Автоматизированное проектирование функциональных схем измерительных цепей датчиков

УДК 621.317.733

DOI 10.21685/2072-3059-2019-2-8

В. П. Арбузов, А. Е. Аракчеев

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ЦЕПЕЙ ДАТЧИКОВ

Аннотация.

Актуальность и цели. Растущая потребность в измерении новых параметров технологических процессов требует создания новых датчиков и расширения функциональных возможностей существующих датчиков, а следовательно, и их измерительных цепей. Целью работы является разработка системы автоматизированного проектирования функциональных схем измерительных цепей датчиков, обеспечивающих измерение искомых параметров производственного цикла.

Материалы и методы. При разработке системы автоматизированного проектирования измерительных цепей датчиков использованы сигнальные графы, методики проектирования и объектно-ориентированное программирование.

Результаты и выводы. Рассмотрены методики проектирования измерительных цепей с одно-, двух- и трехэлементной схемой замещения параметрического преобразователя датчика. Разработана система, обеспечивающая автоматизированное проектирование функциональных схем измерительных цепей с заданными возможностями.

Ключевые слова: функциональная схема, обобщенный граф, схема замещения, информативный параметр, датчик.

V. P. Arbuzov, A. E. Arakcheev

COMPUTER-AIDED DESIGN OF MEASURING CIRCUITS OF SENSORS

Abstract.

Background. The growing need to measure new process parameters requires the creation of new sensors and the expansion of the functionality of existing sensors, and hence their measuring circuits. The purpose of the work is to develop a system of computer-aided design of functional schemes of measuring circuits of sensor that provide measurement of the desired parameters of the production cycle.

Materials and methods. Signal graphs, design methods and object-oriented programming were used in the development of computer-aided design measurement circuits of sensors.

Results and conclusions. Methods of designing of measuring circuits with one-, two - and three-element equivalent circuit of the parametric transducer are considered. The system providing the automated designing of functional schemes of measuring circuits with the set possibilities is developed.

Keywords: functional scheme, generalized graph, equivalent circuit, informative parameter, sensor.

© Арбузов В. П., Аракчеев А. Е., 2019. Данная статья доступна по условиям всемирной лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/), которая дает разрешение на неограниченное использование, копирование на любые носители при условии указания авторства, источника и ссылки на лицензию Creative Commons, а также изменений, если таковые имеют место.

Введение

Применение новых технологий приводит не только к многократному увеличению точек контроля параметров технологических процессов, но и к измерению новых параметров или величин, и, следовательно, к стремительному развитию промышленных средств измерений. Основу средств восприятия составляют параметрические преобразователи (I III) измеряемой величины в пассивную электрическую величину: сопротивление, емкость, индуктивность или их сочетания в различных вариантах. В зависимости от конструкции датчика, от условий его эксплуатации, от диапазона изменения измеряемой датчиком величины и от требуемой функции преобразования схемы замещения параметрических датчиков имеют один, два, три и более элементов. Вид соединения этих элементов в схеме замещения и диапазон изменения их значений определяются исходя из анализа амплитудно- и фазоча-стотной характеристики. Особое место в схеме замещения датчика имеет опорный для данного датчика элемент, который выступает в роли образцового элемента для процесса измерения. Все это обусловливает многообразие не только видов схем замещения и информативных параметров, но и энергетических режимов которые необходимо обеспечить в процессе преобразования информативного параметра в один из унифицированных сигналов, а следовательно, и измерительных цепей датчиков. Создание систем автоматизированного проектирования функциональных схем измерительных цепей позволит существенно ускорить процесс создания новых датчиков.

1. Формализация параметров объекта измерения

Рассматриваемая система автоматизированного проектирования предназначена для проектирования функциональных схем измерительных цепей емкостных и индуктивных датчиков с одно-, двух- и трехэлементной схемой замещения параметрического преобразователя датчика. На рис. 1 приведены виды соединений элементов в схемах замещения параметрических преобразователей емкостных и индуктивных датчиков с последовательным (рис. 1,а) и с параллельным (рис. 1,б), с последовательно-параллельным (рис. 1,в) и с параллельно-последовательным (рис. 1,г) соединением элементов.

