ 0,1

6 [201 10"1г-3х10" —. 103-Н05 — 3 — 0,5

7 [221 10"'-10" _ 102-Н04 _ 3 — 0,3

8 [231 10"13-5*10'12 — юМ о5 _ 3 _ 0,2

9 _[25L_ 10"'-10"" — >105 _ 5 -4(Н- +60 0,3

10 [261 ±10-" 10"s >104 — 3 — 0,1

11 [271 10"и-10"'2 — — _ 30 — 0,5

12 [321 Лог" JO"10 >104 — 3 _ 0,3

13 [33] 1о"+10"ш — — — 3 +10- +60 0,1

Основные результаты работы

1. На основании проведенных теоретических исследований предложены:

- новые структуры ИП параметров ДЭЦ в среднее и амплитудное значение напря-

жения;

- ИП параметров ДЭЦ в напряжение с раздельным выбором пределов по активной

и реактивной составляющей;

- новые структуры комбинированных ИП параметров ДЭЦ в напряжение, облада-

ющих повышенной чувствительностью;

- новые структуры токовых ИП параметров ДЭЦ в напряжение, обладающих

повышенной помехоустойчивостью, чувствительностью и точностью;

- новые структуры термокомпенсированных ИП для емкостных датчиков, исполь-

зующих жидкие электролиты;

- новые структуры ИГ1 параметров ДЭЦ в частотно-временные сигналы повышен-

ной информативной способности.

2. В опубликованных работах автора [10*40] приведены анализ погрешностей и результаты, теоретически обеспечивающие эффективность предлагаемых структурных решений.

3. При непосредственном участии автора были разработаны и внедрены на различных предпрятиях СССР и РФ следующие ИП, приборы и системы:

- ИП, структура которого описана в [11], на Житомирском заводе "Электроизмеритель" в качестве базового преобразователя для мультиметров, что позволило упростить мультиметр, при одновременном повышении точности;

- ИП [34,35], на ПО "Пенздизельмаш" в составе системы контроля энергетических параметров дизель-генераторов и системы контроля тепловозных характеристик, для измерения малых перепадов давления (разрешения), что позволило создать простой специализированный цифровой дифманометр. Внедрение систем позволило автоматизировать процесс приемо-сдаточных испытаний и улучшить условия труда испытателей дизелей;

- ИП [11,17,19,25], на п/я Г4141 в виде набора высокоэкономичных преобразователей для систем специального назначения;

- ИП [22,39], в институте биосистемных и социальных исследований АН СССР (г. Пенза) в составе прибора для измерения параметров емкости и проводимости кожных покровов человека, комфортными методами;

- ИП [32], в институте "Психологии" АН СССР в составе индикатора параметров психофизиологических реакций (ИПФР1), позволяющий комфортными методами исследовать психофизиологические реакции человека непосредственно в процессе его трудовой деятельности;

- ИП [26], в Пензенском областном отделении общества психологов АН СССР в составе прибора для измерения емкости и проводимости кожных покровов человека, позволяющих исследовать человека непосредственно в процессе трудовой деятельности комфортными методами;

- ИП [28], в Пензенском высшем артиллерийском инженерном училище в измерителе параметров движения ферромагнитных тел, позволяющим повысить точность измерения полета ферромагнитного тела бесконтактным методом.

- ИП [11], в Пензенском высшем артиллерийском инженерном училище в измерителе параметров внутрикамерных процессов, позволяющем при проведении динамических измерений давлений в спецсистемах, повысить точность измерений и автоматизировать его процесс;

- ИП в [15], в в/ч 641176 в спецсистеме;

- ИП [39], в СКБТ г. Пенза в системе контроля параметров силовых генераторов турбин в приборе, позволяющем одним датчиком на основе V образного колена измерять малые перепады давления (разряжения) и температуру внутри генератора;

- ИП [12,19,27,29], в КНИТИВТ г. Казань в стенде для контроля параметров магнитных дисков в виде прецизионного канала для измерения амплитуды, скорости и ускорения торцевого биения магнитных дисков и их основ, позволяющем значительно упростить устройство.

Содержание доклада изложено в следующих основных публикациях:

1. Ю.М.Крысин, Е.А.Ломтев, В.Г.Путилов. Некоторые вопросы преобразования малых девиаций емкости с потерями в унифицированные сигналы./Измерительные информационные системы (ИИС-83): Тез. докл. Шестая Всесоюзн. научн.-техн. конф.,Куйбышев, 1983.

2. A.c. 573721 СССР. Электроемкостной уровнемер / А.И.Мартяшин, А.Е.Морозов, В.Г.Путилов, В.Ф.Рябов, В.Г.Шляндин // Открытия. Изобретения 1977, № 35

3. A.c. 523605 СССР. Преобразователь параметров сложных электрических цепей в интервал времени / А.И.Мартяшин, А.Е.Морозов, В.Г.Путилов, В.М.Шляндин // Открытия. Изобретения 1977, №28

4. A.c. 523604 СССР. Преобразователь параметров RxCx или RxLx цепей в интервалы времени/ А.И.Мартяшин, А.Е.Морозов, В.Г.Путилов, В.М.Шляндин // Открытия. Изобретения 1977, №28

5. A.c. 541283 СССР. Преобразователь параметров сложных электрических цепей в интервалы времени / А.И.Мартяшин, А.Е.Морозов, В.Г.Путилов, В.М.Шляндин // Открытия. Изобретения.

