H enryk U R Z Ę D N IC Z O K
W P Ł Y W P A R A M E T R Ó W T O R U T R A N S M IS JI S Y G N A Ł U C Z Ę S T O T L IW O Ś C IO W E G O
N A D O K Ł A D N O Ś Ć P R Z E T W O R N IK Ó W „ P A R A M E T R /O K R E S ”
Streszczenie. W artykule opisano wpływ toru transmisji częstotliw ościow ego sygnału wyjściowego z przetwornika pomiarowego typu „param etr-okres sygnału w yjściow ego”
na dokładność przetwarzania w całym torze pom iarow ym . O pisano konstrukcję układu w y jścio w eg o takiego przetw ornika zapew niającą minim alizację tego w pływ u — u zy sk an o ok. 20-krotne zmniejszenie dodatkow ej niepew ności w ynikającej z wypływu rodzaju, długości i ułożenia zastosow anego kabla.
T H E IN F L U E N C E O F T H E O U T P U T S IG N A L T R A N S M IS IO N S Y S T E M O N T H E A C C U R A C Y O F " P A R A M E T E R -T O -P E R IO D " M E A S U R IN G C O N V E R T E R S
S u m m a r y . T he influence o f param eters o f the signal transm ission system on the accuracy o f the w hole measuring circuit with ,,param eter-to-period„ co n v erter has been d escrib ed in th e paper. An optimal structure o f output circuit fo r o n e o f this type c o n v e rte r, designed for minimization o f additional errors caused by type, length and location o f the applied cable has been presented. T he optim al structure m akes it possible to red u ce the additional errors about 20 times.
1. W PR O W A D Z E N IE
S y g n ały częstotliw ościow e [1] w ykazują liczne zalety predystynujące je do w ykorzystania w to ra c h pom iarow ych, główmie w miernictwie przem ysłow ym i autom atycznych system ach pomiarow ych. Znane są liczne układy przetw orników w artości param etru czujnika pom iarow ego (R ,L ,C ) n a sygnał częstotliw ościow y [2], m ożliw a jest rów nież optym alizacja konstrukcji tych u kładów ze w zględu na dokładność przetwarzania (liniowość, stabilność czasow ą, tem p eratu ro w ą itp .) [3, 4, 5, 6], Z e w zględu na stosunkow o prostą konstrukcję istnieje m ożliw ość integracji
76 H. Urzędniczok
u k ła d u elektrycznego przetw ornika z samym czujnikiem [np.7]. R ów nież m etody pom iaru w ielkości w yjściow ej tego typu przetw orników , tj. okresu lub częstotliw ości1 sygnału w yjścio
w ego, zapew niają uzyskanie dużych dokładności, a przy odpowiedniej konstrukcji dalszej części to ru pom iarow ego, m ożliw e jest rów nież uzyskanie dobrych właściwości dynam icznych [8], B ard zo d u ża je st tak że odporność na zakłócenia.
W u k ła d a c h pom iarow ych z wyjściowym sygnałem częstotliw ościow ym do pom iarów w ielkości nieelektrycznych stosow ane są czujniki param etryczne i układy gen erato ró w elektro
nicznych lub autom atyczne mostki rów now ażone przez zmianę częstotliwości. Przy pom iarach w ielkości elektrycznych stosow ane są liczne odmiany przetw orników typu U/f.
Schem at blokow y typow ego toru pomiarowego z sygnałem częstotliw ościow ym p okazano na ry s .l.
Rys. 1. T o r pom iarow y z sygnałem częstotliościowym na wyjściu przetw ornika Fig. 1. T h e m easuring circuit w ith frequency output converter
W u k ład zie tym w ielkość m ierzona X zmienia w artość param etru czujnika w łączonego w u k ład g en erato ra elektronicznego. M iarą X ^ wielkości mierzonej jest w artość okresu lub częstotliw ości sygnału m ierzona na wyjściu toru transmisji. N a końcow ą niepew ność w yniku odw zorow ania X - X** składają się błędy powstające w każdym z ogniw teg o toru pom iarow ego, w tym błędy w ynikające z w pływ u toru transmisji sygnału częstotliw ościow ego.
