Измерительные преобразователи к датчикам заряда

Анализ результатов проведенного исследования показывает, что увеличение относительной случайной погрешности результатов измерений отсчетов напряжения 8и с 0,01 % до 0,05 % приводит к увеличению погрешности определения параметров элементов цепи С1 , Я1 , С 2 , Я 2 с 1 % до 5 %,

т. е. для получения погрешностей совокупных измерений параметров элементов цепи не более 1% необходимо осуществлять измерения отсчетов выходного напряжения ИС с относительной погрешностью не более 0,01 %. Таким образом, для измерения отсчетов выходного напряжения ИС требуется многоразрядный (не менее 16 бит) АЦП, например, МСР3424 [9]. На входе АЦП должно быть включено быстродействующее устройство выборки и хранения (УВХ), например, ДБ781 [10]. УВХ должно запоминать текущее значение входного напряжения по заднему фронту управляющего импульса и хранить его до следующего отсчета в

такой же момент времени в следующем периоде входного воздействия. Для получения четырех отсчетов выходного напряжения ИС в указанные выше моменты времени необходимы четыре УВХ. Регистрация выходных напряжений УВХ может осуществляться поочередно одним АЦП с коммутатором, либо четырьмя АЦП, постоянно подключенными к «своим» УВХ. Последний вариант предпочтительнее, поскольку при этом не добавляется дополнительная составляющая погрешности, обусловленная неидеальностью коммутатора и паразитными параметрами соединительных проводников.

Заключение

Рассмотренный подход к оценке погрешностей совокупных измерений параметров многоэлементных электрических цепей позволяет сформулировать требования к средствам получения отсчетов выходного напряжения измерительной схемы в фиксированные моменты времени.

ЛИТЕРАТУРА

1. РМГ 29-2013. Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения.

2. Основы инвариантного преобразования параметров электрических цепей / А.И. Мартяшин, К.Л. Куликовский, С.К. Куроедов, Л.В. Орлова; Под ред. А.И. Мартяшина. - М.: Энергоатомиздат, 1990. -216 с.

3. Синтез измерительного преобразователя для измерения проводимости кондуктометрического датчика / Кулапин В.И., Колдов А.С. // Надежность и качество - 2 017: Труды Международного симпозиума: в 2-х т. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2017. - Том 1. - С. 250 - 251.

4. Определение параметров двухполюсников по значениям дискретных отсчетов выходного напряжения измерительной схемы / А.В. Светлов и др. // Измерительная техника. - 1999. - № 8. - С. 19 - 22.

5. Мартяшин А.И., Светлов А.В. Перспективные направления развития измерителей параметров многоэлементных электрических цепей // Актуальные проблемы науки и образования: Труды международ. юбилейного симпоз.: В 2-х т. Т.2. - Пенза: Информационно-издательский центр Пенз. гос. ун-та, 2003. - С. 288 - 290.

6. Колдов, А.С. Совокупные измерения электрических параметров пьезокерамических элементов / А.С. Колдов, Е.А. Ломтев, Н.В. Родионова, А.В. Светлов, Б.В. Цыпин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2015. - № 2 (34). - С. 123 - 135.

7. Колдов, А.С. Методика совокупных измерений параметров пьезокерамических элементов с использованием синусоидальных сигналов / А.С. Колдов, Н.В. Родионова, А.В. Светлов // Надежность и качество - 2 015: Труды Международного симпозиума: в 2-х т. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2015. - Том 2. -С. 44 - 46.

8. Баранов В.А., Данилов А.А., Шумарова С.А. Оценивание погрешностей измерений параметров комплексного сопротивления методом Монте-Карло // Современные проблемы науки и образования. - 2013. -№ 5. URL: http://www.science-education.ru/ru/article/-view?id=102 05

9. MCP3422/3/4. 18-Bit, Multi-Channel ДЕ Analog-to-Digital Converter with I2CTM Interface and OnBoard Reference. - Microchip Technology Inc. URL: http://ww1.microchip.com/downloads/en/De-viceDoc/22088c.pdf.

10. AD781. Complete 700 ns Sample-and-Hold Amplifier. - Analog Devices, Inc., 2004. URL: http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD7 81.pdf

УДК 621.317.73

Кулапин В.И., Волкова К.Ю., Родионова Н.В., Евсеева Е.А.

ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ К ДАТЧИКАМ ЗАРЯДА

Ключевые слова:

ФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА, ДАТЧИК, НАГРУЗКА

Основой любой информационно-измерительной системы (НИС) и информационно-управляющей системы (НУС) являются первичные датчики. В современных электронных системах они преобразуют входные параметры неэлектрических физических величин в пропорциональный электрический сигнал. Датчики делятся на три большие группы: генераторные датчики, параметрические датчики и комбинированные датчики. [1]

В генераторных датчиках измеряемая величина вызывает генерацию на выходе электрического сигнала - тока, напряжения, заряда, частоты (I, и, дг £). Они являются активными датчиками, в которых наиболее часто используются термоэлектрический эффект, пьезоэффект, фотоэффект, эффект электромагнитной индукции и другие.

В параметрических датчиках под действием входной величины изменяются параметры сопротивления, индуктивности, емкости, пропускания (К, Lr С, т) и т.д. Они являются пассивными и позволяют косвенно судить о физической величине путем включения такого датчика в электрическую цепь.

ДАТЧИК ЗАРЯДА, ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ,

Промежуточное положение занимают комбинированные датчики, в которых для получения результата используется целая цепь последовательных преобразований. Например, датчики давления могут быть разработаны по схеме: давление - деформация мембраны - изменение сопротивления тензодатчика, закрепленного на мембране - изменение выходного электрического сигнала мостовой схемы.

В последнее время введено понятие «интеллектуальные» и интегрированные датчики. [7] Такие датчики оснащаются встроенными микропроцессорами, которые работают по достаточно сложным алгоритмам и позволяют придать измерительным приборам многие дополнительные функциональные возможности, такие как фильтрация сигналов, коррекция, обнаружение отказов, линеаризация статической характеристики, реконфигурация измерительной схемы и т. п. [3] Тем не менее основой этих приборов являются первичные датчики (сенсоры), знание основ функционирования которых является необходимым условием грамотного применения датчиков в инженерной практике.

Значительное развитие в последнее время получили плёночные датчики, в которых входной параметр измеряемой физической величины преобразуется в электрический заряд. Основными представителями такого класса генераторных измерителей считаются пьезокристаллические и пьезоплёночные датчики.

Пьезоэлектрические датчики. [5] Пьезоэлектрические датчики содержат кристаллы или текстуры, электризующиеся под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформирующиеся в электрическом поле (обратный пьезоэффект). Особенностью пьезоэффекта является знакочув-ствительность, т.е. изменение знака заряда при замене сжатия растяжением и изменение знака деформации при изменении направления поля.

Пьезоэлектрические датчики позволяют решать многообразные задачи: для измерения механических параметров (усилий, давлений, ускорений, массы, угловых скоростей, моментов, деформаций и т. п.), тепловых приборов (термодатчиков, датчиков расхода, вакуума, измерителей электрических параметров, датчиков тепловых потоков), устройств контроля составов, концентраций газов, влажности, микромасс. По разрешающей способности и точности эти устройства во многих случаях превосходят датчики, выполненные на других физических принципах.

Пьезоэлектрические датчики можно разделить на два крупных класса в зависимости от физических эффектов, лежащих в их основе.

К первому классу относятся датчики, использующие прямой пьезоэффект. Они используются для измерения линейных и вибрационных ускорений, динамических и квазистатических давлений и усилий, параметров звуковых и ультразвуковых полей и др.

Ко второму классу относятся так называемые резонансные пьезодатчики. В их основе может лежать обратный пьезоэффект (резонансные пьезодат-чики на основе пьезоэлектрических резонаторов), а также обратный и прямой пьезоэффекты (резонансные пьезодатчики на основе пьезоэлектрических трансформаторов). Кроме того, в их основе лежат другие физические эффекты (тензочувстви-тельность, акусточувствительнось, термочувствительность и др.), что позволяет использовать их для измерения статических и динамических давлений и усилий, линейных и вибрационных ускорений, концентраций веществ в газах, вязкости, углов наклона и др.

К перспективному направлению развития, относят пьезоэлектрические датчики температуры. При пьезоэлектрическом эффекте наблюдается зависимость частоты вибрации кварцевого кристалла от температуры. Именно на основе этого явления и реализуются пьезоэлектрические датчики температуры. Поскольку кварц является анизотропным материалом, резонансная частота пластины сильно

зависит от угла среза кристалла. Поэтому выбирая срезы АТ- и ВТ-, можно получить кристаллы, обладающие незначительной температурной чувствительностью. И наоборот, при использовании кристаллов других срезов можно реализовать датчики с ярко выраженной зависимостью частоты от температуры. Температурную зависимость резонансной частоты от температуры часто аппроксимируют полиноминальной зависимостью третьего порядка:

- = а0 + а1ДТ + а2ДТ2 + а3ДТ3,

где ДТ и Дf - температура и частотный сдвиг,

- частота калибровки, а а - коэффициенты аппроксимации.

Особый класс датчиков заряда представляют электростатические датчики. Для электростатических датчиков можно использовать электростатический измеритель датчиков заряда. Измерительный преобразователь заряда является одним из возможных вариантов измерений электростатических полей.

Каждый объект может накапливать на своей поверхности статическое электричество. Обычно в воздухе находятся либо положительные, либо отрицательные ионы. В идеальных статических условиях объемные заряды всех объектов равны нулю. Однако в реальных условиях любой объект может стать носителем электрических зарядов.

Между электродом и окружающими объектами всегда устанавливается электрическое поле[4], если хотя бы один из них является носителем зарядов. Все распределенные конденсаторы заряжаются статическими или слабо меняющимися электрическими полями. Когда вблизи электрода электростатического датчика нет движущихся объектов, электрическое поле там либо стационарно, либо меняется медленно.

Если носитель заряда (человек или животное) изменяет пространственное положение, статическое электрическое поле нарушается. Это приводит к перераспределению зарядов между переходными конденсаторами, включая те, которые созданы между входным электродом и окружающими объектами. Величина зарядов на поверхности объектов зависит от их природы и атмосферных условий. Поэтому электронная схема должна быть приспособлена к конкретным условиям, в которых ей предстоит работать.

Предназначение данной системы заключается в преобразовании переменных индуцированных зарядов на входах в электрические сигналы, которые далее усиливаются и поступают в устройства обработки данных. Таким образом, статическое электричество, являющееся обычным физическим явлением, можно использовать для формирования переменных электрических сигналов и для детектирования движения объектов. Построенный регистратор передвижения представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 Однополярный электростатический детектор движения

Он состоит из проводящего электрода, подключенного на вход аналогового преобразователя импеданса, реализованного на основе МОП транзистора 01, резистора смещения R1, входного конденсатора С0, усилителя и оконного компаратора. Вся схема кроме электрода экранируется. Электрод же подвержен воздействию окружающей среды и образует с внешними объектами емкостные связи. В данном случае источником статического электричества выступает человек, на поверхности которого распределены положительные заряды. Будучи

носителем зарядов, тело формирует в пространстве электрическое поле с напряженностью Е. В стационарных условиях, когда человек не двигается, напряженность поля остается постоянной, а входная емкость СО разряжается через резистор R1. Для того чтобы схема обладала высокой чувствительностью, сопротивление резистора R1 должно быть очень большим — порядка 1010 Ом и даже выше.

При движении человека напряженность электрического поля меняется. Это приводит к появлению

на входном конденсаторе С0 электрического заряда, что сказывается на величине напряжения на резисторе Я1, которое через разделительный конденсатор попадает на усилитель и далее на вход компаратора. Компаратор сравнивает пришедший сигнал с двумя пороговыми уровнями. При движении человека сигнал на входе компаратора отклоняется либо вверх, либо вниз, пересекая один из пороговых уровней. Выходной сигнал компаратора представляет собой серию прямоугольных импульсов, которая может быть подана в устройство обработки данных. Электростатические датчики относятся к пассивным схемам.

Существует несколько источников помех, которые могут привести к ложным срабатываниям электростатических детекторов: 60 или 50-ти герцовые сетевые наводки, электромагнитные поля от радиостанций, силовые электрические установки, молнии и т.д. Большинство перечисленных помех формирует вокруг детектора довольно равномерные электрические поля, которые могут быть скомпенсированы при использовании схемы с симметричными входами и высоким КОСС. Использование в качестве детектора ниже предложенной схемы значительно улучшает чувствительность и надёжность детектора.

Вместе с преобразователями применяют преду-силители, образующие две группы: усилители заряда и усилители напряжения.

Усилители заряда, выходное напряжение которых пропорционально поступающему на их вход заряду, не усиливают электрический заряд. Основное преимущество усилителей заряда заключается в том, что они совершенно исключают влияние длины соединительных кабелей на общую чувствительность и, следовательно, допускают применение соединительных кабелей любой длины. Изменение длины соединительного кабеля в системе, содержащей усилитель напряжения, обуславливает необходимость подстройки коэффициента усиления используемой аппаратуры и повторной калибровки системы.

В отличие от диэлектрических датчиков давления, пьезоэлектрические пленочные датчики относятся к датчикам генераторного типа. Датчики просты в изготовлении и не требуют источников питания. Основой их являются такие пьезополи-меры, как поливинилиденфторид (ПВДФ), поливинил-хлорид (ПВХ), имеющие конечную величину остаточной поляризации. Поляризованные пленки ПВХ используются, в основном, в качестве чувствительных элементов датчиков высокоскоростного удара.

