Преобразователи параметров емкостных датчиков для измерения влажности сыпучих веществ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.01, кандидат технических наук Машошин, Петр Викторович

• Машошин, Петр Викторович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Машошин, Петр Викторович

Список основных сокращений

Введение

1. Анализ современного состояния методов и средств измерения электрофизических свойств сыпучих материалов

Ф1 1.1. Представление емкостных датчиков эквивалентными схемами замещения

1.2.Обзор и анализ устройств измерения параметров емкостных датчиков.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Преобразователи параметров емкостных датчиков для измерения влажности сыпучих веществ»

Актуальность темы

Повышение качества различной продукции, снижение энергозатрат при производстве и хранении готового'продукта является одной из актуальных задач народного хозяйства. Решение данной задачи невозможно без создания приборов для измерения качественных показателей веществ.

Одним из наиболее распространенных показателей качества сыпучих веществ является влажность.

В народном хозяйстве требуется [1,2,3] определять влажность более 1000 различных веществ. Одно из направлений измерения влажности сыпучих веществ основано на использовании емкостных параметрических датчиков," конструктивно представляющих собой конденсатор, диэлектриком которого является исследуемое вещество. Воздействуя электрическим полем на вещество и исследуя результат этого> воздействия, получают информацию о электрофизических па-, раметрах вещества, косвенно связанных с подлежащим измерению параметром. В известных разработках [4,5] емкостной датчик с веществом представляется в основном двухэлементной схемой замещения, что приводило к появлению погрешности от влияния неучитываемых параметров.

Повышение точности приборов для измерения влажности возможно лишь при более корректном представлении схемы замещения емкостных датчиков с веществом в виде многоэлементного двухполюсника. Задача раздельного преобразования параметров многоэлементных двухполюсников (ПМД) в общем случае не нова [6,7,8] и различные аспекты ее решения интенсивно разрабатываются многими научными коллективами [9.22] .

Специфика преобразования ПМД, представляющих схемы замещения емкостных датчиков (ЕД) влажности сыпучих веществ, заключается в сложности наиболее полной адекватной электрической схемы замещения и чрезвычайно широком диапазоне соотношений параметров для некоторых классов веществ. Получение с высокой точностью информации о значении параметров ЕД при широком диапазоне их значений является темой данной диссертационной работы.

Научная новизна.

1. Определены пути совершенствования ИП параметров ЕД, обладающих расширенным диапазоном изменений параметров эквивалентной электрической схемы замещения и повышенной точностью преобразования.

2. Исследованы варианты построения измерительных схем для получения напряжений, составляющие которых несут информацию о параметрах ЕД.

3. Разработаны и исследованы ИП -параметров ЕД с временным разделением каналов и селективными методами обеспечения инвариантности.

4. Разработаны и исследованы ИП параметров ЕД с пространственным разделением каналов и использованием в каналах компенсации и измерения (ККиИ) режимов компенсации и перекомпенсации.

5. Разработаны и исследованы ИП параметров ЕД с улучшенными метрологическими характеристиками и определены направления дальнейшего совершенствования путем соче6 тания нескольких методов.обеспечения инвариантности. б. Предложена и апробирована методика экспериментального исследования метрологических характеристик средств измерения влажности сыпучих веществ.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Анализ информативности параметров эквивалентных электрических схем замещения ЕД и выбор ИП, обеспечивающих требуемые для измерения влажности сыпучих веществ диапазоны изменения параметров ЕД.

2. Исследование вариантов измерительных схем с целью определения оптимального соотношения между чувствительностью преобразования по каждому из параметров ЕД, устойчивостью и сложностью реализации.

3. Разработка и исследование ИП с полной компенсацией влияния сквозной проводимости ЕД в канале компенсации и измерения (ККиИ).

4. Разработка и исследование ИП с частичной перекомпенсацией влияния сквозной проводимости ЕД в ККиИ.

5.Теоретическое и экспериментальное исследование точностных характеристик ИП с целью достижения оптимальных соотношений погрешностей измерения отдельных параметров ЕД и интервалов инвариантности.

6. Определение путей совершенствования и разработка ИП параметров ЕД с улучшенными метрологическими характеристиками .

