Преобразователь параметров бесконтактных емкостных датчиков для кондуктодиэлькометрических измерений

ных электрических цепей. Среди этих методов следует выделить инвариантные методы [10,11] с использованием активных измерительных цепей и импульсных опорных воздействий, эквивалентных многочастотному воздействию.

На рис. 1 приведена функциональная схема преобразователя [12] параметров БЕД в напряжение с использованием комбинированного метода обеспечения инвариантности [13] с временным и пространственным разделением каналов обработки сигналов. Преобразователь содержит: узел управления УУ, формирователь опорного напряжения ФОН, бесконтактный емкостной датчик БЕД, операционный ОУ и вычитающий ВУ усилители, масштабирующий преобразователь МП, первый ОК1 и второй ОК2 опорные конденсаторы, три узла выборки и хранения (УВХ1, УВХ2, УВХ3, четыре логометрических преобразователя (ЛП1, ЛП2, ЛП3, ЛП4), дифференциатор Д с переменными параметрами, компаратор напряжений КН, элемент задаержки ЭЗ, одновибратор ОВ и три выпрямителя (В1, В2, В3).

Бесконтактный емкостной датчик БЕД характеризуется эквивалентной электрической схемой замещения со следующими параметрами: C1 – емкость, обусловленная диэлектрическими свойствами изоляции электродов; R1 – активное электрическое сопротивление раствора или вещества, находящегося между электродами датчика; C2 – емкость, обусловленная полярными свойствами этого раствора или вещества; C3 – «геометрическая» емкость между электродами незаполненного датчика, определяемая конструкцией, размерами датчика и дополнительной емкостью соединительного кабеля в режиме телеизмерений.

На первом этапе при незагруженном датчике осуществляется компенсация влияния «геометрической» емкости С3 БЕД. При этом по сигналу

Рис. 1. Функциональная схема преобразователя параметров БЕД в напряжение

с КН осуществляется регулирование коэффициента передачи МП до момента получения на выходе ОУ весьма малого скомпенсированного сигнала, определяемого порогом срабатывания КН, который работает при наличии разрешающего сигнала на втором выходе УУ. Данный процесс описывается следующими сигналами (напряжениями) на выходе узлов преобразователя.

На выходе ФОН формируется последовательность прямоугольных импульсов типа «меандр» стабильной амплитуды:

^UOGH ⁽ t ) = ± ^E 0 ^{. (1)}

На выходе ОУ имеем:

и oy ( t <  t i ) - ± E 0 [ C 3/ C 0 - k un ( n ) C 0/ C 0 ] ,(2)

где C0' и C0'' – значения емкости первого ОК1 и второго ОК2 опорных конденсаторов. Обычно берется C0 = C0, далее обозначим C0; кМП (n ) -коэффициент передачи МП, где n – номер такта компенсации.

После компенсации U_Gy ( t = t_i ) = 0 , КН отключается и k_МП (n) = C₃ /C₀ . Напряжение на выходе МП определяет значение «геометрической» емкости C^{3 U} МП = ± ^E 0 ^C 3 [^C 0 .

Затем БЕД загружается исследуемым раство- ром или веществом и начинается процесс определения информативных параметров, который описывается следующими уравнениями.

Напряжение на выходе ОУ для каждого из полупериодов опорного воздействия имеет вид:

^UGy ( t >  t i ) = ± ^E 0

C i C 2       e- ‘/R i ( C i + ^C 2 )

C 0 ( C i + C 2 )

+ C (i _ e - V R ⁽ C ^{+ C} 2 ))

C 0

. (3)

Перепад напряжений на выходе ОУ в момент смены знака опорного сигнала фиксируется вторым УВХ 2:

U yBX 2 ( t >  t i ) = ± E 0 C i C 2 (C 0 ( C i + C 2 ) . (4)

Первое устройство выборки и хранения УВХ1 фиксирует значение выходного напряжения ОУ в конце каждого полупериода 0, 5 T входного воздействия, которое определяется емкостью С1, обусловленной диэлектрическими свойствами изоляции:

U yBX i ( t >  t i ) = ± E 0 C i/ C 0 .           (5)

Необходимая временная задержка обеспечивается ЭЗ :

t 3 = 0,5T >  R i ( C i + C 2 ) max .         (6)

Период входного воздействия выбирается из условия T >  i2 R ( C_i + C ₂ ) . Это необходимо для практического завершения переходных процессов в каждом из полупериодов входного воздействия.

