Analyzing the error of the implementation ofthe method for determiningseparately the parameters of a capacitive displacement sensor due to the non-ideal measuring circuit

Abstract


This paper discusses a new method of measuring capacitive sensors parameters by the transientsinstantaneous values inthe sections of a measuring circuit comprising two model elements. In contrast to the known methods based on the determination of thecapacity of the individualtransients instantaneous values, the implementation of the method provides a separate determination of both the capacity and insulation resistance of a capacitive sensor and the resistance of the conductor connectingthe sensor to the measuring circuit. It improves the accuracy of the information parameter measurement. A block diagram of the measurement tool which implements the method is offered. The results of the analysis of theinfluence of thetransients instantaneous - values quantization on the capacity determinationerror are presented. Using the results obtained, it is possible to make the optimal choice of blocks in accordance with the requirements for measurement accuracy.

Full Text

Определение параметров емкостных датчиков положения и перемещения (ЕДПП) по отдельным мгновенным значениям переходного процесса в измерительной цепи, в состав которой входит датчик (ИЦД), при подключении к ней напряжения постоянного тока имеет целый ряд преимуществ по сравнению с методами определения параметров с преобразованием во временной интервал с последующим его измерением [1]. Во-первых, в таких методах время измерения не зависит от постоянной времени ИЦД t, и, следовательно, определяется только временем измерения мгновенных значений переходного процесса и реализации алгоритма обработки измеренных значений. Во-вторых, исключается погрешность, обусловленная измерением длительности временного интервала [2]. При формировании двух и более переходных процессов на участках ИЦД можно обеспечить дальнейшее сокращение времени измерения [3]. ЕДПП в общем случае имеет сложную схему замещения, включающую в себя как информативный параметр (емкость), так и целый ряд неинформативных параметров (сопротивление соединительных проводников, эквивалентное сопротивление, обусловленное потерями в изолирующем диэлектрике и сквозными токами утечки, и т. д.). Очевидно, что учет многоэлементной схемы датчика за счет использования неинформативных параметров может существенно повысить точность определения емкости [4]. В [5] авторами предложен метод, который обеспечивает раздельное определение емкости, сопротивлений соединительного проводника и изоляции. Метод заключается в том, что на измерительную цепь, состоящую из последовательно включенных первого и второго образцовых резисторов с сопротивлением R0, ЕДПП, имеющего емкость CX, сопротивления соединительного проводника RX1 и сопротивления изоляции RХ2, подают напряжение постоянного тока U0; через образцовый интервал времени одновременно измеряют мгновенные значения напряжений на участке цепи, содержащем второй образцовый резистор и емкостной датчик, и ЕДПП относительно общего вывода ИЦД; через образцовый интервал времени повторно измеряют мгновенное значение напряжения на том же участке цепи относительно общего вывода; через такой же интервал времени измеряют мгновенное значение напряжения на том же участке цепи относительно общего вывода и определяют неизвестные CX, RX1 и RХ2 по измеренным значениям. На рис. 1 представлены временные диаграммы, поясняющие метод. Рис. 1. Временные диаграммы, характеризующие метод При подключении напряжения U0 к измерительной цепи переходные процессы на участке цепи, содержащем второй образцовый резистор и ЕДПП, и на емкостном датчике относительно общего вывода ИЦД имеют следующий вид: ; ; где . Мгновенные значения напряжений на соответствующих участках ИЦД в моменты времени t1 , t2 и t3 будут равны: ; ; ; . Используя данные мгновенные значения напряжений после преобразований, можно определить неизвестные сопротивления соединительного проводника и изоляции и емкость ЕДПП: ; (1) ; (2) . (3) Использование значений сопротивлений RХ1 и RХ2, полученных согласно (1) и (2), для определения емкости ЕДПП в соответствии с выражением (3) обеспечивает увеличение точности измерения . Один из вариантов функциональной схемы измерительного средства (ИС), с помощью которого может быть реализован данный метод, приведен на рис. 2. ИС содержит: источник опорного напряжения постоянного тока ИН; аналоговый ключ КЛ; измерительную цепь ИЦ; два аналого-цифровых преобразователя АЦП1 и АЦП2 и контроллер КНТ с шинами управления ШУ и данных ШД. При реализации исследуемого метода определения параметров ЕДПП используется преобразование мгновенных значений переходных процессов в код. Использование в цифровых ИС квантования по уровню неизбежно приводит к погрешности, которая оказывает влияние на результат определения параметров. Рис. 2. Функциональная схема ИС, реализующего метод Для анализа влияния квантования на погрешность определения емкости может быть использована известная методика, которая заключается в том, что точность результата определения информативного параметра можно оценить погрешностью вычисления значения функции, аргументы которой заданы приближенно и соответствуют погрешностям квантования мгновенных значений сигнала [6]. Если считать, что мгновенные значения напряжений , , и измеряются с погрешностью преобразования АЦП и абсолютные погрешности измерения равны ΔU11=ΔU12=ΔU13=ΔU=U0/2n (где n - разрядность АЦП), то абсолютная погрешность определения согласно (3) с учетом погрешности квантования АЦП будет равна . (4) Используя выражения (3) и (4), можно определить предельную относительную погрешность измерения емкости ЕДПП: . (5) Анализ выражения (5) показывает, что погрешность зависит от разрядности АЦП, образцового интервала времени , постоянной времени ИЦД τ, сопротивления образцового резистора , сопротивления соединительного проводника RX1 и сопротивления изоляции датчика . На рис. 3 и 4 представлены графики зависимости погрешности от отношения образцового интервала времени к постоянной времени ИЦД τ и отношения сопротивления изоляции датчика к сопротивлению образцового резистора при и соответственно согласно выражению (5). Рис. 3. Графики зависимости погрешности определения емкости от и при Анализ рис. 3 и 4 показывает, что погрешность существенно зависит от и с увеличением данного отношения уменьшается. Кроме того, определяется отношением . Однако при погрешность практически не изменяется. Зависимость погрешности от отношения незначительна, и при достаточно малых значениях сопротивления соединительных проводников ее можно не принимать во внимание. Рис. 4. Графики зависимости погрешности определения емкости от и при Полученные результаты обеспечивают возможность оптимального выбора блоков в соответствии с требованиями по точности измерения.

