Измерительные цепи датчиков давления с частотными вторичными преобразователями

ститут. Имеет публикации по вопросам компьютеризации учебного процесса. Сорокин Михаил Юрьевич, студент УлГТУ.

УДК 621.317.733

Г. Ф. АФАНАСЬЕВ

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ С ЧАСТОТНЫМИ

ВТОРИЧНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ

Рассмотрены разновидности построения структурных схем измерительных цепей емкостных, индуктивных и оптико-электрических датчиков давления с частотным преобразованием на основе сильфонных, мембранных и на трубках Бурдона чувствительных элементов. Дан краткий сравнительный анализ особенностей различных преобразователей.

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что сигналы, у которых информация заложена в частоте, наиболее помехоустойчивы, легче поддаются обработке, удобны для трансляции на расстояния.

Однако подавляющее число современных датчиков давления на выходе первичного преобразователя имеют аналоговые электрические сигналы, которые впоследствии вторично преобразуются в цифровую форму, удобную для осуществления обработки с помощью микропроцессоров.

В качестве первичного преобразователя самое большое распространение получили мостовые схемы (метод разбалансированного моста), широко представленные в научной литературе [1-5].

Необходимо отметить, что применение современных технологий микроэлектроники позволили создать датчики давления с высокой виброустойчивостью, малыми габаритами, широким динамическим диапазоном и малой погрешностью [6-9]. Разработаны и используются много вариантов измерительных цепей [10-11,14-17]. Однако применение высоких технологий с использованием дорогостоящего технологического оборудования и высококвалифицированного персонала для его обслуживания приводят к высокой себестоимости изделия (от нескольких тысяч рублей и более за штуку). Кроме того, проанализировав состав измерительных цепей таких датчиков, можно сделать вывод о их потреблении по цепям питания.

В лучшем случае потребление по цепям постоянного тока составят от нескольких единиц до десятков миллиампер и более, что затрудняет их применение в устройствах с автономным питанием и длительным сроком непрерывного функционирования.

Не всегда есть спрос на высокую точность, когда погрешность определяется тысячными долями процента.

ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ СХЕМ ЕМКОСТНЫХ И ИНДУКТИВНЫХ ДАТЧИКОВ

Значительное снижение потребляемой мощности может быть достигнута в датчиках с первичным электронным преобразованием измеряемого параметра в частоту. В качестве таковых могут быть датчики с емкостными, индуктивностя-ми и оптическими преобразователями, обобщенная структурная схема которых представлена на рис. 1.

Рис. 1. Обобщенная структурная схема датчиков

Упругий элемент: сильфон, трубка Бурдона, (гофрированная мембрана). Электронный преобразователь: емкостный, индуктивный, оптиковолоконный, оптический.

Блок обработки информации: микроконтроллеры различных типов, цифровые индикаторы, формирователи выходных сигналов, интерфейсы для связи с ЭВМ. Варианты структурных схем емкостных и индуктивных датчиков приведены на рис.2. Генераторы Г1 и Г2 строятся по широко известным схемам автогенераторов с емкостным или индуктивным переменным параметром с несимметричным (а, б) и симметричным (в, г) (дифференциальным) включением. Однако при разработке конструкции емкостных датчиков необходимо учитывать возможное проявление затягивания частот генераторов.

Частота измерительных генераторов характеризуется нестабильностью, в зависимости от температуры. Для уменьшения температурной погрешности в схемах (а) и (б) введены генераторы постоянной (опорной) частоты, собранные на той же элементной базе, что и генераторы П, размещенные рядом или на одном кристалле, в результате температурный уход частоты обоих генераторов будет иметь один знак и при минимальном разносе час-

тот - одинаковый уход Л. На выходе смесителя (СМ) и фильтра нижних частот (ФНЧ) будет сигнал с частотой, зависящей только от измеряемого параметра (смещения подвижной части упругого элемента УЭ).

Линеаризация выходной характеристики осуществляется с помощью микроконтроллера (МК) в блоке обработки информации (БОИ). Все схемы позволяют иметь на выходе стандартные сигналы (частотные, токовые или напряжения).

Схемы (в) и (г) с дифференциальным включением Г| и Г2 позволяют уменьшить до минимума влияние нестабильности питающих напряжений и температуры и повысить крутизну преобразования почти в два раза.

Предварительные исследования индуктивного дифференциального преобразователя с программной обработкой информации при смещении подвижной части УЭ на 5 мм (манометр на трубке Бурдона с Ризм макс кгс/см2) показали возможность достижения высокой чувствительности и разрешающей способности f = 200 кГц, т. е. 40 кГц/мм или 200 Гц на с/см" при высокой линейности выходной характеристики, которая обеспечивается выбранным методом обработки информации. Выходные сигналы (0 - 20 мА) формируются в блоке БФВС и при 18ых макс = 20 мА ток потребления датчика не превышает 30 мА.

ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ СХЕМ ОПТИКО - ВОЛОКОННЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ С ОБРАБОТКОЙ ИНФОРМАЦИИ ПО ЧАСТОТЕ

Все большее применение, особенно в нефтегазовой и атомной промышленности, начинают находить датчики различных физических величин на основе оптико-электронных преобразователей [13].

