一種用於差壓傳感器的等精度測量方法
2023-12-05 10:24:11 3
一種用於差壓傳感器的等精度測量方法
【專利摘要】本發明涉及差壓傳感器的信號處理和應用【技術領域】，特別是一種用於差壓傳感器的等精度測量方法。本發明方法採用了等精度電容頻率測量方法對差壓傳感器的電容充電時間進行計數；根據電容的大小不同，則充電的時間也不同的原理，可以得到與差壓傳感器電容成正比計數值，用微處理器將T進行計算，從而得出差壓傳感器的輸出電容值。本發明採用FPGA晶片為核心電路，實現本發明的電路信號控制、計數器、標準信號輸入等功能模塊，實現了對差壓傳感器的輸出電容值的高精度測試。
【專利說明】一種用於差壓傳感器的等精度測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及差壓傳感器的信號處理和應用【技術領域】，特別是一種用於差壓傳感器的等精度測量方法。
【背景技術】
[0002]電容式差壓變送器是目前工業上廣泛使用的一種變送器，其檢測元件是採用差壓傳感器，差壓傳感器的輸出信號是電容值。整個變送器無機械傳動、調整裝置，儀表結構簡單，性能穩定、可靠，抗振性好，具有較高的精度。差壓傳感器的輸出電容值非常小，一般為PF數量級，因此，在差壓傳感器的使用中，就對電容測量有較高的要求。目前國內外有許多測量方法如差動脈衝調製電路、運算放大器測量電路、交流不平衡電橋、羅斯蒙特的成型電路等。由於差壓傳感器的電容量非常小，所以電容變化量就更小(大約為總量程的5%左右)，以上的差壓傳感器的測量方法都有精確度低、靈敏度低、電路結構複雜等缺點。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在於提供一種對差壓傳感器的輸出電容值高精度測試的用於差壓傳感器的等精度測量方法。
[0004]為實現上述目的，本發明的技術方案是:一種用於差壓傳感器的等精度測量方法，包括如下步驟，
步驟SOl:根據等精度電容頻率測量方法，設計差壓傳感器測試電路；
步驟S02:通過差壓傳感器測試電路對差壓傳感器的電容充電時間進行計數；
步驟S03:根據電容值大小與電容充電時間之間的關係以及所述步驟S02獲得的計數值，計算出差壓傳感器的輸出電容值。
[0005]在本發明實施例中，所述步驟S02，具體實現過程為:採用等精度電容頻率測量方法分別對差壓傳感器的電容Cl和電容C2的I次充電時間進行計數，得出第一計數值Tl和第二計數值T2。
[0006]在本發明實施例中，所述步驟S03，具體實現過程為:
根據第一計數值Tl、第二計數值T2及以下公式，計算出差壓傳感器的輸出電容值， (T1-T2)/(T1+T2)= (C1-C2) /(C1+C2)
即 ΔΡ=ΚΧ (T1-T2) /(T1+T2)
其中，Λ P為差壓值，K為常數；由上述公式可知，差壓傳感器的輸出電容值的相對誤差與被測電容的大小無關，只和計數值Τ1、Τ2相關，而Τ1、Τ2的相對誤差只和標準信號的頻率有關。
[0007]在本發明實施例中，所述等精度電容頻率測量方法具體為:通過兩個計數器分別對標準時鐘信號和被測時鐘信號進行計數，即當被測時鐘信號的上升沿到來時第一計數器和第二計數器同時開始計數，當第二計數器達到設定數值時，對標準時鐘信號進行計數的第一計數器同時停止計數。[0008]在本發明實施例中，所述差壓傳感器測試電路包括RS觸發器、控制晶片、第一電壓比較器、第二電壓比較器、單刀雙擲開關、第一至第三電阻以及第一至第二電容；所述第一電阻的一端連接至電源端，所述第一電阻的另一端經所述單刀雙擲開關分別與第一電容的一端和第二電容的一端連接，所述第一電容的另一端和第二電容的另一端均連接至地端；所述第二電阻的一端接至電源端，所述第二電阻的另一端經第三電阻連接至地端；所述第一電容的一端和第二電容的一端還分別與第一電壓比較器和第二電壓比較器的反相輸入端連接，所述第一電壓比較器和第二電壓比較器的正相輸入端均連接至第二電阻與第三電阻的連接點；所述第一電壓比較器和第二電壓比較器的輸出端分別與所述RS觸發器的第一輸入端和第二輸入端連接，所述RS觸發器的輸出端連接至控制晶片。
[0009]相較於現有技術，本發明具有以下有益效果:本發明方法測試的電容值精度高，使用效果好，實現了對差壓傳感器的輸出電容值的高精度測試。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1為等精度測量電容原理圖。
[0011]圖2為等精度測量電容電路原理圖。
[0012]圖3為本發明等精度測量電容總體硬體框圖。【具體實施方式】
[0013]下面結合附圖，對本發明的技術方案進行具體說明。
[0014]本發明一種用於差壓傳感器的等精度測量方法，包括如下步驟，
步驟SOl:根據等精度電容頻率測量方法，設計差壓傳感器測試電路；
步驟S02:通過差壓傳感器測試電路對差壓傳感器的電容充電時間進行計數，具體實現過程為:
採用等精度電容頻率測量方法分別對差壓傳感器的電容Cl和電容C2的I次充電時間進行計數，得出第一計數值Tl和第二計數值T2 ；
步驟S03:根據電容值大小與電容充電時間之間的關係以及所述步驟S02獲得的計數值，計算出差壓傳感器的輸出電容值，具體實現過程為:
根據第一計數值Tl、第二計數值T2及以下公式，計算出差壓傳感器的輸出電容值， (T1-T2)/(T1+T2)= (C1-C2) /(C1+C2)
即 ΔΡ=ΚΧ (T1-T2) /(T1+T2)
其中，Λ P為差壓值，K為常數；由上述公式可知，差壓傳感器的輸出電容值的相對誤差與被測電容的大小無關，只和計數值Τ1、Τ2相關，而Τ1、Τ2的相對誤差只和標準信號的頻率有關。
[0015]所述等精度電容頻率測量方法具體為:通過兩個計數器分別對標準時鐘信號和被測時鐘信號進行計數，即當被測時鐘信號的上升沿到來時第一計數器和第二計數器同時開始計數，當第二計數器達到設定數值時，對標準時鐘信號進行計數的第一計數器同時停止計數。
[0016]所述差壓傳感器測試電路包括RS觸發器、控制晶片、第一電壓比較器、第二電壓比較器、單刀雙擲開關、第一至第三電阻以及第一至第二電容；所述第一電阻的一端連接至電源端，所述第一電阻的另一端經所述單刀雙擲開關分別與第一電容的一端和第二電容的一端連接，所述第一電容的另一端和第二電容的另一端均連接至地端；所述第二電阻的一端接至電源端，所述第二電阻的另一端經第三電阻連接至地端；所述第一電容的一端和第二電容的一端還分別與第一電壓比較器和第二電壓比較器的反相輸入端連接，所述第一電壓比較器和第二電壓比較器的正相輸入端均連接至第二電阻與第三電阻的連接點；所述第一電壓比較器和第二電壓比較器的輸出端分別與所述RS觸發器的第一輸入端和第二輸入端連接，所述RS觸發器的輸出端連接至控制晶片。
[0017]以下為本發明的具體實施例。
[0018]本發明所採用的等精度電容頻率測量方法能夠兼顧低頻和高頻信號，並且誤差不會隨著被測信號頻率的改變而改變。等精度測量電容原理框圖如圖1所示，電路原理圖如圖2所示，設計兩個計數器對被測信號和標準信號分別進行計數。計數器I對標準時鐘信號計數，計數器2對被測信號計數。當被測信號的上升沿到來時計數器開始計數。當被測信號的計數器達到預先設定的數值時，測量標準信號的計數器也停止計數，完成一次測量過程。
[0019]計數器對I次電容 充電時間進行計數，根據電容的大小不同，則充電的時間也不同。所以最後可以得到與電容Cl成正比計數器值Tl，與電容C2成正比的計數器值T2。最後用微處理器將Tl，T2進行如下計算，從而得出差壓值(即差壓傳感器的輸出電容值)。
[0020](T1-T2)/(T1+T2)= (C1-C2) / (C1+C2)
即 ΔΡ=ΚΧ (T1-T2) /(T1+T2)
由上式可以得出，差壓值的相對誤差與被測電容的大小無關，只和計數器值Tl、T2相關，而T1、T2的相對誤差只和標準信號的頻率有關。從而實現了差壓的等精度測量。
[0021]圖2中Cl，C2為電容傳感器中的差動電容，若雙穩觸發器處於Q=I，-Q=O狀態，則電容Cl充電，一直充電到C點電位高於Vr，比較器Al輸出正跳變信號，而電容C2經R2放電，比較器Α2輸出負跳變，激勵觸發器翻轉，使Q=0，-Q=I。於是C2充電，Cl放電，從而使得比較器Al產生負跳變，激勵觸發器翻轉。若Cl古C2，則A、B兩點間的平均電壓不為零，V0=Va-Vb=VI ( Δ d/dO)(在改變傳感器電容的間距情況下)，或Vcj=Va-Vb=VI (ΔΑ/Α)(在改變傳感器電容的極板面積情況下)。上式中:V1為觸發器的輸出高電平值；d0為傳感器的初始間距；A為傳感器的初始極板面積；△ d為傳感器極板間間距的變化量；△ A為傳感器極板間面積的變化量。這個循環不斷交替，當差動變壓器C1=C2時，A、B兩點間的平均電壓為零。
[0022]在本發明的具體實施電路設計中，主要考慮電路的功能是測試差壓傳感器的輸出電容值，應該儘量選擇高速、低功耗的器件。計數器和邏輯處理選擇ALTERA公司生產的EP1C3T100晶片，電子開關選用了單刀雙擲開關ADG779，電壓比較器使用的是ADCMP602，RS觸發器74LS279 (如圖3所示)。