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 2-ой Всесоюзной конференции «Методы и средства аналого-цифрового преобразования параметров 7 сигналов и цепей» (г. Москва,1981 г), на 7-ой Всесоюзной НТК «Достижения и перспективы работ в области разработки и внедрения средств измерения влажности продукции предприятий агропромышленного комплекса и других отраслей народного хозяйства» (г. Кутаиси, Грузия, 1984 г.), на 7-ой республиканской НТК «Структурные методы повышения точности, чувствительности, быстродействия измерительных приборов и систем» (г. Киев, Украина, 1985 г.)/ на зональном семинаре «Интегрирующие частотные, время-импульсные преобразователи и цифровые средства измерения на их■основе» (г. Пенза, 1987 г-)/ на зональной школе-семинаре «Повышение эффективности автоматизированных средств восприятия и обработки информации» (г. Пенза, 1985 г.), на 7-ом Всесоюзном симпозиуме «Проблемы автоматизации в прочностном эксперименте» (г. Новосибирск, 1989 г.), на 2-ой Всесоюзной НТК «Методы и средства, измерений физических величин» г. Нижний Новгород, 1997 г.), на Международной НТК «Ме | тоды и средства преобразования и обработки аналоговой информации» (г. Ульяновск, 1999 г.), на Международной НТК «Методы и' средства измерения в системах контроля и измерения» (г,. Пенза, 1999 г.), на Международной НТК «ИзмереI ния 2000» (г. Пенза, 2000 г.) и на НТК профессорско-преподавательского состава Пенз. ГУ в 1981.2002 гг.

Актуальность работы подчеркивается тем фактом, что многие научные коллективы, ведущие исследования в данном направлении, оказались за пределами Российской Федерации.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы измерения по видам измерений», Машошин, Петр Викторович

Основные результаты и выводы по работе

1. Проведен обзор и анализ состояния методов и средств измерения параметров электрофизических свойств веществ с помощью емкостных датчиков ЕД. Обоснована эквивалентная электрическая схема замещения ЕД. Показана перспективность использования инвариантных преобразоваI телей параметров электрических цепей с сочетанием многоканальных и селективных методов для целей совершенствования преобразователей параметров ЕД.

2. По критериям разрешимости многоэлементных двухI полосников и условиям получения взаимонезависимых составляющих определены оптимальные конфигурации и чувствительности измерительных схем по каждому из параметров ЕД.

3. Предложены и проанализированы алгоритмы функционирования и функциональные схемы преобразователей параметров ЕД в напряжение, частоту и интервал времени, обеспечивающие более широкие диапазоны изменения параметров ЕД с полной компенсацией и частичной перекомпенсацией влияния сквозной проводимости ЕД.

4. Предложены.и проанализированы алгоритмы функционирования и функциональные схемы преобразователей параметров ЕД с использованием сложного воздействия на измерительную схему в виде суммы высокочастотного синусоидального сигнала и прямоугольных импульсов следующих с существенно меньшей частотой.

5. Обоснованы и проанализирован алгоритм функционирования и функциональная схема преобразователей параметров ЕД с использованием разложения составляющих выходного сигнала измерительной схемы по базисным функциям Уолша.

6. Проведен анализ метрологических характеристик преобразователей параметров ЕД. В результате установлено : статические погрешности измерительных схем определяются напряжением смещения, дрейфом входных токов и ненулевыми значениями выходного сопротив

1 I ления операционного усилителя; " динамические погрешности измерительных схем определяются значениями входной и выходной емкости и скоростью:нарастания выходного напряжения операI ционного усилителя;

- результирующая погрешность преобразователей параметров ЕД определяется погрешностями компенсации влияния сквозной проводимости и опорного элемента; для повышения быстродействия необходимо использовать методы параллельно-последовательного уравновешивания .

7. Разработаны и экспериментально исследованы преобразователи параметров ЕД с измерением всех четырех параметров эквивалентной схемы. Определены условия и проведена минимизация числа измеряемых параметров до двух - емкостей мгновенной и замедленной поляризации.

