Раздел 4. Назначение и погрешности измерительных цепей емкостных датчиков

Исторически или хронологически можно выделить два этапа развития емкостных датчиков и их измерительных цепей (ИЦ). Стремительное развитие микроэлектроники в конце шестидесятых годов позволило, во-первых, создать в интегральном исполнении усилители с большим коэффициентом усиления и, во-вторых, изготавливать электроды или обкладки рабочего и опорного конденсаторов напылением с помощью масок. Последнее позволило создавать отношение площадей электродов конденсаторов с высокой точностью, чего раньше было достигнуть сложно, поскольку каждый из электродов изготавливался отдельно.

Появление операционных усилителей и внедрение технологий микроэлектроники в процесс изготовления емкостных параметрических преобразователей дало новый толчок в развитии емкостных датчиков. До этого времени ИЦ емкостных датчиков представляли собой различные варианты неуравновешенных мостов переменного тока. Для того, чтобы сигнал разбаланса такой ИЦ был пропорционален изменению емкости рабочего конденсатора, его значение должно быть значительно меньше емкости рабочего конденсатора и значительно больше емкости кабельной перемычки, что практически трудно выполнимо. Кроме того, неуравновешенные мосты не обеспечивают преобразования ни отношения рабочей и опорной емкостей, ни относительного приращения емкости рабочего конденсатора.

Поэтому, наряду с внедрением новых технологий в процесс изготовления емкостных параметрических преобразователей, началось стремительное развитие ИЦ на основе операционных усилителей.

95

4.1. Роль и место измерительных цепей в структурной схеме датчика

Под датчиком будем понимать совокупность измерительных преобразователей и технических средств, обеспечивающих преобразование входной неэлектрической величины в выходной унифицированный сигнал. Такое определение четко ограничивает рамки средства измерения, которое в отечественной литературе называют датчиком, а в зарубежной – сенсором. В самом распространенном, в отечественной литературе, определении термина “датчик” выходным сигналом является сигнал, удобный для преобразования. Это позволяет понимать под датчиком любую его часть, началом которого является параметрический преобразователь входной неэлектрической величины, а окончание этой части каждый определяет из собственных интересов. Именно поэтому существовали, да и сейчас, нередко используются такие понятия как первичный и вторичный преобразователи, хотя в технических характеристиках датчика выходной сигнал представляют в виде унифицированного сигнала.

В отличие от электроизмерительных приборов датчик является более сложным средством измерений, поскольку в процессе измерения происходит более сложная процедура преобразования информации в более широком диапазоне изменения измеряемой величины и в условиях воздействия более широкого спектра влияющих факторов. Измеряемая физическая величина поступает на вход датчика, где она, во-первых, отфильтровывается от влияющих факторов, воздействующих на датчик и, во-вторых, преобразуется в пассивную электрическую величину. Затем в датчике пассивная электрическая величина преобразуется в выходной унифицированный сигнал. Итак, в датчике есть два вида преобразования величин: преобразование неэлектрической величины в пассивную электрическую и преобразование пассивной электрической в активную электрическую величину.

Структурная схема датчика, приведенная на рис. 4.1, состоит из четырех основных блоков: ПП – параметрический преобразователь; КП – кабельная перемычка; ИЦ – измерительная цепь; НП – нормирующий преобразователь.

96

Рисунок 4.1

Измеряемая неэлектрическая величина H x поступает на вход ПП, где она преобразуется в электрическую пассивную величину Px , которая через КП подключается к ИЦ, обеспечивающей преобразование Px в электрический сигнал Ax . Нормирующий преобразователь преобразует A′x в выходной электрический унифицированный сигнал Ax . Наличие КП в процедуре подключения ПП к ИЦ приводит к тому, что ИЦ воспринимает Px вместе с параметрами КП в виде Px′. Это приводит к погрешности датчика,

обусловленной наличием КП, причем значение погрешности зависит как от параметров КП, так и от структурной схемы ИЦ.

Параметрический преобразователь. Выходной величиной ПП в зависимости от метода преобразования неэлектрической величины в пассивную электрическую могут быть емкость, индуктивность, сопротивление или проводимость. Значение каждой из них зависит не только от измеряемой величины, но и от влияющих факторов. Стремление уменьшить погрешность от воздействия на ПП влияющих факторов привело к созданию в ПП опорной емкости, которая зависит от влияющих факторов, так же как и рабочая емкость, но не зависят от измеряемой датчиком величины. В результате этого у ПП стало две выходные величины: рабочая (Cx ) и опорная (C0 ) емкости. Наличие дополнительной выходной величины ПП обусловило появление нового термина – информативный параметр ПП. Под информативным параметром ПП понимают тот параметр ПП, чувствительность которого к измеряемой неэлектрической величине максимальна, а к влияющим факторам, воздействующим на ПП минимальна. Для емкостных датчиков механических величин информативный параметр ПП имеет либо вид отношения (Cx / C0 ,C0 / Cx ), либо вид относительного приращения (Cx −C0 ) / C0 ,

97

(Cx −C0 ) / Cx . Для	дифференциальных	конструкций	ПП информативный
параметр имеет вид	(C1 −C2 ) /(C1 +C2 ) ,	где C1,C2 , -	рабочие емкости или

индуктивности ПП. В датчиках концентрации, влажности, солености схема замещения ПП или его электрическая модель представляет многоэлементный двухполюсник. Информативным параметром ПП в таких случаях является либо отдельная составляющая (активная или реактивная) комплексного сопротивления или комплексной проводимости, либо один или совокупность параметров схемы замещения.

Кабельная перемычка. Сопротивление, емкость и индуктивность КП, соединяющей ПП и ИЦ, оказывают существенное влияние на результат преобразования информативного параметра. Например, в емкостных датчиках емкость кабельной перемычки в десятки, а то и в сотни раз превышает рабочую емкость ПП. Индуктивность КП оказывает влияние на результат преобразования только на высоких частотах тест-сигнала (более 1мГц). В индуктивных датчиках наряду с емкостью следует учитывать и сопротивление КП. В тензорезисторных датчиках следует учитывать только сопротивление КП, т.к. процесс преобразования информативного параметра происходит на постоянном токе.

Измерительная цепь датчика. Под измерительной цепью будем понимать электрическую цепь, осуществляющую измерительное преобразование информативного параметра ПП в электрический сигнал и коррекцию погрешности датчика. Из определения термина ИЦ видно, что она (ИЦ) выполняет две основные функции:

-преобразование информативного параметра ПП в электрический сигнал;

-коррекция погрешности датчика.

На примере емкостного датчика давления, функциональная схема которого приведена на рис. 4.2, рассмотрим взаимосвязь узлов датчика и определим границы ИЦ. Измеряемое давление Px поступает на упругий элемент УЭ, где оно сравнивается с опорным давлением P0 , созданным внутри

98

99

(70 ÷100)

ПП датчика, и преобразуется в перемещение d x обкладки рабочего конденсатора датчика Cx . Это перемещение приводит к изменению емкости рабочего конденсатора, который является чувствительным элементом ЧЭ датчика. Однако значение емкости Cx зависит не только от измеряемого датчиком давления, но и от влияющих факторов, воздействующих на ПП. Для уменьшения температурной погрешности УЭ в ПП устанавливают дополнительно опорную емкость C0 , значение которой зависит от температуры и диэлектрической проницаемости среды ε так же, как и значение рабочей емкости. Процедура уменьшения погрешности ПП от действия влияющих факторов заключается в осуществлении измерительной цепью относительного измерения, т.е. в преобразовании либо отношения C0 / Cx , либо относительного изменения рабочей емкости (Cx −C0 ) / Cx . Выходными величинами ПП являются пассивные электрические величины Cx и C0 . Эти величины с помощью КП подключаются к измерительному преобразователю ИП. В то же время к входам ИП подключаются и емкости КП Cк . Для экранированного кабеля Cк составляет пФ на погонный метр кабеля, а значение Cx

современных датчиков находится в пределах от 0,1 до 10 пФ. ИП осуществляет преобразование пассивных величин Cx и C0 в активные – напряжения U1 и

U2 . Эти напряжения поступают на устройство обработки сигналов УОС,

которое формирует выходной сигнал Y , пропорциональный информативному параметру ПП. НП выполняет преобразование Y в выходной сигнал Aвых

таким образом, чтобы диапазон изменения Aвых соответствовал техническому заданию.

Из рассмотренной функциональной схемы датчика видно, что ЧЭ входит как в состав ПП, так и в состав ИЦ. КП, являясь отдельным узлом датчика, так же входит в состав ИЦ, поскольку КП, рабочий и опорный конденсаторы (Cx и

99