Способ коррекции результатов измерения тензометрическим мостовым датчиком с инструментальным усилителем
Владельцы патента RU 2468334:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") (RU)
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения неэлектрических величин при помощи тензометрического мостового датчика с инструментальным усилителем, запитанных постоянным током. Технический результат: исключение систематических аддитивных и мультипликативных составляющих погрешностей, входящих в рабочий измерительный сигнал. Сущность: вводят режим определения аддитивной и мультипликативной погрешностей, получаемых на разных температурных уровнях и запоминаемых в соответствующих устройствах памяти. Процедуру нагрева измерительного устройства осуществляют между рабочими режимами штатных измерений. Затем в режиме штатных измерений из результатов измерений операциями вычитания и деления исключают ранее найденные погрешности. Переключение с режима определения указанных погрешностей на штатный режим измерения производят по команде оператора. 1 ил.
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к разработке методов повышения точности измерений при воздействии мешающих факторов (изменений температуры, электрические помехи и т.д.). Оно может быть использовано в устройствах с тензометрическими мостовыми датчиками, запитанными постоянным током при измерении физических параметров.
Известен ряд методов, способствующих получению достоверных 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.
Недостатком указанных способов является необходимость создания образцовых сигналов и с их использованием периодически, методом аппроксимации, корректировать передаточные характеристики измерительного канала. Такой подход требует большого объема вычислительных операций, что значительно снижает быстродействие измерительных устройств.
Наиболее близким (прототипом) предлагаемого способа является способ, приведенный в учебном пособии для вузов «Измерение электрических и неэлектрических величин» авторы Н.Н.Евтихеев, Я.А.Купершмидт и др. под общей редакцией Н.Н.Евтихеева. М.: Энергоатомиздат, 1989 г. (с.120-123).
Известный способ основан на наличии двух идентичных измерительных цепей. По одной из которых проходит измерительный рабочий сигнал, а по другой эталонный сигнал. Затем операциями вычитания и деления из измерительного сигнала удаляются систематические аддитивные и мультипликативные погрешности.
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, нарушение перечисленных условий вносят искажения в процедуру исключения указанных погрешностей, что приводит к снижению точности измерения.
В предлагаемом способе используется только один измерительный канал, который периодически переводится в режим измерения величин аддитивных и мультипликативных составляющих систематической погрешности, а затем посредством операций вычитания и деления производится очищение рабочего измерительного сигнала от названных выше погрешностей.
Техническим результатом изобретения является увеличение точности измерения.
Указанный технический результат достигается тем, что в способ коррекции результатов измерения тензометрическим мостовым датчиком с инструментальным усилителем, запитанным двуполярным постоянным напряжением, вводят режим контроля систематических аддитивных и мультипликативных погрешностей, с дальнейшим исключением их из результатов измерений посредством операции вычитания и деления, для чего между рабочими режимами штатных измерений организуют процедуру принудительного нагрева измерительного устройства и на заданных температурных уровнях по первой управляющей команде измерительную диагональ тензометрического мостового датчика отключают от дифференциального входа инструментального усилителя, закорачивают и заземляют дифференциальный вход инструментального усилителя, в результате чего на выходе инструментального усилителя получают сигнал
Δадиi(K+ΔKi), где
Δадиi - аддитивная погрешность инструментального усилителя на i-м температурном уровне,
K - коэффициент усиления инструментального усилителя,
ΔKi - мультипликативная погрешность инструментального усилителя на i-м температурном уровне,
этот сигнал запоминают в первом запоминающем устройстве и подают на инверсный вход первого сумматора, затем по второй управляющей команде на вход инструментального усилителя подают напряжение питания Un тензометрического мостового датчика, который предварительно делят на первом делителе на постоянный коэффициент М>>1, выбранный из условия функционирования инструментального усилителя в рабочем диапазоне, на выходе инструментального усилителя получают сигнал, равный
,
который подают на прямой вход первого сумматора, из сигнала вычитают сигнал Δадиi(K+ΔKi) и на выходе первого сумматора получают сигнал
,
его умножают на коэффициент М и получившуюся величину Un(K+ΔKi) делят на втором делителе на величину сигнала Un, результат деления - (K+ΔKi) заносят в i-ю ячейку второго запоминающего устройства, после этого по третьей управляющей команде сигнал 