Многообразие вариантов преобразуемых параметров обусловило создание формализованной записи иммитанса параметрического преобразователя с двухэлементной Вх у и трехэлементной Тх у схемой соединения элементов в виде [1]:

Вх, у = p+(Mnmp 2 и Тху = P+(Mnmp 2+m-snP3,

где /*1, Р 2, Р3 - обобщенные частотонезависимые параметры; n - коэффициент, отражающий последовательное (n = — 1) или параллельное (n = 1) соединение элементов с параметрами Р1 и Р2; m - коэффициент, указывающий на емкостный (m = 1) или индуктивный (m = —1) характер Р2 ; s - коэффициент, отражающий емкостной (s = 1), активный (s = 0) и индуктивный характер параметра Р3.

Идентификация параметров модели иммитанса Вх у и Тх у параметрического преобразователя датчика в соответствии с рис. 1 и табл. 1 и реально Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 89

существующих параметров R, L, C параметрического преобразователя датчика позволяет, во-первых, перейти от графического представления схемы замещения параметрического преобразователя датчика к ее математическому описанию; во-вторых, обобщить в виде математической модели все возможные комбинации двух- и трехэлементных нерезонансных двухполюсников; в-третьих, создать методику проектирования, не зависящую от вида схемы замещения конкретного параметрического преобразователя датчика; в-четвертых, осуществить переход от параметров модели к параметрам объекта по окончании процедуры синтеза [2, 3].

0-

-0

0-

-0

а)

Pi

б)

Pi Р2

0-

-1 |—0 0—

—0

в) г)

Рис. 1. Виды схем замещения параметрических преобразователей датчиков

Таблица 1

Двухэлементная схема замещения датчика

Параметры схемы замещения n = 1 n = -1

m = 1 m = -1 m = 1 m = -1

Л Ri R1 1/R1 1/R1

Р2 С2 1/¿2 1/C2 ¿2

Трехэлементная последовательно-параллельная схема замещения датчика

Параметры схемы замещения m = 1 m =-1

5 = 1 s = 0 s = -1 s = 0

Р1 1/R1 1/R1 1/R1 1/R1

Р2 C2 1/¿2 1/C2 1/¿2

Рз 1/C3 R3 ¿3 R3

Трехэлементная параллельно-последовательная схема замещения датчика

Параметры схемы замещения m = 1 m = -1

5 = 1 s = 0 s = -1 s = 0

Р1 1/R1 1/R1 1/R1 1/R1

Р2 C2 1/¿2 1/C2 1/¿2

Рз C3 1/R3 1/¿3 R3

№ 2 (50), 2019 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника 2. Измерительные цепи с частотно-временным выходным сигналом

В основе принципа действия измерительных цепей датчиков с комплексной схемой замещения лежит принцип преобразования параметров пассивных величин в частотно-временной выходной сигнал, т.е. в частоту или в период периодического сигнала. Суть этого принципа состоит в сравнении коэффициентов передачи двух каналов, один из которых частотно независимый (К), а второй - частотно зависимый (/^(О))). В момент равенства этих коэффициентов частота или период синусоидального напряжения, подаваемого одновременно на оба канала, пропорциональны отношению модулей коэффициентов передач каналов [1]. На рис. 2 приведен обобщенный граф измерительного преобразователя, реализующий описанный выше принцип, где £/о - выходное напряжение генератора, частота которого изменяется;

и и и2 - выходные напряжения каналов; 1ши /2(0) - функция фазочув-

ствительного преобразования напряжения; Ьсс - оператор сравнения напряжений.

Рис. 2. Обобщенный граф измерительной цепи с частотно-временным выходным сигналом

Выходным сигналом является частота или период напряжения генератора: /вых или Твых. Для преобразования параметров датчика иммитанс его

параметрического преобразователя Вху или ТХу преобразуют в активную величину - напряжение и2, используя операционный усилитель. В этом случае ребро графа с коэффициентом передачи /2(0) представляет собой инвертирующий операционный усилитель, цепь отрицательной обратной связи которого состоит из иммитанса параметрического преобразователя и имми-танса образцового элемента, причем в зависимости от места подключения Вх у или Тх у напряжением II2 является либо выходное напряжение операционного усилителя, либо его входное напряжение.

