Устройство для измерения полного сопротивления параметрических датчиков
DEVICE FOR MEASURING IMPEDANCE OF PARAMETRIC SENSORS

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для подключения параметрических датчиков различного типа (резистивных, индуктивных, емкостных, смешанного типа) к генератору сигнала и снятия информативных электрических сигналов для последующей обработки в различных информационно-измерительных телеметрических системах.
В большинстве традиционных измерительных преобразователей используется мостовая схема для подключения параметрических датчиков, однако в них на выходной сигнал значительное влияние оказывают параметры соединительных проводников (их активные сопротивления, емкости и индуктивности, непредсказуемо изменяющиеся под воздействием влияющих факторов окружающей среды).
m
m
ref
m
ref
m
ref
w3
w4
w1
w2
m
ref
w3
w4
1
2
out
m
Rm
Для снижения влияния сопротивлений соединительных проводников при измерении чисто резистивных полных сопротивлений известно использование устройства типа «токовая петля» (Anderson, K.F. The New Current Loop: An Instrumentation and Measurement Circuit Topology / K.F. Anderson // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. - 1997. - Vol. 46. -No. 5. - pp. 1061-1067; Anderson, K.F. Constant Current Loop Impedance Measuring System that is Immune to the Effects of Parasitic Impedances. - U.S. Patent No. 5371469, Date of patent Dec. 6, 1994). Устройство состоит из замкнутого контура, питаемого от генератора постоянного тока, в который включены два последовательно соединенных резистора: измерительный R (на него действует измеряемая величина, вызывающая соответствующее изменение ΔR сопротивления) и опорный R (расположенный в непосредственной близости от измерительного, на который действуют все влияющие факторы окружающей среды, что и на измерительный, кроме измеряемой физической величины). При отсутствии действия измеряемой величины, сопротивления измерительного и опорного резисторов выбираются одинаковыми R≈R. Сигналы постоянного напряжения V и V снимаются с обоих резисторов и подаются на двойной дифференциальный вычитатель, состоящий из трех инструментальных усилителей с очень большими входными сопротивлениями. В схеме действуют несколько паразитных сопротивлений: подводящих проводников в токовой петле и проводников, соединяющих резисторы с инструментальными усилителями (r и r). Поскольку петля возбуждается источником тока, то сопротивления r и r не влияют на величины напряжений V и V, снимаемых с резисторов. Влияние сопротивлений проводников r и r практически ничтожно, потому что они несоизмеримо меньше входного импеданса дифференциальных входов измерительного и опорного каналов устройства сравнения напряжений, в результате чего ток, протекающий по этим проводникам, стремится к нулю и не образует на них паразитных падений напряжений. Если коэффициенты усиления А≈А, то выходной сигнал схемы V=KΔR практически линейно зависит от величины Δ, обусловленной влиянием измеряемой величины.
Известное устройство обладает следующими преимуществами перед измерителем, использующим традиционный измерительный преобразователь на основе мостовой схемы:
out
m
- выходное напряжение V формирователя сигнала прямо пропорционально изменению рабочего параметра параметрического датчика ΔR, возбуждаемого током источника I и вызванного воздействием измеряемой величины;
out
m
- зависимость выходного напряжения V формирователя сигнала линейна относительно измеряемого параметра ΔR;
out
w
- выходное напряжение V формирователя сигнала не зависит от сопротивлений соединительных проводников r и их вариаций, обусловленных изменениями окружающей среды.
Недостатком известного устройства является невозможность измерения полных сопротивлений параметрических датчиков с емкостным или индуктивным чувствительными элементами, что значительно сокращает область его возможного применения. Кроме того, для обеспечения высокоточного измерения сопротивления резистивного датчика требуется использование высокоточных (прецизионных) операционных усилителей в двойной дифференциальной схеме, чтобы у них практически отсутствовал «дрейф нуля». Это сильно усложняет известное решение и повышает его стоимость.