На выходе первого ЛП1 имеем:

^UЛП i ⁽ t >  t i ) = ^UyBX i ⁽ t >  t i ) J^UyBX 2 ⁽ t >  t i ) , т.о.

U лп1 ( t >  t i ) = ± E 0 ( C i + C 2 )/ C 2 =± E 0 ( i + C i/ C 2 ) . (7)

На выходе ВУ получаем напряжение, определяемое отношением емкостей С1 и C2.

^UBy ⁽ t >  t i ) = ^UЛП 3 ⁽ t >  t i ) - ^UO>G>H ⁽ t ) , т.о.

U By ( t >  t i ) = ± E 0 C i/ C 2 .            (8)

Для определения значения емкости С2, обусловленной полярными свойствами исследуемого раствора или вещества используется второй логарифмический преобразователь ЛП 2:

^UЛП 2 ⁽ t >  t i ) = ^UyBXi ⁽ t >  t i )/ ^UBy ⁽ t >  t i ) ,

U ЛП 2 ( t >  t i ) = ± E 0 C 2/ C 0 .            (9)

Наиболее сложным является определение значения активного сопротивления R1. Для решения этой задачи в схему введен Д, в котором на время импульса с выхода ОВ реализуется нулевой коэффициент передачи. В результате на выходе Д получаем:

и Д ( t >  t i + t oB ) = ± E о Т д C i/ С 0 R i ( C i + C 2 ) • e"^{t/ R 1 ( C 1 + C 2} ) ,(10) где т д - постоянная времени Д.

На выходе третьего УВХ 3 получаем:

U y,„x 3 ( t >  t i ) = ± E о Т д CjC 0 R ( C 1 + C 2 ) . (11)

На выходе третьего ЛП 3 имеем сигнал, равный отношению напряжений на выходах второго УВХ 2 и третьего УВХ 3:

^UЛП 3 ⁽ t >  t 1 ) = U yBX 2 ⁽ t >  t 1 ) !^UVBX 3 ⁽ t >  t 1 ) ,

^UЛП 3 ⁽ t >  t 1 ) = ± ^E 0 ^R1^C 2 /^Т Д . (12)

На выходе четвертого ЛП 4 получаем сигнал, равный отношению напряжений на выходах ЛП2 и ЛП3, определяющий значение активного сопротивления R1:

^UЛП 4 ⁽ t >  t 1 ) = ^UЛП 3 ⁽ t >  t 1 )/ ^UЛП 2 ⁽ t >  t 1 ) ,

U ЛП 4 ( t >  t i ) = ± E 0 R 1 C 0Л Д . (13)

Сигналы с выходов УВХ1, ЛП2 и ЛП4 поступают на входы прецизионных выпрямителей В1, В2 и В3 соответственно, а затем на входы аналогоцифровых преобразователей.

Одновибратор, элемент задержки, дифференциатор, узлы выборки и хранения, прецизионные выпрямители выполнены по типовым схемам на дифференциальных усилителях 140УД20, логометрические преобразователи – на микросхемах аналоговых перемножителей сигналов типа 525ПС3, включенных в режиме деления напряжений. Это обеспечивает требуемую точность преобразования и быстродействие при сравнительно простой реализации.

Экспериментальные исследования проводились с использованием двухпараметрового цифрового влагомера зерна, разработанного в Пензенском государственном университете, который был предварительно аттестован по образцовой установке определения влажности зерна УВТ-1 [11].

Несомненным достоинством рассмотренного унифицирующего преобразователя являются широкие функциональные возможности. Как показано в работах [14,15] для измерения влажности в широких диапазонах на сортирующих линиях осуществляется предварительный контроль процесса сушки в диапазоне до 15% и выше. Контроль влажности в процессе окончательной сушки осуществляется с помощью диэлькоме-трического преобразователя. В рассматриваемом случае можно обойтись одним преобразователем. На первом этапе используется информация о сопротивлении R1 (выход выпрямителя В3), на втором- информация о емкости С2 (выпрямитель В2). Перспективной так же является возможность уменьшения дополнительных (температурных) погрешностей путем использования избыточной информации об изменении неинформативных в данном опыте параметрах датчика- коррекция погрешности инвариантности устройств измерения неэлектрических величин.