измерительное устройство

Формула изобретения

Измерительное устройство, содержащее тензометрический мостовой датчик, инструментальный усилитель, две схемы активной компенсации, в каждой из которых один из входов операционного усилителя соответственно соединен с положительной или отрицательной клеммами двуполярного источника питания, вершины измерительной диагонали тензометрического мостового датчика подключены к дифференциальному входу инструментального усилителя, отличающееся тем, что в устройство введены два коммутатора, пять ключей, четыре мультиплексора, два аналого-цифровых преобразователя, пять делителей, одно умножающее устройство, три регистра энергонезависимой памяти, два сумматора и блок управления, соединенные так, что коммутаторы, расположенные в линиях связи операционных усилителей, и диагонали питания тензометрического мостового датчика соединяют вершины этих диагоналей либо с выходами и соответствующими входами операционных усилителей, либо с шиной «земля», при этом первый и второй ключи установлены в линиях связи вершин измерительной диагонали тензометрического мостового датчика с дифференциальным входом инструментального усилителя, третий ключ расположен в линии связи выхода первого делителя на постоянный коэффициент М>>1 с положительным входом инструментального усилителя, четвертый ключ расположен в линии связи отрицательного входа инструментального усилителя с шиной «земля», пятый ключ установлен в линии между дифференциальными входами инструментального усилителя, выход инструментального усилителя соединен с входом первого аналого-цифрового преобразователя, выход первого аналого-цифрового преобразователя подключен к входам первого, второго, третьего и четвертого мультиплексоров, причем выход первого мультиплексора подключен к входу первого регистра энергонезависимой памяти, выход этого регистра соединен с инверсным входом первого сумматора, прямой вход которого связан с выходом второго мультиплексора, выход первого сумматора подключен к входу умножающего устройства на постоянный коэффициент М>>1, выход умножающего устройства соединен с первым входом второго делителя, второй вход которого связан с выходом второго аналого-цифрового преобразователя, вход второго аналого-цифрового преобразователя, также как и вход первого делителя, соединен с положительной клеммой источника питания, выход второго делителя связан с входом второго регистра энергонезависимой памяти, выход второго регистра энергонезависимой памяти связан со вторыми входами третьего и четвертого делителей, выход третьего мультиплексора подключен к первому входу третьего делителя, выход третьего делителя соединен с входом третьего регистра энергонезависимой памяти, выход третьего регистра энергонезависимой памяти соединен с инверсным входом второго сумматора, прямой вход второго сумматора подключен к выходу четвертого делителя, первый вход которого связан с выходом четвертого мультиплексора, выход второго сумматора связан с первым входом пятого делителя, второй вход пятого делителя подключен к выходу второго аналого-цифрового преобразователя, выход пятого делителя является выходом измерительного устройства, управление коммутаторами, ключами, мультиплексорами и регистрами энергонезависимой памяти осуществляется четырьмя цифровыми сигналами, поступающими с выхода блока управления, переключение ключевых элементов устройства производится через заданные интервалы изменения времени или изменения температуры T датчика или других элементов устройства измерения, сигналы или T подаются на соответствующие входы блока управления от внешних устройств.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к разделу измерений неэлектрических величин электрическим способом. Оно может быть применено в устройствах, где используются тензометрические мостовые датчики (запитанные постоянным током), изменяющие свои параметры при изменении измеряемых физических величин.

Построение устройств на базе тензометрических мостовых датчиков с дальнейшим усилением сигналов инструментальными усилителями (нормирующими преобразователями) - известный прием, широко освещенный в технической литературе. Как правило, к устройствам измерения этого типа предъявляются высокие требования к точности измерений при воздействии внешних мешающих факторов (колебания температуры, электромагнитные помехи, изменение напряжения питания и т.д.). Предлагаемое изобретение направленно на создание средств уменьшения систематических аддитивных и мультипликативных погрешностей в измерительном сигнале при использовании в измерительных цепях тензометрических мостовых датчиков с инструментальными усилителями. К указанному классу погрешностей относятся погрешности, вызываемые, например, паразитными термо-ЭДС, возникающими в линиях связи датчика с инструментальным усилителем (аддитивные погрешности), а также погрешности, связанные с изменением коэффициента усиления нормирующего преобразователя (мультипликативные погрешности).

Известны измерительные устройства, в которых предусмотрены средства подавления систематических погрешностей. Например, в патенте US № 4142405, МПК G01K 7/20, G01L 1/22, G01R 17/10 предусмотрена так называемая схема активной компенсации падения напряжения в линии связи источника питания с тензометрическим мостовым датчиком. Эта схема позволяет минимизировать погрешности от влияния колебаний температуры и изменения длины проводов на изменение активного сопротивления линий связи.

Схема активной компенсации выполняется на базе операционного усилителя, выход которого и один из входов в зависимости от полярности подаваемого напряжения соединяется с соответствующей вершиной (+ или -) диагоналей питания тензометрического мостового датчика. Другой вход этого усилителя соединяется с соответствующей клеммой (+ или -) двуполярного источника питания. Однако в устройстве по патенту US № 4142405 отсутствует техническая возможность устранения систематических погрешностей, возникающих в линиях связи датчика с инструментальным усилителем и в самом инструментальном усилителе.

Из литературных источников («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.120-123) известны схемы устройства для минимизации систематических аддитивных и мультипликативных погрешностей, возникающих в линиях связи датчика с усилителем. Схемы этого устройства взяты за прототип.

Недостатком прототипа, приведенного в указанной литературе, является необходимость организации двух абсолютно идентичных измерительных каналов, по одному из которых передается эталонный сигнал, а затем, в случае исключения аддитивных погрешностей, проводится операция вычитания показаний результатов измерения одного канала из другого, а в случае исключения мультипликативных погрешностей производится деление результатов измерения одного канала на другой. Реализация двух абсолютно идентичных каналов с одинаковыми погрешностями практически недостижима, что снижает точность измерения.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в повышении точности работы измерительных устройств, использующих тензометрические мостовые датчики, подключенные к инструментальному усилителю, с питанием постоянным током, за счет устранения систематических аддитивных и мультипликативных погрешностей посредством независимого измерения этих погрешностей и удаления их из общего результата при штатном измерении полезного сигнала.

Достижение данного результата обеспечивается тем, что в измерительное устройство, содержащее тензометрический мостовой датчик, инструментальный усилитель, две схемы активной компенсации, в каждой из которых один из входов операционного усилителя соответственно соединен с положительной или отрицательной клеммами двуполярного источника питания, вершины измерительной диагонали тензометрического мостового датчика подключены к дифференциальному входу инструментального усилителя, введены два коммутатора, пять ключей, четыре мультиплексора, два аналого-цифровых преобразователя, пять делителей, одно умножающее устройство, три регистра энергонезависимой памяти, два сумматора и блок управления, соединенные так, что коммутаторы, расположенные в линиях связи операционных усилителей и диагонали питания тензометрического мостового датчика, соединяют вершины этих диагоналей либо с выходами и соответствующими входами операционных усилителей, либо с шиной «земля», при этом первый и второй ключи установлены в линиях связи вершин измерительной диагонали тензометрического мостового датчика с дифференциальным входом инструментального усилителя, третий ключ расположен в линии связи выхода первого делителя на постоянный коэффициент M>>1 с положительным входом инструментального усилителя, четвертый ключ расположен в линии связи отрицательного входа инструментального усилителя с шиной «земля», пятый ключ установлен в линии между дифференциальными входами инструментального усилителя, выход инструментального усилителя соединен с входом первого аналого-цифрового преобразователя, выход первого аналого-цифрового преобразователя подключен к входам первого, второго, третьего и четвертого мультиплексоров, причем выход первого мультиплексора подключен к входу первого регистра энергонезависимой памяти, выход этого регистра соединен с инверсным входом первого сумматора, прямой вход которого связан с выходом второго мультиплексора, выход первого сумматора подключен к входу умножающего устройства на постоянный коэффициент M>>1, выход умножающего устройства соединен с первым входом второго делителя, второй вход которого связан с выходом второго аналого-цифрового преобразователя, вход второго аналого-цифрового преобразователя, так же как и вход первого делителя, соединен с положительной клеммой источника питания, выход второго делителя связан с входом второго регистра энергонезависимой памяти, выход второго регистра энергонезависимой памяти связан со вторыми входами третьего и четвертого делителей, выход третьего мультиплексора подключен к первому входу третьего делителя, выход третьего делителя соединен с входом третьего регистра энергонезависимой памяти, выход третьего регистра энергонезависимой памяти соединен с инверсным входом второго сумматора, прямой вход второго сумматора подключен к выходу четвертого делителя, первый вход которого связан с выходом четвертого мультиплексора, выход второго сумматора связан с первым входом пятого делителя, второй вход пятого делителя подключен к выходу второго аналого-цифрового преобразователя, выход пятого делителя является выходом измерительного устройства, управление коммутаторами, ключами, мультиплексорами и регистрами энергонезависимой памяти осуществляется четырьмя цифровыми сигналами, поступающими с выхода блока управления, переключение ключевых элементов устройства производится через заданные интервалы изменения времени или изменения температуры T датчика или других элементов устройства измерения, сигналы или T подаются на соответствующие входы блока управления от внешних устройств.

На чертеже показана структурная схема измерительного устройства:

1, 2, 3, 4 - тензорезисторы мостового датчика;

5, 6 - коммутаторы;

7, 8 - операционные усилители;

9, 10, 11, 12, 13 - ключи;

14, 15, 16, 17, 18 - делители;

19 - инструментальный усилитель;

20, 21 - аналого-цифровые преобразователи (АЦП);

22, 23, 24, 25 - мультиплексоры;

26, 27, 28 - регистры энергонезависимой памяти;

29 - умножающее устройство на постоянный коэффициент M>>1;

30, 31 - сумматоры;

32 - блок управления.

Тензорезисторы 1, 2, 3, 4 образуют тензометрический мостовой датчик, у которого общая точка резисторов 1 и 3 представляет вершину высокого потенциала диагонали питания тензометрического мостового датчика, общая точка резисторов 2 и 4 представляет вершину низкого потенциала диагонали питания тензометрического мостового датчика. Общие точки резисторов 1, 2 и 3, 4 являются вершинами измерительной диагонали тензометрического мостового датчика. Вершины диагонали питания мостового датчика соответственно соединены с выходами первого и второго коммутаторов 5, 6. Входы этих коммутаторов подключены к выходам и соответствующим входам первого и второго операционных усилителей 7, 8, при этом прямой вход операционного усилителя 7 соединен с положительной клеммой источника питания U_п, а инверсный вход операционного усилителя 8 подключен к отрицательной клемме источника питания -U_п.

Вершины измерительной диагонали тензометрического мостового датчика (общие точки резисторов 1, 2 и 3, 4) через первый и второй ключи 9, 10 соединены с дифференциальным входом инструментального усилителя 19. Входы питания инструментального усилителя 19 соединены с двуполярным источником питания (U _п, -U_п). Выход инструментального усилителя 19 соединен с входом первого АЦП 20. Выход АЦП 20 через мультиплексоры 22, 23, 24, 25 соответственно соединен с входами первого регистра энергонезависимой памяти 26, первого сумматора 30, третьего и четвертого делителей 16, 17. Выход регистра 26 связан с инверсным входом сумматора 30. Выход сумматора 30 соединен с входом умножающего устройства 29. Выход умножающего устройства 29 подключен к первому входу второго делителя 15, второй вход которого связан с выходом второго АЦП 21. Вход АЦП 21, так же как и вход первого делителя 14, связан с клеммой U_п источника питания. Выход делителя 14 через третий ключ 11 подключен к положительному входу инструментального усилителя 19. Положительный и отрицательный входы инструментального усилителя связаны между собой через четвертый ключ 12. Отрицательный вход усилителя 19 через пятый ключ 13 связан с шиной «земля». Выход второго делителя 15 соединен с входом второго регистра 27 энергонезависимой памяти. Выход регистра 27 связан со вторыми входами третьего и четвертого делителей 16, 17. Выход делителя 16 подключен к входу третьего регистра энергонезависимой памяти 28. Выход регистра 28 соединен с инверсным входом второго сумматора 31. Выход делителя 17 подключен к прямому входу сумматора 31. Выход сумматора 31 связан с первым входом пятого делителя 18, второй вход которого соединен с выходом второго АЦП 21. Выход делителя 18 является выходом измерительного устройства.

Управление переключением всех ключей, коммутаторов и мультиплексоров, а также управление регистрами памяти производится четырьмя цифровыми сигналами (а, б, в, г), подаваемыми с блока управления 32.

Работает устройство следующим образом. В режиме контроля производится независимое измерение аддитивных и мультипликативных погрешностей, для чего первоначально сигналом «a» с блока управления 32 замыкают ключи 12, 13 и мультиплексор 22. Остальные ключи и мультиплексоры разомкнуты. При таком состоянии ключей и мультиплексоров дифференциальный вход инструментального усилителя 19 закорочен и заземлен. На его выходе появляется сигнал где _ади - внутренняя аддитивная погрешность инструментального усилителя, k - коэффициент усиления инструментального усилителя, k - мультипликативная погрешность инструментального усилителя. Величина запоминается по сигналу «а» в первом регистре 26 энергонезависимой памяти и с выхода этого регистра подается на инверсный вход первого сумматора 30. По второму управляющему сигналу «б» ключи 11, 13 и мультиплексор 23 замкнуты. Остальные ключи и мультиплексоры разомкнуты. При таком состоянии переключающих элементов данного устройства напряжение питания U_п, поделенное на первом делителе 14 на коэффициент M>>1, подается на вход инструментального усилителя 19. Величина M выбирается из расчета, чтобы инструментальный усилитель работал в штатном режиме. Сигнал с выхода инструментального усилителя 19 величиной подается на вход первого АЦП 20. С выхода АЦП 20 через мультиплексор 23 сигнал поступает на прямой вход первого сумматора 30. На выходе сумматора 30 образуется сигнал Полученный сигнал умножающим устройством 29 преобразуется в сигнал вида

U_п·(k+ k). Этот сигнал через делитель 15 в виде сигнала (k+ k) запоминается по команде «б» в регистре 27. Из регистра 27 сигнал (k+ k) поступает на вторые входы третьего и четвертого делителей 16, 17. После этого сигнал «б» с блока управления 32 снимается и подается сигнал «в». По этой команде ключи 9, 10 и мультиплексор 24 замыкаются. Коммутаторы 5, 6 заземляют диагональ питания мостового датчика. Остальные ключи и мультиплексоры находятся в разомкнутом состоянии. В результате произведенных переключений тензометрический мостовой датчик, состоящий из тензорезисторов 1, 2, 3, 4, обесточен. С измерительной диагонали этого датчика на вход инструментального усилителя 19 поступает сигнал _ади, определяемый аддитивной погрешностью, обусловленной паразитными ЭДС, возникающими в линиях соединения вершин измерительной диагонали датчика с дифференциальным входом инструментального усилителя 19. На выходе усилителя 19 появится сигнал _ад(k+ k), где Этот сигнал через третий мультиплексор 24 и третий делитель 16 в виде сигнала _ад поступает на вход регистра 28 и по команде «в» запоминается в нем. С выхода регистра 28 сигнал _ад поступает на инверсный вход сумматора 31. На этом режим контроля прекращается. Сигнал «в» с выхода блока управления 32 снимается и подается сигнал «г». По этому сигналу организуется режим штатных измерений. Коммутаторы 5, 6 соединяют вершины диагонали питания датчика с источником двуполярного питания. Ключи 9, 10 и мультиплексор 25 замыкаются. Остальные ключи и мультиплексоры разомкнуты. Сигнал с измерительной диагонали мостового датчика (резисторы 1, 2, 3, 4) поступает на дифференциальный вход инструментального усилителя 19, здесь R - сопротивление тензорезисторов мостового датчика; R - приращение сопротивления, вызванное изменением измеряемого параметра. На выходе усилителя 19 образуется сигнал Этот сигнал через мультиплексор 25 и делитель 17 в виде сигнала поступает на прямой вход второго сумматора 31. Так как на инверсном входе сумматора 31 находится сигнал _ад, то на выходе сумматора 31 появится сигнал . С выхода сумматора 31 сигнал поступает на первый вход пятого делителя 18. Поскольку на втором входе этого делителя находится сигнал U_п , то на выходе делителя 18 будет сигнал , т.е. чистый сигнал, вызванный изменением входного параметра, измеряемого тензометрическим мостом, без влияния систематических аддитивных и мультипликативных помех, а также без влияния колебаний напряжения питания мостового датчика. Режим коррекции осуществляют либо через заданные интервалы изменения температуры T тензометрического мостового датчика, либо через заданные промежутки времени . Отслеживание указанных интервалов и переключение режимов работы измерительного устройства осуществляется блоком управления 32 по сигналам и T от внешних устройств.