научная статья по теме МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ ЕМКОСТНОГО ДАТЧИКА С ФАЗОВЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ Энергетика

Текст научной статьи на тему «МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ ЕМКОСТНОГО ДАТЧИКА С ФАЗОВЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ»

2. Катков А. Н. Вопросы развития интеллектуальных датчиков и беспроводных сенсорных сетей // Датчики и системы. — 2011. — № 7. — С. 35—37.

3. Островский М. А., Рейзман Я. А. ИНЭУМ представляет инструментальную систему нового поколения CONField v. 2.0.30 / Международный семинар "Автоматизация. Программно-технические средства. Системы. Применения". — 2006.

4. Тайманов Р. Е, Сапожникова К. В. Метрологический самоконтроль датчиков / Труды конференции "Технические и программные средства

систем управления, контроля и измерения". — М., 2010.

5. Алейников А. Ф., Гридчин В. А., Ца-пенко М. П. Датчики (перспективные направления развития): Учеб. Пособие / Под ред. проф. М. П. Ца-пенко. — Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2001.

6. Марченко И. О. Обобщенное уравнение многофункционального интеллектуального датчика // Сборник научных трудов НГТУ. — 2011.

7. IEEE Std 1451.4—2004, Standard for a Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators- Mixed-Mode Communication. Protocols and Transducer

Electronic Data Sheet (TEDS) Formats" // IEEE Standards Association, Piscataway, NJ, subclause 5.1.1, 2004.

8. Баран Е. Д., Марченко И. О., Полу-бинский В. Л. Система проектирования интеллектуальных датчиков с электронными таблицами. АПЭП-2010. - Новосибирск: НГТУ, 2010.

Илья Олегович Марченко — ассистент кафедры систем сбора и обработки данны/х Новосибирского государственного технического университета.

® (383)346-08-46

E-mail: i.o.marchenko@mail.ru □

УДК 621.317.733

МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ ЕМКОСТНОГО ДАТЧИКА С ФАЗОВЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ

В. П. Арбузов, И. А. Долгушев, С. Е. Ларкин, М. А. Мишина

Предложена микропроцессорная измерительная цепь с фазовым разделением каналов, которая позволяет получить сигнал, пропорциональный заданной функции преобразования емкостного параметрического преобразователя с использованием как микропроцессора, так и микроконтроллера независимо от неидеальности тракта преобразования пассивных величин (рабочей и опорной емкостей датчика) в выходное напряжение активного преобразователя. Ключевые слова: емкостной параметрический преобразователь, коррекция погрешности преобразования, фазовое разделение каналов, микропроцессорная измерительная цепь.

Широкое использование емкостных датчиков обусловлено высокой температурной стабильностью их параметров, а размещение в конструкции емкостного параметрического преобразователя (ЕПП) наряду с рабочим конденсатором Сх дополнительного опорного конденсатора Со позволяет осуществлять коррекцию погрешности, обусловленной изменением диэлектрической проницаемости межэлектродной среды. Кроме того, наличие двух конденсаторов в ЕПП дает возможность обеспечить коррекцию погрешности измерительной цепи датчика путем временного разделения каналов преобразования Сх и Со в активные величины, например, за счет фазового разделения указанных каналов [1].

Суть фазового разделения каналов заключается в подаче на Сх и Со, одновременно подключенных к входу операционного усилителя (ОУ), напряжений (токов), сдвинутых относительно друг друга на некоторый угол <, с последующим выделением из выходного напряжения ОУ двух составляющих, одна из которых пропорциональна Сх, а вторая — Со, причем отношение этих составляющих пропорционально отношению емкостей ЕПП и не зависит от параметров ОУ.

