Современные способы измерения объема жидкости
Содержание:
- 1. Первый способ измерения объема жидкости: вычисление высоты
- 2. Точность измерения давления, производимого датчиком
- 3. Второй способ вычисления: аппроксимация
Одной из важнейших задач молочной промышленности всегда был учет объема продукта: поступившего на обработку, расходуемого в течение технологического процесса, полученного на выходе. Причем эти измерения требуются как для технологических задач, так и для экономического учета.
О современных способах произведения этих измерений и пойдет речь.Существует несколько подходов к измерению объема жидкости, находящейся в емкости. Все они, однако, имеют одну общую исходную величину, требуемую для расчета. Эта величина – высота столба жидкости.Известна формула, устанавливающая математическую связь между плотностью жидкости, высотой ее столба относительно точки измерения, ускорением свободного падения и давлением, оказываемым на дно и стенки сосуда:
P=ρ×g×hP= %rho times g times h
где Р – давление, ρ – плотность жидкости, h – высота столба жидкости, g – ускорение свободного падения (9,8 м/c2).
Итак, зная давление и плотность жидкости, нетрудно рассчитать высоту, до которой она доходит относительно точки измерения. Такой способ измерения называется гидростатическим.Для того, чтобы узнать давление жидкости используются соответствующие датчики. В пищевой промышленности, как правило, это датчики с мембраной, имеющие относительно большую плоскость контакта со средой, что позволяет легко отмывать их от остатков продукта.
Среди датчиков давления наиболее распространены датчики с выходным сигналом 4…20 мА, являющимся общемировым стандартом в системах автоматического управления. Например, интеллектуальный датчик давления 4000-SAN.Сам чувствительный элемент датчика обычно представляет собой тензорезистор – элемент, изменяющий свое сопротивление в зависимости от приложенного к нему усилия. Зависимость сопротивления этих элементов от давления известна. Далее изменение сопротивления электроника датчика приводит к сигналу 4…20 мА.Современные датчики давления часто делаются цифровыми – то есть роль преобразователя играет микроконтроллер, встроенный в датчик.
Такие датчики легче настраивать, они обладают более высокой точностью и могут оснащаться дисплеями, модулями коммуникации и дополнительными функциональными возможностями.
Итак, после того, как получено значение высоты, можно переходить к расчету объема жидкости. Выделяются два основных практических подхода:
- геометрическое вычисление;
- аппроксимация линейными отрезками.
1. Первый способ измерения объема жидкости: вычисление высоты
Рисунок 1 — Цилиндрическая емкость с коническим дномПервый способ подразумевает возможность выражения зависимости высота – объем известной формулой. Он актуален для емкостей, имеющих несложную форму и построенных из таких стандартных геометрических фигур, как, например, полусфера, конус и цилиндр. Например, для широко распространенных емкостей в форме цилиндра с коническим дном (Рисунок 2), вычисление будет производиться следующим образом: до тех пор, пока жидкость не достигла края конуса зависимость ее объема от высоты такова:
V=13×π×Hж×((R2+K×H)2+(R2+K×H)×R2+R22)V= {1} over {3} times %pi times Hж times ( ( R_{2} + K times H )^{2} + ( R_{2} + K times H ) times R _{2} + R_{2} ^{2})
Где V – объем, Нж – высота столба жидкости, K – конусность
K=R1−R2h2K= { R_{1} — R_{2} } over {H_{1}}
как только высота жидкости достигает края конуса и начинает заполнять цилиндр достаточно взять заранее вычисленный полный объем конической части:
Vk=13×π×h2×(R12+R1×R2+R22) Vk= {1} over {3} times %pi times H_{1} times ( R^{2}_{1} + R_{1} times R_{2} + R^{2}_{2} )
и прибавлять к нему объем жидкости, находящейся в цилиндрической части:
Vц=π×R12×(Нж−h2)Vц= %pi times R_{1}^{2} times ( Нж — H_{1} )
С учетом степени развития микроконтроллеров, подобный алгоритм возможно реализовать непосредственно в датчике.
{3}
или 47,1 литров.
Достаточно большое значение, с учетом того, что в течение рабочего дня могут производиться десятки циклов наполнения/опустошения емкости. При этом данное значение не учитывает дополнительную погрешность, вызываемую перепадами температуры.Именно поэтому датчики для решения задач вычисления объема обычно имеют погрешность не более 0,1 %. При тех же условиях, такой датчик даст ошибку измерения всего в 9,42 литра, то есть в 5 раз меньшую.
