Підвищення точності вимірювань в промисловості є одним із

Метрологія-2014
Харків
АНАЛОГОВЫЙ ИНТЕРФЕЙС ДЛЯ ДИСТАНЦИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
ГЕНЕРАТОРНЫХ ДАТЧИКОВ
В.П. Квасников, Д.П. Орнатский, Н.В. Михалко
Национальный авиационный университет
03058, Киев, просп. Космонавта Комарова, 1,
e-mail: [email protected]
Э.А. Корецкий
ННЦ “Институт метрологии”
61002, Харьков, ул. Мироносицкая, 42,
тел. (057) 704-98-98, факс (057) 700-34-47
e-mail: [email protected]
Analog interface is designed for generating sensors distance measurement that allows to
provide high metrological characteristics for sensing distance of several hundred meters in the
conditions for the existence of significant industrial noise.
Актуальность проблемы
К генераторным датчикам относятся пьезоэлектрические, термоэлектрические,
электромагнитные, фотоэлектрические датчики, для которых характерными свойствами
являются низкие уровни выходных сигналов, их биполярность, ширину частотного
диапазона до нескольких килогерц, которые при дистанционных измерениях с целью
улучшения соотношения сигнал/шум при одновременном сохранении высокого
быстродействия либо используют интенсивностные сигналы в сочетании с
автоматической коррекцией погрешностей, либо используют приемы кодоимпульсной
модуляции. Однако, и тот и другой подходы приводят к существенному сужению
полосы пропускания полезного сигнала, что в большинстве случаев не может быть
приемлемым.
Анализ исследований и публикаций
Два способа построения частотно-временных измерительных преобразователей,
в которых используют интеграторы с импульсной обратной связью по информативному
параметру, получили сегодня наибольшее распространение:
–
преобразователь напряжение-частота с импульсной обратной
связью (ЧИМ-модулятор);
–
преобразователь напряжения в индекс широтно-индексной
модуляции (
) с импульсной обратной связью (ШИМ-модулятор).
Для первого способа характерны следующие положительные свойства:
–
высокое быстродействие (один цикл преобразования);
–
широкий динамический диапазон (более 80 дБ);
–
малая погрешность нелинейности (менее 0,01%);
–
возможность передачи ЧИМ-сигнала на большие расстояния т.к.
частота не подвержена влиянию характеристик канала связи.
Недостатками этого способа являются возможность работы только с
напряжениями одной полярности и зависимость выходной частоты от напряжения
смещения нуля интегратора, что ограничивает применение данного метода для работы
с малыми переменными напряжениями (<100 мВ).
В работе [1] показано, что использование для устранения влияния указанной
погрешности интегратора аддитивной коррекции приводит к снижению
быстродействия.
481
Метрологія-2014
Харків
Для второго способа является характерным:
– высокое быстродействие (один цикл преобразования);
– широкий динамический диапазон (более 80 дБ);
– малая погрешность нелинейности (менее 0.01%);
– биполярный входной сигнал;
– отсутствие влияния значительной части инструментальных
погрешностей, в том числе и напряжения смещения интегратора на значение
информативного параметра выходного сигнала.
Недостатком данного способа является влияние паразитных параметров и шумов
канала связи на значение информативного параметра, что ограничивает применение
данного метода для построения аналоговых интерфейсов для дистанционных
измерений.
Постановка задачи
Целью данного исследования является разработка аналогового интерфейса для
дистанционных измерений свободного от вышеперечисленных недостатков.
Решение задачи
На рис. 1 представлена блок-схема предлагаемого аналогового интерфейса
позволяющего обеспечить улучшение метрологических характеристик в части
удовлетворения ряда противоречивых требований по точности, помехозащищенности,
быстродействию. Например, по сравнению с аналоговыми интерфейсами
использующими
интенсивностные
информационные
сигналы
очевидным
преимуществом является более высокая точность обусловленная отсутствием влияния
дестабилизирующих факторов на метрологические характеристики измерительного
канала. По сравнению с системами использующими кодоимпульсную модуляцию
преимущество заключается в обеспечении более широкой полосы полезного сигнала
(на 1-2 порядка), при прочих равных условиях.
Uвх(t)
Датчик
(генератор)
ЛС
ШИМ
ШИУ
ФАПЧ
+U0
TT
K
Uвых = U*вх(t)
ИИП
ФНЧ
-U0
ШИМ-демодулятор
Рис.1 – Структурная схема аналогового интерфейса для генераторных датчиков.
Схема состоит из генераторного датчика (датчик), формирующего входной
сигнал аналогового интерфейса
. Преобразователь напряжения в индекс широтноиндексной модуляции с импульсной обратной связью ШИМ-модулятор (ШИМ)
преобразует входной сигнал
в последовательность прямоугольных импульсов с
индексом широтно-индексной модуляции
,
(1)
482
Метрологія-2014
Харків
где
– cреднее значение входного сигнала
несущей частоты ШИМ-модулятора
элементов ШИМ-модулятора.