W pracy o m ów ione są w ybrane zagadnienia dotyczące minimalizacji w pływ u to ru transmisji sygnałów częstotliwościowych na dokładność przetwarzania w torze pom iarow ym . Przedstaw iony jest rów nież sposób minimalizacji dodatkowej składowej niepewności końcow ego w yniku pom iaru (X **) op raco w an y dla pew nej klasy przetw orników generacyjnych typu p/T - m ultiw ibratorów ze stałonapięciow ym przeładow aniem pojemności.
1) O tym , czy o kres czy częstotliw ość jest traktow ana jako wielkość w yjściow a, decydują najczęściej względy praktyczne,np. liniowość (nom inalna) charakterystyki statycznej, a także w ym agania dotyczące w łaściwości dynamicznych [8].
2. W P Ł Y W P A R A M E T R Ó W TO RU TRA N SM ISJI SY G N A ŁU N A D O K Ł A D N O Ś Ć P R Z E T W A R Z A N IA
R ozw ażając w pływ param etrów toru transmisji sygnału częstotliw ościow ego na dokładność pom iaru należy w ziąć pod uw agę następujące zjawiska:
• w ystępow anie zew nętrznych zakłóceń sygnału,
• w pływ obciążenia wyjścia przetw ornika p/T, (p /f lub u/f) przez w ejście teg o toru,
• w pływ obciążenia wyjścia toru przez wejście układu pom iaru okresu (częstotliw ości).
Z agadnienia dotyczące eliminacji zakłóceń są dobrze opracow ane [np. 10] i nie b ędą przed
m iotem rozw ażań. W ielkość m ierzona jest w tym przypadku odw zorow ana przez częstotliw ość sygnału p rzenoszonego w torze transmisji, co dodatkow o podnosi odporność na zakłócenia (w stosunku do przypadku odw zorow ania mierzonej wielkości przez am plitudę). C zęsto sto
s o w a n a m eto d a eliminacji zakłóceń przypadkow ych, to uśrednianie poprzez zliczanie znacznej liczby okresów sygnału. Jest ona naturalna przy pom iarze częstotliwości, d ogodna jed n ak ż e tylko przy pom iarach statycznych [8],
O b ciążen ie wyjścia przetw ornika p/T przez wejście toru transmisji sygnału w pływ a na realizowane przez ten przetw ornik odw zorow anie w artości param etru czujnika na okres sygnału wyjściowego. P rzykładow o dla przetw orników generacyjnych m oże nastąpić zm iana w arunków generacji [9], O w ielkości obciążenia wyjścia przetw ornika decydują następujące czynniki:
• w artości częstotliw ości transm itow anego sygnału - a zatem pośrednio w artość w ielkości m ierzonej odw zorow yw ana przez częstotliwość,
• param etry przew odu połączeniow ego (pojem ność i upływ ność pom iędzy żyłam i, rezystancja i indukcyjność w łasna żył),
• param etry układu w ejściow ego końcow ego ogniw a toru pom iarow ego (okresom ierza),
• k o n stru k c ja układu elektrycznego przetw ornika (w tym także sposób m ontażu, rozm ie
szczenie elem entów ).
Należy zauważyć, że rozpatryw anie wyżej wymienionych czynników pow inno się prow adzić łącznie, poniew aż zachodzi powiązanie pom iędzy nimi, np. im pedancja w ejściow a toru transm isji w ogólnym przypadku zależy od rodzaju przewodu, częstotliwości oraz od p aram etrów obciążenia te g o to ru . Istotne znaczenie m a kształt sygnału wyjściowego (jego w idm o częstotliw ościow e, sz y b k o ść narastania i opadania itp ). W niektórych sytuacjach (np. duże częstotliw ości sygnału wyjściowego lub znaczna długość toru transmisji sygnału) należy uw zględniać ró w n ież zjaw iska falow e (do p aso w an ie falow e zarów no na wyjściu jak i na wejściu toru transmisji). Praktycznie ro z w a ż a n ie w pływ u toru transmisji sygnału jest możliwe w konkretnych przypadkach, dla o k reślo n eg o typu przetw orników p /f (p/T), określonych rodzajów połączenia i określonych p aram etró w obw o d u w ejściow ego układu do pomiaru częstotliwości.
78 H. Urzędniczok
W praktyce przy konstruow aniu przetw orników z wyjściem częstotliw ościow ym o zakresie zm ian częstotliw ości czy też o kształcie sygnału wyjściowego decydują czynniki w w iększym stopniu w pływające na w łaściw ości m etrologiczne całego toru pom iarow ego niż param etry toru transm isji. C zynnikam i tymi są np. zakres zmienności param etru czujnika, uzyskanie dobrych w łaściw ości tem peraturow ych, liniowości przetwarzania, prostota układu pozw alająca na je g o integrację z czujnikiem itp. P o spełnieniu tego rodzaju ograniczeń i w ytypow aniu optym alnego w danej sytuacji układu elektrycznego przetwornika p /f (p/T) w skazane m oże być uw zględnienie czynników , a przez to minimalizacja wpływ u toru transmisji sygnału wyjściowego.
3. PR Z Y K Ł A D K O N STR U K C JI U K ŁA D U W Y JŚCIO W EG O M IN IM A L IZ U JĄ C E J W P Ł Y W P A R A M E T R Ó W TO RU TRA N SM ISJI SY GN AŁU
W yniki badań pew nej klasy układów przetw orników p/T, badanych pod kątem ich przydatności do w spółpracy z czujnikami pojemnościowymi lub rezystancyjnymi przedstaw ione w p racy [3], w skazują na to, że najkorzystniejsze właściwości m etrologiczne m a układ multiwibratora ze stałonapięciowym przeładowywaniem kondensatora. Schem at blokow y takiego układ u p okazano na rys. 2.
Rys. 2. U kład m ultiw ibratora jak o przetw ornik p/T Fig. 2. A m ultivibrator as a „param eter-to-period” converter
W układzie tym następuje przeładow yw anie kondensatora C, od napięcia Up do U k, p o przez rezy stan cje R , przy rozładow yw aniu lub R.+R* przy rozładow yw aniu, przy zasilaniu ze źró d ła 0 stałym napięciu U „. O kres sygnału w yjściowego jest w prost proporcjonalny do pojem ności C 1 rezystancji R,, a zatem każdy z tych elem entów może być wykorzystany jak o czujnik. M ożliw e
jest też uzyskanie przetw ornika m nożącego przy jednoczesnym w ykorzystaniu dw u czujników : p ojem nościow ego o raz rezystancyjnego.
A nalogiczną strukturę m ultiwibratora realizuje monolityczny układ scalony typu N E 555, z tą różnicą, że stałe napięcia odniesienia dla ładowania i rozładowania (U p i U J uzyskuje się p o p rzez podział napięcia zasilania za pom ocą dzielnika rezystancyjnego. W ykorzystanie układu m onolitycznego popraw ia w łaściwości tem peraturow e. D odatkow o w układzie tym istnieje możliwość korekcji wpływu temperatury na charakterystykę przetwarzania p o przez w ykorzystanie w ejścia napięcia odniesienia [5].
W yjście przetw ornika p/T jest łączone z dalszą częścią toru pom iarow ego z a p o m o cą kabla d w u ży ło w eg o lub czterożyłow ego (w przypadku w ykorzystania m ożliw ości kom pensacji tem peraturow ej), tak ja k to pokazano na rys.3.
Rys. 3. P ołączenie przetw ornika p/T z dalszą częścią toru pom iarow ego Fig. 3. T h e connection o f p/T converter with next part o f measuring circuit
W trakcie badań właściwości statycznych tego typu przetworników stw ierdzono istotny w pływ rodzaju i długości to ru transmisji sygnału częstotliw ościow ego na dokładność przetw arzania.
W zastosow aniach praktycznych jest to znaczna niedogodność, ze w zględu na konieczność w zo rco w an ia przetw ornika łącznie z kablem przesyłającym sygnał wyjściowy do dalszej części toru pom iarowego. Zauważalny był również wpływ ułożenia kabla. T ego rodzaju efekt tru d n o jest
a)
przetw ornik p/T
b) przetw ornik p/T
+U, -U - napięcie zasilające, R lub/i C czujniki parametryczne, 3 - czujnik temperatury przetwornika
80 H. Urzędniczok
uw zględnić przy w zorcow aniu statycznym, w rezultacie jest on źródłem dodatkow ej składow ej niepew ności w yniku pomiaru.
