Измерительные цепи высокотемпературных емкостных датчиков давления

2015, № 1

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

81

В ИЗМЕРЕНИЯХ

УДК 621.317.733

В. П. Арбузов, М. А. Мишина, П. Н. Белынцева, И. Ю. Ананьина

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ЕМКОСТНЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ

V. P. Arbuzov, M. A. Mishin, P. N. Belyntseva, I. Yu. Anan'ina

MEASURING CIRCUIT OF THE HIGH-TEMPERATURE CAPACITOR PRESSURE SENSORS

Аннотация. Разработана измерительная цепь высокотемпературного емкостного датчика давления, позволяющая исключить температурную погрешность и обеспечить инвариантность выходного сигнала к параметрам кабеля. Приведена классификация источников корректирующего воздействия. Рассмотрено несколько вариантов реализации коррекции температурной погрешности. Показаны расчетные значения выходных напряжений измерительной цепи при различных вариантах коррекции и схемы соединения элементов параметрического преобразователя датчика.

Abstract. Measuring circuit for thehigh-temperature capacitor pressure sensor allowing to exclude a temperature error and to provide invariancy of an output signal to cable parameters is developed. A classification of sources of corrective action, considered several options for correcting the temperature error. Shows the calculated values of the output voltage measuring circuit in different variants and correction scheme combining the elements of parametric transducer sensor.

Ключевые слова: датчик, температурный диапазон, емкостный параметрический преобразователь, чувствительный элемент, погрешность.

K e y words: sensor, temperature range, capacitive parametric transducer, sensing element, error.

Емкостные датчики механических величин имеют самый широкий температурный диапазон работы и сохраняют высокие метрологические характеристики в диапазоне температур до 200 °С. Это обусловлено конструктивными особенностями емкостного параметрического преобразователя (1111) и преобразованием измерительной цепью (ИЦ) относительного информативного параметра. Преобразование именно отношения или относительного приращения рабочей Сх и опорной С0 емкостей датчика позволяет корректировать температурную погрешность, возникающую в ПП, до тех пор, пока температурные коэффициенты указанных емкостей одинаковы, следовательно, ИЦ существующих датчиков выполняют логометрическую коррекцию рассматриваемой погрешности. При более высоких температурах температурные коэффициенты Сх и С0 начинают отличаться по причине непропорционального изменения упругих свойств чувствительного элемента и зазора между обкладками опорного конденсатора, и логометрическая коррекция уже не обеспечивает высокие метрологические характеристики, что приводит к ограничению температурного диапазона эксплуатации датчика [1]. При необходимости эксплуатации устройства в более широком температурном диапа-

82

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

зоне необходимо осуществлять, помимо логометрической, еще и дополнительную коррекцию температурной погрешности.

Для формирования корректирующего воздействия с целью устранения указанной погрешности может быть использована как температура 1111 датчика, так и неинформативная составляющая входного сигнала измерительной цепи датчика (рис. 1), причем для создания корректирующего воздействия их необходимо преобразовать в сигнал, удобный для осуществления коррекции погрешности.

Рис. 1. Классификация источников корректирующего воздействия

Первый вариант требует размещения термозависимого элемента (терморезистора или термозависимой емкости) непосредственно на упругом элементе ПП, что приведет как к усложнению ПП датчика, так и к увеличению токоведущих жил кабельной перемычки.

Второй вариант формирования корректирующего воздействия базируется на выделении из входного сигнала измерительной цепи неинформативной (по отношению к измеряемой датчиком величине) составляющей емкостей рабочего Сх и опорного С0 конденсаторов, зависящей от температуры ПП датчика. Особое место среди неинформативных параметров входного сигнала емкостного ПП занимает изменение емкости подложки рабочего или опорного конденсаторов датчика от температуры, поскольку параллельно ей подключена емкость кабельной перемычки, которая, во-первых, значительно больше емкости подложки, и, во-вторых, ее значение также зависит от температуры. Поэтому использование изменения емкости подложки для рассматриваемой цели может быть применено лишь при отсутствии кабельной перемычки, т.е. в том случае, когда ПП и ИЦ находятся в одном корпусе, и, следовательно, этот вариант может быть использован для коррекции температурной погрешности в диапазоне работоспособности полупроводниковых устройств ИЦ.