, идущий с выхода первого делителя, отключают от дифференциального входа инструментального усилителя, выход инструментального усилителя отключают от входа первого сумматора и подключают его к первому входу третьего делителя, при этом вход инструментального усилителя соединяют с измерительной диагональю механически ненагруженного тензометрического мостового датчика, в результате на первый вход третьего делителя с инструментального усилителя подают сигнал
,
где Ri - сопротивление тензорезисторов мостового датчика на i-м температурном уровне,
ΔRi - температурный разбаланс сопротивлений тензорезисторов мостового датчика на i-м температурном уровне,
Δаддi - аддитивная погрешность тензометрического датчика и линий его связи с инструментальным усилителем на i-м температурном уровне,
по адресному сигналу, вырабатываемому блоком управления, величину (K+ΔKi) с выхода второго запоминающего устройства подают на второй вход третьего делителя, сигнал делят на I величину (K+ΔKi), на выходе третьего делителя получают сигнал
,
который записывают в i-ю ячейку третьего запоминающего устройства, после чего описанную процедуру повторяют на другом температурном уровне и так продолжают до тех пор, пока не будут пройдены все заданные температурные уровни, на этом режим определения систематических мультипликативных и аддитивных погрешностей завершают, по четвертой управляющей команде начинают режим рабочих измерений, выход инструментального усилителя отключают от первого входа третьего делителя, на вход инструментального усилителя с измерительной диагонали тензометрического мостового датчика подают сигнал
,
где ΔRri - изменение сопротивления тензорезисторов под воздействием измеряемых нагрузок,
на выходе инструментального усилителя образуется сигнал
Этот сигнал подают на первый вход четвертого делителя, по адресной команде, подаваемой с блока управления, величину (K+ΔKi) подают из второго запоминающего устройства на второй вход четвертого делителя, на выходе четвертого делителя получают сигнал
,
который подают на прямой вход второго сумматора, по адресной команде, приходящей на третье запоминающее устройство с блока управления, сигнал подают на инверсный вход второго сумматора, из сигнала вычитают сигнал и на выходе второго сумматора получают сигнал 
, который на пятом делителе делят на величину Un, в результате получают чистый сигнал 
, выборку значений (K+ΔKi) и из ячеек памяти второго и третьего запоминающих устройств производят по сигналу с блока управления в зависимости от сигнала, поступающего на вход блока управления, от датчика температуры, управление всеми видами переключений при переходе с режимов рабочих измерений на режим определения систематических погрешностей производят посредством блока управления по команде оператора.
На фигуре схематически показана структура устройства, реализующего предлагаемый способ коррекции:
1, 2, 3, 4 - тензорезисторы мостового датчика,
5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 - ключи,
14, 15, 16, 17, 18 - делители,
19 - инструментальный усилитель,
20, 21, 22 - запоминающие устройства,
23, 24 - сумматоры,
25 - умножающее устройство,
26 - блок управления,
27 - датчик температуры.
Положительная клемма источника питания Un соединена с вершиной высокого потенциала питающей диагонали тензометрического мостового датчика (общая точка резисторов 1, 3). Вершина нулевого потенциала этой диагонали (общая точка резисторов 2, 4) соединена с шиной «земля». Вершины измерительной диагонали тензометрического мостового датчика соединены через ключи 5, 6 с дифференциальным входом инструментального усилителя 19. Положительный вход инструментального усилителя 19 через ключ 7 и первый делитель 14 соединен с положительной клеммой источника питания Un. Инверсный вход усилителя 19 через ключ 9 соединен с шиной «земля». Между дифференциальными входами инструментального усилителя 19 расположен ключ 8. Входы питания инструментального усилителя подключены к положительной и отрицательной клеммам источника питания Un и - Un. Выход усилителя 19 через ключи 10, 11, 12, 13 соответственно соединен с входом первого запоминающего устройства 20, прямым входом первого сумматора 23, первыми входами третьего и четвертого делителей 16, 17. Выход первого запоминающего устройства 20 подключен к инверсному входу первого сумматора 23. Выход первого сумматора 23 связан с входом устройства умножения 25. Выход устройства умножения 25 подключен к первому входу второго делителя 15. Второй вход делителя 15 соединен с положительной клеммой источника питания Un. Выход делителя 15 связан с входом второго запоминающего устройства 21. Выход второго запоминающего устройства 21 подключен к вторым входам третьего и четвертого делителей 16, 17. Выход делителя 16 связан с входом третьего запоминающего устройства 22. Выход устройства 22 соединен с инверсным входом второго сумматора 24. Выход четвертого делителя 17 подключен к прямому входу сумматора 24. Выход сумматора 24 соединен с первым входом пятого делителя 18, второй вход которого связан с положительной клеммой источника питания Un. Выход делителя 18 является выходом измерительного устройства. Блок управления 26 своим входом связан с датчиком температуры 27, а командным цифровым выходом «а» с управляющими входами всех ключей и первого запоминающего устройства 20. Адресный выход «б» блока управления 26 соединен с адресными входами второго и третьего запоминающих устройств 21, 22.