U p ro sz c z o n y schem at zastępczy (w postaci elem entów skupionych) dla dw użyłow ego toru transmisji m ożna przedstawić w postaci jak na rys.4. Dla torów o większej liczbie żył analogiczny sch em at pow inien uw zględniać w iększą liczbę pojemności pom iędzy poszczególnym i żyłami.
W artości param etrów elem entów tego schem atu zależne są od długości stosow anego kabla.
R/2 L/2 L/2 R/2
0--- 1 ■ ./ Y Y Y ' ,
O
J
r 1
_ r r v v \ _ | ----1____o
ekran
R/2 L/2 -
1
.C o
■ L/2 R/2
° --- 1 L-- . z 'v ' W ' v . j |---o
Rys. 4. S chem at zastępczy dla toru transmisji w postaci kabla dw użyłow ego Fig. 4. T h e equivalent diagram o f the tw o-w ire cable as a transmission system
W badaniach stosowane były trzy rodzaje kabli łączących przetw ornik p/T z układem pom iaru okresu: YMPYekw4xO. 15, YMPYekw2x0.15 oraz YM PYekż4x0.15 [10] . S ą to kable o izo
lacji i pow łoce polwinitowej, przeznaczone do pracy w otoczeniu o tem peraturach - 25... + 60°C, przy w ilgotności w zględnej pow ietrza do 100%. D w a pierwsze posiadają w spólny ekran dla wszystkich żył, trzeci posiada osobno ekranow aną każdą z żył. Rezystancja żyły jest nie w iększa niż 0.16 H /m , pojem ność pom iędzy żyłami oraz żył do ekranu wynosi ok. 80... 100 pF/m (130 pF/m dla żył ekranow anych indywidualnie), a indukcyjności w łasne żył w ynoszą ok. 0.8 (iH/m.
R ezystancja izolacji osiąga bardzo duże w artości i została w rozw ażaniach pominięta.
S ygnał wyjściowy dla wyżej opisanego układu przetw ornika jest sygnałem prostokątnym 0 zakresie zmian częstotliwości ok. 15...50 kH z i o dużych strom ościach narastania zboczy (czas narastania rzędu 40ns). Postać sygnału o takich parametrach na wyjściu toru transmisji (o m odelu ja k na rys.4) jest zniekształcona. Zniekształcenie to m oże być przyczyną błędów pow stających w ostatniej części toru pom iarow ego. Znane są układy przetw orników p/T generujące do g o dniejszy do transmisji sygnał wyjściowy zbliżony do sinusoidy (generatory drgań harm onicznych) [6, 9], Charakteryzują się one ponadto dobrą stabilnością w czasie, lecz ich właściwości statyczne 1 dynamiczne są mniej korzystne — w szczególności charakterystyki przetw arzania są nom inalnie nieliniowe, co stwarza konieczność indywidualnego w zorcow ania w całym zakresie pom iarow ym i korekcji (np. program ow ej) błędów nieliniowości. W pływ param etrów toru transmisji sygnału wyjściowego na dokładność przetwarzania nie jest przez autorów wym ienionych prac om aw iany.
D rugą przyczyną błędów jest wpływ obciążenia wyjścia przetw ornika p/T w noszonego przez kabel. P ow oduje o n o zm ianę w arunków pracy przetwornika, a w efekcie zm ianę częstotliw ości gen ero w an eg o sygnału.
D la układu przetw ornika p/T jak na rys.2 badano w pływ w łączenia kabla do zacisków wyjściowych. Zm iany okresu m ierzonego na wyjściu kabla, spow odow ane jeg o dołączeniem do wjścia przetwornika, są porów nyw alne z błędam i nieliniowości i błędam i tem peraturow ym i tego sam ego przetw o rn ik a [3] i są na poziom ie ok. 0.05% zakresu. W pływ ten je s t po n ad to zm ienny w zależności od ułożenia kabla (prosty, zwinięty itp.).