Предложены и исследованы двухпараметровые влагомеры. Разработанные приборы для измерения влажности зернобобовых культур показали высокие метрологические характеристики, доведены до опытных образцов и внедрены на ряде предприятий.

8. Определены пути дальнейшего совершенствования и разработаны структурные схемы преобразователей параметров ЕД повышенной точности с периодической компенсацией дрейфа параметров операционного усилителя' измерительной схемы и с введением дополнительных каналов компенсации сквозной проводимости и параметров, характеризующих 1 процессы медленной поляризации. Для повышения быстродействия предложены структурные схемы преобразователей параметров ЕД с аналоговыми каналами компенсации на основе полевых транзисторов и аналоговых перемножителей сигналов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Машошин, Петр Викторович, 2003 год

1. Секанов Ю.П. Влагометрия сельскохозяйственных материалов // Всесоюзная академ. с.-х. наук им. Ленина -М.: Агропромиздат, 1985.-160с.

2. Дубров Н.С. и др. Многопараметрические влагомеры для сыпучих материалов // Н.С. Дубров, Е.С. Кричевский, Б.И. Неволин. М.: Машиностроение, 1980.-144с.

3. Джапаридзе П.Д., Месхидзе Р.Н., Пруидзе В.Е. Эквивалентная электрическая схема емкостного первичного преобразователя влажности с изолированными электродами / / Измерительная техника, 1975.№5. с.77-79.

4. Бугров A.B. Высокочастотные емкостные преобразоiватели и приборы контроля качества. М. : Машиностроение, 1982.-94с.

5. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов: Учебное пособие для вузов.- М.: Энергоиздат, 1982.-320 е.

6. Кнеллер В.Ю., Боровских Л.П. Определение параметров многоэлементных двухполюсников. М.: Энергоатомиздат, 1986, 144с.: ил.

7. Основы инвариантного преобразования параметров электрических цепей / А. И. Мартяшин, К. Л. Куликовский, С.К. Куроедов, Л.В. Орлова // Под ред. А.И. Мартяшина -М.: Энергоатомиздат, 1990.-216с.

8. Гриневич Ф.Б., Сурду М.Н. Высокоточные вариационные измерительные системы переменного тока. Киев: Наук, думка, 1989.-192с.

9. Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов. Под ред. Е.С. Кричевского. -М.: Энергия, 1980.10. Графов Б.М., Укше . Е.А. Электрохимические цепипеременного тока. М.Наука, 1973.-128с.

10. Цифровые приборы и системы для измерения параметров конденсаторов / C.JI. Эпштейн, В. Г. Давидович, Г.И. Литвинов и др.// Под ред. C.JI. Эпштейна. М. : Сов .радио, 1978.-192с.

11. Кнеллер В.Ю. Автоматическое, измерение составляющих комплексного сопротивления. М.-Л.: Энергия, 1967.

12. Гриневич Ф.Б. Автоматические мосты переменного тока. Новосибирск: Изд-во СОАН СССР, 1964.

13. Карандеев К. Б. Специальные методы электрических измерений. M.-JI.: Госэнергоиздат, 1963.

14. Кольцов A.A. Электрические схемы уравновешивания.- М.': Энергия, 1976.-272с.I

15. Лихтциндер Б.Я., Широков С.М. Многомерные измерительные устройства. М.: Энергия, 1978.-312с. .

16. Передельский Г.И. Мостовые цепи с импульсным питанием. М.: Энергоатомиздат, 1988.-192с.:ил.

17. Раздельное преобразование комплексных сопротивлений. Добров Е.Е., Татаринцев И.Г., Чорноус В.Н., Штамбер-гер Г.А. / Под ред. Г.А. Штамбергера. Львов: Виша шк. Изд-во при Львов, ун-те, 1985.-136с.

18. Алиев Т.М., Мелик-Шахназаров А.М., Шайн И.Л. Автокомпенсационные измерительные устройства переменного тока. М.: Энергия, 1977.-360с.

19. Алиев Т.М., Степанов П.П. Развертывающие компенсаторы комплексных величин. М.: Энергия, 1969.-89с.

20. Бурбело М.И. Квазиуравновешенные цепи для измерения электрических параметров емкостных датчиков влагомеров нефти и нефтепродуктов. Автореф. Дис. канд. техн. наук.- Киев, 1987.-18с.

21. Гриневич Ф.Б., Новик А. И. Измерительные компенсационно-мостовые устройства с емкостными датчиками.-Киев.:Наукова думка, 1987.-112с.

22. Орешкин П. Т. Физика полупроводников и диэлектриков. /Учеб. Пособие для специальности вузов «Полупроводники и диэлектрики».-М.:Высшая школа,1977.-448с.

23. Андреев B.C. Об электрических эквивалентных схемах емкостных преобразователей для измерения электропроводности бесконтактным методом//Измерительная техника .1971.№8.с.80-82.

24. Ройфе B.C. Определение значений элементов сложной схемы замещения поляризованных диэлектриков//Измерительная техника.1984, №7.с.63.

25. Разработка диэлектрического влагомера зерна на базе инвариантного аналого-цифрового преобразователя.Отчет по х/д №83-054.Гос.per. №01.83.0050722. Рябов В Ф., Машо-шин П.В.-Пенза:ППИ,1985.

26. Суровицкая Г.В. Разработка и исследование процессорных средств измерения параметров элементов сложных двухполюсных электрических цепей//Диссертация на соискание уч.ст. к.т.н.-Пенза:ПГТУ,1996.

27. Тюкавин А. А, Измерение параметров трех и четырех-элементных двухполюсников мостами переменного тока.- Саратов: Издат-во СГУ,1988.-112с.

28. Бахмутский В.Ф. Универсальные цифровые измерительные приборы 'и системы.-К.:Техника,1979.-208с.

29. Тюкавин A.A. Теория уравновешивания и методы синтеза мостов переменного тока для измерения параметров1.,трех-,четырех-и многоэлементных двухполюсников./ Автореферат диссер. на соиск. уч.' ст. д. т.н.- УльяIновск:УГТУ,1995.-39с.

30. Петров : Б.Н.,Викторов В.А. Лункин Б.В.,Совлуков A.C. Принцип инвариантностиi в измерительной технике.-М.: Наука,1976,-244с.

31. Мартяшин А.И.,Чернецов В.И.,Куликовский К.Л., Данилов А.Ю. Принципы построения многопараметровых измерительных преобразователей датчиков.-Датчики систем измерения: Межвуз.сб.науч.тр.Пенза:Пенз. политехи, инс-т,1985, вып.5,161-166с.

32. Кулапин В. И. Разработка и исследование универсальных преобразователей параметров многоэлементных двухполюсных электрических цепей в унифицированные сигналы.-Дисс. .к.т.н.Пенза,1987.-239с.

33. A.c.938199 СССР.Преобразователь параметров четы-рехэлементных двухполюсников в напряжение./А.И. Мартяшин,В.М. Чайковский, П.П. Чураков,//ОИПОТЗ,1982,№ 23.

34. Чураков П.П. Синтез и обработка сигналов в устройствах измерения параметров электрических цепей Диссертация. д.т.н.Пенза:ПГУ,1998.-448с.

35. Свистунов Б.Л. Разработка и исследование инвариантных преобразователей параметров электрических цепей в унифицированные сигналы. Диссертация . к.т.н.Пенза, 1978.-229с.

36. Чернецов В.И. Разработка и исследование принципов инвариантного преобразования параметров сложных электрических цепей. Диссертация .д.т.н. Пенза, 1981-256с.

37. Рябов В.Ф. разработка и исследование преобразователей параметров многоэлементных двухполюсных электрических цепей в аналоговые унифицированные сигналы.- Диссертация .к.т.н.Пенза, 1980-217с.

38. Бондаренко Л.Н. Разработка и исследование алгоритмов измерения параметров многоэлементных двухполюсников. Автореферат диссертации. к.т.н.-Пенза: ПГУ,1998.-22с.

39. Светлов A.B. Разработка и исследование измерительных преобразователей параметров двухполюсных электрических цепей .- Диссертация. к.т.н. Пенза,198б-235с.

