Датчик давления с двумя дополнительными резисторами

Оглавление

Введение…………………………………………………………………………..….3

1. Теоретическая  часть………………………………………………………............7

1.1. Основные сведения………………………………………………………7

1.2. Программа схематического  моделирования Micro-Cap……………...15

2. Датчик давления…………………………………………..………………….....17

Список литературы…………………………………………………………………31

ПРИЛОЖЕНИЕ  Б. Временные диаграммы………………………………………32

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Характеристики усилителей……..………………………….37

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

     Создание средств измерений и обработки информации, отвечающих  современным требованиям производства, техники и науки, предполагает реализацию не только конструктивных и технологических возможностей совершенствования известных технических решений, но и главным образом разработку принципиально новых высокоэффективных методов и средств преобразования и обработки информации. К числу таких методов, получивших широкое развитие, относятся  методы интегрирующего развертывающего преобразования (ИР- преобразования).

     Интегрирующие развертывающие преобразователи (ИРП) являются базовыми в структурах так называемых интегрирующих аналоговых преобразователей   (АЦП)  и цифровых интегрирующих приборов.

     Благодаря получению результата преобразования в виде частоты и интервала времени, пропорциональных среднему за конечный интервал времени значению измеряемой величины, использование ИР-преобразования позволяет простыми средствами решать задачи повышения точности и помехоустойчивости цифровых средств измерения сигналов малого уровня.

     Эффективность любых новых применений методов ИР-преобразования обусловлена их технической простотой. По этому показателю, а также по точности и помехоустойчивости методы ИР-преобразования находятся вне конкуренции среди других методов построения цифровых средств измерения, что определяет предпочтительность их применения во всех случаях, когда обеспечивается требуемое быстродействие.

     Интегрирующие развертывающие преобразователи используются для измерения самых разнообразных величин - напряжения, тока, сопротивления, ёмкости, проводимости, индуктивности, частоты, фазы, мощности и некоторых других.

 

 

Очевидно, что конкретный вид измеряемой  величины определяет некоторые особенности схемного построения ИРП. Если измеряется не напряжение, в структуре соответствующего преобразователя, например преобразователя сопротивления в частоту  (интервал времени), всегда или почти всегда можно выделить предварительный преобразователь входной величины в напряжение. Подобное расчленение структуры наилучшим образом отвечает основному принципу построения средств  измерений —  принципу агрегатирования, позволяющего создавать средства измерений любого назначения путем проектной компоновки с использованием ограниченной номенклатуры так называемых унифицированных измерительных преобразователей [1].

Одним из наиболее важных направлений, связанных с решением задач, стоящих перед специалистами информационно-измерительной техники на данном этапе, является разработка методов и средств преобразования параметров резистивных датчиков в частотные сигналы. Актуальность решения этой задачи обусловлена, с одной стороны, широкой номенклатурой резистивных датчиков, которые используются для измерения разнообразных физических величин (перемещений, механических напряжений, температуры, расхода газа и т.д.), и, с другой стороны, преимуществами частотного представления информации с точки зрения помехоустойчивости, передачи информации по линиям связи, обработки и преобразования в код. Указанное направление в информационно-измерительной технике  интенсивно развивается, что подтверждается большим количеством публикаций по данному вопросу в отечественной и зарубежной литературе, например, работы Т.М.Алиева, Л.И.Волгина, В.С.Гутникова, А.Н.Касперовича, С.В.Куликова, В.Н.Малиновского, А.И.Мартяшина, В.Д.Махнанова, В.С.Попова, С.Л.Судьина, Э.К.Шахова, В.М.Шляндина и других. Вместе с тем, целый ряд вопросов применения, рационального построения структур и теоретического описания процессов в частотных преобразователях параметров резистивных датчиков до настоящего времени разработан еще недостаточно, и возникающие требования к совершенствованию средств измерений диктуют необходимость дальнейшего развития теории и практики построения преобразователей рассматриваемого класса.

Настоящая работа посвящена разработке и исследованию частотных преобразователей параметров резистивных датчиков, основанных на методе интегрирующего развертывающего преобразования. Как показали исследования, проведенные автором,  частотные интегрирующие развертывающие преобразователи (ЧИРП) параметров резистивных датчиков в отличие от преобразователей, построенных на иных принципах, обладают наиболее широкими функциональными возможностями, обусловленными чрезвычайной гибкостью, адаптируемостью параметров и структур преобразователей к условиям решаемых задач. Это, например, позволяет несложным изменением структуры или ее параметров применять ЧИРП для работы с различного типа измерительными цепями и резистивными датчиками.

Основные трудности  при построении ЧИРП параметров резистивных  датчиков связаны с решением трех основных проблем:

1) обеспечение  минимально допустимой погрешности  нуля, особенно при работе с датчиками с малым относительным изменением сопротивления (тензодатчики, термометры сопротивлений и т.д.), когда уровень выходного напряжения измерительной цепи имеет paзмер порядка единиц милливольт;

2) обеспечение минимально допустимой погрешности чувствительности, учитывая возможное на практике изменение напряжения питания измерительной цепи, изменение параметров соединительных линий и параметров схемы преобразователя;

3) рациональное  сопряжение измерительной цепи (ИЦ) со схемой преобразователя, особенно  при мостовой схеме ИЦ.

       При этом не менее актуальными  остаются проблемы поиска путей  структурного совершенствования  ЧИРП для получения высоких  метрологических характеристик, высокой помехоустойчивости и упрощения схемной реализации.

      Следует  отметить, что резистивные датчики  в информационно-измерительной технике широко используются при измерении механических, тепловых величин и проведении других видов массовых измерений, в связи с чем решение перечисленных выше задач в конечном итоге может обеспечить большой технико-экономический эффект.