Analiza przyczyn wpływu obciążenia wyjścia przetw ornika przez w ejście kabla na pracę tego p rzetw o rn ik a, a także na dokładność pom iaru okresu sygnału na wyjściu kabla, p ro w ad zo n a z u w zględnieniem uw ag podanych w pkt. 2, pozw oliła na sform ułow anie następujących w niosków :
1. G enerow any sygnał o strom ych zboczach m oże on zostać zniekształcony •— m o g ą pojaw ić się oscylacje n a wyjściu toru transmisji pow odujące błędy pom iaru okresu sygnału. D la uniknięcia tego efektu należy ograniczyć szybkość narastania sygnału na w yjściu przetw ornika, np. przez zastosow anie dodatkow o filtru dolnoprzepustow ego np. ja k na rys.5a. Innym sposobem m oże być uzyskanie dopasowania falowego, jest to jednakże tru d n e do popraw nego zrealizow ania, m. in. ze w zględu na zmiany param etrów kabla przy zm ianach je g o ułożenia (w yginanie, skręcanie).
a) b)
C/T n J^Cobc C/T i i Q "y Q)bc
C)
Rys. 5. Układy w yjściow e minimalizujące w pływ toru transmisji na dokładność przetw arzania Fig. 5. T h e o u tp u t circuits for minimization o f transmission system influence on the accuracy o f
convertion
82 H Urzędniczok
2. P o d c z a s zm iany poziom u sygnału wyjściowego na przeciwny następuje przeładow anie pojem ności pom iędzy żyłą sygnału wyjściowego i ekranem oraz dodatkow ych pojem ności w filtrze dolnoprzepustow ym . Dla zmniejszenia tego efektu m ożna zastosow ać dodatkow y rezystor szeregowy na wyjściu przetwornika (rys.Sb). W ydłuża to jednak procesy przejściow e w układzie wyjściowym multiwibratora. W trakcie stany przejściow ego następuje im pulsow e zw iększenie poboru prądu ze źródła zasilania, co jest przyczyną zakłóceń w artości napięcia zasilającego, ze w zględu na elem enty podłużne R i L schem atu zastępczego. P ow oduje to z kolei zmianę wartości napięć odniesienia na czas przeładowywania pojem ności kabla (U , i U k na rys.2), poniew aż w układzie NE555 wartości tych napięć ustalane są przez podział napięcia zasilania. Skrócenie czasu przeładow yw ania pozw ala na zm niejszenie pow stających błędów przetw arzania. M ożna to osiągnąć przez obniżenie impedancji wyjściowej przetw ornika p/T np. przez do d atk o w e zastosow anie w tórnika em iterow ego jak na rys.5c.
3. Z e w zg lęd u na znaczne pojem ności pomiędzy żyłami kabla zachodzi zjaw isko zakłócania napięcia zasilającego w chwilach zmiany poziomu sygnału wyjściowego. Jest to, podobnie jak opisano wyżej, przyczyną błędów przetw arzania w przetw orniku p/T. A nalogiczne zjaw isko dotyczy zakłócania wartości napięcia kompensującego zmiany tem peraturow e dla konfiguracji z rys. 3 — w czasie procesów przejściowych zakłócone napięcie kom pensujące pow oduje powstanie dodatkow ych błędów przetwarzania. Uniknięcie tego efektu m ożliw e je st jedynie przez zastosow anie indyw idualnego ekranow ania poszczególnych żył.
4 P O D S U M O W A N IE
W pływ param etrów toru transmisji sygnału częstotliw ościow ego zależny jest od konstrukcji u k ła d u w yjściow ego przetw ornika. Badania przeprow adzone dla przetw ornika p/T opartego o u k ład m ultiw ibratora generującego prostokątny sygnał wyjściowy pozw oliły na opracow anie układu w yjściow ego zapew niającego praktyczną eliminację tego wpływu.