3. Второй способ вычисления: аппроксимация
Рисунок 2 — Емкость под угломНа практике часто встречаются емкости, имеющие искажения формы внутренней поверхности, к которым неприменим геометрический метод вычисления объема емкости.Например, для емкости, установленной под углом (Рисунок 2), наклон в 2…3 градуса, кажущийся незначительным, сильно нарушит точность измерений – в горизонтальной емкости поверхность жидкости вместо прямоугольника будет иметь гораздо более сложную форму, что значительно меняет зависимость объема от уровня.
Емкость может иметь утопленный в стенку люк. В этом случае нужно производить вычисления уже по трем разным формулам, вместо двух. К тому же, зависимость объема на участке с люком будет куда более сложной, чем для прямого цилиндра. Также, геометрический метод на практике неприменим к емкостям, в которых производится перемешивание продукта.
Массивное устройство внутри емкости значительно исказит результаты вычислений – датчик будет показывать объем, больший, чем реальный. Предусмотреть готовые алгоритмы для каждой подобной ситуации и внести их в
датчик – задача практически невыполнимая. Тут на помощь приходит более трудоемкий, но и значительно более гибкий способ измерения. Если начать заливать в емкость, допустим, по 100 литров жидкости и при этом на каждом шаге отмечать высоту, соответствующую залитому объему, мы получим так называемую «тарировочную таблицу». Суть в следующем: нестандартная форма емкости моделируется с использованием некоторого количества прямых отрезков. Чем их больше, тем точнее будут производиться вычисления.
Если жидкость, например, находится посередине между двумя точками, то и объем вычисляется, как среднее значение объемов в этих точках (Рисунок 3). Очевидно, что от количества точек, используемых при тарировании,
значительно зависит точность результата. Если для участка с линейной зависимостью объем/высота достаточно двух точек, до для нелинейных участков их требуется гораздо больше. Тарирование на нелинейном участке можно производить шагами, в два раза большими, чем допустимая погрешность на данном участке. Например, если в конусной части емкости необходимо получить точность не ниже 20 литров, шаги тарирования должны быть не более 40 литров. Тут следует помнить простое правило – чем меньше шаги и больше точек, тем выше итоговая точность работы. Недостаток метода в том, что датчик, перенесенный на другую емкость, снова потребует тарирования.
Это значит, что можно произвести тарирование с использованием обычной воды, а затем, предварительно поменяв значение плотности жидкости в памяти датчика, заливать продукт, имеющий плотность, отличную от плотности воды. Таким образом, мы получаем гибкий и точный метод, позволяющий работать с емкостями любой формы и жидкостями любой плотности.
Инженер отдела проектирования ООО «КИП-Сервис»
Горбоносов М.А.
Способ измерения емкости сети с изолированной нейтралью (варианты)
Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам компенсации емкостных токов однофазного замыкания на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью напряжением 6 — 35 кВ, и может быть использовано для точного измерения емкости фаз сети на землю для последующей резонансной настройки дугогасящих реакторов.
Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения емкости сети, его упрощение и снижение энергопотребителя по цепям питания. Результат достигается тем, что при использовании способа измерения емкости сети с созданием на нейтрали искусственного потенциала непромышленной частоты в качестве источника непромышленной частоты используют периодический разряд на сигнальную обмотку предварительно заряжаемого конденсатора, при этом сигнал, прямо пропорциональный емкости фаз сети с изолированной нейтралью, получают с помощью амплитудного детектора на выходе дифференцирующего звена, подключенного к выходу обмотки трансформатора напряжения, соединенной в открытый треугольник. 2 с. п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам компенсации емкостных токов однофазного замыкания на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью напряжением 6…35 кВ, и может быть использовано для точного измерения емкости фаз сети на землю для последующей резонансной настройки дугогасящих реакторов.
Известно большое количество способов и устройств измерения емкости сети с изолированной нейтралью и автоматической настройки дугогасящих реакторов. В большинстве практически используемых систем компенсации используется предварительная резонансная настройка компенсирующих устройств без непосредственного измерения значения емкости сети, когда дугогасящие реакторы настраиваются до момента возникновения замыкания на землю по естественному либо искусственно созданному смещению напряжения нейтрали сети. В этих случаях, согласно ПУЭ, необходимо вводить расстройку компенсации не менее 5% от резонанса, что снижает точность компенсации и соответственно увеличивает остаточный ток в месте замыкания. К тому же, такие способы неприменимы для новых типов дугогасящих реакторов, в частности управляемых подмагничиванием, для которых необходима быстрая и точная настройка в резонанс после возникновения замыкания на землю по замеренному в нормальном режиме работы значению емкости сети.
Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения емкости сети с изолированной нейтралью, заключающийся в создании на нейтрали искусственного потенциала путем введения в нейтраль источника непромышленной частоты через сигнальную обмотку дугогасящего реактора и измерении напряжения смещения нейтрали на разомкнутой обмотке трансформатора напряжения [1]. При этом используется дополнительно подключаемый на сигнальную обмотку реактора генератор синусоидального сигнала непромышленной частоты, например повышенной 100 Гц либо пониженной 16 Гц. В нормальном режиме работы сети генератор непрерывно обеспечивает смещение нейтрали, которое зависит от величины емкости фаз сети на землю и фиксируется на выходе обмотки трансформатора напряжения, соединенной в открытый треугольник. Такие устройства успешно работают и обеспечивают измерение емкости сети для последующей резонансной настройки дугогасящего реактора, однако указанный способ измерения имеет ряд недостатков.
Во-первых, точность измерения емкости сети ограничена в силу ряда возмущающих факторов, в частности естественного смещения нейтрали, вызванного несимметрией емкостей фаз, а также реально существующих в сети гармоник указанных выше частот. Введение узкополосных фильтров в тракт измерения снижает, но не исключает указанных погрешностей измерения.
Во-вторых, в таких устройствах используется резонансная настройка сравнением индуктивности дугогасящего реактора с ранее замеренной емкостной проводимостью сети, для чего необходимо помимо напряжения смещения контролировать и ток через реактор. Наличие дополнительного параметра, необходимость операции деления тока на напряжение и введение входных фильтров существенно усложняют устройства и снижают их надежность в сравнении с предлагаемым способом.
В-третьих, непрерывная работа генератора с достаточно мощным выходным сигналом увеличивает потребление устройств такого типа и связанные с этим потери в нормальном режиме, а также в силу преобразования исходного напряжения питания в непромышленную частоту может оказывать обратное влияние на питающую сеть.
Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения емкости сети, его упрощение и снижение энергопотребления по цепям питания. Указанная цель достигается тем, что в качестве источника непромышленной частоты используют периодический разряд на сигнальную обмотку предварительно заряжаемого конденсатора, при этом сигнал, прямо пропорциональный емкости фаз сети с изолированной нейтралью, получают с помощью амплитудного детектора на выходе дифференцирующего звена, подключенного к выходу обмотки трансформатора напряжения, соединенной в открытый треугольник.
Для пояснения принципа действия на чертеже приведена одна из возможных структурных схем устройства измерения, использующего предлагаемый способ. Схема содержит зарядное устройство 1, подключенное своим входом к питающей сети 220 В, 50 Гц, конденсатор 2, подключенный через ключ 3 к сигнальной обмотке дугогасящего реактора 4, который в свою очередь подключен к сети 6.
. . 35 кВ через питающий трансформатор, стандартный трансформатор напряжения НТМИ или НАМИ 5, дифференцирующее звено 6, подключенное к обмотке трансформатора напряжения, соединенной в открытый треугольник, а также блок управления и измерения 7, который управляет зарядом и разрядом конденсатора и фиксирует замеренное значение емкости сети.
Приведенная схема работает следующим образом. В нормальном режиме работы электрической сети до возникновения замыкания на землю конденсатор 2 периодически заряжается от зарядного устройства 1 до фиксированного значения и разряжается через ключ 3 на сигнальную обмотку реактора 4. При этом каждый разряд конденсатора сопровождается соответствующим зарядом емкостей фаз сети и смещением нейтрали, которое фиксируется на выходе трансформатора напряжения 5 с помощью дифференциального звена 6. Применение дифференциального звена, состоящего в простейшем случае из RC-ценочки, позволяет зафиксировать с помощью амплитудного детектора в блоке 7 максимум напряжения, величина которого пропорциональна крутизне фронта заряда емкостей фаз, которая в свою очередь прямо пропорциональна величине емкостей фаз на землю.
