способ настройки измерительного преобразователя

Формула изобретения

Способ настройки измерительного преобразователя, включающий подачу входного сигнала через входной резистор на вход операционного усилителя к резистору цепи обратной связи и корректировку параметров выходных величин преобразователя до нормированного значения, отличающийся тем, что обеспечивают независимую корректировку аддитивной составляющей выходного сигнала от его мультипликативной составляющей путем подачи сигнала, равного аддитивной составляющей выходного сигнала, на неинвертирующий вход операционного усилителя, и обеспечения условия отсутствия тока в резисторе обратной связи, величина сопротивления которого обеспечивает мультипликативную составляющую выходного сигнала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам корректировки передающей функции измерительных преобразователей, и может быть использовано для обработки электрического сигнала датчиков и других электронных устройств, требующих получение нормированной выходной характеристики.

Известен способ коррекции статических характеристик измерительных преобразователей по патенту России №2199088, G01D 3/02, G01R 35/00, включающий проведение тестового эксперимента с измерением значений выходных величин преобразователя при различных комбинациях его входных величин, устранение взаимного влияния каналов друг на друга путем измерения влияющего фактора и последующую коррекцию аддитивной и мультипликативной составляющей выходного сигнала. Коррекцию проводят путем составления матриц экспериментальных данных и обработки их.

Недостатком является большое количество предварительных измерений для составления матриц, что трудоемко.

Для реализации способа необходимо дорогостоящее оборудование при обработке данных (процессоры, схемы памяти, программатор, программное обеспечение и прочее), это повышает себестоимость процесса.

Известен способ преобразования электрического сигнала в измерительных преобразователях (книга «Аналоговые интегральные схемы», С.Соклоф, Москва, «Мир», 1988 г., стр.389, рис.35.23), включающий подачу входного сигнала на операционные усилители, охваченные обратными связями посредством резисторов, и многократную корректировку его параметров до требуемого нормированного значения.

Способ широко используют для преобразования мостового источника сигнала в типовых схемах, включающих операционный усилитель (ОУ) с резистивной обратной связью. Используемая схема имеет функцию преобразования:

где U_вых - напряжение (сигнал) на выходе преобразователя,

U₂ -U₁ - входной сигнал,

R ₁, R₂, R₄, R₃ - сопротивление соответствующих резисторов обратной связи.

При усилении входного сигнала, согласно формуле (1), усиливаются обе его составляющие - аддитивная и мультипликативная, т.к. они взаимосвязаны.

Недостатком рассматриваемого способа является зависимость изменения аддитивной составляющей выходного сигнала от его мультипликативной составляющей, что ведет к необходимости многократных настроек составляющих сигнала. Это повышает трудоемкость и снижает точность преобразования.

Известен способ нормирования измерительного преобразователя, включающий подачу входного сигнала на операционные усилители, охваченные обратными связями посредством резисторов, и многократную корректировку его параметров до требуемого нормированного значения (ж. «Industrial Solutions Guide», USA, 1Q, 2005, p.41). Для реализации способа используют каскадную интегральную схему PGA309 фирмы США «Texas Instruments Inc».

Нормирование сигнала преобразователя производят путем усиления его на последующих каскадах и передачи через программируемые делители. Здесь также происходит преобразование смешанного начального и измеряемого сигнала, т.е. существует зависимость изменения мультипликативной составляющей выходного сигнала от его аддитивной составляющей, что ведет к необходимости многократных настроек обеих составляющих сигнала. Это повышает трудоемкость и снижает точность преобразования.

Для настройки используют сложное дорогостоящее оборудование и специальные вычислительные программы, что требует дополнительных затрат.

Известен также способ нормирования измерительного преобразователя компенсационного типа, принятый за прототип и включающий подачу входного сигнала через входной резистор на усилитель к резистору цепи обратной связи и многократную корректировку параметров выходных величин преобразователя до нормированного значения (книга «Нормирующие измерительные преобразователи электрических сигналов», М.Б.Лейтман, М., «Энергоатомиздат», 1986 г., с.8-9, рис.1.2б).

Для получения нормированного выходного сигнала сначала корректируют мультипликативную его составляющую согласно формуле (1.13), при этом изменится и аддитивная составляющая, т.к. они зависят друг от друга. В формуле (1.13) два первых слагаемых образуют аддитивную составляющую, а два других - мультипликативную составляющую. В слагаемые, образующие аддитивную составляющую, входит коэффициент преобразования (с обратной связью), установленный на данный момент времени и характеризующий мультипликативную составляющую. Для обеспечения необходимой точности преобразования многократно повторяют настройку мультипликативной и аддитивной составляющих выходного сигнала. В результате может наступить такое их сочетание, что обеспечить требуемые их значения невозможно. Все это снижает точности и повышает трудоемкости настройки.

Задачей изобретения является повышение точности и снижение трудоемкости настройки.

