ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ДАТЧИКОВ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Вестник РАУ. Серия физико-математические и естественные науки, 1, 2008, 41-47 41
УДК 681.3.06
ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ДАТЧИКОВ ФИЗИЧЕСКИХ
ВЕЛИЧИН
Б.М. Мамиконян, Х.Б. Мамиконян
Гюмрийский филиал Государственного инженерного университета Армении
Рассмотрены вопросы измерения выходных параметров датчиков
физических величин (преимущественно емкостных и индуктивных датчиков) по мгновенным значениям напряжения переходного процесса в измерительной цепи. Реализация предложенного
способа измерения позволяет обеспечить высокое быстродействие и повысить точность измерения. Измеритель может быть использован в системах централизованного сбора и обработки измерительной информации.
Однa из основных метрологических характеристик средств измерений
(СИ) – быстродействие – определяется длительностью временного интервала,
требуемого средством измерений для формирования текущей оценки измеряемой физической величины, причем чем меньше это время, тем выше быстродействие. Задача создания быстродействующих СИ весьма важна, особенно в системах централизованного сбора и обработки измерительной информации. Обычно быстродействие СИ, как метрологической системы, определяется главным образом инерционностью датчика (первичного измерительного преобразователя) – наименее быстродействующего узла СИ. В связи со
всё более широким использованием в технике датчиков разнообразных физических величин вопросы измерения их выходных параметров  R, L, C  приобретают первостепенное значение. Одновременно растут и требования к метрологическим характеристикам соответствующих измерителей. Для решения
подобных задач широко используются измерительные устройства с питанием
измерительной цепи (ИЦ) синусоидальным напряжением и осуществление
измерения в установившемся режиме [1]. Однако в ряде случаев подобные
устройства оказываются сложными, имеют малое быстродействие из-за инерционности первичного преобразователя и достаточно узкие пределы измерения.
Развитие элементной базы современной радиоэлектроники сделало возможным при решении подобных задач использование переходных процессов, возникающих в ИЦ (метод динамических измерений). Использование со-
Измеритель параметров датчиков физических величин
42
временных интегральных микросхем позволяет создавать в этом случае простые, надежные и малогабаритные измерительные устройства, обладающие
высоким быстродействием при достаточно хороших метрологических характеристиках [2].
При реализации метода динамических измерений параметры ИЦ определяются по отдельным мгновенным значениям переходного процесса в цепи
при подключении к ней напряжения постоянного тока [3-5]. В этом случае
время измерения не зависит от постоянного времени неизвестного элемента
цепи, а определяется, в основном, временем измерения мгновенных значений
переходного процесса и реализации алгоритма обработки измеренных значений.
В известных устройствах, построенных по указанному методу [5] и использующих два измерения мгновенных значений напряжения переходного
процесса, на последовательную активно-емкостную или индуктивно-активную цепь, один из элементов которой известен, подают известное значение
U 0 напряжения постоянного тока (рис. 1). В произвольный момент времени
измеряют первое мгновенное значение напряжения на средней точке ИЦ. Через образцовый интервал времени с момента первого измерения измеряют
второе мгновенное значение напряжения на средней точке цепи и определяют неизвестный элемент цепи по двум измеренным значениям и известному
значению опорного напряжения. В этих измерителях предполагается, что значение опорного напряжения U 0 заранее известно и стабильно во времени.
Однако в общем случае для повышения точности измерения необходимо определить значение опорного напряжения перед началом каждого измерения
параметров ИЦ, что увеличивает общее время измерения.
U0
U0
R0
LX
u(t)
u(t)
CX
а
R0
б
Рис. 1. Активио-емкостная (а) и индуктивио-активная (б) цепи
В данной статье описываются способ и устройство [6], позволяющие
определить параметры ИЦ также по двум измерениям, но при произвольном
значении опорного напряжения.
Б.М. Мамиконян, Х.Б. Мамиконян
43
Для активно-емкостной цепи (рис. 1а) при подключении к ней источника опорного напряжения U 0 постоянного тока сигнал u (t ) на средней точке цепи растет по зависимости (рис. 2)


u (t )  U 0 1  e  t  ,
(1)
где   R0C X – постоянная времени цепи, состоящей из известного сопротивления R0 и неизвестной емкости C X (рис. 1а);   LX R0 – постоянная
времени цепи, состоящей из известного сопротивления R0 и неизвестной индуктивности L X (рис. 1б).
u
U0
U0
u t 
U2
U1
t1
t2
t
t
Рис. 2. Изменение напряжения на средней точке ИЦ
В произвольный момент времени t1 мгновенное значение напряжения