Таким образом, при любом изменении емкостей фаз сети, вызванном оперативными переключениями, соответственно изменяются скорость их заряда и амплитуда напряжения на выходе дифференциального звена. Поскольку длительность разряда конденсатора 2 и соответствующего по длительности фронта заряда емкостей фаз сети достаточно мала (эквивалентная частота более 1 кГц), погрешности от напряжений смещения нейтрали промышленной частоты и кратных гармоник практически отсутствуют, что повышает точность измерения и исключает необходимость введения дополнительных фильтров. Периодический заряд конденсатора от зарядного блока 1 производится малым током за время порядка 1 секунды, что обеспечивает незначительное энергопотребление устройства измерения по сравнению с прототипом. Упрощение устройства достигается отсутствием необходимости измерения, фильтрации и обработки двух измеряемых величин, поскольку в данном случае независимо от возмущающих факторов амплитуда напряжения на выходе дифференциального звена соответствует величине емкости сети.
При значительном изменении конфигурации электрической сети емкость фаз может изменятся весьма существенно, в ряде случаев более чем в 10 раз. В этом случае соответственно будет изменятся и получаемый на выходе дифференциального звена сигнал. Однако при столь большом диапазоне изменения могут возникнуть сложности его точного измерения и последующей обработки. Исключить эти трудности и необходимость выделения через трансформатор напряжения сигнала, изменяемого в широком диапазоне, позволяет способ, отличающийся от описанного лишь тем, что предварительный заряд конденсатора перед его разрядом на сигнальную обмотку дугогасящего реактора осуществляют каждый раз до такого значения, чтобы при его последующем разряде амплитуда сигнала детектора на выходе дифференцирующего звена, подключенного к трансформатору напряжения, оставалась неизменной при любых отклонениях емкости фаз сети, при этом напряжение заряда конденсатора будет прямо пропорционально емкости фаз сети на землю.
Блок управления в каждом цикле измерения подбирает заряд конденсатора таким образом, чтобы сигнал на выходе дифференцирующего звена всегда был равен фиксированному значению. При таком способе информационным сигналом, соответствующим измеряемой величине емкости сети, будет напряжение заряда конденсатора 2, которое легко выделяется и обрабатывается во всем диапазоне.
Предлагаемые способы измерения емкости сети с изолированной нейтралью были реализованы авторами в макетных образцах и проверены совместно с сетью. Испытания показали высокую точность измерения емкости и подтвердили описанные характеристики. Реализация способа не представляет затруднений как на дискретной полупроводниковой, так и на цифровой элементной базе.
Использованная литература 1. А. А. Черников. «Компенсация емкостных токов в сетях с незаземленной нейтралью». М.: Энергия, 1974 г., с. 83-84.
Формула изобретения
1.
Способ измерения емкости сети с изолированной нейтралью, заключающийся в создании на нейтрали искусственного потенциала путем введения в нейтраль источника непромышленной частоты через сигнальную обмотку дугогасящего реактора и измерении напряжения смещения нейтрали на разомкнутой обмотке трансформатора напряжения, отличающийся тем, что в качестве источника непромышленной частоты используют периодический разряд на сигнальную обмотку предварительно заряжаемого конденсатора, при этом сигнал, прямо пропорциональный емкости фаз сети с изолированной нейтралью, получают с помощью амплитудного детектора на выходе дифференцирующего звена, подключенного к выходу обмотки трансформатора напряжения, соединенной в открытый треугольник.
2. Способ измерения емкости сети с изолированной нейтралью, заключающийся в создании на нейтрали искусственного потенциала путем введения в нейтраль источника непромышленной частоты через сигнальную обмотку дугогасящего реактора и измерении напряжения смещения нейтрали на разомкнутой обмотке трансформатора напряжения, отличающийся тем, что в качестве источника непромышленной частоты используют периодический разряд на сигнальную обмотку предварительно заряжаемого конденсатора, а предварительный заряд конденсатора перед его разрядом на сигнальную обмотку дугогасящего реактора осуществляют каждый раз до такого значения, чтобы при его последующем разряде амплитуда сигнала детектора на выходе дифференцирующего звена, подключенного к трансформатору напряжения, оставалась неизменной при любых отклонениях емкости фаз сети, при этом напряжение заряда конденсатора будет прямо пропорционально емкости фаз сети на землю.
