способ калибровки и коррекции результатов измерения многоканального измерительно-вычислительного комплекса

Формула изобретения

Способ калибровки и коррекции результатов измерения многоканального многофункционального измерительно-вычислительного комплекса, в котором перед каждым штатным измерением рабочими датчиками определяют его температуру и оценивают ее диапазон, производят коррекцию результатов измерений, отличающийся тем, что заранее выполняют разовую калибровку измерительно-вычислительного комплекса путем температурного воздействия на него в климатической камере и измерения текущего значения температуры, при этом заранее определяют точки «i» в эксплуатационном интервале температур измерительно-вычислительного комплекса и в заданной точке температуры (t_i ) производят штатное измерение, причем при выполнении процедуры калибровки диапазон кодов результатов измерений разбивают на «j» поддиапазонов, где средние значения N_j в кодовом эквиваленте каждого поддиапазона отсчетов соответствуют калибровочным значениям, формируемым автоматическим калибратором мер, а именно для термопреобразователей сопротивления при измерениях одни значения, а для остальных типов датчиков другие значения, и по результатам калибровочных измерений для каждой программы измерения определяют значения постоянных корректирующих кодов: N_i-j=N_i-j-N _j, где N_i-j - результат измерения при i-й температуре калибровки и соответствующего (j-го) значения, где N_j - калибровочное значение в j-м поддиапазоне значений от автоматического калибратора мер, причем значения кодов для каждой программы измерения фиксируют и записывают в память измерительно-вычислительного комплекса и используют в дальнейшем для корректировки результатов измерений в процессе штатного сбора данных, причем предварительно измеряют температуру блока измерительно-вычислительного комплекса, по которой устанавливают соответствующий (i-й) температурный поддиапазон, и по значению N_j определяют соответствующий (j-й) поддиапазон отсчетов измерительно-вычислительного комплекса, а скорректированное значение результата измерения определяют по выражению N _k=N- N_i-j при N N_j или N_k=N+ N_i-j при N<N_j , где N_k - результат измерения с коррекцией, N - результат измерения без коррекции, N_j - калибровочное значение соответствующего (j-го) поддиапазона отсчетов, N_i-j - значение корректирующего кода для данных i и j для соответствующей программы измерения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к обеспечению получения достоверных результатов измерения при воздействии мешающих факторов (влияния изменения окружающей температуры, электрических помех, изменения окружающего давления и т.д.) средств измерения неэлектрических величин электрическим способом, а именно измерительно-вычислительным комплексом (ИВК). Он может быть использован в устройствах для измерения физических параметров, в которых используются пассивные и активные датчики, изменяющие свои параметры при вариации значений физических воздействий. Если по устранению влияния электрических помех в измерительных устройствах достигнуты определенные успехи, то вопросы компенсации влияния изменения окружающей температуры на ИВМ, особенно в широком диапазоне, например ±60°С, остаются проблематичными и определяют в основном погрешность результатов измерения.

Известен ряд способов, способствующих получению достоверных результатов измерения при воздействии мешающих факторов.

Как описано в Патенте РФ №2262713 «Способ калибровки измерительных систем», МПК G01R 35/00, 2005 г., периодически в процессе между измерениями осуществляют измерение на основе оценки эталонных значений. При этом в характерных и (или) эмпирически полученных точках диапазона измерений, в соответствии с их соотношением, автоматически запоминают или корректируют эталонные значения входного измеряемого сигнала. На основе соответствующих значений получают аппроксимации, по которым воспроизводится функция наилучшего равномерного приближения, интерполирующая и экстраполирующая значения эталонных сигналов.

При этом затрачивают большое время на процесс измерения и выполняют значительный объем вычислений.

По патенту №2006789 «Способ градуировки измерительных каналов тензометрических систем», МПК G01B 7/18, 1994 г., способ градуировки выполняют путем формирования на входах измерительных каналов штатных и дополнительных образцовых сигналов, которые соответствуют заданным точкам диапазона измерений, и в последующем регистрируют величины сигналов на выходах этих каналов в соответствующих точках, что также требует временных затрат и проведения значительных вычислительных процедур.

За прототип принят способ, описанный в статье «Контрольные измерения, калибровка и коррекция результатов измерений ИВК "ТЕНЗОР"» - Датчики и системы - 2006 г. - №6. с.5-9, где рассмотрены вопросы калибровки и коррекции результатов измерения в многоканальном многофункциональном измерительно-вычислительном комплексе (ИВК) с учетом влияния температурных факторов. Для более детального понимания работы ИВК в процессе измерения, калибровки и коррекции результатов измерения к прототипу можно использовать материалы статьи «Малогабаритный измерительно-вычислительный комплекс "ТЕНЗОР" для мониторинга прочности сложных механических конструкций». - Датчики и системы. - 2006 г. - №5. с.2-7.

