Технические науки/12. Автоматизированные системы управления на производстве

 

Д.т.н. Хасцаев Б.Д., к.т.н. Хасцаев М.Б.

 

Северо-Кавказский горно-металлургический институт, Россия

 

Инвариантный мостовой преобразователь параметров импеданса

 

            Мостовые преобразователи параметров импеданса (ППИ) широко используются в системах сбора данных, в автоматизированных системах управления на производстве и в локальных прецизионных измерительных средствах. Такая обширная область применения этих ППИ объясняется их высокой точностью в режиме уравновешивания. Однако  в этом режиме реализация ППИ требует больших аппаратурных затрат. В то же время существуют задачи, для решения которых необходимо использование более простых в реализации ППИ.  В связи с этим поиск путей построения простых ППИ, одновременно обеспечивающих высокую точность преобразования параметров импеданса, является важной задачей, которой посвящена и настоящая работа.

Для решения поставленной задачи авторы предлагают строить ППИ на базе четырехплечих мостовых измерительных цепей (МИЦ) с улучшенными свойствами. При этом для улучшения свойств МИЦ предлагаются два способа улучшения характеристик МИЦ. Первый способ обеспечивает линеаризацию выходного напряжения МИЦ относительно преобразуемого импеданса или проводимости (известно, что нелинейность функции преобразования определяет все недостатки моста Уинстона).

В работе показано, что линеаризация может быть достигнута охватом положительной обратной связью (ПОС) плеча ветви, содержащей преобразуемый импеданс. Линеаризация выходного напряжения относительно измеряемой проводимости в МИЦ обеспечивается охватом ПОС плеча, смежного с плечом, содержащим преобразуемый импеданс [1].

Дальнейшие исследования путей улучшения свойств линеаризованных МИЦ показали, что в таких МИЦ возможно исключение влияния  импедансов соединительных проводов исследуемого объекта контроля (ОК). В работе показано, что последнее  осуществимо путем использования 4-хзажимной схемы включения ОК. Эта схема включения ОК обеспечивает существенное повышение точности преобразования импеданса при преобразовании или измерении малых импедансов и его параметров и определяет собой второй способ улучшения характеристик МИЦ.

Построению ППИ с линеаризованной выходной характеристикой на основе МИЦ с первым способом улучшения посвящены ряд работ авторов [2-5], поэтому здесь не рассматриваются варианты реализации этих ППИ. Рассмотрим лишь вариант построения ППИ, инвариантного к импедансам соединительных проводов (СП) на базе линеаризованной МИЦ. Вариант построения такого ППИ приведен на рис.1, из которого видно, что МИЦ преобразователя питается от источника питания ИП с эталонным напряжением UЭ и состоит их двух ветвей с элементами R1, R2  и Rх, R0, а также RС1  и  RС2 (импедансы СП).   Также видно, что ветвь МИЦ с измеряемым импедансом Rх охвачена ПОС,  обеспечивающая повторителем напряжения П и сумматором С2 с коэффициентами суммирования 1 по обоим входам. Сумматор С2 складывает напряжение источника питания UЭ и падение напряжения на ОК и питает этой суммой напряжений - U3 нижнюю ветвь МИЦ, состоящую из Rх, R0 и RС1, RС2. Так обеспечивается линеаризация выходного напряжения МИЦ относительно импедансов нижней ветви МИЦ и обеспечивает реализация первого способа улучшения свойств МИЦ. Однако такая схема ППИ еще не является инвариантной, так как выходное напряжение ППИ, построенной на базе линеаризованной МИЦ, еще зависит от импедансов RС1 и RС2. Оно представляется формулой:

,

где  G0 = 1 / Rо ,   G2 = 1 / R2.

         Формула для расчетов погрешностей преобразования импеданса Rх в данном случае выглядит следующим образом:

.

                Формула была использована для изучения пределов изменения погрешностей ППИ, что показало существенные величины погрешностей в диапазонах измерения импеданса  и изменения импедансов СП и важность устранения влияния RС1, RС2.  Далее был проведен анализ напряжений в узлах схемы ППИ, который позволил определить, что причиной погрешностей в ППИ является зависимость напряжения питания верхней ветви U3 от неинформативных параметров RС1, RС2, что видна из выражения:

U3 = UЭ  (RХ +Rс1 + Rс1)R0 .

В работе предлагается для построения ППИ, инвариантного к импедансам RС1  и RС2 дополнить схему ППИ дифференциальным усилителем ДУ1 и двумя СП с импедансами RС3  и RС4,  как это показано на рис.1. Этим на выходе ДУ1 формируется напряжение U1, независящее от импедансов СП (включая и импедансы контактов) и оно определяется формулой:  U1 = UЭ  (RХ / R0), поэтому напряжение на выходе сумматора С1  уже не зависимо от RС1 и RС2 и соответствует выражению:

U2  = UЭ[(RХ +R0)/R0].

         Как видно из формулы, напряжение на выходе С1 уже прямо пропорционально только Rх. В результате верхняя ветвь также уже будет питаться напряжением, не зависящим от RС1 и RС2. Поэтому и можно говорить об инвариантности разработанного варианта ППИ к RС1 и RС2.

Итак, в работе показаны легко реализуемые подходы к улучшению характеристик ППИ, обеспечивающие построение ППИ с линеаризованными характеристиками, ППИ с инвариантными к импедансам СП свойствами.

Рассмотренные принципы построения простых ППИ могут быть использованы проектировщиками аппаратуры для АСУ ТП, подсистем контроля и управления, измерительных приборов и т.д.

Рис.1. Пример построения инвариантного преобразователя параметров импеданса.

 

 

Литература:

1.   Хасцаев Б.Д., Кнеллер В.Ю. Авторское свидетельство СССР  №563639. Кл2  G01R 17/10. Четырехплечий измерительный мост. Заявлено 05.08.75 (21) 2164715/21. Опубликовано 30.06.77.

2.   Линейные инвариантные преобразователи импеданса на основе операционных усилителей для дифференциальных измерений // Медицинская техника. 1998. N5. – с. 41-43.

3.   Хасцаев Б.Д., Аликов А.Ю. Преобразователь импеданса с микропроцессорной системой управления// Труды электронной заочной конф. Ижевск, 2001.

4.   Хасцаев Б.Д., Хасцаев М.Б. Квазиуравновешенный, линеаризованный, многоэлектродный преобразователь параметров импеданса для АСУ// Приборы и системы. Управление, Контроль, Диагностика, 2010, №5, с.36-38.

5.   Хасцаев Б.Д., Хасцаев М.Б. О подходе к проектированию преобразователей импеданса на основе сигнальных графов // Промышленные АСУ и контроллеры», 2012, №9, с.43-45.