Исследование девиации ёмкости связи в резистивно-емкостном датчике




Скачать 61.87 Kb.
НазваниеИсследование девиации ёмкости связи в резистивно-емкостном датчике
Дата конвертации28.10.2012
Размер61.87 Kb.
ТипИсследование
M.15.O. Исследование девиации ёмкости связи в резистивно-емкостном датчике


В.А. Мартяшин, А.В. Сорокин


1. Пензенский государственный университет, 440026,г.Пенза, ул.Красная 40, (8412) 36-82-17, androidmail@mail.ru


1. Введение

При измерении параметров различных физических величин широкое применение находят потенциометрические датчики. При большом количестве положительных качеств таких датчиков у них присутствует существенный недостаток – ограниченное число циклов работы из-за износа подвижной контактной части датчика. Вина этому – трение между резистивным слоем и подвижным токосъёмным элементом. Этого недостатка лишены резистивно-емкостные датчики (РЕД). В РЕД используется не гальваническая, а емкостная связь подвижного элемента с резистивным слоем. Однако, девиация (изменение относительно своего среднего значения) ёмкости связи в условиях реальной эксплуатации РЕД (влияние температуры, влажности, вибрации), а также при перемещении подвижного элемента приводит к искажению передаточной функции РЕД. Добиться постоянства ёмкости связи проблематично без существенного удорожания датчика. Таким образом, контроль значений ёмкости связи и информация о её девиации очень актуальна для проведения точных измерений, математического и схемотехнического моделирования процессов измерений, при проектировании РЕД и разработке измерительных преобразователей к ним.

На рисунке 1 показан РЕД и его трехэлементная схема замещения. Где: R1 – сопротивление пропорциональное перемещению токосъемного элемента, R1+R2- сопротивление резистивной обмотки, ССВ- емкость связи.



Рис.1

Основная проблема, возникающая при измерении емкости связи РЕД состоит в том, что нет доступа к средней точке трехэлементной цепи. Существует несколько способов решения, основой которых, в большей степени, являются тестовые сигналы специальной формы, подаваемые на вход измерительной схемы (например, прямоугольные импульсы). Анализируя отклик схемы на тест-сигнал, можно определить емкость без декомпозиции цепи.

Уникальные возможности, представляемые для подобных исследований, аппаратно-программным комплексом (АПК) фирмы National Instruments (программная среда LabVIEW и многофункциональная плата ввода-вывода PCI-MIO-16-E1), позволили авторам разработать автоматизированный и в достаточной степени универсальный стенд, способный работать с различными типами РЕД без значительной перенастройки.




В качестве тест-сигнала использовалось гармоническое колебание. На рис.2 приведена схема измерительной цепи, положенная в основу работы стенда. Если значение сопротивление Rx равно нулю или значительно меньше значения реактивного сопротивления Сx, получаем:

, , тогда , где:

K- модуль коэффициента передачи по амплитуде;

Сo- опорная, с заранее известным значением, ёмкость;.

Cx- искомая ёмкость связи;

Rx- активное сопротивление;

ОУ- идеальный операционный усилитель.

В соответствии с рис.2 трехполюсную схему замещения РЕД необходимо преобразовать в двухполюсную – оставить один из резистивных выводов свободным либо закоротить их.

Сопротивление резистивного слоя РЕД лежит в пределах единиц-десятков кОм, емкость связи – десятков пФ, частоты входных сигналов 3,5-20кГц. Логично положить, что сопротивление резистивного слоя (Rx), будет вносить погрешность в результаты измерений. Например, на рис.3 представлена погрешность h измерения емкости, вносимая Rx, при Cx=60 пФ; частоте входного сигнала 9 кГц; и изменении Rx от 0 до 100 кОм.



Рис.3.

Для исключения влияния Rx необходимо из выходного сигнала выделить только ту квадратурную составляющую, которая соответствует Cx (метод “синфазного детектора”). Если проинтегрировать выходной сигнал синфазно половине периода входного, то результат интегрирования будет прямо пропорционален амплитуде емкостной составляющей. Иллюстрацией к этому методу служит рис.4.




Рис. 4

2. Краткое описание технической реализации стенда.