Реализуется предлагаемый способ следующим образом. Перед началом первого режима штатных рабочих измерений производят определение систематических мультипликативных и аддитивных погрешностей при различных уровнях температуры измерительного устройства, принудительно задаваемых оператором. Найденные величины указанных погрешностей записывают в соответствующие им ячейки запоминающих устройств. Для мультипликативных поправок используют свое запоминающее устройство 21. а для аддитивных - свое 22. Нумерация ячеек в обоих запоминающих устройствах одинаковая и соответствует нумерации температурных уровней. После выполнения режима определения мультипликативных и аддитивных погрешностей осуществляют режим штатных измерений. В этом режиме из фактически получаемых величин рабочего сигнала с учетом температурного состояния измерительного устройства удаляют ранее найденные систематические погрешности, хранящиеся в памяти. Подробнее это делается так. Для нахождения погрешностей ненагруженное измерительное устройство подвергают постепенному тепловому воздействию. На достигнутом уровне температуры в блоке управления на выходе «а» формируют первую управляющую команду. По этой команде ключи 8, 9, 10 замыкают. Остальные ключи размыкают. В первое запоминающее устройство 20 по этой управляющей команде записывают сигнал Δадиi(K+ΔKi). Этот сигнал подают на инверсный вход первого сумматора 23. Затем с выхода «а» блока управления 26 подают вторую управляющую команду. По этой команде ключи 7, 9, 11 замыкают, остальные ключи размыкают. На вход усилителя 19 подают напряжение питания Un, которое предварительно делят (делитель 14) на постоянный коэффициент М>>1, выбранный из условия функционирования инструментального усилителя в рабочем диапазоне. Сигнал , пришедший на вход усилителя 19, преобразуют в нем в сигнал 
Сигнал 
подают на прямой вход сумматора 23. На выходе сумматора 23 получают сигнал 
. Этот сигнал умножают на коэффициент М (умножающее устройство 25), а затем делят на величину Un (делитель 15). Сигнал (K+ΔKi) по адресной команде с выхода «б» блока управления 26 записывают в i-ю ячейку второго запоминающего устройства 21. На этом операцию определения мультипликативной погрешности для данного уровня температуры заканчивают. В блоке управления 26 на выходе «а» формируют третью управляющую команду. По этой команде ключи 5, 6, 12 замыкают, остальные ключи размыкают. На вход инструментального усилителя 19 с тензометрического мостового датчика подают сигнал 
На выходе инструментального усилителя получают сигнал . Этот сигнал на третьем делителе 16 преобразуют в сигнал и по адресной команде с выхода «б» блока управления 26 записывают в i-ю ячейку третьего запоминающего устройства 22. На этом завершают режим определение искомых погрешностей на i-м уровне температуры. Температура, измеряемая датчиком температуры 27, продолжает изменяться. При достижении следующего уровня температуры в блоке управления формируют новую серию команд с выходов «а», «б» и тем самым повторяют описанную выше процедуру определения указанных погрешностей. Этот процесс продолжают до тех пор, пока не будут установлены погрешности для каждого температурного уровня. Далее выполняют штатный режим измерений. Для этого в блоке управления на выходе «а» формируют четвертую управляющую команду. По этой команде ключи 5, 6, 13 замыкают, остальные ключи размыкают. Сигнал с выхода тензометрического мостового датчика в виде 
подают на вход усилителя 19. На выходе инструментального усилителя 19 получают сигнал 
. Этот сигнал на четвертом делителе 17 по адресной команде с выхода «б» блока управления 26, приходящей на второе запоминающее устройство 21, преобразуют в сигнал , который с выхода четвертого делителя 17 подают на прямой вход второго сумматора 24, где из него вычитают величину , которую выбирают из соответствующей ячейки третьего запоминающего устройства 22 по той же адресной команде, что приходит на запоминающее устройство 21. На выходе сумматора 24 получают сигнал 
, который на пятом делителе 18 делят на величину Un, тем самым в результате выполненных операции получают чистый сигнал . Осуществляют выбор значений (K+ΔKi) и из ячеек памяти второго и третьего запоминающих устройств 21, 22 с помощью блока управления 26 по сигналу, поступающему на его вход, от датчика температуры 27. Управление всеми видами переключений при переходе с режимов рабочих измерений на режим определения систематических погрешностей производят посредством блока управления 26 по команде оператора в соответствии с регламентом поверок измерительного устройства.