Исходя из того, что датчики заряда являются маломощными устройствами, в эквивалентной схеме приходится учитывать не только сопротивление нагрузки, но и внутренний импеданс источника сигнала и емкость нагрузки, включая емкость соединительной линии. Эквивалентная схема такого датчика и входная цепь измерительного преобразователя, подключенного к нему, представлены на рисунке 2.

С,

Т

Сг + С„

усилителей с высоким входным сопротивлением. [6] В качестве таковых схем применяют КМОП и МОП операционные усилители, которые работают в режиме усилителей и повторителей. Специальные электрические усилители имеют следующие характеристики: /вх = 1 НА ^60 фА, Явх > 1014 Ом. Недостатками таких схем является зависимость выходного напряжения от емкостей датчика, монтажа, выходного электрода операционного усилителя, входного импеданса операционного усилителя, подводящих проводов. Избавиться от таких зависимостей можно, применив схему преобразования «заряд -напряжение» на интеграторе тока, представленную на рисунке 3 и расположенной в непосредственной близости от датчика заряда.

Рисунок 3 Преобразователь «заряд-напряжение»

В такой схеме Uq^0 и по переменному току RBX^ 0. Источник заряда qc разряжается на виртуальный ноль операционного усилителя с помощью тока:

/, =

dqc

dt

Следовательно, выходное напряжение преобразователя можно записать в виде:

-1 • f 1ос • dt = -1 • f ^ • dt = ^ С С dt С

»-Q с J ""ос J ^^ ^ос

'ВЫХ ^ I 'ос

Из приведенного выше выражения видно, что выходное напряжение схемы не зависит от емкости нагрузки. Коэффициент передачи для схемы будет размерной величиной и равен:

и™ 1 г В

к = -

Чс Сос 1-Кул]

Увеличение коэффициента передачи связано с уменьшением емкости обратной связи. Чтобы не использовать малые значения ёмкости, для повышения коэффициента передачи, возможно, применить емкостной Т-мост в цепи обратной связи преобразователя рисунок 4.

Схема представляет собой интегратор тока малых значений. [2] Выходное напряжение для этой схемы будет рассчитываться следующим образом:

и„

Сос V Rj

Рисунок 2 Эквивалентная схема датчика заряда

Для того чтобы не снизить влияние сопротивления Ян на датчик, его подключают к схеме с весьма большим сопротивлением нагрузки, тогда выходное напряжение можно рассчитать следующим образом:

Чс Чс

Преобразование обеспечения т можно вы-

полнить с помощью использования операционных

ВЫХ

Рисунок 4 Емкостной Т - мост

Использование резисторов с соотношением со-противлений100 позволяет увеличить выходное напряжение на 60 db. Входное сопротивление измерительного преобразователя будет:

вх Сос у R2J

Передаточная функция будет иметь размерность, и определяется входным сопротивлением.

ЛИТЕРАТУРА

1. Топильский В.Б. Схемотехника измерительных устройств / В.Б. Топильский. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. - 232 с.

2. Корис Р., Шмидт-Вальтер X. Справочник инженера-схемотехника. - Москва: Техносфера, 2008. -608с.

3. Синтез измерительного преобразователя для измерения проводимости кондуктометрического датчика. Кулапин В.И., Колдов А.С. Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2017г. -Т.1.С. 250-251.

4. Дж. Фрайден Современные датчики. Справочник. - Москва: Техносфера, 2005. - 592 с.

5. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики / Под ред. В.М. Шарапова. - Москва: Техносфера, 2006. - 632 с.

6. Автоматическая система управления прецизионной посадкой беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) на наземную платформу беспроводной зарядки. Князьков А.В., Кулапин В.И., Егорихин А.С., Шевцов П.В. Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2015г. -Т.1.С. 244-246.

УДК 629. 113.004

Мельников О.Н., Солодимова Г.А., Ишков А.С., Маркелов В.С.

ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОНТРОЛЯ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Проведен анализ систем контроля объема дизельного топлива в топливных баках тепловозов. Установлено, что универсальные системы контроля позволяют измерять только уровень топлива. Однако в погрешность измерений объема топлива вносит серьезную лепту его тепловое расширение, особенно в осенне-зимний период. Рассматривается система контроля объема топлива, позволяющая учесть специфику измерения объема дизельного топлива на предприятиях железнодорожного транспорта. Ключевые слова:

ТЕПЛОВОЗ, ДИЗЕЛЬНОЕ ТОПЛИВО, МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЕ ДАТЧИКИ, ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

посредством стимулирования и повышения ответственности работников предприятия. Для этого необходимо иметь систему учета топлива, позволяющую при помощи датчиков - уровнемеров регистрировать изменение количества топлива в баке тепловоза при экипировке, сливах и в поездке, выявлять наиболее явные нарушения, которые могут допускать машинисты. На выходе такой системы должна формироваться самая простая форма контроля, которая может представлять собой визуализацию изменения количества топлива в баке тепловоза за любой период времени. Следует учесть, что при обнаружении фактов нецелевого использования (сливов) топлива доказательной базой могут быть только показания метрологически поверенной системы, поэтому система мониторинга уровня топлива должна быть сертифицирована как средство измерения.

Вторая цель - оценка качества работы (профессионализма) машинистов. Для ее достижения используются системы учета топлива на основе расходомеров и/или уровнемеров, а также оборудования, позволяющего регистрировать режимы работы тепловоза - скорость, пробег, позицию контроллера и др. Расходомеры, устанавливаемые в топливную магистраль дизеля, могут более точно отображать картину потребления им топлива, поскольку контролируют топливный трафик непосредственно в напорной и сливной магистралях, но не позволяют контролировать поступление топлива при экипировке и сливы. Уровнемеры, устанавливаемые в бак тепловоза, учитывают все возможные изменения количества топлива без разделения на потребление его дизелем и прочие потери. Это затрудняет анализ эффективности работы дизеля, но при этом решается задача контроля с допустимой погрешностью текущего количества топлива в баке. Выходные данные таких систем представляют собой результаты расшифровки регистрируемых параметров поездки, в которой динамика изменения количества топлива (потребляемого дизелем или находящегося в баке) сопоставляется с режимами работы тепловоза и экипировками локомотива в тот или иной промежуток времени.

Третья цель — удаленный мониторинг эксплуатации тепловоза с последующей оценкой его состояния, включая теплотехническое. Преследуя эту цель, на тепловоз устанавливают системы, обеспечивающие автоматическую регистрацию не только данных о расходе/поступлении топлива, позиции контроллера машиниста, скорости, пробеге и местоположении локомотива, но и целого ряда параметров работы его силовой установки (частоте вращения коленчатого вала, давлении и температуры рабочих жидкостей, мощности тягового гене-

Маневровая работа является неотъемлемой частью перевозочного процесса на железнодорожном транспорте. Для ее исполнения занято более 4 0 % эксплуатационного парка грузовых тепловозов. Затраты на содержание локомотивов маневрового движения составляют более 25 % от общих эксплуатационных расходов [1]. Основной статьей расходов являются затраты на топливо, поэтому снижение расхода топлива в процессе маневровой работы имеет существенное значение в топливно-энергетическом балансе локомотивных депо и железных дорог.

Основная часть. В настоящее время в локомотивных депо железных дорог учет, контроль и нормирование расхода топлива маневровыми тепловозами осуществляют следующим образом:

измерение уровня топлива в баке тепловоза проводится машинистом визуально по мерному стеклу, имеющему заводскую шкалу с ценой деления, равной 250 литров, например, для типового тепловоза типа ЧМЭ3 [2,3];

учет расхода топлива за смену работы локомотива осуществляется по разности количества топлива в баке тепловоза в начале и конце смены. Массовый расход топлива рассчитывается машинистом по объемному расходу и заданной плотности топлива, принимаемой постоянной в течение определенного промежутка времени;

нормирование расхода топлива осуществляется теплотехником по времени и виду выполняемой маневровой работы с учетом фактических расходов, достигнутых в предыдущее время.

Значительные погрешности определения количества топлива в баках тепловозов (средний объем топливных баков 3500 литров), невозможность анализа расхода топлива с учетом фактически выполненной работы и технического состояния локомотивов приводят к искусственному завышению нормативов расхода топлива локомотивами и открывают возможность для его использования не по назначению. Оценка эффективности работы тепловоза и машиниста затруднена, что приводит к отсутствию заинтересованности машинистов в экономии топлива.

Автоматизированные системы контроля уровня топлива достаточно широко используются в промышленности. Они отличаются принципами измерения и, следовательно, стоимостью. Каждый из методов имеет свои как преимущества, так и недостатки, поэтому чтобы выбрать наиболее подходящее оборудование, сначала следует определить его расчетную эффективность для достижения конкретной цели.

Первая и наиболее важная цель - сократить непроизводительный расход топлива на тягу поездов