     Целью данной работы является описание результатов исследования и разработки ряда частотных интегрирующих развертывающих преобразователей параметров резистивных датчиков общепромышленного применения с улучшенными эксплуатационными и метрологическими характеристиками, предназначенных для работы с различного типа резистивными датчиками и линиями связи.

      Для достижения поставленной  цели была разработана методика  и проведены исследования предельных  точностных характеристик ЧИРП  при приемлемой в условиях  массовых измерений аппаратурной  сложности, определены наиболее  перспективные структуры преобразователей, предназначенных для решения разнообразных задач измерения с помощью резистивных датчиков.

     В  работе приводятся результаты  исследования методов уменьшения  влияния собственных шумов элементов  схемы на порог чувствительности  для разработки  рекомендаций по рациональному построению корректирующего канала с целью минимизации порога чувствительности ЧИРП при сохранении всех положительных свойств интегрирующих развертывающих преобразователей, исследования и выявления наиболее перспективных технических решений задачи минимизации инструментальных погрешностей ЧИРП, результаты разработки и экспериментального исследования частотных интегрирующих развертывающих преобразователей параметров резистивных датчиков.

 

 

 

 

1. Теоретическая часть.

1.1. Основные  сведения.

Основными недостатками существующих ЧИРП рассматриваемого подкласса, предназначенных для работы в условиях коротких соединительных линий с датчиком, являются низкая технологичность (наличие трансформаторов в схеме), влияние параметров линии связи на функцию преобразования, необходимость буферного усилителя, вносящего дополнительные источники погрешностей.

Частичное устранение указанных недостатков, достигнуто в разработанном при  участии автора ЧИРП разбаланса тензометрического    моста [75],  функциональная   схема   которого  представлена   на рис.1-1,а. Временные диаграммы, поясняющие работу устройства, изображены на рис.1-1,б.

 

Рисунок.1-1

 

 

 

В состав преобразователя  входят: тензометрический мост ТМ, интегратор на базе операционного усилителя Х1 с емкостной отрицательной обратной связью, сравнивающее устройство СУ на базе Х2 и дозирующий конденсатор C_д.

В установившемся режиме работы устройства с выхода сравнивающего  устройства Х2 следуют  разнополярные  импульсы амплитудой ±U₀. Пусть в момент времени t₁ произошла смена полярности выходного напряжения     с - U₀ на + U_0. При этом напряжение на выходе интегратора обусловлено положительным "скачком" напряжения с одной из вершин измерительной диагонали   тензометрического   моста, равным  , где ε = ΔR/R  - относительное изменение сопротивления ТМ, и отрицательным "скачком" через дозирующий конденсатор, равным . С учетом начальных условий имеем

,                                           (1-1)

где Си - значение емкости интегратора.

    Под действием напряжения  разбаланса  ТМ, равного – εU₀, напряжение на выходе интегратора будет увеличиваться до положительного порогового уровня блока сравнения Х2, равного .

В момент равенства  порога срабатывания и напряжения на выходе интегратора вновь произойдет смена полярности выходного напряжения.

При этом напряжение на выходе интегратора  будет равно

,                                  (1-2)

где τ_и = R_иC_и  - постоянная  времени интегратора.

Для момента равенства напряжений на выходе интегратора и порогового уровня СУ справедливо выражение

   ,                              (1-3)

где    Т   - период следования выходного напряжения Х2.

  Из выражения (1-3) определяем частоту  выходного сигнала

        .                                                (1-4)

Таким образом, как следует из выражения (1-4), основными параметрами, определяющими мультипликативную погрешность, являются значение ёмкости дозирующего конденсатора и сопротивление интегратора, включающее в себя выходное сопротивление тензометрического моста, сопротивление кабельной линии и суммирующее сопротивление   R_И   интегратора.

При испытании макетного образца  рассмотренного преобразователя разбаланса тензометрического моста в частоту были получены следующие технические характеристики:

- диапазон изменения  разбаланса  тензометрического

моста  0 10ֿ²;

    -  диапазон изменения выходной  частоты  … 2 4 кГц;

    -  сопротивление резисторов в плечах моста…………… 700 Ом;        - напряжение питания моста    ± 6 В;

    -  приведенная погрешность нелинейности    ±0,3%;

    -  основная приведенная погрешность   ±0,3%;

    -  диапазон рабочих температур +20 ± 5°С.

Влияние изменений сопротивления кабельной линии и  cсуммирующего сопротивления интегратора можно уменьшить путём  включения  дозирующего конденсатора параллельно одному из плеч тензометрического моста, как показано на рис.1-2,а. При этом, например, после скачка напряжения на выходе Х2 от –U₀ до + U₀ напряжение в точке "а" схемы будет изменяться по закону

                                      (1-5)

В то же время в точке "б"  напряжение равно

                  ,                                                      (1-6)

т.е.  напряжение  разбаланса  тензометрического  моста U_ε(t) изменяется по закону

                                    (1-7)

где . Таким образом, напряжение U_ε(t) в начальный момент времени имеет положительное значение и по мере заряда конденсатора Сд  стремится к отрицательному значению  -2U0ΔR/R. Следовательно, в результате интегрирования U_ε(t) напряжение на емкости интегратора будет сначала возрастать, а  затем убывать (см. временные диаграммы рис.1-2,б), Математически изменение напряжения на выходе интегратора U_c описывается выражением 

.                   (1-8)

 

Рисунок.1-2

В результате период следования выходных импульсов  определяется как решение уравнения

                                                     (1-9)

или 

                                     (1-10)

Поскольку  τ_д   выбирается из условия

                                                    (1-11)

 

Из  выражения (1-10) следует

                                  (1-12)

Таким образом, при рассмотренном методе формирования дозирующего заряда появляется методическая погрешность от нелинейности