Рассмотрим возможность коррекции температурной погрешности датчика за счет использования термозависимого элемента, причем для емкостного ПП это может быть либо терморезистор, либо термозависимая емкость. Наличие терморезистора упрощает процедуру формирования поправки, но усложняет параметрический преобразователь и кабельную перемычку. Появившиеся в последнее время технологии изготовления многослойных упругих элементов позволяют создать непосредственно в самом ПП датчика термозависимую емкость Сt, которая может быть размещена как в разных плоскостях с измерительной емкостью, так и в одной плоскости. Такой ПП содержит несколько пар электродов, причем первая пара электродов (рабочий конденсатор) расположена по центру мембраны, а вторая пара электродов (опорный конденсатор) - на опорном основании. Один из электродов, создающих термозависимую емкость, размещен по периферии опорного основания, другой - на дополнительном кольце. Такое расположение электродов позволяет создать конденсатор, емкость которого зависит от температуры датчика, причем это изменение существенно, начиная с 200 °С и более [2]. В таком

.............................2015л№ .............................

случае при более низких температурах датчика корректирующее воздействие, создаваемое термозависимой емкостью, будет меньше порога чувствительности ИЦ.

На рис. 2 представлены схемы соединения конденсаторов ПП емкостного датчика с термозависимой емкостью, отражающие различные электрические связи между электродами конденсаторов. Первый вариант схемы соединения (рис. 2,а) предполагает использование наибольшего количества выводов ПП. Второй вариант схемы соединения конденсаторов ПП (рис. 2,б) используется в ИЦ, обеспечивающей преобразование отношения опорной и рабочей емкостей с последующей коррекцией температурной погрешности за счет использования зависимости Ct от температуры датчика. Третий вариант (рис. 2,в), предполагающий наличие

общего зажима у конденсаторов Сх , С0 и Сt, безусловно, упрощает датчик за счет уменьшения количества выводов ПП, но существенно изменяет структуру ИЦ.

г)

д)

Рис. 2. Схемы соединения элементов 1111 датчика

Измерительная цепь, осуществляющая преобразование информативного параметра датчика, например С0 / Сх, первоначально должна обеспечить логометрическую коррекцию погрешности емкостного ПП (в том числе и температурной составляющей погрешности до 200 °С), а затем выполнить коррекцию температурной погрешности, возникающей при температуре датчика более 200 °С.

На рис. 2,г приведена часть ИЦ - активный преобразователь (АП), выполненный на операционном усилителе (ОУ) У, к входу которого подключены рабочий и опорный конденсаторы ПП с помощью кабеля, имеющего емкость СК . Осуществляя преобразование отношения емкостей в выходное напряжение АП,

^вых 'U ВХ

Со (1 ± Oot ) /1 \ тт Со ,

77^-----^

Сх (1 + oxto) Сх

обеспечивает логометрическую коррекцию температурной погрешности в рабочем диапазоне температуры датчика ±200 °С, так как в этом диапазоне температурные коэффициенты рабочей и опорной емкостей одинаковы (а 0 = а х). При более высоких температурах, как было отмечено ранее, одной логометрической коррекции уже будет недостаточно. Существенным недостатком такой ИЦ является погрешность у М , вызванная неидеальностью элементной базы, а именно ОУ. Конечное значение коэффициента усиления ОУ приводит к зависимости результата преобразования (UВЫХ) от значения емкости кабеля СК . Поскольку кабель выполняет не только функцию соединения ПП с ИЦ, но и их температурную «развязку», его емкость

83

84

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

также зависит от температуры, и, следовательно, вносимая ее изменением погрешность также изменяется, а для коррекции рассматриваемой составляющей погрешности следует использовать структурные методы повышения точности.

Первым шагом на пути коррекции температурной погрешности емкостного датчика давления при температуре более 200 °С стало использование приращения значения термозависимой емкости для изменения значения коэффициента передачи датчика, т.е. мультипликативная коррекция рассматриваемой погрешности. На рис. 2,д изображена ИЦ, обеспечивающая мультипликативную коррекцию температурной погрешности параметрического преобразователя за счет изменения коэффициента передачи дополнительно введенного операционного усилителя У. Такое построение ИЦ потребовало создания в 1111 датчика дополнительного опорного конденсатора С02 [2], имеющего с термозависимой емкостью одно и то же межэлектродное пространство. Выходное напряжение рассматриваемой ИЦ равно

С0 С

U ~-U 1 1

^ВЫХ ^ВХ „ V-1 1 I 1М2/5

Сх C02

где yМ1, YМ2 - погрешности, вызванные неидеальностью элементной базы ИП и усилителя У соответственно.