40. Путилов В.Г. Структурные методы совершенствования измерительных преобразователей параметров двухэлементных электрических цепей.// Диссертация . к.т.н. в форме научного доклада.- ПГТУ,1994.

41. Когельман Л. Г. Помехоустойчивые преобразователи для параметрических датчиков.// Диссертация . к.т.н.-Пенза: ПГТУ,1994.

42. Чураков П.П., Свистунов Б.Л. Измерители параметров катушек индуктивности .- Пенза: Изд-во Пензенск.гос. ун-та,1998.-180с.

43. Патент №50-10517(Япония). Способ анализа на вла-госодержание./ Изобретения за рубежом. Техника испытаний и измерений.1975. №2.с.105.

44. Патент №824900(ВНР). Устройство для измерения влажности./ Б. Балог, Ж. Фабиан.- Опубл. БИ.1985. №15.

45. Радиотехнические цепи и сигналы: Учеб. пособие для вузов / Под ред. К. А. Самойло. М. : Радио и связь, 1982.-525с.

46. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. М.: Радио и связь, 1986-512с.

47. Теумин И. П. Справочник по переходным электрическим процессам. М.:'ГИОЛВРС, 1951.-509с.

48. Тетельбаум И.M.}; Шнейдер Ю.Р. Практика аналогового моделирования динамических систем: Справочное пособие. М. : Энергоатомиздат, 1987.-384с.

49. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. J1.: Энергия ЛО, 1987.-384с.

50. Остапенко А.Г. Анализ и синтез линейных и радиоэлектронных схем с помощью графов : Аналоговые и цифровые фильтры. М.: Радио и связь, 1985.-280с.

51. Гехер К. Теория чувствительности и допусков электронных цепей. М.: Мир, 1973.-200с.

52. Куликов C.B. Синтез и анализ импульсных измерительных преобразователей информационно-измерительных систем. М.: Энергоатомиздат, 1982.-360с.

53. Шляндин В.М. Цифровые измерительные устройства: Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1981.-335с.

54. Машошин П.В., Рябов В.Ф. АЦП для влагомеров сыпучих веществ // Приборы и системы управления. 1988. №2.

55. Шахов Э.К. Методы построения интегрирующих АЦП: Учебное пособие. Пенза: ППИ, 1984.-92с.

56. Темников Ф.Е. Методы и модели развертывающих систем. М.: Энергоатомиздат, 1987.-136с.

57. A.c. 1377704 (СССР). Емкостной влагомер зерна / Машошин П.В., Рябов В.Ф., Джапаридзе Т.Д., Шаламберидзе Э.Д. и Месхидзе Р.Н'. // Открытия. Изобретения. 1988. №2.

58. A.c. 1140028 (СССР). Преобразователь параметров контактного емкостного датчика / Мартяшин А.И., Машошин П.В., Рябов В.Ф. // Открытия. 'Изобретения,. 1985. №6.

59. Машошин П.В., Чураков П. П. Применение микрокаль-куляторных БИС в приборах для измерения парметров электрических цепей // Материалы 2-ой Всесоюзной конференции «Методы и средства аналого-цифрового преобразования параметров сигналов и цепей». М.: 1981.

60. A.c. 898343 (СССР). Измеритель индуктивности катушек / Мартяшин А.И., Машошин П.В., Светлов A.B., Чайковский В.М., Чураков П. П. // Открытия. Изобретения. 1982. №22.

61. Машошин П.В. Многопараметрический емкостной преобразователь для автоматизации исследования электрофизических свойств веществ / / Материалы Седьмого Всесоюзногосимпозиума «Проблемы автоматизации в прочностном эксперименте». Новосибирск, 1989.

62. A.c. 1242801 (СССР). Аналого-цифровой преобразователь парамеров диэлькометрического датчика / Мартяшин

63. A.И., Машошин П.В., Рябов В.Ф., Работкин Ю.В., Мамбиш И.-. С. Е., Кормаков B.C. // Открытия. Изобретения. 1986. №25.

64. Кустов О.В., Лундин В.З. Операционные усилители в линейных цепях. М.: Связь, 1978.-144с.