About the authors

Vladimir S Melent’ev

Samara State Technical University

Email: vs_mel@mail.ru
244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation
(Dr. Sci. (Techn.)), Professor

Ksenia D Levina

Samara State Technical University

244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation
Postgraduate Student

Ekaterina A Susova

Samara State Technical University

244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation
Postgraduate Student

References

  1. Батищев В.И., Мелентьев В.С. Измерение параметров емкостных датчиков положения и перемещения. - М.: Машиностроение-1, 2005. - 124 с.
  2. Мелентьев В.С., Батищев В.И. Аппроксимационные методы и средства измерения и контроля параметров двухполюсных электрических цепей. - М.: Физматлит, 2012. - 200 c.
  3. Мелентьев В.С. Новое в измерениях параметров емкостных датчиков по мгновенным значениям переходных процессов // Датчики и системы. - 2010. - № 2. - С. 26-29.
  4. Мелентьев В.С., Батищев В.И., Смолина А.М., Евстифеева Т.С. Повышение точности измерения параметров емкостных датчиков перемещения // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2013. - № 6. - С. 36-38.
  5. Мелентьев В.С. Методы повышения точности измерения параметров емкостных датчиков // Измерительная техника. - 2014. - № 7. - С. 45-47.
  6. Мелентьев В.С., Евстифеева Т.С., Левина К.Д. Оценка погрешности реализации метода раздельного определения параметров емкостных датчиков // Южно-Сибирский научный вестник. - 2014. - № 2(6). - С. 29-31.

Statistics

Views

Abstract - 29

PDF (Russian) - 9

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Dimensions

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2015 Samara State Technical University

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies