CN103983401A - 一种用于差压传感器的等精度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及差压传感器的信号处理和应用技术领域，特别是一种用于差压传感器的等精度测量方法。本发明方法采用了等精度电容频率测量方法对差压传感器的电容充电时间进行计数；根据电容的大小不同，则充电的时间也不同的原理，可以得到与差压传感器电容成正比计数值，用微处理器将T进行计算，从而得出差压传感器的输出电容值。本发明采用FPGA芯片为核心电路，实现本发明的电路信号控制、计数器、标准信号输入等功能模块，实现了对差压传感器的输出电容值的高精度测试。
Description
技术领域
本发明涉及差压传感器的信号处理和应用技术领域，特别是一种用于差压传感器的等精度测量方法。
背景技术
电容式差压变送器是目前工业上广泛使用的一种变送器，其检测元件是采用差压传感器，差压传感器的输出信号是电容值。整个变送器无机械传动、调整装置，仪表结构简单，性能稳定、可靠，抗振性好，具有较高的精度。差压传感器的输出电容值非常小，一般为pF数量级，因此，在差压传感器的使用中，就对电容测量有较高的要求。目前国内外有许多测量方法如差动脉冲调制电路、运算放大器测量电路、交流不平衡电桥、罗斯蒙特的成型电路等。由于差压传感器的电容量非常小，所以电容变化量就更小（大约为总量程的5%左右），以上的差压传感器的测量方法都有精确度低、灵敏度低、电路结构复杂等缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种对差压传感器的输出电容值高精度测试的用于差压传感器的等精度测量方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种用于差压传感器的等精度测量方法，包括如下步骤，
步骤S01：根据等精度电容频率测量方法，设计差压传感器测试电路；
步骤S02：通过差压传感器测试电路对差压传感器的电容充电时间进行计数；
步骤S03：根据电容值大小与电容充电时间之间的关系以及所述步骤S02获得的计数值，计算出差压传感器的输出电容值。
在本发明实施例中，所述步骤S02，具体实现过程为：采用等精度电容频率测量方法分别对差压传感器的电容C1和电容C2的1次充电时间进行计数，得出第一计数值T1和第二计数值T2。
在本发明实施例中，所述步骤S03，具体实现过程为：
根据第一计数值T1、第二计数值T2及以下公式，计算出差压传感器的输出电容值，
（T1-T2）/(T1+T2)=（C1-C2）/(C1+C2)
即ΔP=K×（T1-T2）/(T1+T2)
其中，ΔP为差压值，K为常数；由上述公式可知，差压传感器的输出电容值的相对误差与被测电容的大小无关，只和计数值T1、T2相关，而T1、T2的相对误差只和标准信号的频率有关。
在本发明实施例中，所述等精度电容频率测量方法具体为：通过两个计数器分别对标准时钟信号和被测时钟信号进行计数，即当被测时钟信号的上升沿到来时第一计数器和第二计数器同时开始计数，当第二计数器达到设定数值时，对标准时钟信号进行计数的第一计数器同时停止计数。
在本发明实施例中，所述差压传感器测试电路包括RS触发器、控制芯片、第一电压比较器、第二电压比较器、单刀双掷开关、第一至第三电阻以及第一至第二电容；所述第一电阻的一端连接至电源端，所述第一电阻的另一端经所述单刀双掷开关分别与第一电容的一端和第二电容的一端连接，所述第一电容的另一端和第二电容的另一端均连接至地端；所述第二电阻的一端接至电源端，所述第二电阻的另一端经第三电阻连接至地端；所述第一电容的一端和第二电容的一端还分别与第一电压比较器和第二电压比较器的反相输入端连接，所述第一电压比较器和第二电压比较器的正相输入端均连接至第二电阻与第三电阻的连接点；所述第一电压比较器和第二电压比较器的输出端分别与所述RS触发器的第一输入端和第二输入端连接，所述RS触发器的输出端连接至控制芯片。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明方法测试的电容值精度高，使用效果好，实现了对差压传感器的输出电容值的高精度测试。
附图说明
图1为等精度测量电容原理图。
图2为等精度测量电容电路原理图。
图3为本发明等精度测量电容总体硬件框图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明一种用于差压传感器的等精度测量方法，包括如下步骤，
步骤S01：根据等精度电容频率测量方法，设计差压传感器测试电路；
步骤S02：通过差压传感器测试电路对差压传感器的电容充电时间进行计数，具体实现过程为：
采用等精度电容频率测量方法分别对差压传感器的电容C1和电容C2的1次充电时间进行计数，得出第一计数值T1和第二计数值T2；
步骤S03：根据电容值大小与电容充电时间之间的关系以及所述步骤S02获得的计数值，计算出差压传感器的输出电容值，具体实现过程为：
根据第一计数值T1、第二计数值T2及以下公式，计算出差压传感器的输出电容值，
（T1-T2）/(T1+T2)=（C1-C2）/(C1+C2)
即ΔP=K×（T1-T2）/(T1+T2)
其中，ΔP为差压值，K为常数；由上述公式可知，差压传感器的输出电容值的相对误差与被测电容的大小无关，只和计数值T1、T2相关，而T1、T2的相对误差只和标准信号的频率有关。
所述等精度电容频率测量方法具体为：通过两个计数器分别对标准时钟信号和被测时钟信号进行计数，即当被测时钟信号的上升沿到来时第一计数器和第二计数器同时开始计数，当第二计数器达到设定数值时，对标准时钟信号进行计数的第一计数器同时停止计数。
所述差压传感器测试电路包括RS触发器、控制芯片、第一电压比较器、第二电压比较器、单刀双掷开关、第一至第三电阻以及第一至第二电容；所述第一电阻的一端连接至电源端，所述第一电阻的另一端经所述单刀双掷开关分别与第一电容的一端和第二电容的一端连接，所述第一电容的另一端和第二电容的另一端均连接至地端；所述第二电阻的一端接至电源端，所述第二电阻的另一端经第三电阻连接至地端；所述第一电容的一端和第二电容的一端还分别与第一电压比较器和第二电压比较器的反相输入端连接，所述第一电压比较器和第二电压比较器的正相输入端均连接至第二电阻与第三电阻的连接点；所述第一电压比较器和第二电压比较器的输出端分别与所述RS触发器的第一输入端和第二输入端连接，所述RS触发器的输出端连接至控制芯片。
以下为本发明的具体实施例。
本发明所采用的等精度电容频率测量方法能够兼顾低频和高频信号，并且误差不会随着被测信号频率的改变而改变。等精度测量电容原理框图如图1所示，电路原理图如图2所示，设计两个计数器对被测信号和标准信号分别进行计数。计数器1对标准时钟信号计数，计数器2对被测信号计数。当被测信号的上升沿到来时计数器开始计数。当被测信号的计数器达到预先设定的数值时，测量标准信号的计数器也停止计数，完成一次测量过程。
计数器对1次电容充电时间进行计数，根据电容的大小不同，则充电的时间也不同。所以最后可以得到与电容C1成正比计数器值T1，与电容C2成正比的计数器值T2。最后用微处理器将T1，T2进行如下计算，从而得出差压值（即差压传感器的输出电容值）。
（T1-T2）/(T1+T2)=（C1-C2）/(C1+C2)
即ΔP=K×（T1-T2）/(T1+T2)
由上式可以得出，差压值的相对误差与被测电容的大小无关，只和计数器值T1、T2相关，而T1、T2的相对误差只和标准信号的频率有关。从而实现了差压的等精度测量。
图2中C1，C2为电容传感器中的差动电容，若双稳触发器处于Q=1，-Q=0状态，则电容C1充电，一直充电到C点电位高于Vr，比较器A1输出正跳变信号，而电容C2经R2放电，比较器A2输出负跳变，激励触发器翻转，使Q=0，-Q=1。于是C2充电，C1放电，从而使得比较器A1产生负跳变，激励触发器翻转。若C1≠C2，则A、B两点间的平均电压不为零，VO=VA-VB=V1(Δd/d0)（在改变传感器电容的间距情况下），或VO=VA-VB=V1(ΔA/A)（在改变传感器电容的极板面积情况下）。上式中：V1为触发器的输出高电平值；d0为传感器的初始间距；A为传感器的初始极板面积；Δd为传感器极板间间距的变化量；ΔA为传感器极板间面积的变化量。这个循环不断交替，当差动变压器C1=C2时，A、B两点间的平均电压为零。
在本发明的具体实施电路设计中，主要考虑电路的功能是测试差压传感器的输出电容值，应该尽量选择高速、低功耗的器件。计数器和逻辑处理选择ALTERA公司生产的EP1C3T100芯片，电子开关选用了单刀双掷开关ADG779，电压比较器使用的是ADCMP602，RS触发器74LS279（如图3所示）。
传统的充放电测量电路是由两个电阻分别对差动电容传感器的两个电容进行充电的，但是这种测量方法会使得两个电阻所带来的误差传递给了RC充电电路，使得两路充电回路的参数不同。本文采用的测量方法是单电阻对两个差动电容轮流充电，避免误差，但是单刀双掷开关的两路导通电阻的差异，仍然带来一定的误差。在电路中使用的是200K的电阻，单刀双掷开关ADG779的两路导通电阻的差异最大为2.5Ω，远远小于整个电路的电阻。电压比较器ADCMP602是整个测量电路的关键部分，它的传播延迟将决定着电路在电压最大时的边缘分辨率，所以电压比较器的传播延迟可以看做是固定的时间偏移。ADCMP602是一款快速比较器，采用ADI公司的专有XFCB2工艺制造，低噪声，TTL-/CMOS-兼容输出驱动器，在电源电流典型值为3mA时，该器件提供5 ns传播延迟、10 mV过驱性能，可驱动5 pF负载。模拟开关ADG779的导通时间和断开时间也影响着系统的分辨率，ADG779的导通时间延迟为14ns，断开时间延迟为3ns。在测量中量化这些误差能够提高整个系统的分辨率。本文所使用的FPGA芯片是ALTERA公司生产的EP1C3T100芯片。FPGA可以根据自己的需要而自己进行设计的数字集成电路，通过编写VHDL设计语言，生成目标文件，最后通过通信接口下载到要使用的FPGA集成芯片中，从而实现电路功能设计。所以，可编程逻辑器件设计电路比数字电路硬件更灵活，具有高集成、设计开发周期短、保密性强等特点。
在恒温的条件下，对标准电容0.22uf和0.33uf分别进行等精度测量，得到测试数据。结果是使用本发明的测量电路可以测量差压传感器电容值，测量精度达到18位，分辨率为0.2pF。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种用于差压传感器的等精度测量方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤S01：根据等精度电容频率测量方法，设计差压传感器测试电路；
步骤S02：通过差压传感器测试电路对差压传感器的电容充电时间进行计数；
步骤S03：根据电容值大小与电容充电时间之间的关系以及所述步骤S02获得的计数值，计算出差压传感器的输出电容值。
2.根据权利要求1所述的一种用于差压传感器的等精度测量方法，其特征在于：所述步骤S02，具体实现过程为：采用等精度电容频率测量方法分别对差压传感器的电容C1和电容C2的1次充电时间进行计数，得出第一计数值T1和第二计数值T2。
3.根据权利要求2所述的一种用于差压传感器的等精度测量方法，其特征在于：所述步骤S03，具体实现过程为：
根据第一计数值T1、第二计数值T2及以下公式，计算出差压传感器的输出电容值，
（T1-T2）/(T1+T2)=（C1-C2）/(C1+C2)
即ΔP=K×（T1-T2）/(T1+T2)
其中，ΔP为差压值，K为常数；由上述公式可知，差压传感器的输出电容值的相对误差与被测电容的大小无关，只和计数值T1、T2相关，而T1、T2的相对误差只和标准信号的频率有关。
4.根据权利要求1或2所述的一种用于差压传感器的等精度测量方法，其特征在于：所述等精度电容频率测量方法具体为：通过两个计数器分别对标准时钟信号和被测时钟信号进行计数，即当被测时钟信号的上升沿到来时第一计数器和第二计数器同时开始计数，当第二计数器达到设定数值时，对标准时钟信号进行计数的第一计数器同时停止计数。
5.根据权利要求1所述的一种用于差压传感器的等精度测量方法，其特征在于：所述差压传感器测试电路包括RS触发器、控制芯片、第一电压比较器、第二电压比较器、单刀双掷开关、第一至第三电阻以及第一至第二电容；所述第一电阻的一端连接至电源端，所述第一电阻的另一端经所述单刀双掷开关分别与第一电容的一端和第二电容的一端连接，所述第一电容的另一端和第二电容的另一端均连接至地端；所述第二电阻的一端接至电源端，所述第二电阻的另一端经第三电阻连接至地端；所述第一电容的一端和第二电容的一端还分别与第一电压比较器和第二电压比较器的反相输入端连接，所述第一电压比较器和第二电压比较器的正相输入端均连接至第二电阻与第三电阻的连接点；所述第一电压比较器和第二电压比较器的输出端分别与所述RS触发器的第一输入端和第二输入端连接，所述RS触发器的输出端连接至控制芯片。
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