на интервале равном периоду
.
– параметры схемных
Из (1) следует, что ШИМ-модулятор с импульсной обратной связью может быть
выполнен прецизионным, так как результат преобразования не зависит от
нелинейности пилообразного напряжения несущего колебания задержек включениявыключения ключевых элементов, гистерезиса компаратора смещения нуля
интегратора.
Выходной сигнал ШИМ-модулятора поступает в трехпроводную симметричную
согласованную линию связи (ЛС (типа витая пара в экране)), подключенную к входам
широкополосного измерительного усилителя с дифференциально-токовыми входами
(ШИУ), предложенного в [2], обеспечивающего подавления синфазного сигнала в
полосе пропускания до нескольких сотен килогерц не менее 80 дБ. Это достигается
благодаря работе каскадов усилителя в инвертирующем включении и равенству
значений петлевых усилений канальных усилителей, что позволяет использовать
несущую частоту ШИМ-модулятора на уровне порядка нескольких десятков килогерц,
что в свою очередь предоставляет возможность расширить полосу полезного сигнала
до нескольких килогерц.
Подавление шумов нормального вида осуществляется с помощью
широкополосной системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), предложенной в
[3] и отличающейся высоким быстродействием (1-2 периода входного сигнала),
широкой полосой захвата (практически равной диапазону перестройки управляемого
генератора), высокой помехозащищенностью [4]. Это достигается тем, что, в отличии
от классических (радиотехнических) ФАПЧ, в структуре широкополосной ФАПЧ
вместо генератора управляемого мгновенным значениями напряжения используется
измерительный преобразователь «напряжение-частота» с импульсной обратной связью
интегрирующего типа, выполняющей так же роль ФНЧ. При этом выходной сигнал
ФАПЧ представляет собой последовательность прямоугольных импульсов δ-индекс
ШИМ которых прямо пропорционален δ-индексу ШИМ выходного сигнала ШИМмодулятора.
Далее сигнал поступает в ШИМ-демодулятор, где восстанавливается форма
входного сигнала. Основным элементом ШИМ-демодулятора является итерационный
интегрирующий преобразователь [5], обеспечивающий задержку формирования
текущего среднего значения входного сигнала на один период несущего колебания
ШИМ-модулятора. А использование его для построения восстанавливающих фильтров
высоких порядков [6] дает возможность сократить количество точек аппроксимации
более чем на порядок, т.е. расширить полосу полезного сигнала.
При выполнении исследования было осуществлено моделирование аналогового
интерфейса в программной среде Electronics Workbench, которое подтвердило высокие
метрологические характеристики аналогового интерфейса и их нечувствительность к
изменениям параметров компонентов. На рис. 2 приведены временные диаграммы
входного и выходного сигналов аналогового интерфейса на частоте 100 Гц при
несущей частоте ШИМ-модулятора равной 10 кГц без выходного сглаживающего
фильтра (ФНЧ). При этом использовался восстанавливающий фильтр нулевого
порядка.
483
Метрологія-2014
Харків
Рис. 2 – Временная диаграмма входного и выходного сигналов
аналогового интерфейса
Выводы
Предложенный аналоговый интерфейс позволяет производить дистанционные
измерения выходных сигналов генераторных датчиков на расстоянии до нескольких
сотен метров с высокой точностью (погрешность порядка 0.1%) в частотном диапазоне
до нескольких килогерц, в условиях воздействия значительных промышленных помех.
Список литературы
1. Мартяшин А.И., Шахов Э.К., Шляндин В.М. Преобразователи электрических
параметров для систем контроля и измерения. – М.: Энергия, 1976. – 392 с.
2. Девін Л.М., Орнатський Д.П., Німченко Т.В., Вологдіна О.С. Вимірювальні
засоби акустичної емісії при дослідженні процесу чистого точіння алюмінієвих сплавів.
Восточно-европейский журнал передовых технологий. –2005. – №6/2(18). – С. 127-131.
3. Орнатський Д.П. Аналоговий інтерфейс для сполучення первинних
перетворювачів з мікро-ЕОМ, вимірювальний перетворювач і двотактний підсилювач
для використання у інтерфейсі. Патент № 68451 (UA) Опубл 16.08.2004, бюл. №8.
4. Квасніков В.П., Орнатський Д.П., Осмоловський О.І. Частотний демодулятор
з покращеними динамічними властивостями та завадозахищеністю на основі
широкосмугової ФАПЧ. Вісник інженерної академії України. – 2012. – №2. – С.69-72.
5. Орнатский Д.П., Тучин Р.Д. Цифровой измеритель параметров комплексных
сопротивлений. А.С. 1615637 (СССР) Опубл. в Б.И. 1990, №47.
6. Бороденко І.А., Куц Ю.В., Орнатський Д.П. Відновлювальний фільтр для
аналогових інтерфейсів промислових інформаційно-вимірювальних систем. Вісник
Національного авіаційного університету. – 2005. – №3. – С.27-33.
484