Способ коррекции результатов измерений тензометрическим мостовым датчиком с инструментальным усилителем, запитанным двуполярным источником напряжения, основанный на исключении посредством операций вычитания и деления систематических аддитивных и мультипликативных погрешностей, возникающих в измерительной цепи, отличающийся тем, что для определения аддитивных и мультипликативных погрешностей между рабочими режимами штатных измерений организуют процедуру принудительного нагрева измерительного устройства и на заданных температурных уровнях по первой управляющей команде измерительную диагональ тензометрического мостового датчика отключают от дифференциального входа инструментального усилителя, закорачивают и заземляют дифференциальный вход инструментального усилителя, в результате чего на выходе инструментального усилителя получают сигнал
Δадиi(К+ΔKi),
где Δадиi - аддитивная погрешность инструментального усилителя на i-м температурном уровне,
К - коэффициент усиления инструментального усилителя,
ΔKi - мультипликативная погрешность инструментального усилителя на i-м температурном уровне,
этот сигнал запоминают в первом запоминающем устройстве и подают на инверсный вход первого сумматора, затем по второй управляющей команде на вход инструментального усилителя подают напряжение питания Un тензометрического мостового датчика, который предварительно делят на первом делителе на постоянный коэффициент М>>1, выбранный из условия функционирования инструментального усилителя в рабочем диапазоне, на выходе инструментального усилителя получают сигнал, равный
который подают на прямой вход первого сумматора, из сигнала вычитают сигнал Δадиi(K+ΔKi) и на выходе первого сумматора получают сигнал
его умножают на коэффициент М и получившуюся величину Un(K+ΔKi) делят на втором делителе на величину сигнала Un, результат деления - (К+ΔKi) заносят в i-ю ячейку второго запоминающего устройства, после этого по третьей управляющей команде сигнал , идущий с выхода первого делителя, отключают от дифференциального входа инструментального усилителя, выход инструментального усилителя отключают от входа первого сумматора и подключают его к первому входу третьего делителя, при этом вход инструментального усилителя соединяют с измерительной диагональю механически ненагруженного тензометрического мостового датчика, в результате на первый вход третьего делителя с инструментального усилителя подают сигнал
где Ri - сопротивление тензорезисторов мостового датчика на i-м температурном уровне,
ΔRi - температурный разбаланс сопротивлений тензорезисторов мостового датчика на i-м температурном уровне,
Δаддi - аддитивная погрешность тензометрического датчика и линий его связи с инструментальным усилителем на i-м температурном уровне,
по адресному сигналу, вырабатываемому блоком управления, величину (К+ΔKi) с выхода второго запоминающего устройства подают на второй вход третьего делителя, сигнал делят на величину (К+ΔKi), на выходе третьего делителя получают сигнал
который записывают в i-ю ячейку третьего запоминающего устройства, после чего описанную процедуру повторяют на другом температурном уровне и так продолжают до тех пор, пока не будут пройдены все заданные температурные уровни, на этом режим определения систематических мультипликативных и аддитивных погрешностей завершают, по четвертой управляющей команде начинают режим рабочих измерений, выход инструментального усилителя отключают от первого входа третьего делителя, на вход инструментального усилителя с измерительной диагонали тензометрического мостового датчика подают сигнал
где ΔRri - изменение сопротивления тензорезисторов под воздействием измеряемых нагрузок,
на выходе инструментального усилителя образуется сигнал
этот сигнал подают на первый вход четвертого делителя, по адресной команде, подаваемой с блока управления, величину (К+ΔKi) подают из второго запоминающего устройства на второй вход четвертого делителя, на выходе четвертого делителя получают сигнал
который подают на прямой вход второго сумматора, по адресной команде, приходящей на третье запоминающее устройство с блока управления, сигнал подают на инверсный вход второго сумматора, из сигнала вычитают сигнал и на выходе второго сумматора получают сигнал 
, который на пятом делителе делят на величину Un, в результате получают чистый сигнал , выборку значений (К+ΔKi) и из ячеек памяти второго и третьего запоминающих устройств производят по сигналу с блока управления в зависимости от сигнала, поступающего на вход блока управления, от датчика температуры, управление всеми видами переключений при переходе с режимов рабочих измерений на режим определения систематических погрешностей производят посредством блока управления по команде оператора.
