Синтез измерительного преобразователя для измерения проводимости кондуктометрического датчика

Труды Международного симпозиума «Надежность и качество», 2017, том 1

УДК 621.317.73

Кулапин В.И., Колдов А.С.

ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия

СИНТЕЗ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОВОДИМОСТИ КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА

Преобразование параметров двухполюсных электрических цепей в системах преобразования параметров датчиков является актуальной задачей. Построение измерительных преобразователей для получения информации о одном из элементов схемы замещения датчика позволяет повысить точность или использовать один датчик для измерения значений нескольких физических величин. Приведён пример построения такого преобразователя с использование сложных воздействий, подаваемых на вход измерительной схемы. Предложена методика синтеза такого рода воздействий

Ключевые слова:

преобразование параметров датчиков, измерение физических величин, вид воздействия, измерительная схема, раздельная информация о параметрах электрических цепей

Введение

Задача определения проводимости кондуктомет-рического датчика возникает при решении большого числа вопросов, связанных с электропроводностью растворов, при биологических экспериментах, качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания и т.д.

Основная часть

Электрическая схема замещения кондуктометри-ческого датчика представляет собой сложный многоэлементный двухполюсник (рис.1), в котором С1 - паразитная и рабочая емкость датчика, а также емкость электронной поляризации; С - емкость, обусловленная другими видами поляризации; Я1 -сопротивление сквозному току, или истинное сопротивление раствора; Я - эквивалентное сопротивление поляризационных помех [1].

И С!

- Р^ -1

^выхИС(р) =

~^возд V

Проводим операцию дифференцирования сигнала ивозд(р). В операторной форме это будет соответствовать:

^вых ИС

где та-постоянная времени устройства, выполняющего дифференцирование.

Следующей дополнительной операцией будет операция интегрирования: При подачи такой составляющей воздействия получаем:

"«тЮ .КМ

ивыхис(р) = Е-водг1-к(р)1

где ти- постоянная времени устройства, выполняющего интегрирование.

Зная, что в электрической эквивалентной схеме кондуктометрического датчика содержится четыре элемента, необходимо для однозначного разрешения уравнения (2) четыре входных сигнала весового сумматора. Четвертым сигналом возьмем сигнал, получаемый из исходного входного сигнала, подаваемого на ИС, путем двойного интегрирования:

"в°яд

и«ых2и(р) К(р),

Рисунок 1 Многоэлементная схема замещения кондуктометрического датчика

Проводимость такого датчика в операторной форме может быть записана в виде

1 Р 1

г(Р') = РС1+Ъ--+рХ + Ж

р + ЯС

Для преобразования параметров такого датчика его включают в активную схему. Которая составлена из определенным образом включенного операционного усилителя (ОУ), опорного элемента Яо (в данном случае это резистор) и самого датчика, схема получила название «измерительная схема» (ИС).

В данном случае ИС образована следующим образом. На вход ОУ подключен кондуктометрический датчик, а в цепь отрицательной обратной связи подключен опорный резистор сопротивлением Яо. Передаточная функция ИС соответственно будет

1 РТи

Р''Ти'Ти1

где ти1- постоянная времени устройства, выполняющего второе интегрирование.

Выходные сигналы от каждого слагаемого сложного воздействия получаемого с устройств дополнительной обработки с выхода ИС складываются в весовом сумматоре. Весовые коэффициенты суммирования а1 находим из условия получения на выходе измерительной схемы сигнала, зависящего от одного параметра кондуктометрического датчика. Выходной сигнал ИС будет описываться выражением

VИС(р) = ивозд(р) - [а0 - К(р) + а1-р -Тд ' К(р) + а2 -

К

Выбор исходного воздействия для получения сложного воздействия, подаваемого на вход ИС в общем случае может быть произволен. Однако на практике воздействия выбирают из условия простоты формирования и постоянства параметров (амплитуды, частоты и т.д.).

Таким образом, выберем в качестве воздействия линейно изменяющий сигнал. Он может быть получен путем интегрирования во времени единичного сигнала. В операторной форме такое воздействие описывается выражением

и«0з

1

рт?

Построение схемы измерительного преобразователя (ИП) возможно множеством методов. Попытаемся спроектировать ИП, в основу работы которого заложен метод использования сложных воздействий, получаемых суммированием более простых сигналов при помощи операций интегрирования, дифференцирования и масштабирования (в дальнейшем дополнительные операции) [2]. Следует отметить, что набор дополнительных операций для получения сложного воздействия может быть продолжен увеличением степени проводимых операций: двойное интегрирование, тройное, ..., двойное дифференцирование ... [3].

Выходное напряжение измерительной схемы

Выполним переход во временную форму записи уравнения (6) и учтем, что при продолжительной подаче воздействия во времени все экспоненциальные составляющие, а они все имеют ехр(—-^), становятся пренебрежимо малы. На практике принимают время фиксации результата воздействия (Ьо) из условия максимально ожидаемых значений Я и С схемы замещения кондуктометрического датчика для данного опыта. Другими словами, принимают Ш >> (5 ^ 6)Ятах  Стах. Тогда выражение (6) можно переписать в виде

Оис (0 — ишт-0[с1(ао+^ + ^2) + С (ао+^ +

Тг I \ Ти 2тити1 ' ^ ти

^12]+Цао1 + а±тд + + -^ь+^13) + ЯС2 (-а-±-

2ТиТи1 ) -Л 0 1 д 21и 6ТиТи1 1 V Ти

иТи1 ТиТи1

Анализируя полученные значения коэффициентов при параметрах кондуктометрического датчика, можно заметить, что, выполнив условия равенства нулю определенных коэффициентов, можно получить информацию о составляющих эквивалентной схемы замещения датчика. Отсюда можно составить систему уравнений для определения значений весовых коэффициентов. Решив эту систему, найдем

_ 1 _ ^ _ Т д ш _ тити1

ао — _ ; а — ; а^ — ; а^ — 2 .