[0023]傳統的充放電測量電路是由兩個電阻分別對差動電容傳感器的兩個電容進行充電的，但是這種測量方法會使得兩個電阻所帶來的誤差傳遞給了 RC充電電路，使得兩路充電迴路的參數不同。本文採用的測量方法是單電阻對兩個差動電容輪流充電，避免誤差，但是單刀雙擲開關的兩路導通電阻的差異，仍然帶來一定的誤差。在電路中使用的是200K的電阻，單刀雙擲開關ADG779的兩路導通電阻的差異最大為2.5 Ω，遠遠小於整個電路的電阻。電壓比較器ADCMP602是整個測量電路的關鍵部分，它的傳播延遲將決定著電路在電壓最大時的邊緣解析度，所以電壓比較器的傳播延遲可以看做是固定的時間偏移。ADCMP602是一款快速比較器，採用ADI公司的專有XFCB2工藝製造，低噪聲，TTL-/CMOS-兼容輸出驅動器，在電源電流典型值為3mA時，該器件提供5 ns傳播延遲、10 mV過驅性能，可驅動5 pF負載。模擬開關ADG779的導通時間和斷開時間也影響著系統的解析度，ADG779的導通時間延遲為14ns，斷開時間延遲為3ns。在測量中量化這些誤差能夠提高整個系統的解析度。本文所使用的FPGA晶片是ALTERA公司生產的EP1C3T100晶片。FPGA可以根據自己的需要而自己進行設計的數字集成電路，通過編寫VHDL設計語言，生成目標文件，最後通過通信接口下載到要使用的FPGA集成晶片中，從而實現電路功能設計。所以，可編程邏輯器件設計電路比數字電路硬體更靈活，具有高集成、設計開發周期短、保密性強等特點。
[0024]在恆溫的條件下，對標準電容0.22uf和0.33uf分別進行等精度測量，得到測試數據。結果是使用本發明的測量電路可以測量差壓傳感器電容值，測量精度達到18位，解析度為0.2pF。
[0025]以上是本發明的較佳實施例，凡依本發明技術方案所作的改變，所產生的功能作用未超出本發明技術方案的範圍時，均屬於本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種用於差壓傳感器的等精度測量方法，其特徵在於:包括如下步驟， 步驟SOl:根據等精度電容頻率測量方法，設計差壓傳感器測試電路； 步驟S02:通過差壓傳感器測試電路對差壓傳感器的電容充電時間進行計數； 步驟S03:根據電容值大小與電容充電時間之間的關係以及所述步驟S02獲得的計數值，計算出差壓傳感器的輸出電容值。
2.根據權利要求1所述的一種用於差壓傳感器的等精度測量方法，其特徵在於:所述步驟S02，具體實現過程為:採用等精度電容頻率測量方法分別對差壓傳感器的電容Cl和電容C2的I次充電時間進行計數，得出第一計數值Tl和第二計數值T2。
3.根據權利要求2所述的一種用於差壓傳感器的等精度測量方法，其特徵在於:所述步驟S03，具體實現過程為: 根據第一計數值Tl、第二計數值T2及以下公式，計算出差壓傳感器的輸出電容值，
(T1-T2)/(T1+T2)= (C1-C2) /(C1+C2) 即 ΔΡ=ΚΧ (T1-T2) /(T1+T2) 其中，Λ P為差壓值，K為常數；由上述公式可知，差壓傳感器的輸出電容值的相對誤差與被測電容的大小無關，只和計數值Τ1、Τ2相關，而Τ1、Τ2的相對誤差只和標準信號的頻率有關。
4.根據權利要求1或2所述的一種用於差壓傳感器的等精度測量方法，其特徵在於:所述等精度電容頻率測量方法具體為:通過兩個計數器分別對標準時鐘信號和被測時鐘信號進行計數，即當被測時鐘信號的上升沿到來時第一計數器和第二計數器同時開始計數，當第二計數器達到設定數值時，對標準時鐘信號進行計數的第一計數器同時停止計數。
5.根據權利要求1所述的一種用於差壓傳感器的等精度測量方法，其特徵在於:所述差壓傳感器測試電路包括RS觸發器、控制晶片、第一電壓比較器、第二電壓比較器、單刀雙擲開關、第一至第三電阻以及第一至第二電容；所述第一電阻的一端連接至電源端，所述第一電阻的另一端經所述單刀雙擲開關分別與第一電容的一端和第二電容的一端連接，所述第一電容的另一端和第二電容的另 一端均連接至地端；所述第二電阻的一端接至電源端，所述第二電阻的另一端經第三電阻連接至地端；所述第一電容的一端和第二電容的一端還分別與第一電壓比較器和第二電壓比較器的反相輸入端連接，所述第一電壓比較器和第二電壓比較器的正相輸入端均連接至第二電阻與第三電阻的連接點；所述第一電壓比較器和第二電壓比較器的輸出端分別與所述RS觸發器的第一輸入端和第二輸入端連接，所述RS觸發器的輸出端連接至控制晶片。
【文檔編號】G01L27/00GK103983401SQ201410238063
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月31日 優先權日:2014年5月31日
【發明者】林偉, 唐崇森, 呂濤 申請人:福州大學