m
ref
m
ref
m
m
ref
Наиболее близким к предлагаемому устройству является цифровое устройство измерения полного сопротивления параметрических датчиков [Santos, J. DSPIC-Based Impedance Measuring Instrument / J. Santos, P.M. Ramos // Metrology and Measurement Systems. -2011, Vol. XVIII, No. 2, pp. 185-198]. Устройство включает замкнутый контур, возбуждаемый генератором синусоидального напряжения известной частоты. В контур через специальные компенсирующие согласующие цепи включаются измерительный Z и опорный датчики Z, полные сопротивления (импедансы) которых могут быть активными, реактивными или смешанными. Напряжения, снимаемые с систем согласующая цепь - измерительный датчик» и «согласующая цепь - опорный датчик» (U и U) через инструментальные усилители и формирователи сигналов оцифровываются с помощью аналого-цифровых преобразователей. В цифровой форме сигналы поступают в сигнальный процессор, где по специальным алгоритмам производится их обработка и вычисление полного сопротивления измерительного датчика Z, характеризующего измеряемую физическую величину. Формирователи сигналов предназначены для добавления к переменному синусоидальному сигналу с выхода датчика некоторой постоянной составляющей, а с помощью усилителя выходной сигнал датчика переводится в диапазон от 0 до 5 В, чтобы его можно было оцифровать в аналого-цифровом преобразователе. Согласующие цепи включаются параллельно с каждым датчиком и предназначены для уменьшения влияния паразитных емкостей и индуктивностей, возникающих в соединительных проводниках, а также их активных сопротивлений. Дня этого перед измерением производится специальная калибровка согласующей цепи, что значительно усложняет процедуру измерения. После вычисления модулей и фаз сигналов U и U полное сопротивление измерительного датчика вычисляется из следующих соотношений:
- модуль полного сопротивления
- фаза полного сопротивления
ref
Um
Uref
где  и ϕ - известные модуль и фаза опорного датчика,  и φ - рассчитанные модуль и фаза напряжения на измерительном датчике,  и φ- рассчитанные модуль и фаза напряжения на опорном датчике.
Недостатками данного цифрового измерительного устройства являются:
- невысокая точность вследствие значительных погрешностей из-за влияния индуктивности и емкости соединительных проводников при воздействии на схему переменного тока;
- необходимость использования согласующих цепей для уменьшения влияния паразитных емкостей и индуктивностей соединительных проводников, что усложняет устройство и значительно увеличивает время измерения, так как требуется предварительная калибровка согласующей схемы перед каждым измерением;
- необходимость точного знания параметров (модуля и фазы) опорного датчика, из-за чего его обычно выполняют в виде магазина активных сопротивлений, управляемого специальным процессором, когда выбирается требуемая величина модуля в зависимости от величины измеряемого импеданса измерительного датчика (это значительно усложняет устройство измерителя), как следствие измеритель невозможно эффективно использовать в системах, подверженных сильному влиянию изменяющихся условий окружающей среды (например, в авиации, автомобильном транспорте, датчиках, применяемых в газовой и нефтедобывающей отраслях).
Технической проблемой изобретения является разработка устройства для измерения полных сопротивлений параметрических датчиков, обеспечивающего возможность измерения с повышенной точностью импедансов датчиков различного типа (чисто резистивного, емкостного, индуктивного, смешанного), при этом возможно параллельное измерение полных сопротивлений нескольких параметрических датчиков, включенных последовательно в один контур, когда их полные сопротивления могут быть любого типа из вышеперечисленных.
Техническим результатом предлагаемого решения является расширение функциональных возможностей устройства для измерения полного сопротивления параметрических датчиков, повышение точности измерений за счет устранения влияния параметров соединительных проводников, ускорение процесса измерения и упрощение конструкции измерительного устройства за счет устранения согласующих цепей и процедуры их предварительной калибровки.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения полного сопротивления параметрических датчиков, включающем замкнутый контур, содержащий генератор сигнала синусоидальной формы, измерительный и опорный параметрические датчики, сигнальный процессор и два канала передачи сигналов с датчиков в сигнальный процессор, каждый из которых содержит последовательно соединенные инструментальный усилитель, формирователь сигналов и аналого-цифровой преобразователь, при этом параметрические датчики подключены ко входам инструментальных усилителей, а выходы аналого-цифровых преобразователей подключены к сигнальному процессору, согласно предлагаемому решению, генератор сигнала выполнен в. виде генератора синусоидального тока постоянной амплитуды и известной частоты, в качестве опорного датчика использован датчик, полное сопротивление которого неизвестно, при этом измерительный и опорный датчики включены непосредственно в замкнутый контур последовательно, опорный датчик расположен около измерительного с обеспечением одинакового воздействия на оба датчика факторов окружающей среды, и воздействия измеряемой величины только на измерительный датчик, а сигнальный процессор выполнен с возможностью вычисления полного сопротивления опорного датчика параллельно с полным сопротивлением измерительного датчика.
Сигнальный процессор содержит блок памяти и блок обработки снимаемой с аналого-цифровых преобразователей информации. При этом сигнальный процессор и каналы передачи сигналов с датчиков в сигнальный процессор выполнены в виде микроконтроллера.
Измерительный и опорный параметрические датчики выполнены одинакового типа и одинаковой конструкции. В качестве опорного и/или измерительного датчиков могут быть использованы емкостные и/или индуктивные и/или резистивные датчики.
Изобретение поясняется чертежом, где представлена схема предлагаемого устройства измерения полного сопротивления параметрических датчиков.
Позициями на чертеже обозначены: 1 - измерительный параметрический датчик; 2 - опорный параметрический датчик; 3 - генератор переменного тока постоянной амплитуды и известной частоты; 4, 5 - инструментальный (измерительный) усилитель; 6, 1 - формирователь сигнала; 8, 9 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 10 - сигнальный процессор.
m
ref
Заявляемое устройство для измерения полного сопротивления параметрических датчиков включает замкнутый контур, содержащий последовательно соединенные измерительный 1 (Z) и опорный 2 (Z) параметрические датчики одинакового типа и конструкции, генератор 3 переменного тока постоянной амплитуды и известной частоты. К измерительному датчику 1 подключен инструментальный усилитель 4, выход которого подключен к формирователю сигнала 6, соединенного с аналого-цифровым преобразователем 8. Аналогично к опорному датчику 2 подключен инструментальный усилитель 5, выход которого подключен к формирователю сигнала 7, соединенного с аналого-цифровым преобразователем 9. Выходы обоих аналого-цифровых преобразователей 8, 9 подключены к сигнальному процессору 10, содержащему блок памяти и блок обработки снимаемой с аналого-цифровых преобразователей информации, причем тактовая частота обоих АЦП 8, 9 одинаковая. При этом, оба датчика 1 и 2 включены в контур последовательно без использования согласующих цепей. Опорный датчик 2 расположен в непосредственной близости от измерительного датчика 1, и на него воздействуют те же факторы окружающей среды, что и на измерительный датчик, кроме измеряемой физической величины. В качестве опорного и измерительного датчиков могут быть использованы емкостные, индуктивные, резистивные датчики или датчики смешанного типа. Сигнальный процессор и каналы передачи сигналов с датчиков в сигнальный процессор могут быть выполнены в виде микроконтроллера. Устройство может быть полностью реализовано в одном корпусе на одной печатной плате.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
m
ref
Синусоидальные сигналы с измерительного 1 и опорного 2 датчиков U и U после усиления и добавления к ним постоянной составляющей с помощью инструментальных усилителей 4, 5 и формирователей сигналов 6, 7 оцифровываются аналого-цифровыми преобразователями 8, 9. Последовательности оцифрованных дискретных отсчетов сигналов с выходов обоих аналого-цифровых преобразователей подаются в сигнальный процессор 10, где они хранятся в блоке памяти, а в блоке обработки сигнального процессора производится их обработка в цифровой форме.
m
ref
В результате обработки последовательностей (выборок) оцифрованных значений напряжения с выходов АЦП 8, 9, вычисляются модули и фазы полных сопротивлений измерительного и опорного датчиков , φ и , φ, соответственно. Для этого с выходов каждого аналого-цифрового преобразователя снимают по N оцифрованных дискретных отсчетов сигнала (число N зависит от тактовой частоты АЦП и частоты генератора синусоидального тока 3, но на одном периоде сигнала генератора должно быть сделано не менее 10 отсчетов сигнала). Эти дискретные значения сигналов записывают в блок памяти в сигнальном процессоре 10. В результате в блоке памяти хранятся две последовательности (два вектора) отсчетов сигналов с выходов АЦП 8 и АЦП 9:
11
21
N1
12
22
N2
(i+1)1
i1
(i+1)2
i2
где: t, f, …, t - известные моменты времени снятия отсчетов с АЦП 8; t, t, …, t - известные моменты времени снятия отсчетов с АЦП 9; Δt=t-t=t-t(i=1,2, …, N-1) - период дискретизации сигналов в АЦП 8 и АЦП 9.
