Электронные устройства контроля для приборов, установок и автоматизации технологических процессов

А.Г. Агеев,

студ., ageevgrigorii@mail.ru,

А.П. Бирюков,

асп., bir.sasha@rambler.ru,

Ю.Ю. Востренков,

студ., yuravostrenkov@gmail.com,

А.М. Гладцин,

инж., sanddevil@yandex.ru,

НИЯУ МИФИ, г. Москва

Разработана прецизионная автономная система, предназначенная для измерения разности потенциалов между точками на поверхности металлов. Система состоит из усилителя низковольтного входного сигнала, микроконтроллера со встроенным АЦП и соединяется с компьютером посредством последовательного интерфейса USB. Измеряемые величины отображаются пользователю при помощи программного обеспечения, разработанного на основе языка C++. Проведены испытания и получены положительные результаты при электрофизической диагностике сварных швов образца совместно с прибором ЭДСС-1.

A precision stand-alone system designed to measure the potential difference between two points on the surface of metals. The system consists of a low-voltage amplifier, a micro controller with integrated ADCs and communicates with the computer through the USB serial interface. Measured values displayed to the user by software developed on the C ++.

Усиление входного сигнала

Основным назначением проектируемой системы является измерение разности потенциалов, лежащей в диапазоне от десятых долей микровольта до нескольких милливольт. Система разработана для использования с приборами электрофизической диагностики и неразрушающего контроля [1,2]. Столь слабый сигнал нецелесообразно подавать непосредственно на вход АЦП, его предварительно необходимо усилить. Это можно сделать при помощи предусилителя, интегрированного в один корпус вместе с АЦП, либо при помощи отдельного усилителя, как сделано в настоящей работе. Разработанный усилитель представляет собой усилитель напряжения с дифференциальным входом, построенный на двух инструментальных усилителях (далее ИУ). Принципиальная схема данного усилителя представлена на рис. 1 в упрощенном виде (отсутствует цепь питания и стандартная «обвязка» микросхем).

Рис. 1 Схема усилителя принципиальная

Входной сигнал с низкоомного датчика поступает на вход дифференциальной пары (разъем ХР1), откуда пройдя через тумблер SA1, поступает на вход к двум инструментальным усилителям. Пары диодов VD1…VD3 образуют защиту от перенапряжения, как синфазного, так и дифференциального, а резисторы R1, R2 и керамические конденсаторы C1, C2 – фильтр нижних частот. Для усиления сигналов амплитудой более 150 мкВ используется ИУ1, с автоподстройкой нуля и коэффициентом усиления равном 1000, устанавливаемом при помощи резистора. Выходной сигнал с ИУ1 смещается на величину, равную значению опорного напряжения АЦП за счёт предусмотренной для этого обвязки.. равную приблизительно половине опорного напряжения АЦП за счет предусмотренной для этого обвязки. Усиление сигналов величиной менее 150 мкВ производится при помощи малошумящего ИУ2. Входной сигнал поступает на оба усилителя, но измеряемая величина в зависимости от амплитуды снимается либо с выхода 1, усиленная в 10000, либо с выхода 2, усиленная в 1000 раз. Для сдвига выходного сигнала у ИУ2 используется повторитель на ОУ, при помощи которого смещается опорное напряжение U_оп. После усиления выходной сигнал проходит схему ограничения уровня на диодах VD4, VD5 и НЧ фильтр.

Проблема компенсации смещения нуля и его дрейфа является самой трудноразрешимой в данном устройстве. Как правило, данную проблему решают введением термостабилизации, что невозможно в данной системе по причине её автономности и как следствие ограниченного энергопотребления. Помимо этого, для радикального уменьшения напряжения смещения применяются усилители с функцией «модуляция-демодуляция». Существует еще один вариант решения задачи уменьшения напряжения смещения и его дрейфа – применение усилителей с автоподстройкой нуля («zero-drift»). Именно такой ИУ и применяется в разработанной системе для усиления более сильного сигнала. Так как данный тип усилителей обладает худшими шумовыми характеристиками, было принято решение использовать для усиления слабого сигнала (до 150 мкВ) малошумящий ИУ без автоподстройки нуля. Коррекция смещения нуля в данной измерительной системе происходит следующим образом: перед началом измерений тумблером SA1 дифференциальная пара замыкается, при этом выход 3 подтягивается к питанию резистором R5, что генерирует прерывание в микроконтроллере. Вызываемый обработчик прерывания, производя усреднение снимаемых с выходов 1 и 2 величин, запоминает напряжение смещение и затем во время измерений вычитает его из результатов измерений.

На рисунке 2 показана операция вычитания напряжения смещения из передаточной характеристики. Полностью автоматизировать данный процесс не удалось по причине отсутствия ключей с нулевой, или хотя бы постоянной разностью потенциалов на замыкаемых контактах (у аналоговых ключей разность потенциалов между замыкаемыми контактами составляет нескольких милливольт, у герконовых реле порядка 100 микровольт, кроме того данные величины изменяются еще и во времени). У обычных тумблеров данный недостаток выражен не так сильно.

Рис.2 Передаточные характеристики усилителя

Подстройку нуля путём переключения тумблера на короткий промежуток времени необходимо производить периодически во время измерений. Данный усилитель может быть запитан от аккумулятора с применением схемы двухполярного питания.

2. Преобразование входного сигнала

Усиленный сигнал поступает на вход двум 12-разрядным АЦП, встроенным в микроконтроллеры STM32F103C8, где преобразовывается в цифровой код, усредняется по короткому промежутку времени и отправляется по последовательному интерфейсу USB на персональный компьютер. Кроме того происходит коррекция смещения нуля, как это описано выше и коррекция всех выявляемых на стадии испытаний систематических ошибок (таких как ошибка коэффициента усиления, смещение нуля вызванное асимметрией измерительного тракта, градиент температуры). При этом становится ясно, что нет необходимости минимизировать все систематические погрешности, достаточно добиться стабильности всех характеристик относительно температуры и времени.

3. Отображение результатов измерений

Пользовательский интерфейс написан на основе языка С++ во фреймворке Qt с использованием библиотек QtSerialPort и Qwt. Приложение выводит на экран мгновенное значение, а также строит график изменения диагностического сигнала от времени (рис.3).

Рис. 3 Пользовательский интерфейс

Заключение

Изготовлен опытный образец измерительной системы и проведены предварительные испытания совместно с прибором ЭДСС-1. Для определения метрологических характеристик использовался делитель на основе магазина сопротивлений и нормальный элемент. С их помощью получали напряжения порядка микровольта и больше. Измерение напряжения производили при помощи мультиметра Agilent 34401a. Проведена оценка характеристик системы:

— аддитивная погрешность: 10 мкВ;

— мультипликативная погрешность: 5 %;

— разрешающая способность: 1 мкВ.

Литература

1. Абу Газал А.А., Лисенков А.В., Морозов А.А., Сурин В.И. Развитие электрофизического метода для неразрушающего контроля и диагностики материалов и изделий в процессе усталостных испытаний// Международная молодежная конференция «XLII Гагаринские чтения». ISBN 978-5-91741-170-5, Институт проблем механики РАН, 2016, 101 с.

2. Сурин В.И., Лисенков А.В., А.Абу Газал, Соловьев Н.С. Использование сред компьютерного моделирования для решения прикладных инженерных задач//Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта (CAD/CAM/PDM–2015). Тезисы 15-й международной конференции.– 2015, с. 20.