Следует отметить, что наличие погрешностей yМ1 и yМ2 в функции преобразования рассмотренной ИЦ указывает на зависимость результата преобразования отношения опорной и рабочей емкостей ПП датчика, например, от значения емкости соединительного кабеля, а мультипликативная коррекция температурной погрешности (как правило, нелинейной) позволяет лишь несколько уменьшить ее значение, но не исключить.

Еще один вариант применения термозависимой емкости для коррекции температурной погрешности емкостного датчика давления приведен на рис. 3 [1]. Функциональная схема ИЦ также включает в себя рассмотренный ранее АП (см. рис. 2,а) и характеризуется высоким быстродействием, которое достигается за счет того, что коррекция погрешности осуществляется по мгновенным значениям в цепи переменного тока. В рассматриваемой ИЦ общая точка конденсаторов Сх, С0 и Сt соединена со входом усилителя У2, причем на термозависимую емкость напряжение подается с выхода сумматора, выполненного на усилителе У1. Это позволяет осуществить более сложную - аддитивно-логометрическую - коррекцию температурной погрешности, причем аддитивная коррекция реализуется путем подключения термозависимой емкости Ct параллельно как рабочей Cx, так и опорной емкости C0, а мультипликативная коррекция - посредством преобразования отношения С0 / Сх. Выходное напряжение ИЦ описывается выражением

и=ЫХ = -U С° С' Нз1 R (1 +Yм ).

Cx - W R2

Рис. 3. Функциональная схема измерительной цепи высокотемпературного емкостного датчика давления

..............................2015л№ 1 (ll)....................................

Реализация приведенной измерительной цепи позволила существенно расширить температурный диапазон эксплуатации неохлаждаемого высокотемпературного емкостного датчика давления, осуществляя ее настройку изменением сопротивления резисторов R1 - R3.

Однако рассмотренные выше ИЦ не обеспечивают коррекцию погрешности, обусловленной наличием емкости кабельной перемычки и неидеальностью элементной базы. При дистанционных измерениях емкость кабеля СК существенно превышает преобразуемые емкости, значения которых могут составлять единицы и даже доли пикофарад. Помимо этого, коэффициент усиления КУ операционного усилителя, на котором осуществляется преобразование емкостей конденсаторов датчика в активную электрическую величину (напряжение), имеет конечное значение на рабочей частоте датчика, причем с ростом значения рабочей частоты КУ уменьшается. Все это приводит к существенному значению методической погрешности.

Для создания на основе отечественной элементной базы высокоточных ИЦ, инвариантных к параметрам кабельной перемычки, а также для коррекции погрешности необходимо применение структурных методов повышения точности, а именно временного разделения каналов.

Принцип временного разделения каналов процесса преобразования отношения пассивных величин в активную величину состоит в обеспечении в обоих тактах равенства коэффициентов обратной связи (^ = Р 2) при сохранении необходимых для работы измерительной цепи значений коэффициентов передачи усилителя (К1 и К2) и ортогональности системы функций, описывающих токи, текущие через преобразуемые элементы 1111 датчика [3]. На основе этого принципа разработаны методы временного разделения каналов ИЦ датчиков: метод коммутаций, метод фазового разделения каналов и метод полигармонического разделения каналов, каждый из которых обеспечивает инвариантность результата преобразования и к емкости кабеля, и к неидеальности операционного усилителя. Из указанных выше методов наиболее широкими возможностями как с точки зрения быстродействия, так и с точки зрения функциональных возможностей обладает метод фазового разделения каналов.

Фазовое разделение каналов как разновидность метода временного разделения каналов в ИЦ датчиков позволяет повысить точность преобразования пассивных параметров элементов ПП датчика (емкостей) в активную электрическую величину за счет сочетания преимуществ, достигнутых разделением во времени каналов преобразования выходных параметров датчика, с одновременным преобразованием этих параметров. Сущность метода фазового разделения каналов состоит в том, что временное разделение каналов организуется посредством сдвига фазы между токами или напряжениями, подаваемыми на элементы датчика, которые одновременно подключены к преобразователю пассивной величины в активную величину.