Далее в блоке обработки сигнального процессора 10 рассчитываются две вспомогательные матрицы плана эксперимента:
которые хранятся в блоке памяти сигнального процессора, а также вычисляются два вспомогательных вектора:
T
-1
где операторы  и  обозначают транспонирование и взятие обратной матрицы, соответственно. При этом все рассчитанные вспомогательные параметры хранятся в блоке памяти сигнального процессора.
m
ref
Затем искомые неизвестные модули и фазы сигналов, снимаемых с измерительного и опорного датчиков,, ϕ и, ϕ соответственно, рассчитываются по следующим формулам:
Изменение параметров измерительного датчика относительно некоторого начального значения характеризует результат совместного действия измеряемой физической величины и изменяющихся факторов окружающей среды (температуры, влажности и т.д.), изменение параметров опорного датчика относительно своего начального значения характеризует только влияние факторов окружающей среды. В силу близкого расположения этих датчиков следует ожидать, что влияние этих факторов на них будет одинаковым. Поэтому, зная изменение импеданса опорного датчика, можно уточнить результат измерения с помощью измерительного датчика, учитывая влияние факторов окружающей среды, что производится в блоке обработки сигнального процессора 10. Выражения для корректировки значений зависят от физической природы измерительного и опорного датчиков (емкостная, индуктивная, резистивная, смешанная). В частности, если используется чисто резистивные датчики, то значения модуля и фазы сопротивления измерительного датчика получают из следующих выражений:
- модуль полного сопротивления
- фаза полного сопротивления
В случае емкостной природы датчиков, можно использовать выражения для корректировки, приведенные в [Львов, А.А. Повышение точности емкостных датчиков давления для авиакосмической техники / С.А. Кузин, П.А. Львов, А.А. Львов, М.С. Светлов // Известия ЮФУ. Технические науки, №3 -. 2017. - С. 29-42], а для датчиков индуктивного характера корректирующие выражения приведены в прототипе [Santos, J. DSPIC-Based Impedance Measuring Instrument / J. Santos, P.M. Ramos // Metrology and Measurement Systems. - 2011, Vol. XVIII, No. 2, pp. 185-198].
Если частота генератора тока известна не точно или она может незначительно изменяться во времени, то использование алгоритмов, описанных в [Львов, А.А. Оценивание параметров квазигармонических сигналов методом максимального правдоподобия / А.А. Львов, В.П. Глазков, В.П. Краснобельмов, Р.С. Коновалов, М.А. Соломин // Вестник СГТУ. - 2014. - №4 (77). - С. 147-154], позволяет уточнить частоту генератора тока без потери точности вычисления амплитуд и фаз импедансов измерительного и опорного датчиков. Эти алгоритмы реализуются с помощью программ математического обеспечения сигнального процессора, они хранятся в его блоке памяти и при необходимости используются в блоке обработки сигнального процессора.
Повышение точности измерений с использованием предлагаемого устройства достигается за счет введения генератора синусоидального тока постоянной амплитуды и частоты вместо генератора синусоидального напряжения, что устраняет составляющую погрешности из-за влияния сопротивления, паразитных емкости и индуктивности соединительных проводов. В силу этого отпадает надобность в использовании согласующих цепей для измерительного и опорного датчиков, что дополнительно существенно экономит время измерения из-за отсутствия процедуры калибровки согласующей цепи и упрощает конструкцию измерителя.
Для измерения изменения импеданса измерительного датчика не нужно знать точное значение импеданса опорного датчика (оно вычисляется параллельно с соответствующим параметром измерительного датчика). В силу этого, опорный датчик снимает показания, характеризующие влияние факторов окружающей среды на импеданс датчиков, что позволяет повысить точность измерения и значительно расширить сферы применения предлагаемого измерителя импеданса, поскольку в качестве опорного датчика можно использовать датчик, конструкция которого совпадает с измерительным, а импедансы этих датчиков при отсутствии действия измеряемой физической величины примерно равны. Это позволяет применять измеритель полных сопротивлений параметрических датчиков в условиях, когда параметры окружающей среды могут изменяться значительно (например, в авиационной и космической технике, автомобильном и водном транспорте, на различных продуктопроводах).
Пример конкретного выполнения
Было изготовлено устройство для измерения полного сопротивления. В качестве датчиков 1 и 2, включенных в цепь формирователя, использовались два идентичных тензорезистивных преобразователя давления типа ЧЭД-9 (производятся НПК «ТЦ», г. Зеленоград), полученных с одной полупроводниковой пластины. При этом встроенный стабилизатор тока схемы ЧЭД-9 не использовался, а измеряемый параметр (давление) подавался только на один из двух преобразователей. Генератор 3 синусоидальных сигналов был собран на основе операционного усилителя КР544УД16 по схеме моста Вина, что позволило варьировать частоту синусоидального сигнала тока, питающего контур с датчиками, в пределах от 1 до 10 кГц. Стабильность частоты во времени составляла порядка ±0,1% за 1 минуту. Измерительный блок, включающий два канала (измерительный и опорный) передачи сигналов с датчиков в сигнальный процессор и сам сигнальный процессор, был собран на основе отечественного микроконтроллера К1986ВЕ94У1, который имеет встроенный 8-канальный блок предварительного усиления и формирования сигнала, а также 8-канальный 16-разрядный аналого-цифровой преобразователь. Этот АЦП позволяет производить дискретные отсчеты сигнала в каждом канале с частотой, большей 20 кГц. При расчетах использовались блок памяти (для хранения снятых цифровых отсчетов сигналов) и вычислительный блок этого микроконтроллера. Выходной сигнал в цифровом виде передавался по протоколу UART с одного из приемо-передатчиков микроконтроллера.
Измерения проводились на установке автоматизированной системы научных исследований в ЭОКБ «Сигнал» им. А.И. Глухарева (г. Энгельс, Саратовской обл.), в состав которой входят: задатчик давления MensorCPC 3000, термокамера EspecSU-261, промышленный компьютер с установленным программным обеспечением для снятия показания с задатчиков давления и температуры, их обработки и выдачи показаний на экран монитора.
Основные характеристики используемого измерительного оборудования приведены в таблице.
Датчики измерительный и опорный, подключенные к каналам передачи результатов измерения в блок памяти сигнального процессора, помещались в термокамеру. Амплитуда тока генератора синусоидального сигнала была равной 0,025±0,0001 А, а частота могла варьироваться от 1 до 4 кГц. Затем с датчиков снимались данные при подаче избыточного давления после выдержки в течение 1 часа при различных температурах.
прототипа
прототипа
После выдержки датчиков в термокамере при установленной температуре из указанного выше диапазона на измерительный датчик подавалось избыточное давление, которое приводило к изменению его полного сопротивления. С каждого датчика снималось по N=200 отсчетов дискретных сигналов в течение 0,01 с, которые записывались в блоке памяти сигнального микропроцессора. По этим данным с помощью приведенных выше математических выражений рассчитывались значения модулей и фаз измерительного и опорного датчиков. Для каждого заданного значения температуры было проведено по 10000 измерений значений модуля и фазы измерительного датчика (под измерением модуля и фазы измерительного датчика подразумевается результат вычисления по приведенным выше формулам с учетом корректировки результатов вычисления, используя данные с опорного датчика). На основании полученных измерений были рассчитаны стандартные отклонения абсолютных погрешностей измерения этих параметров. При температуре 20°С сопротивление датчиков было примерно 1806,4 Ом, а стандартное отклонение погрешности измерения модуля (чисто резистивный датчик) было σ=0,301 Ом, что соответствует относительной погрешности измерения модуля полного сопротивления δ=0,0498%. В прототипе измерялось сопротивление датчика, равное 1767,5 Ом; полученное стандартное отклонение погрешности измерения равнялось σ=0,57 Ом, что соответствует относительной погрешности измерения модуля полного сопротивления, равной δ=0,0967%. Поскольку фаза чисто резистивной нагрузки приблизительно равна нулю, то относительная погрешность измерения фазы не вычислялась. Из полученных экспериментальных данных и сравнения их с прототипом можно сделать вывод о том, что точность измерения с помощью макета устройства, реализующего заявляемое техническое решение, повысилась примерно в 2 раза при температуре 20°С по сравнению с прототипом.
-40
100
Аналогичные измерения были проделаны при температурах в термокамере, равных -40°С и 100°С. Соответствующие стандартные отклонения ошибок измерения модуля полного сопротивления датчика при этих температурах были σ=0,308 Ом и σ=0,312 Ом. Этот факт свидетельствует о том, что влияние окружающей температуры, изменяющейся в широких пределах, практически не влияет на точность измерения с помощью заявляемого измерителя.