X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Информацию о параметрах физических величин происходит с помощью первичных преобразователей (датчиков) и вторичных преобразователей, которые преобразуют информацию с датчиков в электрический сигнал (аналоговый по напряжению или току, частотный и цифровой), удобный для передачи и дальнейшей её обработки с помощью вычислительных средств, персональных компьютеров и сложных процессоров. Для измерения крупногабаритных грузов, грузовых вагонов и грузовиков, для контроля за техпроцессом на многих производствах и т.д. используются тензодатчики. Они широко применяются во всех отраслях промышленности. Широкое применение для обработки сигналов с первичных датчиков в последнее время нашли микропроцессоры, содержащие АЦП и ЦАП, имеющие на выходе кодовый сигнал. Однако микропроцессорные системы являются сравнительно сложными в техническом плане устройствами и требуют высокой квалификации сотрудников, способных их программировать и настраивать под каждый тип датчика. В связи с этим актуальным является применение частотных интегрирующих развертывающих преобразователей (ЧИРП) для работы с датчиками резистивного типа в силу того, что они просты в схемотехническом решении, не требуют дополнительных настроек и программирования, с малым энергопотреблением, частотным выходным сигналом, который обладает большей помехозащищенностью по сравнению с аналоговыми при передаче на большие расстояния. Но не всегда достаточно одной частоты, для этого применяются преобразователь частота-напряжение (ПНЧ) и преобразователь напряжение-ток (ПНТ).

Преобразователь сигналов тензодатчиков с универсальным выходом представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема электрическая структурная

Работа преобразователя по структурной схеме происходит следующим образом. Сигнал с датчика давления поступает на схему модуля ЧИРП. В этом модуле происходит преобразования сигнала с тензодатчика в унифицированный сигнал-частоту. Сигнал с ЧИРП поступает в ПЧН, где происходит преобразование частоты в напряжение. После преобразования в напряжение сигнал поступает на вход ПНТ, где происходит преобразование напряжения в ток. На выходе преобразователя информация об измеряемом давлении представлена в виде унифицированных сигналов (частота, напряжение, ток).

В связи с этим актуальным является применение частотных интегрирующих развертывающих преобразователей (ЧИРП) для работы с датчиками резистивного типа в силу того, что они просты в схемотехническом решении, не требуют дополнительных настроек и программирования, с малым энергопотреблением, частотным выходным сигналом, который обладает большей помехозащищенностью по сравнению с аналоговыми при передаче на большие расстояния . Кроме того, при работе с резистивными датчиками ЧИРП не требуют стабилизированных источников питания измерительной цепи и при несложных схемотехнических решениях позволяют снизить температурную погрешность тензометрических преобразователей.

Структурная схема ЧИРП с датчиком представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Структурная схема ЧИРП

Она содержит измерительную цепь ИЦ с резистивным датчиком, включенным по одной из схем включения (мостовая или в виде делителя напряжения), и непосредственно ЧИРП, содержащий интегратор ИНТ, сравнивающее устройство СУ (компаратор) и инвертирующий усилитель ИУ (с переменным коэффициентом передачи), который может быть использован как инвертор (с коэффициентом передачи, равным единице), либо как второй компаратор. Отрицательные обратные связи, показанные пунктиром, могут использоваться для питания датчиков в зависимости от их типов и схем включения в ИЦ.

Учитывая опыт работы с ЧИРП и развитие отечественной элементной базы, авторами предлагается универсальный микромодульный ЧИРП, собранный на бескорпусных микромощных операционных усилителях ОУ. Схема модуля с номерами и обозначениями выводов представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Схема универсального модуля ЧИРП

Схема содержит: интегратор, собранный на ОУ Х1 с конденсатором С1=20пФ в отрицательной обратной связи, резисторами R1=10кОм и R2=500кОм с дозирующей емкостью С2=5пФ, включенной между инвертирующим входом ОУ интегратора и выходом компаратора, собранного на ОУ Х2; инвертирующий усилитель на ОУ Х3 с коэффициентом передачи, задаваемым отношением сопротивлений резисторов R4/R3, равных в данном случае по 10кОм. Питание модуля осуществляется от двухполярного источника постоянного напряжения +Е и -Е в диапазоне от 5 до 15В. Имеется возможность подключения навесных элементов к выводам модуля с целью изменения номиналов С1, С2, R1, R2 и R4 в зависимости от схем подключения ИЦ с датчиком и задания необходимых параметров диапазона изменения частоты выходного сигнала и чувствительности ЧИРП.

В качестве преобразователя частоты, которая поступает с выхода ЧИРП, в напряжение (ПЧН), была выбрана микросхема 1108ПП1, у которой среднее значение аналогового выходного напряжения пропорционально частоте импульсов входного сигнала. Он преобразует выходной сигнал с ЧИРП в постоянное выпрямленное напряжение, изменяющееся в диапазоне от 0 до 5 В при соответствующем изменении частоты от 0 до 5 кГц.

Преобразователь напряжения в ток (ПНТ) реализован на операционном усилителе типа 154УД2, осуществляющий преобразование постоянного напряжения, изменяющегося от 0 до 5 В, в постоянный ток в пределах от 0 до 5 мА.

Функция преобразования электронного датчика - это зависимость информативного параметра выходного сигнала электронного датчика от информативного параметра его входного сигнала.

Функция преобразования ЧИРП

. (1)

Функция преобразования ПЧН

. (2)

Функция преобразования ПНТ

. (3)

Основная приведенная погрешность преобразования сигнала с датчика давления (без учёта первичного преобразователя) не превышает 1%.

Разработанный преобразователь позволяет преобразовывать выходные сигналы с тензодатчиков в унифицированные сигналы (напряжение, ток, частота).

Список источников

1. Громков Н.В., Интегрирующие развёртывающие преобразователи параметров датчиков систем измерения, контроля и управления: монография/ Н.В. Громков. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. – 244 с.

Код для цитирования: Скопировать