В дальнейшем основное внимание будет уделено преобразованию информативного параметра параметрического преобразователя с двухэлементной схемой замещения в частоту или в период синусоидального напряжения. Другие варианты преобразования параметров датчиков с одно-, двух- и

трехэлементной схемой замещения в унифицированные сигналы достаточно хорошо проработаны [1-3]. На рис. 3 приведены две детализации приведенного выше обобщенного графа, в которых процесс преобразования отношения пассивных величин, иммитанса образцового элемента Р0 и иммитанса

параметрического преобразователя датчика Вх у, в напряжение и2 реализован на основе операционного усилителя с коэффициентом передачи — КУ .

вых

вых

б)

Рис. 3. Детализация обобщенного графа измерительной цепи с частотно-временным выходным сигналом

Согласно графу (рис. 3,а) напряжение и2 прямо пропорционально им-митансу ВХу , и выделяемые фазочувствительными выпрямителями ФЧВ1 и ФЧВ2 действительная и мнимая составляющие 112 пропорциональны активной и реактивной составляющей Вх у соответственно. В рассматриваемом случае сигнальным входом для ФЧВ I/СИГ является напряжение I/2, а опорное напряжение иОП формируется из напряжения ио. Выходными сигналами являются регулируемая частота или период напряжения II0 и выходное

напряжения UВЫХ ФЧВ1, которое является синфазной составляющей U2. Частотозависимая, квадратурная составляющая этого же напряжения, выделенная ФЧВ2, сравнивается с напряжением частотонезависимого канала. По результату сравнения изменяется частота или период напряжения Uо . На рис. 3,б приведен граф измерительных цепей, в которых осуществляется обратно пропорциональное преобразование отношения иммитансов параметрического преобразователя датчика к иммитансу образцового элемента в напряжение U2, для получения выходного напряжения в граф добавлен оператор ЬЛОГ, реализующий функцию логометра.

Функциональные возможности измерительных цепей с частотно-временным выходным сигналом приведены в табл. 2, из которой видно, что, независимо от места расположения частотозависимого канала (K или K2 ), обеспечивается преобразование любого из параметров иммитанса датчика с использованием как активной Pqi, так и реактивной Pq2 образцовой меры.

Таблица 2

Ро nm Выходной сигнал

Частотозависимый канал K2

Частота Период Напряжение

Pol 1 f Р01 1 /вых = 2п ' Р2 Т = 1вых р р01 и = и -P- ^ вых оп p p01

-1 /вых = 2п Р01 р Т = 2%--О- 1 вых d р2 и —-и p ^ вых оп р p01

P02 1 /вых 2п Р02 р Т = 2П -02 1 вых d р1 и — и -pp- ^ вых оп d p02

-1 f 1 р02 /вых " 2п ^ р Т — 2п—- 1 вых р р02 и —-и -pp- ^ вых оп d p02

Ро T Частотозависимый канал K

Частота Период Напряжение

Pol Тд f — 1 Pl /вых = 2п • Тд Р01 Т — 2пТ -01 1 вых 1д d р1 m-nm p и — и m p2 и вых — оп p p01

Ти f 1 Р01 /вых = 2п • Ти Р1 р1 твых — 2п • Ти "Z. р01 m-nm p и — и m p2 вых — оп p p01

P02 тд / - 1 Р2 /вых = 2п • Тд Р01 Т —2п.Т 1 вых 1д d р2 m-nm p и — и m p1 u вых _ u оп p p02

Ти f 1 Р02 /вых = 2п • Ти Р2 р2 твых — 2п • Ти "7J р02 m-nm p и — и m p1 вых — оп p p02

В тех случаях, когда характер преобразуемого параметра иммитанса, например Р\, совпадает с характером образцового элемента, например Р01,

в измерительной цепи используется частотозависимый канал К, который

представляет собой дифференциатор или интегратор с постоянной времени тд или ти соответственно. При такой реализации фазочувствительные выпрямители меняются местами, а на вход схемы сравнения сигнал поступает либо через дифференциатор, либо через интегратор.