Применение микропроцессора (МП) для деления напряжений позволяет получить требуемую функцию

преобразования как датчиков давления, так и датчиков перемещения с квазидифференциальной или дифференциальной конструкцией ЕПП, а также произвести нормирование выходного сигнала измерительной цепи емкостного датчика (ИЦЕД). На рис. 1 приведена структурная схема микропроцессорной ИЦЕД, реализующей метод фазового разделения каналов. На рабочий Сх и опорный Со конденсаторы ЕПП, подключенные к входу активного преобразователя АП, выполненного на ОУ (У), подаются напряжения П^г) и Ь2(г), сформированные блоком фазового разделения каналов БФРК. В обратную связь ОУ включена образцовая емкость С ИЦЕД. Устройство обработки сигнала УОС выделяет из выходного сигнала Пу блока АП составляющие, пропорциональные значениям емкостей рабочего и опорного конденсаторов, и осуществляет деление одной из выделенных составляющих на другую, выполняя при этом еще и логометрическую коррекцию погрешности, вызванной неидеальностью АП.

Для обеспечения возможности разложения выходного напряжения Пу на составляющие, пропорциональные Сх и Со, функции, описывающие напряжения П^г) и П2(г), должны составлять систему базисных функций. При этом сами функции должны удовлетворять

Рис. 1. Структурная схема микропроцессорной ИЦЕД

ряду известных требований [2]. С целью обеспечения работоспособности ИЦЕД напряжения ^(г) и и2(г) должны формироваться от одного генератора, а среднее значение каждого из них за период должно быть равно нулю. Одновременное выполнение перечисленных требований позволяет создать систему координат, в которой будет осуществляться разложение выходного напряжения АП на искомые составляющие.

Требования к напряжениям ^(г) и Ц2(г) определили структуру БФРК, состоящую из генератора периодических колебаний и фазовращателя, создающего сдвиг фаз Ф между его выходными напряжениями. Если в БФРК используется генератор синусоидальных колебаний, то система базисных функций для ИЦЕД будет иметь вид:

Ul( t)

U2( t)

U0 sin «t; U0 sin («t + ф),

(1)

с учетом которой выходной сигнал АП равен:

Uy(t) = -[— U0sinш? + — U0sin(ш? + ф)] (1 + Ум), (2)

Uy( ti) = -[ U^ sin («ti) + Uo-^^ sin («ti + ф)]( 1 + Ym);

C0

Uy( t2) = -[ Uo — sin (ш?2) + Uo — sin (шг2 + ф)]( 1 + ум).

Решение системы относительно Cx и Cq определяет искомые составляющие выходного напряжения АП, от-

ношение которых описывает функцию преобразования ИЦЕД 2ВЫХ:

= C = -Uy(t2)Ui(ti) - Uy(ti)U2(t2)

Co Uy(t2) Ui(ti) - Uy(ti)Ui(t2)

(4)

или

где Yм — погрешность, обусловленная неидеальностью АП.

Для определения Сх и Сд устройство обработки сигналов УОС осуществляет выборку из выходного напряжения Цу в моменты времени ^ и г2 соответственно. В результате получим систему уравнений:

(3)

Z = - = _ -( -2 )- ( - 1 ) - - ( -1 ) - ( -2 ) вых Cx Uy(?2) U2(ti) - Uy(ti)U2(t2) •

Из полученных выражений видно, что выходной сигнал ИЦЕД не зависит от погрешности ym, обусловленной неидеальностью АП.

Для реализации полученной функции преобразования аналого-цифровые преобразователи (АЦП1—АЦП3) (см. рис. 1) осуществляют преобразование в код трех напряжений: Ui(ti), U2(ti) и Uy(ti) в момент времени tj; Ul(t2), U2(t2) и Uy(t2) в момент времени t2. Микропроцессор вычисляет значение выходного сигнала в соответствии с одним из выражений для 2Вых.

Временная диаграмма работы микропроцессорной ИЦЕД приведена на рис. 2. По синхросигналу ST, формируемому микропроцессором МП, в момент времени ti осуществляется запоминание мгновенных значений напряжений Uj(t), U2(t), Uy(t) и их преобразование в код, по окончании которого каждый из АЦП выдает сигнал готовности RAD. Получив сигналы RAD1—RAD3 микропроцессор последовательно опрашивает АЦП1—АЦП3 (см. рис. 1), формируя сигналы чтения ERD1— ERD3, переводящие выходные регистры АЦП из "третьего" состояния в активное. В результате этого с шины данных в МП записываются коды мгновенных значений трех напряжений Ui(tj), U^(tj), Uy(ti). Аналогичная процедура выполняется и для момента времени t2, задаваемого МП. После записи в МП мгновенных значений напряжений Uj(t2), U2(t2) и Uy(t2) с момента времени t3 начинается обработка результата в соответствии с выражением (4), после чего процесс преобразования повторяется.

вых

ST 11". ,

И'. \1'2 1 ' Обработка '3 результата

АЦП1-3 1 \ 3-е состояние 1 \

\ ) \ )

Л4Ш-3

1

ЕК01

\ / \ /

Ект

\ / \ /

ЕЯП3

\ / \ /

Шина данных / \/ \/ \ 3-е состояние 1 V/ \/ \

Рис. 2. Временная диаграмма работы микропроцессорной ИЦЕД

В общем случае выделение составляющих из выходного напряжения АП эквивалентно разложению вектора Щ в системе координат или базисе, образованном векторами напряжений ^(г) и Ь2(0, составляющими систему базисных функций ИЦЕД (1). Алгоритм вычисления выходного сигнала /вых определяется выражением (4). Если время работы АЦП и ¿2 задавать таким образом, чтобы в правой части выражений системы (3) одно из слагаемых равнялось нулю, т. е.

= кТ и ¿2 = —ф/ю + кТ, (5)

(Т — период базисной функции; к = 0; 1; 2; 3; ...), то система (3) примет вид:

Цу( ¿1) = -и0 С 8Ш (ф)( 1 + Ум);

сх

Цу( ¿2 ) = -Щ С ^ (-Ф)( 1 + Ум).

(6)

Из (6) видно, что для определения выходного сигнала ИЦЕД достаточно преобразовать в код выходной сигнал Цу(г) только в двух точках. После операции деления этих напряжений получим:

7 = _ Сх = Цу^) или 7 = - Со =

/вых = — = ТТ- или /„^^ = — —— = - .

Со Цу(/1) вых Сх Цу(?2)

Следовательно, выбирая значения моментов времени аналого-цифрового преобразования в соответствии с (5), необходимость в использовании АЦП1 и АЦП3 (см. рис. 1) отпадает, и УОС можно выполнить на микроконтроллере, в составе которого есть аналоговый мультиплексор и АЦП. Однако упрощение ИЦЕД и алгоритма вычисления выходного сигнала /вых приводит к снижению быстродействия, так как получить выходной сигнал ИЦЕД в данном случае можно только два раза за период частоты выходных напряжений БФРК. Использование микропроцессора или микроконтроллера позволяет использовать ИЦЕД для ЕПП с различ-

Варианты реализуемых микропроцессором (произвольные Ц и (2) или микроконтроллером (фиксированные и (2) функций преобразования

Информативный параметр ЕПП Выходной сигнал

Произвольные ^ и ¿2 Фиксированные ?! и ¿2- = 0; /2 = —ф/ю

-Сх 7 _ - ( -2 ) - ( '1 ) - - ( -1 ) - ( '2 ) - ( -2 )-2 ( '1 ) - -у ( -1 )-2 ( '2 ) 2 _ Оу( '2)

-С0 2 _ _ - ( -2 )- ( '1 ) - - ( -1 ) - ( '2 ) 0у('2) Щ('1) - оу('1) Щ('2) 2 _ -С/у(-2) Оу('1)

С- - -0 2 _ -( -2 ) [- ( - ) + - ( -1 ) ] - -( -1 ) ( '2 ) + - ( -2 )] 2 _ САу(?2)+ С/у(-)

Со - ( -2 )- ( '1 ) - -у ( -1 )- ( '2 ) оу( -1 )

Сх - С0 2 _ -( -2 ) [- ( - ) + - ( -1 ) ] - -( -1 ) [- ( '2 ) + - ( -2 )] 2 _ с/у(?2)+ ад)

Сх - ( -2 ) О 2 ( '1 ) - - ( -1 ) О-2 ( '2 ) Оу ('2

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком