Многоканальный измерительный преобразователь на несущей частоте с встроенным цифровым синхронным детектором



Многоканальный измерительный преобразователь на несущей частоте с встроенным цифровым синхронным детектором
Многоканальный измерительный преобразователь на несущей частоте с встроенным цифровым синхронным детектором
Многоканальный измерительный преобразователь на несущей частоте с встроенным цифровым синхронным детектором

Владельцы патента RU 2618727:

Бухаров Кирилл Дмитриевич (RU)

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для весовых измерений в части измерений сигналов с первичных преобразователей силы (тензодатчиков). Аппаратура может применяться в любых отраслях промышленности, требующих прецизионных (0.002% и точнее) измерений массы, силы, момента силы и т.п. Многоканальный измерительный преобразователь сигналов в тензорезисторных мостовых схемах содержит блок генератора синусоидальных сигналов, блоки измерителей по числу каналов. Противофазные сигналы питания тензорезисторной мостовой схемы с выхода блока генератора синусоидальных сигналов через усилители мощности подаются на входы питания каждой тензорезисторной мостовой схемы, в каждом блоке измерителя напряжение со входов питания тензорезисторной мостовой схемы через дополнительные буферные усилители подается на входы опорного индуктивного делителя напряжения, выход которого соединен с первым входом коммутатора, второй вход которого соединен с выходной диагональю тензорезисторной мостовой схемы, а выход через дифференциальный операционный усилитель соединен со входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП), режим работы которого задается первым микропроцессором. Вход-выход АЦП соединен с входом-выходом первого микропроцессора, выход которого соединен со входом второго микропроцессора (МП2), осуществляющего цифровое синхронное детектирование, цифровую фильтрацию и расчет коэффициента деления тензорезисторной мостовой схемы, вход-выход второго микропроцессора соединен входом-выходом устройства передачи данных, аналоговый вход МП2 соединен с выходом схемы защиты, входы которой соединены с выходами усилителей мощности, второй выход МП2 соединен с третьим входом схемы защиты, а третий выход МП2 - с третьим входом коммутатора. Тактирующий вход АЦП каждого блока измерителей соединен с выходом блока генератора синусоидальных сигналов, формирующим тактирующие импульсы, а дискретный вход первого микропроцессора каждого блока измерителей соединен с выходом блока генератора синусоидальных сигналов, формирующим сигнал полной фазы напряжения питания тензорезисторных мостовых схем. Технический результат - снижение основной и дополнительных погрешностей измерений. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Многоканальная аппаратура для измерения сигналов тензорезисторных мостовых схем (АИСТ МС) предназначена для весовых тензометрических измерений в части измерений сигналов с первичных преобразователей силы (тензодатчиков). Аппаратура может применяться в любых отраслях промышленности, требующих прецизионных (0.002% и точнее) измерений массы, силы, момента силы, механических нагрузок, напряжений деформации и т.п.

АИСТ МС относится к классу аппаратуры, работающей на несущей частоте 225 Гц. Аналогами данной аппаратуры являются усилители DMP-40, DMP-41s, ML-38 немецкой фирмы НВМ. Все приведенные усилители используют схемы аналоговой фильтрации и аналогового синхронного детектирования сигнала тензорезисторной мостовой схемы, что приводит к увеличению уровня шумов, снижению точностных характеристик усилителя в целом, снижению повторяемости характеристик при серийном производстве усилителей и к повышению стоимости оборудования.

Наиболее близким аналогом аппаратуры АИСТ МС является измерительный преобразователь на несущей частоте (RU 2396511 С1, G01B 7/16, 10.08.2010), содержащий измерительный мост, программируемый задающий генератор синусоидального напряжения несущей частоты с автоматической стабилизацией амплитуды, усилитель мощности питания измерительного моста синусоидальным напряжением, предварительный усилитель несущей частоты, демодулятор, преобразователь синусоидального напряжения в прямоугольное, активный фильтр нижних частот с программно-изменяемыми частотами среза, программно-управляемые балансировочное устройство, устройство калибровки и устройство управления режимами работы преобразователя, выходной усилитель постоянного напряжения с программируемым коэффициентом усиления, аналого-цифровой преобразователь.