3. Преобразование информативных параметров датчиков с двухэлементной нерезонансной схемой замещения в частоту или в период синусоидального напряжения

На основе детализации графа, изображенного на рис. 3,а, разработана функциональная схема измерительной цепи, которая приведена на рис. 4, где Г - управляемый по частоте генератор синусоидального напряжения; СФЧВ и КФЧВ - синфазный и квадратурный фазочувствительные выпрямители соответственно; СС - схема сравнения. Функциональная схема обеспечивает преобразование искомых параметров датчика в соответствии с табл. 2 часто-тозависимым каналом является канал К2 . В зависимости от места подключения параметрического преобразователя с иммитансом Вх у в измерительной

цепи осуществляется преобразование искомого параметра либо в режиме заданного тока, либо в режиме заданного напряжения, а преобразование отношения иммитанса Вх у к иммитансу Рд будет или прямо пропорциональным

или обратно пропорциональным. Последнее определяет напряжения, которые подаются на сигнальные и опорные входы обоих фазочувствительных выпрямителей.

Рис. 4. Преобразование информативных параметров датчиков с двухэлементной нерезонансной схемой замещения в частоту или в период синусоидального напряжения

4. Система автоматизированного проектирования измерительных цепей параметрических датчиков

Рассматриваемая система обеспечивает автоматизированное проектирование функциональных схем измерительных цепей емкостных и индуктивных датчиков с одно-, двух- и трехэлементной схемой замещения [4], обеспечивающих преобразование информативных параметров датчиков в напряже-

ние, число, код, частоту или период [5]. Система состоит из нескольких подсистем, каждая из которых выполняет проектирование измерительных цепей датчиков с одной из указанных выше схем замещения параметрического преобразователя в выходной сигнал. Математическим обеспечением для этой системы является, во-первых, формализация параметров схем замещения параметрических преобразователей [1]; во-вторых, методики проектирования как уравновешенных, так и квазиуравновешенных измерительных цепей датчиков [3]; в-третьих, обобщенные графы рассматриваемого класса измерительных цепей параметрических датчиков [2]; в-четвертых, процедура детализации обобщенного графа [2]; в-пятых, банки данных графических изображений узлов измерительной цепи. Программа системы автоматизированного проектирования измерительных цепей параметрических датчиков состоит из подпрограмм [5]:

- подпрограммы ввода параметров технического задания на проектирование;

- подпрограммы проектирования измерительных цепей емкостных датчиков с одноэлементной схемой замещения параметрического преобразователя с потенциально-токовым и частотно-временным выходным сигналами;

- подпрограммы проектирования уравновешенных и квазиуравновешенных измерительных цепей емкостных и индуктивных датчиков с двухэлементной нерезонансной схемой замещения параметрического преобразователя;

- подпрограммы проектирования квазиуравновешенных измерительных цепей емкостных и индуктивных датчиков с трехэлементной нерезонансной схемой замещения параметрического преобразователя.

В процессе работы системы проектирования измерительных цепей пользователю предлагается ответить на появляющиеся во всплывающих окнах вопросы. По результатам ответов переменным присваиваются значения, которые система, например, использует для выбора узла измерительной цепи, места его расположения на функциональной схеме и вида соединения его с другими узлами.

Подпрограмма ввода технического задания является общей для всех проектируемых рассматриваемой системой измерительных цепей датчиков. Она является первым этапом в работе системы и осуществляет переход от словесного описания задания на проектирования к математическому описанию, присваивая значения переменным, которые, участвуя в проектировании, характеризуют параметры технического задания. В табл. 3 приведена последовательность ввода параметров технического задания. После ввода вида схемы замещения датчика (одно-, двух- или трехэлементная) система запрашивает вид датчика (емкостный или индуктивный) и переходит к вводу описания характера схемы замещения датчика в раздел уже известного системе вида датчика, попадая в описание схемы соединения элементов параметрического преобразователя. Следующим пунктом технического задания в систему вводится вид образцового элемента: конденсатор, резистор или катушка индуктивности, а затем вид информативного параметра, который проектируемая измерительная цепь должна преобразовывать. На завершающей стадии вводится энергетический режим преобразования иммитанса параметрического преобразователя датчика (режим заданного тока или режим заданного напряжения) и выходной сигнал: напряжение, частота, период, число, код.

Таблица 3

Энергетический режим измерения

Схема подключения параметрического преобразователя датчика

Режим заданного тока

А)

-CZF

К

-CZF

У

й-

+1

Режим заданного напряжения

-1

После ввода технического задания подпрограмма осуществляет проверку правильности ввода. Если обнаружена ошибка, то появляется «окно» ошибки и программа возвращается в начало. В случае правильного ввода система переходит к выполнению подпрограммы, соответствующей схеме замещения параметрического преобразователя датчика и выходного сигнала.

Третий этап посвящен формализации схемы замещения ПП датчика, т.е. осуществляется переход от конкретных параметров Я,Ь,С схемы замещения к обобщенным параметрам Р1 и р, и определение значения коэффициентов п и т по табл. 1.

Процедура синтеза измерительных цепей на основе обобщенного графа состоит в его последовательной и целенаправленной детализации в соответствии с техническим заданием и заложенным в структуру графа методом преобразования искомых параметров [2, 3]. На следующем этапе в зависимости от энергетического режима преобразования определяется, во-первых, место подключения параметрического преобразователя в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя; во-вторых, вид преобразования иммитанса датчика в выходное напряжение операционного усилителя: прямо пропорциональное (I = 1) или обратно пропорциональное (I = -1) в соответствии с табл. 3.

Далее осуществляется выбор схемы подключения входов фазочувстви-тельных выпрямителей: сигнального и опорного. На графе (рис. 3) на операторах фазочувствительных выпрямителей ЬФЧВ1 и ЬФЧВ2 сигнальный вход

обозначен точкой. При прямо пропорциональном преобразовании Вх у

в напряжение и2 сигнальные входы иСИГ обоих фазочувствительных выпрямителей (синфазный - СФЧВ и квадратурный - КФЧВ) подключены к выходу усилителя, а опорный вход иОП - к выходу генератора. При обратно пропорциональном преобразовании Вх у в напряжение и2 сигнальные входы иСИГ обоих фазочувствительных выпрямителей подключены к выходу

l

генератора, а опорный вход иОП - к выходу усилителя (рис. 4). Оператор сравнения амплитуды напряжений Ьсс реализуется в виде схемы сравнения напряжений постоянного тока.

По результатам работы подпрограммы система выдает изображение схемы электрической функциональной. Для создания изображения поле окна делится на участки, в которых будут изображаться узлы измерительной цепи, выбираемые из базы данных системы. Основой для разделения поля окна на участки, в которых будут располагаться узлы проектируемой измерительной цепи, является функциональная схема, приведенная на рис. 4. С целью обеспечения непрерывности в изображении проектируемой функциональной схемы задаются координаты стыковки узлов.

На рис. 5 приведены примеры работы подпрограммы системы проектирования измерительных цепей датчиков с частотно-временным выходным сигналом. Диалоговые окна демонстрируют ввод некоторых параметров технического задания: ввод вида схемы замещения параметрического преобразователя (рис. 5,а) и ввод образцового элемента (рис. 5,б и рис. 5,в).

Выбор датчика

ш

c« R« 41-CZh

L«

"Схема датчика

-0 бразцовый э леме

Ro

а)

б)

diplom

"Схема датчика

Образцовый элеь

Ro

^ Ч Ь

Rq Ucht

"Информативный параметр— П Г 1/Л

С с С 1/с г I Г 1/|_

Режим измерения Потоку (* По напряжению

вша

fBblX —>

г)

Рис. 5. Примеры ввода задания и результаты работы системы проектирования измерительных цепей датчиков

^ dip lorn

ВШ

"Режим измерения-

* Потоку

По напряжению

д)

Рис. 5. Окончание

Результатом работы системы проектирования являются функциональные схемы измерительных цепей датчиков, два примера которых приведены на рис. 5,г и рис. 5,д, причем в левой части рисунка отражена история ввода технического задания.