На рис. 4 представлена функциональная схема микропроцессорной ИЦ емкостного датчика с фазовым разделением каналов. Необходимые для организации фазового разделения каналов тест-сигналы U]_(t) и U2(t) создаются генераторами синусоидального напряжения Г1 и Г2 в соответствии с сигналами управления Nynp, формируемыми микроконтроллером МК. В состав сигналов управления входят коды Nni и NГ2, задающие частоту, амплитуду и фазу тест-сигналов U 1(t) и U2(t) синусоидальной формы, причем в качестве генераторов Г1 и Г2 можно использовать синтезаторы прямого синтеза типа DDS. Параметрический преобразователь подключен к ИЦ по четырехпроводной схеме с помощью кабельной перемычки КП, между каждым из проводов которой и общей шиной существует емкостная связь, обозначенная на схеме в виде емкости кабеля СК . Наличие емкости, подключенной параллельно входу операционного усилителя, приводит к появлению погрешности, вызванной неидеальностью элементной базы (малым значением коэффициента усиления операционного усилителя на рабочей частоте), причем значение этой погрешности зависит, в том числе, и от значения емкости СК. Остальные емкости СК шунтируются малыми выходными сопротивлениями генераторов Г1 и Г2 и операционного усилителя У1, а следовательно, не оказывают влияния на результат преобразования.

85

86

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

Рис. 4. Функциональная схема микропроцессорной измерительной цепи емкостного датчика

Для осуществления аддитивной коррекции температурного изменения рабочей и опорной емкостей напряжения каждого из тест-сигналов инвертируются, суммируются со своим коэффициентом передачи (R3 / R1 или R3 / R2) и подаются на конденсатор Сt, емкость которого зависит от температуры, начиная с 200 °С. Применение операционного усилителя в цепи аддитивной коррекции погрешности позволяет обеспечить независимую коррекцию температурного изменения рабочей и опорной емкостей датчика. Погрешность, вызванная неидеальностью операционного усилителя У1, является мультипликативной, и ее коррекция достигается, например, изменением сопротивления резистора R3.

Выходное напряжение активного преобразователя АП рассматриваемой ИЦ описывается выражением

Uy (t) = -

Ui

C0 Ct ' R3 / R1

C

-UM)

C - Ct • R3IR2 C

l1 +Ум )

где у М - методическая погрешность АП, обусловленная конечным значением коэффициента усиления KУ (KУ Ф ^) операционного усилителя У2 на рабочей частоте, причем

__________С__________

Ку (Сх + Со + Ct + Ск + С).

Из приведенного выражения для методической погрешности АП видно, что она зависит от значений емкостей рабочего и опорного конденсаторов датчика (следовательно, и от изменения значения измеряемой датчиком величины), от емкости кабельной перемычки и от значения Ку на рабочей частоте.

Для обеспечения фазового разделения каналов ИЦ генераторы Г1 и Г2 по сигналу управления NУПР формируют тест-сигналы U1(t) и U2(t), функциональные зависимости которых образуют систему базисных функций фазового разделения каналов [3, 4]:

[U2(t) = U0 sin(rot + ф),

где U0, ro - амплитуда и частота тест-сигналов; ф - фазовый сдвиг между тест-сигналами. Значения амплитуды, частоты, фазового сдвига и форма тест-сигнала задаются кодами и

NTi, формируемыми микроконтроллером МК.

87

2015,№l(llJ

Подставив в выражение (1) вместо U1(t) и U2(t) их зависимости из системы (2), получим

UY (t) = -Uo

C0 -Ct • RJR, . Cx -Ct • R3/R2 . у

—-----t———1 sin rnt + —-------_ 3/—2 sin

C

C

•l1 + Ym )•

Правая часть полученного выражения содержит две составляющие, каждая из которых пропорциональна результату аддитивной коррекции, температурной коррекции опорной или рабочей емкостей 1111 датчика, причем одна из них пропорциональна (С0 - Ct • R3/ R1), а вторая - (Сх - Ct • R3/R2). Поскольку амплитуда U0, частота ю и фазовый сдвиг между тестсигналами ф известны, для определения указанных составляющих необходимо знать только два значения выходного напряжения АП UУ (t): UYi и UУ2, но в разные моменты времени, например t1 и t2, решить систему уравнений с двумя неизвестными: (С0 - Ct • R3/R1) и (сх - с • R3IR2):

UУ1 =-U0 UУ2 = -U0

C0 -Ct • R3/R1 . Cx -Ct • R3/R2 . .