на средней точке цепи (рис. 2) U1  U 0 1  e t1  .
В этот момент времени измеряется первое отношение напряжений
k1  U1 U 0  1  e  t1  .
(2)
Через образцовый интервал времени t с момента первого измерения в
момент времени t2  t1  t мгновенное значение напряжения на средней точке цепи
t t


 1
U 2  U 0 1  e t2   U 0 1  e   .




В этот момент времени измеряется второе отношение напряжений


k2  U 2 U 0  1  e  (t1 t )  .
(3)
Измеритель параметров датчиков физических величин
44
Из выражений (2) и (3) находим отношение
1  k1
e t1 
 t  t   e t  .
1  k2 e 1  e
Прологарифмировав обе части этого выражения, получим
1  k1
t
 ln
,

1  k2
откуда

t
.
1  k1
ln
1  k2
(4)
Если неизвестна емкость C X , а известно активное сопротивление R0
измерительной цепи, то   R0C X и
CX 
t
.
1  k1
R0 ln
1  k2
(5)
Если неизвестно активное сопротивление RX , а известна емкость C0
измерительной цепи, то   RX C0 и
RX 
t
.
1  k1
C0 ln
1  k2
(6)
Для индуктивно-активной последовательной цепи   L R также справедливо выражение (4). Если в этом случае неизвестна индуктивность LX , а
известно активное сопротивление R0 измерительной цепи, то   LX R 0 и
LX 
R0 t
.
1  k1
ln
1  k2
(7)
Если неизвестно активное сопротивление RX , а известна индуктивность L0 измерительной цепи, то   L0 RX и
1  k1
1  k2
.
t
L0 ln
RX 
(8)
Б.М. Мамиконян, Х.Б. Мамиконян
45
В рассматриваемом устройстве повышение точности измерения неизвестного элемента ИЦ достигается за счет того, что при тех же двух измерениях контролируется также и опорное напряжение U 0 , в результате чего нестабильность этого напряжения не вызывает погрешности измерения.
Устройство, реализующее описанный способ измерения R, L, C , содержит (рис. 3) источник опорного напряжения постоянного тока 1, ключ 2,
измерительную цепь 3, выполненную в виде последовательного соединения
активного сопротивления (или индуктивности) 4 и емкости (или активного
сопротивления) 5, блок деления 6 со входом делимого 7 и входом делителя 8,
аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 9, вычислительный блок 10, блок
управления 11, шину «Пуск» 12. Выходы разрядов АЦП соединены с информационными входами вычислительного блока 10, а управляющий вход – с
первым выходом блока 11 управления. Второй выход блока управления соединен с управляющим входом ключа 2, а третий выход – с управляющим входом вычислительного блока 10, вход начальной установки которого соединен с шиной 12 «Пуск».
1
2
1
12
3
4
8
7
6
9
1
5
Рис. 3. Блок-схема измерителя параметров R, L, C
Блок деления 6 представляет собой делитель аналоговых напряжений,
коэффициент преобразования которого выбран равным 1В. В качестве АЦП
использован кодо-импульсный АЦП параллельного типа с выходным регистром памяти. В качестве вычислительного блока 10 может быть использована
микро-ЭВМ или специальное программно-управляемое вычислительное ус-
46
Измеритель параметров датчиков физических величин
тройство. Вычислительный блок 10 и блок управления 11 могут быть заменены одним программируемым микроконтролером.
Устройство работает следующим образом.
При подаче импульса на шину «Пуск» вычислительный блок 10 переходит к началу выполнения программы. По команде с блока 11 управления замыкается ключ 2 и напряжение U 0 с источника 1 поступает на вход ИЦ и на
вход делителя 8 блока деления 6. Напряжение на средней точке ИЦ изменяется согласно выражения (1). Блок деления 6 непрерывно делит это напряжение на опорное напряжение U 0 .
