Способ подавления помех для датчиков с высоким внутренним сопротивлением

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Способ подавления помех для датчиков с высоким внутренним сопротивлением

Е.В. Николаева1, М.В. Чернецов2

1 Пензенский государственный университет

440017, г. Пенза, ул. Красная, 40

2 Региональный государственный университет инновационных технологий и предпринимательства

Рассматривается способ подавления внутренних и внешних помех для датчиков с высоким внутренним сопротивлением, совмещающий достоинства интегрирующего развертывающего преобразования с достаточно простой реализацией в целом.

Ключевые слова: резистивно-емкостные датчики; источник опорного напряжения; устройство управления; гармоническая помеха; сравнивающее устройство.

датчик высокий внутренний сопротивление

В большинстве известных измерительных преобразователях (ИП) для подавления сетевых помех используется синхронизация интервала преобразования информационного сигнала с периодом помехи. При этом достигается подавление помехи до 80 дБ [1]. Однако реализация данного алгоритма предполагает использование достаточно сложного устройства для определения периода сетевой помехи и управления моментами начала и окончания преобразования информационного сигнала.

а б

Рис.1. Упрощенная конструкция РЕД (а) и схема замещения РЕД (б)

Для устранения указанного недостатка предполагается алгоритм, использующий интегрирующее развертывающее преобразование [2]. Суть данного алгоритма рассматривается на примере преобразования перемещения с помощью резистивно-емкостного датчика (РЕД), упрощенная конструкция которого и схема замещения приведены на рис. 1, а и 1, б соответственно [3]. Здесь ПЭ - подвижный электрод, воспринимающий измеряемое перемещение , РЭ - резистивный элемент, вдоль продольной оси которого перемещается ПЭ, - емкость связи между РЭ и ПЭ, - полное сопротивление РЭ между выводами 1 и 2, и - сопротивления (точка а) участков РЭ, расположенных слева и справа от центра электрической нейтрали между ПЭ и РЭ, - погонное сопротивление РЭ.

Для удобства получения выражений, описывающих выходной сигнал измерительной (ИС) схемы (рис. 2), составим для неё схему замещения, из которой легко построить потенциально- токовый граф (ПТГ) и соответствующий ему обобщенный сигнальный граф (ОСГ) [4], где - входное напряжение ИС, - входная проводимость ОУ, - коэффициент усиления операционного усилителя (ОУ), - конденсатор, включенный в цепь отрицательной обратной связи ОУ (рис. 3, а, 3, б и 3, в).

Рис.2. Измерительная схема для РЭД

Рис.3. Схема замещения ИС (а) и соответствующие ей ПТГ (б) и ОСГ (в)

Определитель ОСГ, согласно методике [4], описывается выражением

, (1)

которое при преобразуется к виду

. (2)

Соответственно передаточная функция ИС будет описываться выражением

, (3)

или после очевидных упрощений с учетом (2)

. (4)

При передаточная функция принимает вид

, (5)

а импульсная переходная характеристика будет описываться выражением

, (6)

где .

Как следует из выражения (6), при подаче на ПЭ импульса напряжения выходное напряжение ИС в установившемся режиме получит приращение, равное . Постоянная времени переходного процесса имеет весьма малые значения. Например, при , и получим .

Функциональная схема ИП, реализующего предлагаемый алгоритм преобразования, представлена на рис. 4. Она содержит источник опорного напряжения (ИОН), мультиплексор (МХ), ключи (S1, S2, S3, S4), триггер (Т), устройство управления (УУ), сравнивающее устройство (СУ), устройство формирования порогового напряжения (УФПН) и операционный усилитель (ОУ) с конденсатором СИ в цепи отрицательной обратной связи ОУ.

В рассматриваемом преобразователе имеется возможность с помощью мультиплексора МХ подключить на вход опорные напряжения и . Триггер работает с высокой частотой , выбранной таким образом, чтобы конденсатор за период работы успевал полностью зарядиться и разрядиться.

Работу преобразователя рассмотрим на примере реализации известного алгоритма двухтактного интегрирования [ 2 ], поясняемого временными диаграммами на рис. 5. В момент времени , когда ключ S3 замкнут, МХ подключает через конденсатор СС ко входу ИС напряжение , и выходное напряжение ОУ будет непрерывно возрастать и к моменту времени достигает значения

. (7)

Рис.4. Преобразователь параметров РЕД

Рис.5. Временные диаграммы работы ИП

После этого ко входу ИС подключается напряжение , отключается при помощи ключа один вход РЕД, и выходное напряжение ИС линейно уменьшается. Информативный интервал фиксируется сравнивающим устройством . Соответствующее уравнение преобразования имеет вид

. (8)

Из (8) следует функция преобразования

, (9)

которая не зависит от большинства параметров схемы ИП. Кроме того, не зависит от действия гармонических помех, так как действия помехи в прилегающих периодах

, (10)

где - полупериоды помехи, проявляются в противоположных направлениях и взаимно компенсируются. Наиболее существенным источником погрешности является неравенство выходных напряжений ИОН.

Влияние факторов, вызывающих аддитивные составляющие погрешности (дрейф нуля ОУ по напряжению и току, токи утечки в ключах по цепям управления и т.п.), может быть устранено путём реализации более сложных алгоритмов. Рассмотрим один из таких алгоритмов, который поясняется диаграммами, приведенными на рис.6.

Рис. 6. Временные диаграммы ИРП при реализации алгоритма
четырехтактного интегрирования

В рассматриваемом случае интегрирование осуществляется за два цикла. В первом цикле уравнение преобразования имеет вид

, (11)

а во втором [t3, t5]

. (12)

Воспользовавшись уравнениями (11) и (12), можно определить искомое отношение по формуле

, (13)

которая показывает, что при реализации рассмотренного алгоритма факторы, обычно вызывающие аддитивную погрешность, в данном случае проявляются в виде погрешности имеющей практически малые значения.

, (14)

Например, при и .

Следует отметить, что рассмотренный способ преобразования обеспечивает подавление гармонических помех, частота которых может изменяться в широком диапазоне, ограничиваемом условием (10), а также существенно снимает влияние дрейфа нуля, токов утечек коммутирующих элементов и др. Кроме того, данный способ применим для преобразования параметров датчиков, имеющих большое внутреннее сопротивления, например малогабаритных емкостных.

Библиографический список

1. Харкевич А.А. Борьба с помехами - М.: Наука, 1965. - 275 с.

2. Шахов Э.К, Михотин В.Д. Интегрирующие развертывающие преобразователи - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 142 с.

3. Чернецов М.В. Унифицирующие измерительные преобразователи физических величин на базе резистивно-емкостных датчиков: Дис. … к.т.н. - Пенза, 2001. - 215 с.

4. Андреев А.Н., Михотин В.Д., Медведева С.Н., Пискарев С.П., Чернецов В.И. Анализ электрических цепей методом обобщенных сигнальных графов: Метод пособие. - Пенза: ПГУ, 2002. - 101 с.

Размещено на Allbest.ru