На рис.5 приведена схема стенда на базе АПК фирмы National Instruments, позволяющего измерять абсолютное значения ёмкости связи и её девиации у опытного образца РЕД линейного перемещения. Измерительная цепь реализована на ОУ2. Для уменьшения влияния Cвх ОУ2, ёмкости монтажа, погрешности измерения Co желательно выдерживать следующее соотношение Co≈10Cx. Фильтр в цепи обратной связи ОУ2 предназначен для стабилизации работы ОУ по постоянному току и рассчитывается таким образом, что бы не вносить существенного влияния на рабочей частоте. Инвертор (ОУ1,R1,R2) предназначен для согласования амплитудных диапазонов измерительных каналов платы PCI-MIO-16-E1. Повторитель (ОУ3) предназначен для исключения шунтирующего влияния платы PCI-MIO-16-E1 на измерительную цепь. Для предотвращения появления на входе ОУ1 постоянной составляющей включена емкость Cп.

Для оценки точностных характеристик стенда использовалась модель РЕД, собранная на дискретных элементах с известными параметрами. Для измерения значений Cx и Co использовался измерительный мост ”Е8-4”. В результате экспериментальных исследований такой модели погрешность измерения ёмкости связи составила менее одного процента, при ее номинальном значении 30-60 пФ и изменении значения Rx в пределах 0-40 кОм.

При исследовании реального образца РЕД результаты измерения емкости связи отображаются на экране ПК в реальном масштабе времени. Используемый алгоритм обработки информации, позволяет измерять абсолютное значение ёмкости связи и её девиацию в зависимости от перемещения подвижного элемента датчика. При дополнении стенда задатчиками вибрации, температуры, влажности, ускорения, можно определить влияние этих параметров на девиацию ёмкости связи.




Рис.5

3. Краткое описание алгоритма.

Для работы стенда в режиме реального времени в АПК использован буферизированный ввод/вывод с непрерывным потоком данных. Генератор (реализован на PCI-MIO-16-E1) формирует опорное синусоидальное напряжение с заданной частотой и напряжением Uo. Параллельно, по двум аналоговым измерительным каналам платы PCI-MIO-16-E1 происходит непрерывное аналого-цифровое преобразование Uo и Uвых (синусоидальное напряжение с заранее известной частотой и неизвестной фазой и амплитудой на выходе измерительной цепи), с заданной частотой дискретизации. Полученные данные потоком передаются в кольцевой буфер в ОЗУ ПК. Программа циклически осуществляет считывание текущего участка данных из буфера. Размер участка устанавливается таким образом, чтобы содержать достаточное количество периодов напряжения Uo и Uвых для численного интегрирования с требуемой погрешностью и стабильностью. Затем из текущей выборки (участка) отбрасываются “лишние” точки, таким образом, чтобы выборка содержала кратное количество периодов Uo и Uвых. Далее осуществляется численное интегрирование, причем при интегрировании Uвых учитывается текущий знак Uo (программная реализация синфазного детектора). По результатам интегрирования рассчитывается искомое значение ёмкости связи Сx. Таким образом, интервал времени между получением двух значений Сx можно определить как TизмCx=N×Td, где N – размер участка данных для считывания из кольцевого буфера; Td – установленный интервал дискретизации аналоговых измерительных каналов платы PCI-MIO-16-E1. Например при N=25000 и Td=1,6мкс получаем TизмCx=40 мс, что вполне достаточно для динамического исследования РЕД.

4. Краткое описание пользовательского интерфейса.

Лицевая панель виртуального прибора (ВП), управляющего работой стенда и отображающего результаты измерений представлена на рис.6.

Пользователь может управлять частотой и амплитудой тестового сигнала. Органы управления и индикации опорного напряжения выведены на отдельную панель в верхнем правом углу экрана. В верхнем левом углу находится панель управления и индикации измерительных каналов. Основными управляющими параметрами являются «размер выборки» и «tд» (частота дискретизации). Для визуального контроля нормальной работы стенда, предусмотрен графический индикатор, отображающий осциллограммы измеряемых сигналов.




