A method to estimate the impact of instability of communication lines and secondary transformation circuits on the precision of pressure measurement systems

Abstract

A method to estimate the impact of instability of communication lines and secondary transformation circuits on the precision characteristics of pressure measuring systems for high-temperature liquids and gases with primary capacitance transformation is discussed.

Full Text

Агрессивность и высокая температура контролируемых в энергетике жидких и газовых сред порождает ряд сложных научно-технических проблем, одна из которых – создание надежных высокочувствительных средств теплотехнического контроля объектов, требующих повышенной термической напряженности [1]. Современные тенденции развития первичных преобразователей (ПП), способных работать в жестких условиях, предполагают использование сенсорных систем на основе технологии микро- и наноэлектромеханических систем (МЭМС и НЭМС) [2, 3]. Указанные сенсорные системы на кремниевой и карбид-кремниевой основе возникли как технологии, объединяющие механические конструкции ПП микро- и наноуровня с микроэлектроникой средств вторичного преобразования (ВП) в одном устройстве. Однако такое объединение ПП со средствами ВП в одном устройстве в условиях агрессивной среды и высоких температур не позволяет на сегодняшний день избежать множества трудностей и проблем, которые необходимо преодолеть, прежде чем эти системы станут пригодными для массового применения [2]. В этой связи большой интерес по-прежнему представляет использование предельно простых конструкций ПП (например емкостных), способных работать в условиях агрессивной среды и высоких температур. При этом автогенераторная схема ВП измерительной системы давления (ИСД), например жидкого теплоносителя, представляет собой выносной блок, удаленный от ПП на метров. В связи с непрерывным ростом применения частотных измерительных систем возросло значение емкостных ПП с резонаторным чувствительным элементом (например емкостных струнных первичных преобразователей) [4]. При этом из всех возможных способов возбуждения и приема колебаний струны наиболее соответствует специфическим условиям измерения давления теплоносителя емкостный электростатический способ с фазовым методом измерения изменений емкости электростатического струнного преобразователя (ЭСП) [5]. В указанных ИСД актуальным является анализ влияния нестабильности линий связи, соединяющих ЭСП с автогенераторными средствами ВП, а также влияния нестабильности схем ВП на точностные характеристики ИСД. Анализ сводится к анализу взаимодействия струны ЭСП с электростатическим полем ее «раскачки». При анализе сделаны следующие допущения: – масса струны ЭСП рассматривается как сосредоточенная в центре струны масса ; – механическая модель струны представлена на рис. 1 в виде шара (1) малого диаметра, связанного с расположенными горизонтально пружинами (2) и (3); – масса шара (1) сосредоточена в его центре; – колебания шара вдоль оси абсцисс – незатухающие. Рис. 1. Механическая модель струны ЭСП Кинетическая энергия струны с массой за половину периода колебаний может быть определена как где – вектор скорости ЭСП; – вектор силы, действующий на струну. Влияние составляющих , силы электростатического поля «раскачки» струны ЭСП на частоту сигнала на выходе схем ВП удобно представить как изменения эквивалентной массы струны. Выражение для этого определения эквивалентной массы струны имеет вид где – амплитудное значение скорости струны; – сила, возвращающая струну при ее отклонении от среднего положения (см. рис. 1). Векторные диаграммы сил, действующих на струну, приведены на рис. 2, и рис. 2,. Относительное изменение массы струны ЭСП, вызванное взаимодействием струны с электростатическими силами «раскачки», имеет вид (1) где – добротность струны; – фазовый сдвиг между и . Рис. 2. Диаграмма сил, действующих на струну ЭСП Тогда относительное изменение частоты на выходе схем ВП и относительная погрешность измерения давления жидкого теплоносителя, вызванные взаимодействием струны ЭСП с силами электростатической «раскачки», могут быть определены из соотношений: ; где – измеряемое давление, – абсолютное изменение давления. Как следует из (1), относительное изменение массы струны может быть положительным или отрицательным при или , значит, и частота сигнала на выходе схем ВП может быть меньше или больше частоты собственных поперечных колебаний струны ЭСП. При появляется составляющая силы , совпадающая по направлению с силой (или направленная в противоположенную сторону), т. е. увеличивающая или уменьшающая силу реакции струны при ее отклонении от среднего положения (см. рис. 1). К числу причин, вызывающих появление угла сдвига фаз , можно отнести: – неточность настройки схем фазового корректора [5]; – изменение геометрических размеров струны ЭСП (из-за изменения, например, температуры среды, окружающей ЭСП); – изменение постоянных времени цепей, входящих в состав канала электростатического возбуждения колебаний струны ЭСП (из-за старения компонентов схемы канала или из-за изменения температуры среды, окружающей ВП). Для исследования допустимых пределов изменения параметров линий связи, соединяющих ЭСП со средствами ВП ИСД, может быть использована схема, приведенная на рис. 3, где обозначены: ЭСП – емкостный электростатический струнный преобразователь , при возбуждении струны на резонансной частоте); ВП – автогенераторная схема вторичного преобразователя; – кабель радиочастотный (емкость кабеля ); – резистор переменный; – конденсатор переменной емкости; – вольтметр универсальный, класс 2.5; – частотомер. Рис. 3. Схема установки для исследования допустимых пределов изменения параметров линии связи Рис. 4. Кривая зависимости относительного напряжения на выходе ВП ИСД от изменения емкости кабеля Автогенераторная схема ВП ИСД с фазовым методом измерения емкости ЭСП [5] показала устойчивую работу при изменении в пределах от до и при изменении емкости конденсатора в пределах от до (изменением емкости конденсатора в пределах от 0 до имитировалось снижение емкости кабеля). На рис. 4 и рис. 5 представлены зависимости: где – напряжение на выходе ВП ИСД при – напряжение на выходе ВП ИСД при Рис. 5. Кривая зависимости напряжения на выходе ВП ИСД от изменения сопротивления изоляции кабеля При изменении емкости конденсатора в указанных пределах изменение частоты на выходе схем ВП не превышало от среднего значения частоты на выходе ВП ИСД. Исследования проводились в диапазоне рабочих частот ЭСП от 400 до 1500 Гц. В результате проведенного анализа влияния нестабильности параметров линий связи и схем вторичного преобразователя на работу измерительного канала ИСД установлено: – отклонение частоты на выходе схем ВП ИСД от частоты собственных колебаний струны ЭСП возможно за счет сдвига фаз между силой электростатической «раскачки» струны и ее составляющей , опережающей силу реакции струны ЭСП или отстающей от нее; – относительная погрешность измерения давления жидкого теплоносителя (вызванная взаимодействием струны ЭСП с силами электростатической «раскачки» струны) может быть снижена путем уменьшения величины сдвига фаз или повышения добротности струны ЭСП; – проведенные исследования допустимых пределов изменения активного и реактивного сопротивлений линии связи (кабеля), соединяющей ЭСП со схемами ВП ИСД, показали, что работоспособность схем ВП не ухудшается при изменении емкости и сопротивления изоляции кабеля в широких приделах (от до ; в приделах от до ).