2 6 д ¿о tn

с

к

к

1

Труды Международного симпозиума «Надежность и качество», 2017, том 1

1 7tn т,

Ri (2 6 2to 6t2) Vto tg) tg J

Тогда выражение (7) для выходного сигнала весового сумматора пир подаче первого сложного воздействия будет

1

К1 >^2 6

Легко увидеть, что для момента времени t=tol выходной сигнал измерительной схемы будет зависеть только от параметров Я и С

Ко К2С3

Тг ^01

После получения информации о значении выходного сигнала измерительной схемы его запоминают в устройстве выборки и хранения. Параллельно с одним весовым сумматором для формирования сложного воздействия целесообразно расположить другой весовой сумматор, в котором те же сигналы с устройств выполняющих дополнительные операции, суммируются с другими весовыми коэффициентами для формирования второго сложного воздействия. Выбрав их таким образом, чтобы коэффициент при параметре — в выражении (7) равнялся единице,

«о =

2

_ _0 _ ьи _

а1 = ^ ; а2 = . ; а3 = ОТд t.

а *-о ^о

В этом случае в момент времени уравнение (7), записанное для второго весового сумматора, вырождается и содержит только для составляющие:

«ИС(*Ю2) = «в,

R

[-t + —

[«1i02+ to2

Выполнив вычитание выходного сигнала от первого воздействия из выходного сигнала, полученного от подачи второго сложного воздействия, получим информацию о интересующем параметре датчика:

Ü,

вых£ 2 (<•02.

(^02) = ^воз _ „ .

Tr-Ki

а

Таким образом, схема ИП с использованием метода подачи сложных воздействий на ИС и устройств, выполняющих дополнительные операции для формирования этих воздействий, должна содержать источник линейно изменяющегося сигнала генератор пилообразного напряжения (ГПН), ИС, два весовых сумматора и устройств фиксации выходного сигнала в моменты времени второго сумматора в момент времени ^2. Схема такого ИП представлена на рис.2.

остальные равнялись нулю, получим следующее значение коэффициентов суммирование для второго сумматора:

; Кл!]—'

-1 +1

и- 1/R,

СУ

УВХ2

Рисунок 2 Схема измерительного преобразователя

Используя периодический сигнал в виде треугольника, можно не только получить искомый параметр кондуктометрического датчика, но и снизить влияние смещения и дрейфа нуля ОУ, т.к. в этом случае возможно изменение знака входного воздействия, подаваемого на ИС. Фиксацию результата измерения можно выполнить с помощью устройства выборки хранения сигнала. Ключевые элементы

КЛ1 и КЛ2 служат для последовательной подачи на ИС сложных воздействий. Используя данный способ получения информации можно построить целый класс преобразователей параметров различных датчиков или параметров двухполюсных многоэлементных цепей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Берлинер М.А. Измерение влажности -2-е изд., перераб. И доп. -Энергия, 1973. -400с.

2. А.с. №875308 (СССР). Устройство для измерения параметров параллельных и последовательных колебательных контуров / В.И. Кулапин, А.И. Мартяшин, В.Ф. Рябов // БИ 1981. -№3 9.

3. Кулапин В.И. Разработка и исследование универсальных преобразователей параметров многоэлементных двухполюсных цепей в унифицированный сигнал: Автореферат диссертации на соискание степени кандидата технических наук. -Пенза, ППИ. -1987.

УДК 662. 621.3 Володин П.Н.

НИУ ВШЭ «Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова», Москва, Россия РАЗРАБОТКА МАКРОМОДЕЛИ ИНТЕНСИВНОСТИ ОТКАЗОВ ИМПУЛЬСНОГО ИВЭП

В данной статье объектом исследования является импульсный источник вторичного электропитания (ИВЭП) персональной вычислительной машины (ПВМ). Цель работы — анализ изменения показателей надежности ИВЭП в зависимости от температуры, электрической нагрузки и условий эксплуатации, построение модели надежности. В процессе выполнения исследовательской работы был проведен обзор литературных источников по теме исследования, обзор основных направлений научной деятельности. Был сделан вывод о том, что наиболее часто в теории надежности используются экспоненциальный закон распределения, распределения Вейбулла и Рэ-лея, логнормальный закон распределения и др. Сформулированы основные требования к модели характеристик надежности импульсных ИВЭП. Разработан алгоритм построения модели характеристики надежности импульсных ИВЭП, основанный на методах факторизации, планирования эксперимента и полного расчета надежности аппаратуры. Сформулированы необходимые исходные данные для формирования модели. Проведен обзор методов для этапов электрического расчета и расчета надежности, проведены соответствующие работы по получению необходимых исходных данных. После небольшого обзора программ позволяющих проводить схемотехническое моделирование и моделирование электрических процессов в схеме, было решено остановиться на Electronic Workbench. Для определения рабочих температур ЭРИ компьютерного БП, был проведен натурный эксперимент с использованием тепловизора. Далее была разработана макромодель интенсивности отказов ИВЭП с использованием метода полиномиальной аппроксимации.

Ключевые слова:

источник вторичного электропитания, надежность, эксплуатационная интенсивность отказов, модель, проектирование