В процессе рабочих измерений прототипа проводят контрольные измерения в процессе штатной работы ИВК, калибровку и реализуют сложный алгоритм коррекции.

Контрольные измерения (КИ) в способе выполняют трех видов:

- КИ1 - измеряют напряжение (Е ₊, Е_-) с целью контроля допустимого падения напряжения питания автономных источников (периодически и редко);

- КИ2 - определяют температуру в месте расположения контрольных многокомпонентных измерительных преобразователей (МИП);

- КИ3 - определяют значения начала и конца диапазона измерений для всех контрольных МИП с целью уточнения их значений в диапазоне рабочих температур эксплуатации ИВК и вычисляют метрологические константы линейной функции преобразования у=А+В×х измерительных программ ИВК, после производят коррекцию результатов измерения.

Коррекция результатов измерения в описанном способе-прототипе.

Режим коррекции используется для обеспечения метрологических характеристик (MX) ИВК в диапазоне рабочих температур эксплуатации ИВК. С этой целью перед сбором показаний рабочих датчиков проводят контрольные измерения (КИ).

Периодичность автоматического выполнения КИ определяют температурными условиями использования ИВК и устанавливают в процессе эксплуатации ИВК. Выполняют последовательную реализацию следующих основных операций перед каждым штатным измерением:

- вводят данные настройки ИВК;

- проводят контрольные измерения КИ2 (определяют температуру ИВК и оценивают ее диапазон); проводят контрольные измерения КИ3;

- выполняют рабочие измерения РИ (сбор показаний рабочих датчиков);

- выполняют коррекцию и статистическую обработку результатов измерений.

Недостаток способа заключается в том, что реализация этих операций требует значительных затрат времени.

Техническим результатом изобретения является снижение погрешности устройства за счет увеличения его быстродействия благодаря исключению дополнительного набора прецизионных резисторов, фиксирующих начало и конец диапазона измерения для всех типов и схем соединения датчиков, обслуживаемых измерительно-вычислительным комплексом (ИВК) и при этом требующих дополнительного времени для их опроса, обработки и вычисления корректирующих значений перед каждым штатным измерением ИВК.

Технический результат достигается тем, что в способе калибровки и коррекции результатов измерения многоканального многофункционального измерительно-вычислительного комплекса, в котором перед каждым штатным измерением рабочими датчиками определяют его температуру и оценивают ее диапазон, производят коррекцию результатов измерений, заранее выполняют разовую калибровку измерительно-вычислительного комплекса путем температурного воздействия на него в климатической камере и измерения текущего значения температуры, при этом заранее определяют точки «i» в эксплуатационном интервале температур измерительно-вычислительного комплекса и в заданной точке температуры (t_i) производят штатное измерение, причем при выполнении процедуры калибровки диапазон кодов результатов измерений разбивают на «j» поддиапазонов, где средние значения N_j в кодовом эквиваленте каждого поддиапазона отсчетов соответствуют калибровочным значениям, формируемых автоматическим калибратором мер, а именно для термопреобразователей сопротивления при измерениях одни значения, а для остальных типов датчиков другие значения, и по результатам калибровочных измерений для каждой программы измерения определяют значения постоянных корректирующих кодов: N_i-j=N_i-j-N _j, где N_i-j - результат измерения при i-й температуре калибровки и соответствующего (j-го) значения, где N_j - калибровочное значение в j-м поддиапазоне значений от автоматического калибратора мер, причем значения кодов для каждой программы измерения фиксируют и записывают в память измерительно-вычислительного комплекса и используют в дальнейшем для корректировки результатов измерений в процессе штатного сбора данных, причем предварительно измеряют температуру блока измерительно-вычислительного комплекса, по которой устанавливают соответствующий (i-й) температурный поддиапазон, и по значению N_j определяют соответствующий (j-й) поддиапазон отсчетов измерительно-вычислительного комплекса, а скорректированное значение результата измерения определяют по выражению N _к=N- N_i-j при N N_j или N_к=N+ N_i-j при N<N_j , где N_к - результат измерения с коррекцией, N - результат измерения без коррекции, N_j - калибровочное значение соответствующего (j-го) поддиапазона отсчетов,

N_i-j - значение корректирующего кода для данных i и j для соответствующей программы измерения.