Z astosow anie układu w yjściowego pokazanego na rys.5c przy jednoczesnym stosow aniu indyw idualnego ekranow ania żył kabla dało zadowalające efekty. Zm iana odczytyw anej częstotliw ości sygnału w yjściow ego przy zmianach długości (w granicach 1... 10 m ) i ułożenia kabla, a naw et po w prowadzeniu dodatkowej pojemności obciążenia rzędu 10 nF, nie przekraczała 0.5 H z/25k IIz,tj 0.002% . Uzyskano zatem ok. 20-krotne zmniejszenie om aw ianego w pływ u. Jest to je d n o c z e śn ie w artość o rząd mniejsza niż osiągalna nieliniowość i stabilność tem peraturow a teg o rodzaju przetw ornika p/T.
L IT E R A T U R A
1. Jaw orski J.: M atem atyczne podstaw y metrologii. W N T, W arszaw a 1979.
2. W oolvet G. A.: T ransducers in digital systems. P eter Peregrinus L td, Londyn 1977.
3. U rzędniczok H .: C om parative investigations o f patam eter-to-period m easuring converters.
P ro ced een g s o f X III EMEKO W orld Congress, Torino 1994.
4. U rzęd n iczo k H .: W pływ pojem ności rozproszenia na charkterystykę przetw arzania p rzetw o rn ik a C/T. M ateriały XX M iędzyuczelnianej K onferencji M etrologów , Szczecin
1988.
5. T kocz K., Tw ardoń W ., U rzędniczok H., Zakrzew ski J.: K om pensacja tem p eratu ro w a po
m iarow ego przetwornika pojem nościow o-częstotliwościow ego. Z N Pol. Śl., ser. Elektryka, z. 114, G liw ice 1991.
6. Kikowski M.: Analiza dokładności przetw arzania generacyjnego przetw ornika z czujnikiem rezystancyjnym . P race Instytutu Elektroniki Politechniki Śl., G liw ice 1994.
7. Allbin M ., Hassani m., Sali A.: A Smart Thin Film Sensor for outside H um idity M easurem ent.
M ateriały Symposium IM EK O, TC-4, Brussels, M ay 1993. Zakrzew ski J., U rzędniczok H.:
D y n a m ic properties o f m easuring circuits applied to frequency o u tp u t transducers.
M easurem ent 1993, nr 11.
8. Z ak rzew sk i J., U rzędniczok H .: Dynamic properties o f m easuring circuits applied to frequency o u tp u t transducers. M easurem ent 1993, nr 11.
9. Lasek L.: Analiza i synteza układów generacyjnych RC. ZN Pol. Śl., ser. A utom atyka, z. 91, G liw ice 1988.
10. O tt H .W .: M etody redukcji zakłóceń i szum ów w układach elektronicznych. W N T, W arszaw a 1979.
11. K atalog przew odów telekomunikacyjnych. Wydawnictwo przem ysłow e W EM A , W arszaw a 1989.
R ecenzent: D r hab. inż. Leszek Kiełtyka, prof. Pol. C zęstochow skiej
W płynęło do R edakcji dnia 15 lutego 1996 r.
A b s tr a c t
V a rio u s ty p es o f m easuring converters with param etric sensors (R, L, C, M ) are used to m e a s u re nonelectric quantities in industrial measurem ents. T o convert th e sensor's param eter value into frequency o r period o f output signal diffrent electronic oscillators o r frequency balanced bridges are applied. The base structure o f m easuring circuit with "param eter-to-period" co nverter is sh o w n in Fig. 1. T he accuracy o f the w hole circuit depends on th e errors arising in the transmission system (transmission cable). When analizing the influence o f the transm ission system p aram eters on the m easurem ent accuracy, the following phenom ena should be taken into
84 H. Urzçdniczok
consideration: external electrom agnetic disturbance, loadig o f the converter output by the cable and loading o f the cable output by input o f the period or frequency m easuring device.
Results o f investigations o f the above mentioned effects are described in this paper. The investigations have been realized for a type o f "parameter-to-period" converter, w hich has the best accuracy [3], The structure o f this converter is show n in Fig.2. W hen a cable has been connected to th e o u tp u t o f this transducer directly, the arised additional errors have been equal to about 0 .0 5 % an d their values have been com parable to other error values (nonlinearity, tem perature influence). In addition, values o f these errors have depended on type o f the cabel and its location.
T o m inim ize the additional error a separate output circuit has been designed - Fig.5. W hen applying this circuit the reduction o f the errors, caused by the output signal transm ission system has reached 20 times.
