Исследование и выбор методов повышения точности измерения влагосодержания светлых нефтепродуктов, страница 7

1.5.4.3 Уравнение преобразования измерительно-компенсационного моста

С учетом (1.11), (1.13) и (1.18) можно записать:

                                                                                                       

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         (1.19)

Произведя несложные преобразования, получаем зависимость выходного напряжения моста от влагосодержания.

                                                                                              (1.20)

Эта зависимость не включает в себя значение начальной диэлектрической проницаемости нефтепродукта, таким образом, результат измерения не зависит от сорта нефтепродукта и прибор не требует предварительной градуировки при смене нефтепродукта.

Из уравнения (1.20) видно, что включение емкостей датчиков в такой измерительно-компенсационный мост дает нелинейную характеристику преобразования, что является недостатком. Но используя алгоритмический метод повышения влажности, можно исключить погрешность нелинейности. Для этого в память контроллера записывается таблица значений кодов напряжений, поступающих с аналоговой части схемы, и соответствующих этим напряжениям значения влагосодержания с дискретностью, определяемой заданной погрешностью (0,001%). При поступлении сигнала на микроконтроллер аналого-цифровой преобразоваетль, встроенный в него, будет преобразовывать в код, а арифметико-логическое устройство находить в память такое же значение и соответствующий ему код влагосодержания. Затем этот код будет записываться в выходной регистр порта вывода на отсчетное устройство.

     1.5.5 Расчет электрической схемы

     1.5.5.1 Генератор периодического прямоугольного напряжения служит для управления коммутатором и фазочувствительным детектором. Генератор состоит из мультивибратора, задающего частоту в 20 кГц и последовательно соединенного с ним триггера (микросхема К155ТВ1). Триггер, имеющий только два устойчивых состояния, обеспечивает скважность импульсов генератора, равную двум. Фактически триггер является делителем частоты на два, поэтому выходной сигнал этого триггера будет иметь частоту 10 кГц.

     Мультивибратор собран на трех логических элементах И-НЕ на основе микросхемы К561ЛН2 (рис.1.6)

     Для расчета номиналов резистора и конденсатора необходимо воспользоваться формулой

                                                                                                                           (1.21)

Рис.1.6

      Итак, можно получить соотношение между значениями сопротивления резистора и емкости конденсатора:

     1.5.5.2 Усилитель сигнала неравновесия, предназначенный для усиления напряжения неравновесия, состоит из усилительного каскада на операционном усилителе (микросхема 140УД17), включенном по схеме неинвертирующего усилителя. На входе усилительного каскада включен конденсатор С1, необходимость этого можно объяснить следующим. Прямоугольное напряжение, подаваемое на конденсаторы датчика, содержит широкий спектр частот, начиная с основной гармоники-частоты коммутации. Для неискаженной передачи такого напряжения на детектор (по крайней мере, без потери информации о направлении уравновешивания) необходима достаточная широкополосность тракта. Главным для этого является выполнение требования, чтобы вплоть до нижней частоты спектра, т.е. частоты коммутации, входное сопротивление усилителя имело емкостные характер, для этого необходимо искусственно повышать входную емкость.

   

Рис.1.7

     Для обеспечения нормальной работы детектора и интегратора напряжение неравновесия должно усиливаться в 100 раз. Зная коэффициент усиления, можно рассчитать значения сопротивлений R1 и R2, пользуясь формулой (1.22):

                                                                                                           (1.22)

      1.5.5.3 Двухполупериодный фазочувствительный детектор служит для выпрямления усиленного сигнала неравновесия, поступающего на его вход с выхода усилителя. Особенностью фазочувствительного детектора является то, что постоянная составляющая на его выходе может иметь отрицательную или положительную полярность в зависимости от того, какой знак разности токов, протекающих по конденсаторам датчиков. Таким образом, детектор определяет направление уравновешивания. Принцип его действия заключается в умножении сигнала неравновесия на прямоугольный сигнал, управляющий работой коммутатора.

     Фазочувствительный детектор состоит из инвертора (элементы DA5, R16 и R22), двух разделительных RC-цепочек, необходимых для выделения переменных составляющих и ключевого узла (микросхема 590КН4), пропускающего поочередно токи, протекающие через резисторы R23, R26. Инвертор представляет собой инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления, равным единице, поэтому:

  

Рис.1.8

     1.5.5.4 Интегратор (рисунок 1.9) под действием сигнала с выхода фазочувствительного детектора изменяет свое выходное напряжение, являющееся сигналом обратной связи и одновременно выходным сигналом моста, до достижения равенства токов через измерительные емкости. Интегратор выполнен на базе операционного усилителя (140УД17).

     Постоянная времени должна выбираться из компромиссных соображений: с одной стороны, она должна быть достаточной для подавления пульсаций выходного напряжения на частоте коммутации, с другой- не слишком большой, чтобы не ухудшать динамические свойства компенсационно-измерительного моста [11].

     Отклонение реальной переходной характеристики от идеальной сказывается особенно сильно в начальный момент интегрирования (из-за конечного значения быстродействия операционного усилителя) и в области больших значений времени (из-за конечного значения коэффициента усиления операционного усилителя). Наибольшая точность интегрирования достигается, когда время интегрирования t_и«k_uRC [12]. Исходя из выше сказанного, время ин-