6. A.c. 553550 СССР. Преобразователь параметров конденсаторов в код. / А.И.Мартяшин, Т.И.Медникова, А.Е.Морозов, В.Г.Путилов, В.Ф.Рябов, В.М.Шляндин // Открытия. Изобретения 1977, №13.

7. A.c. 457939 СССР. Устройство для измерения параметров сложных электрических цепей. / А.И.Мартяшин, А.Е.Морозов, В.Г.Путилов, В.М.Шляндин / Открытия. Изобретения. 1975, №3.

8. A.c. 602884 СССР. Преобразователь параметров электрических цепей в частотно-временные сигналы / А.И.Мартяшин, А.Е.Морозов, В.Г.Путилов, Б.Л.Свистунов, В:И.Чернецов, В.М.Шляндин / Открытия. Изобретения, 1978, №14.

9. A.c. 532061 СССР. Устройство для измерения LC (RC) цепей. / А.И.Мартяшин, А.Е.Морозов, В.Г.Путилов, В.Ф.Рябов, В.М.Шляндин / Открытия. Изобретения, 1976, №38.

10. A.c. 512436 СССР. Измеритель параметров RxCx (RxLx) цепей. / А.И.Мартяшин, А.Е.Морозов, Т.И.Медникова, В.Г.Путилов, В.М.Шляндин // Открытия. Изобретения. 1977, №16.

11. A.c. 679897 СССР. Измеритель параметров RxCx (RxLx) цепей. / В.В.Беккер,

А.И.Мартяшин, А.Е.Морозов, В.Г.Путилов, В.Ф.Рябов, В.М.Шляндин // Открытия. Изобретения. 1979, N30

12. А.А.Жадаев, Ю.М.Крысин, В.Г.Путилов. Преобразователь параметров емкостных датчиков в напряжение. / Датчики систем измерения, контроля и управления. Межвуз. сборник научных трудов. Пенза 1986, с. 76-80.

13. A.c. 1768937 СССР. Преобразователь геометрических параметров объектов. /

A.Г.Князев, Н,П,Ординарцева, В.М.Тихонов, В.Г.Путилов. / Открытия. Изобретения 1992, №37

14. В.Г.Путилов. О некоторых возможностях преобразования параметров сложных электрических цепей в постоянное напряжение с использованием полигармонических сигналов.. / Методы и средств;! аналого-цифрового преобразования параметров электрических сигналов и цепей.: Тез. докл. Вторая Всесоюзн. научн.-гехн. конф., М. 1981, с. 122-123.

15. A.c. 520859 СССР. Измеритель параметров LC цепей. / А.И.Мартяшин, А.Е.Морозов, В.Г.Путилов, В.М.Шляндин // Открытия. Изобретения. 1977, Nal3

16. В.Г.Путилов, Ю.М.Крысин. О некоторых возможностя преобразования параметров сложных электрических цепей в постоянное напряжение с использованием полигармонических сигналов. / Методы и средства измерения мех. параметров в системах контроля и управления. Тез. докл. Всесоюзн. конф., Пенза, 1986, с. 142-143.

17. A.c. 1018048 СССР. Измеритель параметров RC (RL) цепей. / В.Г.Путилов, Ю.М.Крысин, Е.А.Ломтев, В.М.Шляндин // Открытия. Изобретения. 1983, №18.

18. Ю.М.Крысин, Е.А.Ломтев, В.Г.Путилов. Измеритель параметров RC (RL) цепей. / Вопросы теории и проектирования аналоговых измерительных преобразователей. Межвуз. научн. сб. Изд-во Сарат. ун-та 1987, с. 53-60.

19. A.c. 1629878 СССР. Измеритель емкости, шунтирований сопротивлением. /

B.Г.Путилов, Ю.И.Петрон, Ю.М.Крысин, В.М.Шляндин II Открытия. Изобретения 1991, N7.

20. A.c. 1597781 СССР. Преобразователь параметров параллельных RC цепей в напряжение. / В.Г.Путилов, Ю,М,Крысий, Ю.И.Петров, Л.М.Дубовый, В.В.Торгашин / / Открытия. Изобретения. 1990, №37.

21. Ю.И.Петров, В.Г.Путилов, Ю.М.Крысин. Преобразователь параметров емкостных датчиков в напряжение. / Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления.: Тез. докл. зонального семинара, Пенза, 1988, с. 39-40.

22. A.c. 1629879 СССР. Преобразователь параметров параллельных RC цепей в напряжение. / В.Г.Путилов, Ю.И.Петров, Ю.М.Крысин, А.А.Малахов // Открытия. Изобретения. 1991, №7.

23. A.c. 1322197 СССР. Преобразователь параметров параллельных RC цепей в

напряжение. / В.Г.Путилов, Ю.М.Крысин, Е.А.Персицков, В.М.Шляндин // Открытия. Изобретения. 1987, №25.