65. Справочник по расчету ARC схем / Под ред. A.A. Ланне. - М.: Радио и связь, 1984.-386с.

66. A.c. 951132 (СССР). Преобразователь параметровдатчиков в аналоговый сигнал / Багайдин И.А., Кулапинi

67. B.И., Мартяшин А.И., Рябов В.Ф. // .Открытия. Изобретения.1982. №30. 1f i

68. Пейтон А.Дж., Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях. М.: Вином, 1994.-352с.

69. Тимонтеев В.Н., Величко Л.М., Ткаченко В.А. Аналоговые перемножители сигналов. М.: Радио и связь, 1982.-112с.

70. Мартяшин А.И., Шахов Э.К., Шляндин В.М. Преобразователи параметров для систем контроля и измерения. М.: Энергия, 1976.-192с.74., Цифровые и аналоговые микросхемы: Справочник / Под ред. C.B. Якубовского. М. : Радио и связь, 1990.-496с.

71. Интегральные схемы: Операционные усилители. Том 1. М.: Физматлит, 1993.-240с.

72. Достал И. Операционные усилители: Пер. с англ. -М.: Мир, 1982.-512с.

73. Крюков М.А., Машошин П.В., Чураков П. П. Оценка погрешности измерительной схемы емкостных влагомеров

74. Материалы МНТК «Измерения-2000».-Пенза, изд-во ПензГУ, 2000,-с. 47-49.

75. Машошин П. В. Анализ погрешностей измерительных схем АЦП параметров емкостных датчиков // Межвуз. сборник науч. тр. «Цифровая информационно-измерительная техника» -Пенза: ППИ, 1989.-с.63-66.

76. Комплексные исследования электрофизических свойств зерна основных сортов пшеницы различных почвенно-климатических зон произрастания / Отчет о НИР по теме 8.01.74. М.: ВНИИЗ, 1976.

77. Влагомер зерна и продуктов его переработки повышенной точности / Отчет о НИР по теме 18.01.01 (1.71) М.: ВНИИЗ, 1984. 1 > %

78. Машошин П.В., Рябов В.Ф. Диэлькометрический влагомер зерна / Информ. листок №252/87. Пенза: ПЦНТИ, 1987. ;

79. Орнатский П.П. Теоретические основы информационно-измерительной техники.-Киев: Вища школа,1976.-432с.

80. Чураков П. П. Выбор операционного усилителя для амплитудного преобразователя параметров электрических цепей.// Информационно-измерительная техника: Межвуз.сб. на-учн.тр.- Пенза: Изд-во Пенз.гос.ун-та,2000.- Вып.22.

81. Дубовой Н.Д. Автоматические многофункциональные измерительные преобразователи.-М: Радио и связь,1989.-256с.

82. А.С.1564569(СССР). Преобразователь емкостных параметров двухполюсника в интервал времени./ Акимов Д.Л., Машошин П.В., Никишин C.B. // Открытия. Изобретения. 1990, №18.

83. Машошин П.В., Чураков П. П. Преобразователь для емкостных влагомеров. //Методы и ¿редства измерений физических величин.: 2-я Всеросийская научно-техн.конф.-Нижний Новгород: ННГТУ, 1997.4.1.с.3.

84. Машошин П.В.,Чураков В.П., Щербаков М.Ю. Преобразователь параметров емкостного датчика для диалькометриче-ских влагомеров.-датчики и системы, 2003, №1,-с.

85. А.С.1547063(СССР). Аналого-цифровой преобразователь параметров диэлькометрического датчика./Акимов Д.Л., Машошин П.В., Никишин C.B.// Открытия. Изобретения. 1990, ÈQ .

86. Машошин П.В.,Чураков В.П. Преобразователь для устройств измерения влажности сыпучих веществ.// Материалы Международной научно-техн. конф. «Методы и средства преобразования и обработки аналоговой информации». Ульяновск: УлГТУ, 1999.-с.45-46.

87. Машошин П.В., Чураков В.П. Устройство для измерения влажности // Материалы Международной научно-техн. конф. «Методы и средства измерения в системах контроля и измерения». Пенза: Пенз.ГУ, 1999.-с.39-40.