Преимущества этих датчиков в том, что, в зависимости от расположения и места ввода оптического сигнала в волоконно-оптическую линию связи (ВОЛС), могут быть с абсолютной взрывобезопасностыо.

По способу введения света они подразделяются на два вида: с источником оптического сигнала в корпусе датчика и вне его. Первый имеет такую линшо связи источника света (световода, лазера и др.) с источником питания, что требует искрозащиты и других мер защиты.

Второй имеет бестоковую линию связи с блоком измерения и обработки информации. Варианты структурных схем оптико-электронных преобразователей (ОЭП) датчиков давления с источником света (светодиодами) внутри корпуса датчика приведены на рис 3. Измерительные цепи (ИЦ) таких датчиков могут быть целиком размещены в корпусе датчика или вынесены за его пределы (фотодиоды ФД и ИЦ разделены линией ВОЛС).

Условия обозначены на рис 3: СД - светодиод; ФД - фотодиод; УГ1Т - усилитель постоянного тока (напряжения); ГУН - генератор, управляемый напряжением; БОИ - блок обработки информации; УИН - усилитель импульсного напряжения; ПД - пиковый детектор; УПН - усилитель переменного напряжения; ВУ -вычитающее устройство; ИЦ - измерительная цепь; УИ - усилитель импульсов. В оптическом канале в зависимости от смещения подвижной части упругого элемента меняется интенсивность света, падающего на фотодиоды, т.е. в основе преобразования используется модуляция по интенсивности.

Одноканальные ИЦ (рис. За, б) имеют те же недостатки, что и схемы на рис. 2а, б.

При использовании разделительных ВОЛС на точности будут сказываться дополнительно несанкционированные изгибы оптического волокна.

Этот недостаток устраним в дифференциальных ВОЛС с выбранным методом обработки сигналов.

С целью уменьшения потребляемой мощности целесообразно использовать импульсный режим с большой скважностью (рис. 2 д).

В датчиках с оптическим преобразованием измеряемой величины в корпусе датчика размещен только сам оптический преобразователь, который соединен с СД, ФД и измерительной цепью через 3-проводную ВОЛС.

Все токопроводящие элементы размещаются либо рядом с источником питания, либо в каком-либо другом месте с постоянной температурой окружающей среды. Такой датчик может быть вынесен на расстояние, определяемое необходимостью или длиной оптического кабеля.

В качестве оптического преобразователя может служить механизм с поляризаторами (поляризационной пленкой - при вращательном смещении частей упругих элементов).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Белов Л. И., Жестков А. В., Ларинов В. А., Логиновский Н А. Электронные преобразователи для микропроцессорных датчиков давления «метран» // Датчики и системы. 2000. №11-12.

2.Лучко В. Е., Сычугов Е. М. Термостабильные тензометрические преобразователи для датчиков давления // Датчики и системы. 2000. № 11-12.

3.Грудцинов Г. М., Фетисов А. В. Малогабаритные датчики давления «метран-55» // Датчики и системы. 2000. № 11 -12.

4.Танюхин А. Н. Датчики давления, разряжения и разности давлений // Датчики и системы. 2001. № 1.

5.Коломнец Л. Н. Промышленные системы датчиков теплоэнергетических параметров // Датчики и системы. 2001. № 10.

6.Сабмин А. В. Пьезорезистивные датчики давления // Приборы и системы управления. 1990. № 10.

7.Лурье Г. И., Мартыненко В. Т. Новое поколение полупроводниковых датчиков теплоэнергетических параметров // Приборы и системы управления. 1996. № 4.

8.Марек И. (ФРГ) Микросхемы для автомобилей // Датчики и системы. 2001. №4.

9.Мокров Е. А., Лебедев Д. В., Селифанова В. В. Емкостные датчики абсолютных давлений // Датчики и системы. 2001. № 7.

10.Арбузов В. П. Измерительные цепи емкостных и индуктивных датчиков // Приборы и системы управления. 1996. № 5.

11. Арбузов В. П. Измерительные цепи дифференциальных емкостных датчиков //' Приборы и системы управления. 1998. № 2.

12.Тимофеев Б. П. Сергеев С. А. Исследования магнитных систем индуктивных преобразователей линейных перемещений // Датчики и систем. 1999. №1.

13.Волчихин В. И., Мурашкина Т. И. Проблемы создания волоконно- оптических датчиков // Датчики и системы. 2001 .№7.

14.Соколов Л. В., Школьников В. М. О техническом уровне современных интегральных датчиков давления для авиационных информационно-измерительных систем (ИИС)//Датчики и системы. 2001. №4.

15.Арбузов В. П. Измерительные цепи индуктивных датчиков с временным разделением каналов // Приборы и системы управления. 1996. №7.

16.Арбузов В. П. Измерительные цепи датчиков с фазовым разделением каналов )//Датчики и системы. 1999. №5.

17.Казарян А. А. Тонкопленочный емкостной датчик давления с твер-дым диэлектриком // Приборы и системы управления. 1992. №2.

Афанасьев Геннадий Федорович, кандидат технических наук, доцент кафедры. «Радиотехника» УлГТУ. Окончил Ульяновский политехнический институт. Имеет статьи и изобретения в области измерения физических величин и обработки информации