24. В.Г.Путилов, Ю.М.Крысин. Об одной возможности измерения параметров параллельных RC цепей. / Цифровая информационно-измерительная техника. Межвуз. сб. научн. тр. - Пенза. Пенз. политех, ин-т, 1988. вып. 17 с.94-97.

25. М.В.Бержинская, Ю.М.Крысин, В.Г.Путилов. Преобразователь параметров емкостных датчиков в напряжение. / Датчики систем измерения, контроля и управления. Межвуз. сб. научн. тр. - Пенза. Пенз. политех, ин-т, 1989, вып.9, с.51-57.

26. Пол. реш. по з-ке на а.с. СССР №4891021/28 (120143) от 17.12.90. Емкостной измеритель биений. / А.Г.Князев, В.М.Тихонов, Н.П.Ординарцева, В.Г.Путилов.

27. A.c. 1776978 СССР. Емкостной преобразователь биений магнитных дисков. /

A.Г.Князев, В.М.Тихонов, Н.П.Ординарцева, В.Г.Путилов, В.П.Ананьев. // Открытия. Изобретения. 1992, №43.

28. Пол. реш. по з-ке на а.с. СССР №4941125/10 (044946) от 29.05.91. Способ измерения геометрических параметров. / А.Г.Князев, Н.П.Ординарцева, В.М.Тихонов,

B.Г.Путилов.

29. A.c. 1762111 СССР. Емкостной измеритель биений магнитных дисков и их основ. / А.Г.Князев, В.М.Тихонов, Н.П.Ординарцева, В.Г.Путилов, В.П.Ананьев // Открытия. Изобретения. 1992, №34.

30. А.А.Жадаев, Ю.М.Крысин, В.Г.Путилов. Возможность термокомпенсации первичных преобразователейпараметр-емкость, использующих жидкие электролиты. / Датчики систем измерения, контроля и управления. Межвуз. сб. науч. тр. Пенза, Пенз. политех, ин-т, 1985, вып.5, с.72-75.

31. А.А.Жадаев, Ю.М.Крысин, В.Г.Путилов, В.М.Шляндин. Специализированная информационно-измерительная система. / Измерительные информационные системы (ИИС-81): Тез. докл. Всесоюз. конф. по И ИС. Л ьвов 1981. с. 140-141.

32. A.c. 612187 СССР. Преобразователь малой емкости, шунтированной сопротивлением в интервал времени. / А.И.Мартяшин, А.Е.Морозов, В.Г.Путилов, В.Ф.Рябов, В.М.Шляндин // Открытия. Изобретения. 1978, №23.

33. В.Г.Путилов. Дифференциальный преобразователь разряжения (давления) в напряжение. / Датчики систем измерения, контроля и управления. Межвуз. сб. науч. тр. Пенза, Пенз. политех, ин-т, 1983, вып.З, с. 50-52.

34. A.c. 1055968 СССР. Преобразователь параметров емкостных датчиков во временной интервал./ А.А.Жадаев, Ю.М.Крысин, В.Г.Путилов, В.М.Шляндин // Открытия. Изобретения, 1983, № 43.

35. A.c. 724924 СССР. Преобразователь перемещения в частоту. / А.И.Мартяшин, К.Е.Морозов, В.Г.Путилов, Б.Л.Свистунов, В.И.Чернецов, В.М.Шляндин, В.А.Сенаторов. // Открытия. Изобретения. 1980, №12

36. А.А.Жадаев, Ю.М.Крысин, В.Г.Путилов. Преобразователь параметров емкостных датчиков во временной интервал. / Цифровая информационно-измерительная техника: Мезвуз. сб. науч. тр. Пенза: Пенз. политех, ин-т, 1986, вып.16, С.80-84.

37. Пол. реш.по з-кенаа.с. СССР №4908194/24 от 06.02.91. Емкостной преобразователь биений магнитных дисков. / А.Г.Князев, В.М.Тихонов, Н.П.Ординарцева, В.Г.Путилов, В.П.Ананьев.

38. В.Г.Путилов, А.Г.Князев, Н.П.Ординарцева, В.М.Тихонов.' Емкостной преобразователь перемещения в частоту. / Методы и средства измерения мех. параметров в системах контроля и управления: Тез. докл. Всесоюзн. конф. Пенза, 1992.

39. A.c. 1522122 СССР. Преобразователь параметров сложных электрических цепей в частоту. / Ю.М.Крысин, Е.А.Ломтев, Ю.И.Петров, В.Г.Путилов // Открытия. Изобретения. 1989, №42.

40. В.Г.Путилов, Ю.М.Крысин. Преобразователь параметров параллельных RC цепей в частоту. / Интегрирующие частотные время-импульсные преобразователи и цифровые средства измерения на их основе. Тез. докл. к зональному семинару. Пенза, 1987.

Подписано к печати 28.12.1993. Тираж 50 экз., заказ № 248

Отпечатано в РИО ПГПИ г. Пенза ул. Лермонтова 37