РИСУНКИ
Рисунок 1
TK4A — Поправки к публикациям сведений об изобретениях в бюллетенях «Изобретения (заявки и патенты)» и «Изобретения. Полезные модели»
Страница: 352
Напечатано: (98) 140105, Московская обл., г. Раменское, ул. Левашова, 21, РЭТЗ «Энергия», зам. ген. директора Брянцеву А.М.
Следует читать: Адрес для переписки: 111123, Москва, ул. 2-я Владимирская, 8, корп.1, кв.18-А, А.М.Брянцеву
Номер и год публикации бюллетеня: 13-2000
Код раздела: FG4A
Извещение опубликовано: 27.10.2005 БИ: 30/2005
QB4A Регистрация лицензионного договора на использование изобретения
Лицензиар(ы): Брянцев Александр Михайлович
Вид лицензии*: НИЛ
Лицензиат(ы): Общество с ограниченной ответственностью «Электросетевые компенсаторы»
Договор № РД0017544 зарегистрирован 30.01.2007
Извещение опубликовано: 20.
03.2007 БИ: 08/2007
* ИЛ — исключительная лицензия НИЛ — неисключительная лицензия
QZ4A — Регистрация изменений (дополнений) лицензионного договора на использование изобретения
Лицензиар(ы): Брянцев Александр Михайлович
Вид лицензии*: НИЛ
Лицензиат(ы): Общество с ограниченной ответственностью «Электросетевые компенсаторы»
Характер внесенных изменений (дополнений):Расторжение договора РД0017544 по обоюдному согласию
Дата и номер государственной регистрации договора, в который внесены изменения: 30.01.2007 № РД0017544
Извещение опубликовано: 27.07.2010 БИ: 21/2010
* ИЛ — исключительная лицензия НИЛ — неисключительная лицензия
Использование аналоговых методов для измерения емкости емкостных датчиков
Загрузите эту статью в формате .PDF
Емкостные датчики используются в широком спектре оборудования, от бытовой электроники до управления промышленными процессами.
Сенсорные кнопки все чаще встречаются в лампах и диммерах. Детекторы движения могут обнаруживать незначительные изменения в прогибе. Гигрометры показывают изменения влажности. Датчики давления и акселерометры переходят на емкостные датчики. А емкостные датчики смещения встречаются даже в дисководах.
Выход этих датчиков: емкость. Измерение этой емкости по своей сути является аналоговой проблемой, которая может быть очень сложной. Часто эти датчики доставляют инженерам больше всего проблем при взаимодействии с микроконтроллерами. В то время как некоторые микроконтроллеры предлагают встроенные простые процедуры для емкостных сенсорных кнопок, их измерения относительно грубы и предназначены для измерения изменения емкости, что полезно для обнаружения пальца, помещенного на датчик касания, но не для промышленных измерений и измерений перемещений, требующих абсолютной точности.
Емкостные датчики
В качестве конкретного примера емкостного датчика рассмотрим емкостный датчик относительной влажности (RH).
В этом типе датчика диэлектрический материал предназначен для поглощения паров воды из внешней среды при воздействии. Электрическая емкость увеличивается по мере того, как диэлектрик поглощает воду, поскольку коэффициент диэлектрической проницаемости увеличивается с увеличением влажности, что является прямым показателем относительной влажности. Чистый диэлектрический коэффициент также чувствителен к колебаниям температуры, поэтому расчет влажности включает измерение как емкости, так и температуры.
Датчики влажности демонстрируют относительно небольшое изменение емкости в зависимости от выходного диапазона. Изменение емкости от 40 до 50 пФ при относительной влажности от 0 до 100 % с емкостью от 100 до 200 пФ при 0 % относительной влажности (C0RH) не редкость. Типичный датчик с абсолютной точностью 3 % (с воспроизводимостью 1 %) соответствует требованиям к разрешающей способности 1,5 пФ.
Некоторые емкостные датчики измеряют перемещение. В своей простейшей форме эти датчики состоят из прецизионных металлических пластин, расположенных в непосредственной близости, и между ними поддерживается электрическое поле.
Результирующая выходная емкость (обычно небольшая, в диапазоне 10 пФ) сильно зависит от геометрии этих датчиков.
Timer Approaches
Наиболее распространенный подход к измерению емкостных датчиков состоит в том, чтобы просто использовать схему аналогового таймера для генерации частоты, которая обратно пропорциональна емкости, а затем использовать микроконтроллер для подсчета импульсов в течение заданного периода для расчета частоты ( Рис. 1) . Таким образом, нет необходимости в аналого-цифровом преобразователе (АЦП) или компараторе в микроконтроллере. Основное уравнение, связывающее измеренную емкость C и частоту F:
F = 1/(C * (R1 + 2 * R2) * ln2)
1. Оцифровка значения емкостного цензора часто включает генерацию частоты, обратно пропорциональной емкости, и подсчет импульсов за фиксированный период. для определения частоты.
Нестабильные таймеры, такие как классический 555, работают за счет зарядки и разрядки конденсатора. Напряжение конденсатора запускает циклы заряда и разряда, поскольку оно переходит через нижний и верхний порог.
Несмотря на спецификации, рекламирующие работу на частотах выше 1 МГц, типичные КМОП 555 «любят» работать в диапазоне от 5 до 10 кГц для обеспечения наилучшей точности (рис. 2) .
2. Схема (а) иллюстрирует методы пассивной и активной компенсации: C X = 4 пФ. Для активного экрана удаленный конденсатор подключается к таймеру через 12-дюймовый экранированный кабель RG316 (29,4 пФ/фут). На графиках показаны результаты измерений без компенсации, с пассивной компенсацией и с активным экраном.
В таблице показаны некоторые основные ограничения этих цепей. Ошибка A, первая, показывает, что на выводах TH и TR присутствует входная емкость в несколько пикофарад. Поскольку это точка подключения измеряемого конденсатора, эта паразитная емкость (вместе с паразитной емкостью, показанной в строке F таблицы) ошибочно добавляется к измеренному значению конденсатора. Для измерений емкости выше 100 пФ это можно учесть путем характеризации и последующего учета при получении значения емкости.
(Для более низких значений емкости см. обсуждение ниже.)
Временные задержки компаратора и конечное сопротивление разрядного полевого транзистора в открытом состоянии (B и C соответственно) устанавливают верхнюю границу частоты для работы. Далеко ниже этих скоростей возникают ошибки из-за изменчивости этих параметров, что затрудняет их калибровку. Например, существует сильная температурная зависимость сопротивления разрядного полевого транзистора в открытом состоянии и зависимость V DD для задержки компаратора.
Измерение малых значений емкости
Для измерения меньших значений емкости влияние входной емкости выводов TH и TR можно компенсировать (электронно вычесть). Два метода включают пассивную и активную компенсацию.
Пассивная компенсация включает в себя подключение компенсационных конденсаторов для создания подкачки заряда, чтобы свести на нет влияние входной емкости штыря. Вывод Q (выход) колеблется на более высоком уровне, чем линейное изменение напряжения конденсатора, поэтому подключение конденсатора от Q к TH и TR эффективно передает чистые кулоны в измеряемый конденсатор.
Поскольку C и Q обратно пропорциональны, это соответствует отрицательной емкости, как видно из расчета общего заряда Q, накопленного на измеренном конденсаторе C за данный цикл зарядки:
• Без компенсации:
Q = C * 1/3 * V CC
• С компенсацией:
Q = (C + Cx) * 1/3 * V CC – C * V CC
Q = (C -2 * Cx) * 1/3 * V CC
Таким образом, в первом порядке 2 * емкость CX вычитается из C (при условии, что C X << C) .
На измерительном конденсаторе будет виден скачок напряжения из-за переноса заряда. Это не влияет отрицательно на работу таймера. Он просто показывает добавленный и вычтенный заряд, чтобы компенсировать добавленную паразитную емкость выводов. Поскольку емкость на постоянном токе также влияет на выход, туда также добавляется небольшой конденсатор.
Опытным путем было установлено, что выбор C X = 4 пФ является приемлемым. Второй конденсатор C Y (не показан) также был добавлен для компенсации входной емкости на постоянном токе.
Для активной компенсации требуется операционный усилитель, что позволяет получить более точную регулируемую компенсацию. Выход операционного усилителя подключен к компенсационному конденсатору C X , приводя его в действие в соответствии с изменением напряжения на конденсаторе. (Обязательно используйте стабильный операционный усилитель, управляющий этой емкостью!) Изменяя коэффициент усиления G операционного усилителя и, следовательно, амплитуду линейного изменения, вы можете изменять величину вычитаемой компенсационной емкости в соответствии с:
C eq = C – C X (G – 1)
В качестве альтернативы можно реализовать «гибрид» пассивной и активной компенсации, что снижает стоимость операционного усилителя, сохраняя возможность регулировки. Можно использовать компаратор переменной амплитуды с регулировкой амплитуды прямоугольной волны путем регулировки напряжения линейного регулятора.
Дистанционное измерение
Иногда невозможно совместить датчик и измерительную электронику.
Измеряемая емкость может быть размещена на некотором расстоянии от измерительной электроники. Но неизвестные емкости относительно земли вдоль проводной цепи конденсатора в этом случае будут прибавлять и вычитать из измеренного значения емкости, особенно если он подключен кабелем.
Полное сопротивление конденсатора, как правило, высокое (> 500 кОм), а провода большой длины могут создавать электрические поля и индуцировать паразитные напряжения (особенно от сети переменного тока с частотой 60 Гц). Экранирование кабеля может помочь, но это, естественно, создает дополнительные емкости, которые варьируются в зависимости от длины кабеля, увеличивая ошибки измерения емкости.
Решением является активный экран, управляемый операционным усилителем, который динамически поддерживает экран на том же напряжении, что и напряжение на конденсаторе, обнуляя емкость между экраном и напряжением на конденсаторе. Это решение с удаленным конденсатором по существу требует трех подключений: экрана, напряжения конденсатора и отдельного проводного заземления.
Принцип аналогичен описанной ранее компенсации емкости активных выводов. Экран также может управляться с коэффициентом усиления немного выше 1, чтобы дополнительно компенсировать емкость контактов, хотя выбранный коэффициент усиления обязательно должен изменяться в зависимости от длины кабеля (рис. 3).
3. ИС таймера Touchstone Semiconductor TS3002 представляет собой устройство типа 555, работающее при напряжении до 2 В.
Усовершенствованная ИС таймера Touchstone TS3002 оптимизирована для небольшого времязадающего конденсатора (<10 пФ). Он включает в себя встроенную компенсацию емкости выводов и был разработан для работы при очень низкой мощности — менее 1 мкА, 1,8 В питания, но работает до 0,9 В. Низкие токи зарядки конденсатора, связанные с TS3002, делают эту ИС лучшей. для низкоскоростных измерений с усреднением (рис. 4) .
4. Другие подходы, такие как схема выравнивания заряда (a) и упрощенный емкостной мост (b), позволяют измерять емкость быстрее.
Скорость и точность измерения
Скорость измерения этих систем преобразования емкости в частоту определяется временем, которое требуется для подсчета числа тактовых циклов, соответствующего значению емкости. Точность до первого порядка определяется количеством подсчитанных циклов. Поскольку емкость обратно пропорциональна частоте при фиксированном времени измерения, схемы, естественно, обеспечивают наивысшее разрешение в битах для самых низких значений емкости в заданном диапазоне. Это не обязательно желаемый результат, поскольку самые низкие значения емкости будут иметь самые высокие аналоговые ошибки.
В качестве альтернативы, использование быстрых часов микроконтроллера для определения периода таймера обеспечивает более высокое разрешение для более высоких значений емкости. (Системные часы с частотой 24 МГц могут разрешать 14-битное значение для 1 кГц в диапазоне 1 нФ.) В некоторых микроконтроллерах эти часы с более высокой частотой работают с более высокой точностью, чем часы с более низкой частотой.
Шум при измерении, вероятно, будет влиять на время измерения и длину усреднения. Частотный шум в таймерах в основном создается дрожанием синхронизации компаратора. Этот джиттер увеличивается в процентах по мере уменьшения частоты периода, что делает измерения емкости небольших конденсаторов более шумными.
Более быстрые подходы
Следует упомянуть несколько других подходов, некоторые из которых дают более быстрые результаты (рис. 5).
5. В этой схеме измерения емкости на основе операционного усилителя операционный усилитель управляется нестабильным образом, запуская гистерезисный компаратор для переключения полярности при двух пороговых значениях. Как и схема таймера, эта схема предлагает очень простое соотношение между C и F: F = 34 * R1 * C.
В схеме балансировки заряда эталонный конденсатор заряжается до известного напряжения, а затем разряжается через измеряемый конденсатор. . Помимо проблемы обеспечения эталонного конденсатора, у этого метода есть две основные проблемы.
Во-первых, сам переключатель вводит заряд в цепь, что влияет на результат. Даже самые лучшие аналоговые переключатели демонстрируют инжекцию заряда не менее 1 пКл, что ограничивает схему более высокими измеренными значениями конденсатора. Во-вторых, буферный операционный усилитель должен иметь чрезвычайно малую утечку. При измерении конденсатора емкостью 1 нФ утечка 10 нА снижает напряжение на измерительном конденсаторе на 1 мВ в течение 100 мкс.
Методы емкостного моста включают введение известной частоты возбуждения в емкостной мост (часто просто RC-цепь) и сравнение полученного отклика с эталонным путем. Настоящая мостовая схема будет включать два RC-плеча моста со схемой обнуления с использованием регулируемых конденсаторов.
Эталонный тракт здесь представляет собой простой резистивный делитель и служит эталоном для логометрического измерения АЦП, который считается более практичным методом. Схема требует быстрого АЦП для преобразования амплитуды RC-цепи и вывода измеренного значения конденсатора.
АЦП должен быть быстрым, и при измерении может потребоваться некоторая обработка сигнала. Кроме того, необходимо соблюдать крайнюю осторожность, чтобы ограничить нагрузку (емкостную и резистивную) на измеряемом конденсаторе.
Методы интегратора операционных усилителей
Схемы измерения конденсатора на основе интегратора на основе операционных усилителей подают прецизионные токи в конденсатор, определяя емкость путем оценки времени интегрирования. Прецизионный резистор (требуется хороший абсолютный допуск), операционный усилитель и, возможно, компаратор (чтобы превратить интегратор в нестабильный генератор) необходимы для генерации измерительного тока для питания конденсатора. Однако некоторые преимущества могут перевесить дополнительные компоненты по сравнению с системами на основе таймеров.
Схема, по сути, управляет одной стороной конденсатора, сохраняя при этом виртуальное заземление на другой стороне. Преимущества виртуальной площадки двояки. Во-первых, емкость входного вывода операционного усилителя больше не влияет на измерения, так как этот узел остается на земле.
Во-вторых, емкость конденсатора теперь можно измерять дистанционно без активного экрана (экран может оставаться при потенциале земли), что устраняет потребность в операционном усилителе, способном следовать линейному изменению таймера и управлять высокой емкостью .
На рис. 5 показан пример схемы для этого подхода, использующей операционный усилитель и компаратор. Здесь операционный усилитель работает нестабильно, запуская гистерезисный компаратор для переключения полярности на двух порогах. Как и схема таймера, эта схема предлагает очень простое соотношение между C и F:
F = 34 * R1 * C
Здесь используется Touchstone TS12011 «наномощный» операционный усилитель/компаратор/опорный IC, поскольку он предлагает как компаратор и операционный усилитель в одном корпусе. Кроме того, вся схема работает при токе менее 5 мкА (при напряжении питания 1,8 В) и может работать при напряжении питания до 1 В. Эту схему лучше всего использовать для измерения емкости от 1 нФ и выше, поскольку результирующая выходная частота находится в пределах полосы пропускания операционного усилителя, а изменение задержек компаратора добавляет к результату небольшую погрешность.
Для измерения емкости с более низким значением подойдет операционный усилитель с более широкой полосой пропускания и более быстрый компаратор. Чтобы поддерживать относительно низкие частоты и свести к минимуму ошибки, связанные с временной задержкой, лучше всего подходят входные операционные усилители с малой утечкой, такие как операционные усилители с JFET-входом.
Заключение
Существует несколько способов измерения емкостных датчиков. При тщательном проектировании и соответствующих диапазонах емкостей традиционных схем таймера может быть достаточно. Для низких значений емкости и высокой точности может потребоваться рассмотрение других вариантов, таких как конструкции на основе интегратора.
Метод измерения изменения емкости с непрерывно изменяемым диапазоном измерения для микроемкостного датчика
Метод измерения изменения емкости с плавно изменяемым диапазоном измерения для микроемкостного датчика
- Лю, Сяочжоу ;
- Се, Кай ;
- Сюэ, Дунфэн
- Чжан, Фэн ;
- Ци, Лян ;
- Тао, Йебо ;
- Ли, Тэн ;
- Бао, Вэйминь ;
- Ван, Сунлинь ;
- Ли, Сяопин ;
- Чен, Ренджи
Аннотация
Микроемкостные датчики широко применяются в промышленности для измерения механических отклонений.