Рис.6


Результатом работы стенда является поток измеренных значений Cx, отображаемый в виде графика – “развертки” в нижней части экрана. Текущее значение демонстрируется в численном виде на цифровом индикаторе. Из потока измеренных значений Cx, с момента запуска ВП и до текущего наблюдения, фиксируются максимальное и минимальное значения.

Рис.6 отображает исследование экспериментального образца РЕД линейного перемещения, при изменении положения подвижного элемента из одного крайнего положения в другое. Среднее значение ёмкости связи составило 42,7 пФ , девиация ёмкости связи ≈ 3 пФ. С учетом погрешности измерения можно сказать, что девиация ёмкости связи составляет примерно 10 % от среднего значения.

5. Заключение.

Использование специализированных программно-аппаратных средств National Instruments значительно облегчило разработку стенда и позволило существенно расширить программу исследований, и значительно сократило временные и материальные затраты на постановку экспериментов по сравнению с традиционными методиками и стандартным оборудованием.

Стенд разработан в рамках выполнения НИР “ “ и написания кандидатской диссертационной работы Сорокина А.В. на тему ”Измерительные преобразователи бесконтактных потенциометрических датчиков угла поворота транспортных средств”

Добавить в свой блог или на сайт

Похожие:

Исследование девиации ёмкости связи в резистивно-емкостном датчике iconЛабораторная работа №27 Исследование процессов заряда и разряда конденсатора и определение емкости конденсатора
Цель работы: изучение временной зависимости напряжения на конденсаторе при подключении или отключении источника постоянной эдс и...

Исследование девиации ёмкости связи в резистивно-емкостном датчике iconЛабораторная работа №10 Электрический конденсатор
Цель работы: исследование зависимости заряда конденсатора от разности потенциалов между пластинами. Расчет емкости конденсатора....

Исследование девиации ёмкости связи в резистивно-емкостном датчике iconИсследование статических и динамических режимов нелиней­ных резонансных систем с при­менением ЭВМ «Мир-2»
Оптимальные умножители час­тоты синусоидального напряже­ния на нелинейной емкости p-n перехода

Исследование девиации ёмкости связи в резистивно-емкостном датчике iconПеч. Издательство "Наука" Уэccp, сборник "Вопросы теории и надёжности аппаратуры и каналов связи",1965
К изменению ёмкости образца под действием внутренних электрических разрядов (статья)

Исследование девиации ёмкости связи в резистивно-емкостном датчике iconКонкурса в рамках форума Интерра2011 Задание №1 Тема: Перспектива сетей связи мобильного оператора
Целесообразность реализации с точки зрения возможности получения необходимых частот, покрытия и емкости сети

Исследование девиации ёмкости связи в резистивно-емкостном датчике iconУрсовая работа «Оценка химической обстановки при разрушении (аварии) объектов, имеющих сдяв.»
На химическом предприятии произошла авария с разрушением емкости, содержащей сдяв. Его количество, степень защиты емкости, метеоусловия...

Исследование девиации ёмкости связи в резистивно-емкостном датчике iconХарактеристика емкости мегарегиональных рынков академического образования
Бейна и индекса Гиршмана-Герфиндаля. Проведен сравнительный анализ стартовых позиций и динамики емкости австралийского и российского...

Исследование девиации ёмкости связи в резистивно-емкостном датчике iconФискальная емкость: анализ, оценка и выбор приоритетов бюджетных расходов, 2-3 декабря 2007 г., Бруней
Доклад представителя Международного валютного фонда был посвящен понятию фискальной емкости и его связи с эффективностью бюджетных...

Исследование девиации ёмкости связи в резистивно-емкостном датчике iconИсследование и разработка цифровых средств пакетной связи свч-диапазона на основе сложных широкополосных сигналов
Диссертация выполнена в Уральском государственной техническом университете – упи на кафедре “Технологии и средства связи”

Исследование девиации ёмкости связи в резистивно-емкостном датчике iconРазвитие научных основ интенсификации гидродинамических и тепловых процессов при обработке жиросодержащих пищевых продуктов в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами
Охватывает по параметру жиросодержания практически все маргарины, выпускаемые промышленностью


Разместите кнопку на своём сайте:
lib.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©lib.convdocs.org 2012
обратиться к администрации
lib.convdocs.org
Главная страница