На фиг.1 показана структурная схема измерительно-вычислительного комплекса (ИВК), реализующая предложенный способ;

На фиг.2 (таблица 1) - выбранный диапазон температур и его градации;

На фиг.3 (таблица 2) - определенные кодовые эквиваленты для датчика температур;

На фиг.4 (таблица 3) - определенные кодовые эквиваленты для остальных датчиков;

На фиг.5 (таблица 4) - рекомендованная таблица записи корректирующих кодов.

Предложенное решение значительно упрощает процесс коррекции результатов измерения в широком температурном диапазоне эксплуатации ИВК за счет выполнения простого алгебраического суммирования текущих результатов измерения с корректирующими кодами. Эти коды определены заранее при разовой калибровке ИВК в термоклиматической камере с помощью автоматического калибратора мер (АКМ). Это устройство известно для воспроизведения приращения сопротивления, напряжения и тока для измерительно-вычислительного комплекса «Тензор», например «Обеспечение метрологических испытаний измерительно-вычислительного комплекса "ТЕНЗОР"». - Датчики и системы. - 2006 г. №8. стр.34-36.

ИВК включает в себя узел коммутации (УК) 1, программируемый нормирующий преобразователь (ПНП) 2, микропроцессор (МП) 3 и встроенный радиоканал связи PC 4. Для обеспечения работы комплекса в широком диапазоне температур (-40-+50)°С с высокой стабильностью и точностью результатов измерений используют процедуры разовой предварительной калибровки и коррекции для каждого типа датчиков при штатных измерениях, которые обслуживает ИВК.

С этой целью:

а) внутри блока ИВК встроен датчик температуры 5 для измерения температуры блока;

б) для калибровки применяют специально разработанный автоматический калибратор мер (АКМ) 6, имитирующий все типы датчиков и схемы их включения, которые обслуживает ИВК;

в) по результатам калибровки определяют значения корректирующих кодов, которые записывают в память микропроцессора (МП) ИВК и используют в дальнейшем для корректировки результатов измерений в процессе сбора данных. При этом с целью упрощения вычислительных процедур и сокращения времени на их выполнение операции корректировки осуществляют путем простого алгебраического суммирования анализируемых результатов измерения с соответствующими значениями корректирующих кодов.

Процедура разовой предварительной калибровки:

а) диапазон эксплуатационных рабочих температур ИВК (-40)÷(+50)°С условно разбивают на «i» (i=9) поддиапазонов - фиг.2 (табл.1). С помощью датчика температуры ИВК определяют средние значения (t_i) каждого поддиапазона температур, которые используют в качестве контрольных точек, по достижении которых выполняют измерения, и их результаты используют для последующей калибровки;

б) диапазон кодов результатов измерений ИВК (отсчетов) условно разбивают на «j» (j=11) поддиапазонов - фиг.3 (табл.2) для термопреобразователей сопротивления; фиг.4 (табл.3) - для остальных типов датчиков. Средние значения (N _j) в кодовом эквиваленте каждого поддиапазона отсчетов соответствуют калибровочным значениям, формируемым АКМ 6, что обеспечивает достаточную точностью благодаря прецизионным элементам АКМ 6;

в) выбирают типы программ измерения (ПИ) для калибровки, где определяют тип датчика, номинальное значение R _н (для тензорезисторных датчиков), диапазон измерения;

г) для каждого «i» (i=1÷9) значения температуры калибровки последовательно для каждой ПИ проводят калибровочные измерения по «j» (j=1÷11) значениям, устанавливаемым от АКМ 6. По результатам калибровочных измерений для каждой ПИ определяют значения корректирующих кодов:

N_i-j=N_i-j-N _j,

где N_i-j - результат измерения для i-й температуры калибровки и соответствующего (j-го) значения от АКМ 6, N_j - калибровочное значение в j-м поддиапазоне значений от АКМ 6 фиг.3-4 (табл.2 или 3).

Значения корректирующих кодов для каждой ПИ записывают в формат представления, который приведен на фиг.5 (табл.4), в последующем эти данные переписывают в память микропроцессора (МП) ИВК.

Процедура коррекции при штатных измерениях.

Предварительно измеряют температуру блока ИВК, по которой из фиг.2 (табл.1) устанавливают соответствующий (i-й) температурный поддиапазон. По значению N из фиг.3-4 (табл.2 или 3) определяют соответствующий (j-й) поддиапазон отсчетов ИВК.

Скорректированное значение результата измерения определяют по выражению:

N _к=N- N_i-j при N N_j; N_k=N+ N_i-j при N<N_j ,

где N_k - результат измерения с коррекцией;

N - результат измерения без коррекции;

N_j - калибровочное значение соответствующего (j-го) поддиапазона отсчетов;

N_i-j - значение корректирующего кода для данных i и j из фиг.6 (табл.4) корректирующих кодов для соответствующей ПИ.