—0-----C—~—1 sin rot1 + —------C 3/—2 sin

C0 - Ct • RJR1 . Cx - Ct • RJR2 . .

—------C—~—1 sin rot2 + —------C 3—2 sin

. i1 +Y М)

• i1 + Ym )

Решая систему уравнений (4) относительно (C0 - Ct • R3/R1) и (Cх - Ct • R3/R2 ) и определяя выходной сигнал ИЦ как их отношение, получим

С0 - Ct • R3/R1 = UУ2 sin

Сх - Ct • R3 /R2 UУ2 sin rot1 + UУ1 sin rot2

Аналого-цифровой преобразователь в моменты времени t1 и t2 , задаваемые микропроцессором, входящим в состав МК, преобразует выходное напряжение ^ (t) в UУl и UУ2 соответственно и передает полученные значения в микропроцессор, который (в соответствии с выражением (5)) формирует выходной сигнал ИЦ.

Как видно из выражения (5), выходной сигнал ИЦ не зависит от методической погрешности АП у м, а следовательно, предложенная ИЦ, помимо коррекции температурной погрешности, осуществляет еще и коррекцию погрешности, обусловленной наличием емкости кабельной перемычки и конечным значением коэффициента усиления ОУ, входящего в состав АП.

Таким образом, предложенная ИЦ высокотемпературных емкостных датчиков давления, имеющих в составе термозависимую емкость, позволяет осуществить одновременно и аддитивную, и логометрическую коррекцию температурной погрешности емкостного параметрического преобразователя, а применение временного разделения каналов обеспечивает исключение методической погрешности, обусловленной емкостью соединительного кабеля и неидеальностью элементной базы измерительной цепи.

Список литературы

1. Арбузов, В. П. Структурные методы повышения точности измерительных цепей емкостных и индуктивных датчиков : моногр. / В. П. Арбузов. - Пенза : Информационноиздательский центр ПГУ, 2008. - 230 с.

2. Чернецов, М. А. Чувствительные элементы и измерительные модули датчиков давления. Вопросы стандартизации и унификации / М. А. Чернецов, А. В. Соколов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2013. -№ 3 (27). - С. 148-155.

3. Арбузов, В. П. Фазовое разделение каналов измерительных цепей датчиков / В. П. Арбузов, С. Е. Ларкин, М. А. Мишина // Измерительная техника. - № 11. - 2012. - С. 15-18.

4. Arbuzov, V. P. Phase Separation of Sensor Measurement Circuit Channels / V. P. Arbuzov,

S. E. Larkin, M. A. Mishina // Measurement Techniques. - 2013. - Vol. 55, № 11. -P. 1247-1251.

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

Арбузов Виктор Петрович

доктор технических наук, профессор, кафедра автоматики и телемеханики, Пензенский государственный университет E-mail: avitel@pnzga.ra

Мишина Марина Александровна

аспирант,

Пензенский государственный университет E-mail: avitel@pnzga.ra

Белынцева Полина Николаевна

аспирант,

Пензенский государственный университет E-mail: avitel@pnzga.ra

Ананьина Ирина Юрьевна

магистрант,

Пензенский государственный университет E-mail: avitel@pnzga.ra

Arbuzov Viktor Petrovich

doctor oftechnical science , professor, sab-department of automation and remote control, Penza State University

Mishina Marina Aleksandrovna

postgradaate stadent,

Penza State University

Belyntseva Polina Nikolaevna

postgradaate stadent,

Penza State University

Anan'ina Irina Yur'evna

master's degree stadent,

Penza State University

УДК 621.317.733 Арбузов, В. П.

Измерительные цепи высокотемпературных емкостных датчиков давления / В. П. Арбузов, М. А. Мишина, П. Н. Белынцева, И. Ю. Ананьина // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. -2015. - № 1 (11). - С. 81-88.