Заявляемый способ настройки измерительного преобразователя включает подачу входного сигнала через входной резистор на вход операционного усилителя к резистору цепи обратной связи и корректировку параметров выходных величин преобразователя до нормированного значения.

В отличие от прототипа обеспечивают независимую корректировку аддитивной составляющей выходного сигнала от его мультипликативной составляющей путем подачи сигнала, равного аддитивной составляющей выходного сигнала, на неинвертирующий вход операционного усилителя и обеспечения условия отсутствия тока в резисторе обратной связи, величина сопротивления которого обеспечивает мультипликативную составляющую выходного сигнала.

При подаче требуемого сигнала на неинвертирующий вход ОУ устанавливается такой же сигнал на инвертирующем входе ОУ, где он остается неизменным. Это обеспечено свойством ОУ.

Устанавливают равенство токов, протекающих по входному резистору и резистору смещения с помощью регулирования величины сопротивления последнего. Что обеспечивает отсутствие тока в резисторе обратной связи и значит равенство выходного сигнала требуемому нормированному сигналу, который является аддитивной составляющей выходного сигнала. Таким образом, выходной сигнал разделяют на независимые составляющие. Это повышает точность настройки с помощью простых нетрудоемких операций и обеспечивает независимость корректировки аддитивной составляющей выходного сигнала от его мультипликативной составляющей (т.е. от любого изменения сопротивления резистора обратной связи).

Таким образом, все заявляемые признаки являются существенными и решают поставленную задачу.

Для реализации способа используют электрическую схему (см. чертеж), содержащую последовательно соединенные входной резистор 1, величина сопротивления которого постоянная, и резистор смещения 2 для компенсации смещения входного сигнала, величина сопротивления которого регулируемая. Входной резистор 1 подключен последовательно к инвертирующему входу операционного усилителя (ОУ) 3, имеющего в цепи обратной связи резистор 4.

Способ настройки измерительного преобразователя реализуют следующим образом.

1. Подают входное напряжение U _вх на входной резистор 1. Затем подают на неинвертирующий вход ОУ требуемое номинальное напряжение U_адд , которое равно аддитивной составляющей выходного сигнала. Напряжения между входами ОУ всегда равны, следовательно, на инвертирующем входе ОУ также установится U_адд.

Согласно закону Ома протекающий через резистор 1 ток I ₁ определяют по формуле (1)

где (U_вх-U _адд) - напряжение в резисторе 1,

R ₁ - сопротивление резистора 1.

По закону Кирхгофа алгебраическая сумма токов в узле (в точке А) I _а равна нулю, формула (2):

где I₁ - ток, протекающий через резистор 1,

I₂ - ток, протекающий через резистор 2,

I₃ - ток, протекающий через резистор 3.

Тогда из формулы (2) вытекает равенство (3)

Исходя из постоянства потенциала на инвертирующем входе ОУ, обеспечивают равенство токов, протекающих по резисторам 1 и 2:

Это равенство достигают регулированием значения сопротивления резистора 2, и при его обеспечении ток, протекающий через резистор 3, будет равен нулю, что вытекает из формул (2) и (3):

Из формул (5) и (6) следует, что напряжение на выходе ОУ U_вых установится равным аддитивной составляющей выходного сигнала U_адд:

Таким образом, произведена точная настройка U _вых преобразователя, т.е. при любом значении сопротивления резистора 3 требуемое напряжение на выходе ОУ будет неизменным.

2. При изменении входного сигнала преобразователя U _вх, т.е. при добавлении к нему полезной измеряемой составляющей U_и.вх, напряжение на входе будет равно сумме входных сигналов: U_вх+U _и.вх, тогда формула (1) примет вид:

При этом I₂ - ток, протекающий через резистор 2, остается неизменным, т.к. потенциал на инвертирующем входе ОУ обеспечивают неизменным потенциалом на неинвертирующем входе ОУ.

Так как алгебраическая сумма токов в узле (в точке А) I_a равна нулю, формула (2), то при изменении тока I₁ и сохранении неизменным тока I₂ обеспечивают равенство изменением тока I₃ путем изменения U _вых, см. формулу (6).

Преобразуя формулу (8), получим:

Тогда при условии I₃=0 напряжение на выходе ОУ U_вых установится равным аддитивной составляющей выходного сигнала U_адд:

Изменение тока, протекающего через резистор 1 (I _и.1), будет равно изменению тока обратной связи (I _и.3), т.е. тока через резистор 3:

Для обеспечения соответствия приращения выходного сигнала U_и.вых от приращения входного сигнала U_и.вх регулируют сопротивление R ₃ резистора обратной связи в соответствии с формулой Ома:

Подставляя значение I_и.3 из формулы (13) в формулу (12), получим:

Так как R₁ величина неизменная, то U_и.вых зависит от регулирования величины R₃, которая определяет мультипликативный коэффициент преобразования.

Таким образом обеспечивают независимость регулировки начального выходного сигнала, равного U_адд, от изменения мультипликативного коэффициента преобразования, т.е. мультипликативной составляющей выходного сигнала.