Заключение

Формализация записи иммитанса объекта измерения и иммитанса опорного элемента в сочетании с обобщенными графами измерительных цепей датчиков с одно-, двух- и трехэлементной схемой замещения параметрического преобразователя позволила объединить известные методики проектирования в единую методику и адаптировать ее к компьютерному проектированию графического изображения функциональных схем, используя объектно ориентированное программирование. Описанная система обеспечивает автоматизированное проектирование функциональных схем измерительных цепей датчиков в соответствии с техническим заданием на проектирование и позволяет ускорить и упростить процедуру разработки датчиков.

Библиографический список

1. Арбузов, В. П. Структурные методы повышения точности измерительных цепей емкостных и индуктивных датчиков : монография / В. П. Арбузов. - Пенза : Инф.-изд. центр ПензГУ, 2008. - 230 с.

2. Арбузов, В. П. Квазиуравновешенные измерительные цепи датчиков с комплексной схемой замещения параметрического преобразователя / В. П. Арбузов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. -2006. - № 6. - С. 253-262.

3. Арбузов, В. П. Проектирование квазиуравновешенных измерительных цепей датчиков с комплексной схемой замещения / В. П. Арбузов // Датчики и системы. -2006. - № 11. - С. 21-25.

4. Аверин, И. А. Особенности формирования микроэлектромеханических элементов первичных преобразователей информации / И. А. Аверин, В. Е. Пауткин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. -2014. - № 2 (30). - С. 24-32.

5. Арбузов, В. П. Система автоматизированного проектирования измерительных цепей датчиков / В. П. Арбузов, А. Е. Аракчеев, Н. Ю. Мазай // Проблемы автоматизации и управления в технических системах : сб. ст. XXXII Междунар. науч.-техн. конф. (г. Пенза, 6-8 июня 2017 г.) : в 2 т. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2017. -Т. 1. - C. 274-277.

References

1. Arbuzov V. P. Strukturnye metody povysheniya tochnosti izmeritel'nykh tse-pey em-kostnykh i induktivnykh datchikov: monografiya [Structural methods of precision improvement for measuring circuits of capacitance and inductive senors]. Penza: Inf.-izd. tsentr PenzGU, 2008, 230 p. [In Russian]

2. Arbuzov V. P. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnich-eskie nauki [University proceedings. Volga region. Engineering sciences]. 2006, no. 6, pp. 253-262. [In Russian]

3. Arbuzov V. P. Datchiki i sistemy [Sensors and systems]. 2006, no. 11, pp. 21-25. [In Russian]

4. Averin I. A., Pautkin V. E. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki [University proceedings. Volga region. Engineering sciences]. 2014, no. 2 (30), pp. 24-32. [In Russian]

5. Arbuzov V. P., Arakcheev A. E., Mazay N. Yu. Problemy avtomatizatsii i upravleniya v tekhnicheskikh sistemakh: sb. st. XXXII Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. (g. Penza, 6— 8 iyunya 2017 g.): v 2 t. [Problems of automation and control in technical systems: proceedings of XXXII International scientific and technical conference (Penza, June 6th-8th, 2017)]. Penza: Izd-vo PGU, 2017, vol. 1, pp. 274-277. [In Russian]

Арбузов Виктор Петрович

доктор технических наук, профессор, кафедра автоматики и телемеханики, Пензенский государственный университет

E-mail: arbuzov_vp@mail.ru

Arbuzov Viktor Petrovich Doctor of engineering sciences, professor, sub-department automatics and remote control, Penza State University

Аракчеев Андрей Евгеньевич магистрант, Пензенский государственный университет

Arakcheev Andrey Evgenievich Master's degree student, Penza State University

E-mail: arakcheev_058@mail.ru

Образец цитирования:

Арбузов, В. П. Автоматизированное проектирование функциональных схем измерительных цепей датчиков / В. П. Арбузов, А. Е. Аракчеев // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. -2019. - № 2 (50). - С. 88-99. - БОТ 10.21685/2072-3059-2019-2-8.