Через некоторый временной интервал, задаваемый блоком управления
11, в произвольный момент времени t1 запускается АЦП 9, на входе которого
мгновенное значение напряжения равно k1  U1 U 0 . Это напряжение преобразуется в код, который по сигналу запроса на ввод, поступающему с блока
11 управления, поступает на управляющий вход вычислительного блока 10 и
записывается в этом блоке.
Через временной интервал t , задаваемый блоком 11 управления, в момент времени t2 вновь запускается АЦП 9, на входе которого мгновенное
значение напряжения равно k2  U 2 U 0 . Это напряжение преобразуется в
код, который по сигналу запроса на ввод записывается в вычислительный
блок 10.
В вычислительном блоке производятся вычисления согласно выражениям (5), (6), (7) и (8) в зависимости от вида ИЦ и неизвестного параметра.
Коды, пропорциональные значениям известного элемента цепи и интервала времени t , хранятся в памяти вычислительного блока. Результат измерения измеряемой величины в физических единицах фиксируется в вычислительном блоке, после чего восстанавливается исходное состояние устройства.
Как следует из полученных формул, в описанном устройстве результат
измерения не зависит от значения опорного напряжения. Время измерения
неизвестного элемента ИЦ не зависит от постоянной времени этой цепи, а
определяется, в основном, временем преобразования АЦП.
ЛИТЕРАТУРА
1. В.М. Шляндин, Цифровые измерительные устройства. - М.: Высшая школа, 1981,
335 с.
2. И.А. Бугаков, Использование метода динамических измерений физических величин для построения быстродействующих средств измерений. // Измерительная
техника, 2001, №11. С. 6-9.
3. В.С. Мелентьев, Анализ методов измерения параметров электрических цепей по
мгновенным значениям переходного процесса в цепи. // Известия вузов. Электромеханика, 2005, №1. С. 19-22.
4. В.С. Мелентьев, Методы и средства измерения параметров емкостных дифференциальных датчиков. // Датчики и системы, 2005, № 5. С. 36.
Б.М. Мамиконян, Х.Б. Мамиконян
47
5. В.С. Мелентьев, Д.В. Котин, Интеллектуальные средства измерения параметров
энергообъектов. // Методы и средства измерения в системах контроля и управления: Тр. Междунар. конф. Пенза, 2002. С. 170-171.
6. Б.М. Мамиконян, Х.Б. Мамиконян, Способ измерения значений параметров
электрической цепи и устройство его реализации. // Патент РА №1940, 2007.
Поступила в редакцию
27. 6. 2008
üƼÆÎ²Î²Ü ØºÌàôÂÚàôÜܺðÆ îìÆâܺðÆ ä²ð²ØºîðºðÆ â²öÆâ
´.Ø. سÙÇÏáÝÛ³Ý, Ê.´. سÙÇÏáÝÛ³Ý
¸Çï³ñÏí³Í »Ý ýǽÇÏ³Ï³Ý Ù»ÍáõÃÛáõÝÝ»ñÇ ïíÇãÝ»ñÇ (³é³í»É³å»ëª áõݳϳÛÇÝ ¨ ÇݹáõÏïÇí) »Éù³ÛÇÝ å³ñ³Ù»ïñ»ñÇ ã³÷Ù³Ý Ñ³ñó»ñÝ ³ÛÝ ¹»åùÇ Ñ³Ù³ñ,
»ñµ ã³÷áõÙÁ ϳï³ñíáõÙ ¿ ã³÷Çã ßÕóÛáõÙ ³é³ç³óáÕ ³ÝóáõÙ³ÛÇÝ »ñ¨áõÛÃÇ
ɳñÙ³Ý ³ÏÝóñóÛÇÝ ³ñÅ»ùÝ»ñÇ ÙÇçáóáí: ²é³ç³ñÏíáÕ ã³÷Ù³Ý »Õ³Ý³ÏÇ
Çñ³Ï³Ý³óáõÙÁ ÃáõÛÉ ¿ ï³ÉÇë ³å³Ñáí»É µ³ñÓñ ³ñ³·³·áñÍáõÃÛáõÝ ¨ ã³÷Ù³Ý
×ß·ñïáõÃÛáõÝ: â³÷ÇãÁ ϳñáÕ ¿ û·ï³·áñÍí»É ã³÷áÕ³Ï³Ý ï»Õ»ÏáõÛÃÇ Ï»Ýïñáݳóí³Í ѳí³ùÙ³Ý ¨ Ùß³ÏÙ³Ý Ñ³Ù³Ï³ñ·»ñáõÙ:
PHYSICAL QUANTITIES SENSORS PARAMETERS MEASURER
B.M. Mamikonyan, Kh.B. Mamikonyan
The questions of physical quantities sensors (mainly of capacitive and inductive sensors)
output parameters measuring are considered. It is measured transient instant values voltage
in measuring circuit. The realization of proposed measuring mode allows to provide high
operating speed and to raise the measuring accuracy. The measurer can be used in systems
of centralized acquisition and processing of measuring information.