способ коррекции результатов измерений тензометрического мостового датчика с инструментальным усилителем

Формула изобретения

Способ коррекции результатов измерения тензометрического мостового датчика с инструментальным усилителем, запитанных однополярным постоянным током, основанный на методе вычитания аддитивных погрешностей из измерительного сигнала, отличающийся тем, что для определения аддитивных погрешностей в измерительном канале вершину высокого потенциала питающей диагонали тензометрического мостового датчика отключают от источника напряжения питания и соединяют ее с шиной «земля», тем самым на вход инструментального усилителя подают сигнал аддитивной погрешности _ад и на его выходе получают сигнал

_адК+U_см,

где К - коэффициент усиления инструментального усилителя, U_см - напряжение смещения нулевого уровня выходного сигнала инструментального усилителя, после этого выход инструментального усилителя отключают от прямого входа первого сумматора и подключают к прямому входу второго сумматора, на который подают сигнал _aдK+U_см, причем на инверсный вход этого сумматора постоянно подают сигнал U_см, на выходе второго сумматора получают сигнал _адК, который записывают в запоминающее устройство, с выхода запоминающего устройства сигнал _адК подают на инверсный вход первого сумматора, затем переходят в режим штатных измерений, для чего отключают выход инструментального усилителя от прямого входа второго сумматора, подключают вершину высокого потенциала питающей диагонали тензометрического мостового датчика к источнику питания, а выход инструментального усилителя подключают к прямому входу первого сумматора, в результате указанных операций на прямом входе первого сумматора получают сигнал

,

где R - сопротивление тензорезисторов мостового датчика, R - изменение сопротивления тензорезисторов от изменения измеряемых параметров, после этого из сигнала, находящегося на прямом входе первого сумматора, вычитают сигнал _адК, находящийся на его инверсном входе, тем самым на выходе первого сумматора, т.е. на выходе измерительного устройства получают сигнал , процедуру вычитания выполняют в течение режима штатного измерения до наступления следующего режима определения погрешностей, управление переключениями с режима определения погрешностей на режим штатных измерений производят либо через заданный промежуток времени, либо через заданный интервал изменения температуры тензометрического мостового датчика, которую контролируют в процессе измерений.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к проблеме повышения точности измерений при воздействии систематических мешающих факторов с аддитивными свойствами. К ним относятся, например, изменения температуры элементов, образующих измерительный тракт, ток смещения выходного сигнала инструментального усилителя, термо-ЭДС, возникающие в местах контактов разнородных материалов электрических цепей измерительного канала, и др.

Предлагаемый способ коррекции эффективен в измерительных каналах, содержащих тензометрические мостовые датчики с инструментальным усилителем при измерении неэлектрических физических величин электрическим способом.

Известен ряд способов, повышающих достоверность результатов измерения при воздействии мешающих факторов, например «Способ калибровки измерительных систем», патент РФ № 2262713, МПК G01R 35/00, «Способ градуировки измерительных каналов тензометрических систем», патент РФ № 2006789, МПК G01B 7/18.

Указанные способы предлагают создание образцовых сигналов разных уровней и проведение на их основе методом аппроксимации процедуры коррекции градуировочных характеристик измерительного канала.

Недостатком приведенных способов является необходимость большого объема вычислительных операций, что значительно снижает быстродействие измерительных устройств.

Наиболее близким к предлагаемому способу коррекции является способ, основанный на исключении систематических аддитивных погрешностей посредством вычисления разности двух входных сигналов: одного штатного, измерительного, а другого - эталонного (нулевого), поступающих на вычитающее устройство по двум идентичным измерительным цепям («Измерение электрических и неэлектрических величин». Учебное пособие для вузов / Н.Н.Евтихеев, Я.А.Купершмидт и др. Под общей ред. Н.Н.Евтихеева. - М.: Энергоатомиздат, 1989, с.120-122).

Недостатком данного способа является наличие двух измерительных каналов, абсолютно одинаковые характеристики которых труднодостижимы по причине необходимости полной идентичности элементов их составляющих и внешних воздействий, в которых они находятся. Невозможность выполнения указанных условий приводит к снижению точности измерений.

В предлагаемом способе используется только один измерительный канал, который периодически переводится из штатного режима работы в режим измерения величины погрешности с ее запоминанием. Затем запомненную величину погрешности вычитают из результатов измерений, производимых в штатном режиме. Тем самым исключают возникновение неучитываемых погрешностей. Техническим результатом изобретения является увеличение точности измерения.

Указанный технический результат достигается тем, что в способ коррекции результатов измерения тензометрического мостового датчика с инструментальным усилителем, запитанных однополярным источником постоянного тока, основанный на методе вычитания аддитивных погрешностей из измерительного сигнала, вводят режим определения указанных погрешностей в измерительном канале, для чего в измерительном канале вершину высокого потенциала питающей диагонали тензометрического мостового датчика отключают от источника напряжения питания и соединяют ее с шиной «земля», тем самым на вход инструментального усилителя подают сигнал аддитивной погрешности _ад и на его выходе получают сигнал

_адК+U_см, где

K - коэффициент усиления инструментального усилителя, U_см - напряжение смещения нулевого уровня выходного сигнала инструментального усилителя, после этого выход инструментального усилителя отключают от прямого входа первого сумматора и подключают к прямому входу второго сумматора, на который подают сигнал _адК+U_см, причем на инверсный вход этого сумматора постоянно подают сигнал U_см, на выходе второго сумматора получают сигнал _адК, который записывают в запоминающее устройство, с выхода запоминающего устройства сигнал _адК подают на инверсный вход первого сумматора, затем переходят в режим штатных измерений, для чего отключают выход инструментального усилителя от прямого входа второго сумматора, подключают вершину высокого потенциала питающей диагонали тензометрического мостового датчика к источнику питания, а выход инструментального усилителя подключают к прямому входу первого сумматора, в результате указанных операций на прямом входе первого сумматора получают сигнал

, где

R - сопротивление тензорезисторов мостового датчика, R - изменение сопротивления тензорезисторов от изменения измеряемых параметров, после этого из сигнала, находящегося на прямом входе первого сумматора, вычитают сигнал _адК, находящийся на его инверсном входе, тем самым на выходе первого сумматора (выходе измерительного устройства) получают сигнал , процедуру вычитания выполняют в течение режима штатного измерения до наступления следующего режима определения погрешностей, управление переключениями с режима определения погрешностей на режим штатных измерений производят либо через заданный промежуток времени, либо через заданный интервал изменения температуры тензометрического мостового датчика, которую контролируют в процессе измерений.

На фигуре показана структурная схема устройства, реализующая предложенный способ:

1, 2, 3, 4 - тензорезисторы;

5, 6, 7 - ключи;

8 - инструментальный усилитель (ИУ);

9 - первый сумматор;

10 - запоминающее устройство;

11 - устройство управления;

12 - второй сумматор.

Измерительное устройство состоит из тензометрического мостового датчика (резисторы 1, 2, 3, 4), трех коммутирующих ключей 5, 6, 7, инструментального усилителя 8, двух сумматоров 9, 12, запоминающего устройства 10 и устройства управления 11. Ключ 5 соединяет (разъединяет) вершину высокого потенциала питающей диагонали тензометрического мостового датчика (общая точка резисторов 1, 3) либо с шиной «земля», либо с источником питания U_п. Вершина нулевого потенциала питающей диагонали тензометрического мостового датчика (общая точка резисторов 2, 4) соединена с шиной «земля». Вершины измерительной диагонали тензометрического мостового датчика (общие точки резисторов 1, 2 и 3, 4) соединены с дифференциальным входом инструментального усилителя 8. Вход питания инструментального усилителя 8 постоянно соединен с однополярным источником питания. Корректирующий вход инструментального усилителя 8 соединен с источником напряжения смещения U_см нулевого уровня его выходного сигнала.

Выход инструментального усилителя 8 соединен с входами параллельно включенных ключей 6, 7. Выход ключа 6 подключен к прямому входу второго сумматора 12, инверсный вход которого постоянно соединен с источником напряжения смещения U_см. Выход сумматора 12 соединен с входом запоминающего устройства 10. Выход запоминающего устройства 10 связан с инверсным входом первого сумматора 9. Выход ключа 7 соединен с прямым входом первого сумматора 9. Выход сумматора 9 является выходом измерительного устройства. Переключение с режима штатного измерения на режим контроля погрешностей производится устройством управления 11, выход которого связан с управляющими входами ключей 5, 6, 7.

Реализуется предлагаемый способ следующим образом. В режиме определения аддитивных погрешностей в измерительном канале по управляющей команде с устройства управления 11 вершину высокого потенциала тензометрического мостового датчика (общая точка резисторов 1 и 3) ключом 5 отключают от источника постоянного тока U_п и подключают к шине "земля". Выход инструментального усилителя 8 ключом 7 отключают от прямого входа первого сумматора 9 и ключом 6 подключают к прямому входу второго сумматора 12. Инверсный вход сумматора 12 постоянно соединен с источником напряжения смещения нулевого уровня выходного сигнала инструментального усилителя U_см . В результате проведенных операций на вход инструментального усилителя 8 подают (т.к. мостовой датчик обесточен) только сигнал аддитивной погрешности _ад, возникающий например, в результате паразитных термо-ЭДС, в местах соединения линий связи вершин измерительной диагонали мостового датчика (общие точки резисторов 1, 2 и 3, 4) с инструментальным усилителем 8. На выходе инструментального усилителя 8 получают сигнал _адК+U_см, где K - коэффициент усиления инструментального усилителя. Этот сигнал через ключ 6 подают на прямой вход второго сумматора 12, т.к. на инверсном входе сумматора 12 находится сигнал U_см, то на выходе его получают сигнал _адК, который запоминают в запоминающем устройстве 10. На этом режим определения аддитивной погрешности завершают. По управляющей команде с устройства управления 11 ключом 5 вершину высокого потенциала мостового датчика соединяют с источником питания U_п. Выход инструментального усилителя 8 отключают ключом 6 от прямого входа второго сумматора 12 и подключают ключом 7 к прямому входу первого сумматора 9. В результате проведенных переключений на вход инструментального усилителя подают сигнал где R - сопротивление тензорезисторов мостового датчика, R - изменение сопротивления тензорезисторов от изменения измеряемых параметров. На выходе инструментального усилителя 8 получают сигнал Этот сигнал подают на прямой вход первого сумматора 9, где из него вычитают сигнал _адK, который подают на инверсный вход этого сумматора с выхода запоминающего устройства 10. В результате на выходе первого сумматора 9 получают сигнал , т.е. полезный сигнал без систематической аддитивной погрешности.

Управление переключениями с режима определения погрешностей на режим штатных измерений производят либо через заданный промежуток времени ( ), либо через заданный интервал изменения температуры тензометрического мостового датчика ( T), которую контролируют в процессе измерения.