Недостатком преобразователя является высокая основная погрешность измерений.

Задачей изобретения является устранение указанных выше недостатков аналогичных преобразователей. Технический результат заключается в снижении основной и дополнительных погрешностей измерений, повышении повторяемости характеристик преобразователей при массовом производстве за счет применения метода синхронного цифрового детектирования сигнала, снижение стоимости преобразователей за счет отказа от аналоговых методов и схем обработки сигналов.

Указанный технический результат достигается следующей совокупностью существенных признаков: многоканальный измерительный преобразователь на несущей частоте с встроенным цифровым синхронным детектором, содержащий блок генератора синусоидальных сигналов, блоки измерителей по числу каналов, противофазные сигналы питания тензорезисторной мостовой схемы с выхода блока генератора синусоидальных сигналов через усилители мощности подаются на входы питания каждой тензорезисторной мостовой схемы, в каждом блоке измерителя напряжение со входов питания тензорезисторной мостовой схемы через дополнительные буферные усилители подается на входы опорного индуктивного делителя напряжения, выход которого соединен с первым входом коммутатора, второй вход коммутатора соединен с выходной диагональю тензорезисторной мостовой схемы, а выход через дифференциальный операционный усилитель соединен со входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП), режим работы которого задается первым микропроцессором, вход-выход АЦП соединен с входом-выходом первого микропроцессора, выход которого соединен со входом второго микропроцессора (МП2), осуществляющего цифровое детектирование измеряемого полезного сигнала тензорезисторной мостовой схемы совместно с сигналами питания тензорезисторной мостовой схемы, цифровую фильтрацию и расчет коэффициента передачи тензорезисторной мостовой схемы как результата измерений, вход-выход второго микропроцессора соединен входом-выходом устройства передачи данных, аналоговый вход МП2 соединен с выходом схемы защиты, входы которой соединены с выходами усилителей мощности питания тензорезисторной мостовой схемы, второй выход МП2 соединен с третьим входом схемы защиты, а его третий выход - с третьим входом коммутатора, тактирующий вход АЦП каждого блока измерителей соединен с выходом блока генератора синусоидальных сигналов, формирующим тактирующие импульсы, а дискретный вход первого микропроцессора каждого блока измерителей соединен с выходом блока генератора синусоидальных сигналов, формирующим сигнал фазы напряжения питания тензорезисторных мостовых схем.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена блок-схема многоканального измерительного преобразователя.

Измерительный преобразователь содержит блок генератора синусоидальных сигналов 1, общий для всех каналов, i блоков измерителя 2 (в частном случае i=6), блок индикации 15, соединенные шиной аналоговых сигналов (А, В), шиной сигналов управления и шиной передачи данных TXD.

Каждый блок измерителя 2 содержит усилители мощности 3, 4, подающие сигналы питания А, В на тензорезисторную мостовую схему, дополнительные буферные усилители 5, 6 сигнала обратной связи питания тензорезисторной мостовой схемы; опорный индуктивный делитель напряжения 7, который служит для повышения точности измерений за счет нормировки шкалы измерительного канала в целом на номинал индуктивного делителя напряжения путем автокалибровки; коммутатор 8, дифференциальный операционный усилитель 9 и аналого-цифровой преобразователь 10, микропроцессор (МП1) 11, который служит для управления аналого-цифровым преобразователем 10, а также для передачи оцифрованного полезного сигнала тензорезисторной мостовой схемы и флага полной фазы синусоидального сигнала питания тензорезисторной мостовой схемы SINF микропроцессору (МП2) 12; МП2 12 осуществляет цифровое синхронное детектирование полезного измеренного сигнала тензорезисторной мостовой схемы совместно с сигналом питания тензорезисторной мостовой схемы или калибровочного сигнала с опорного индуктивного делителя напряжения 7 (сигнал переключения выдается коммутатору 8), фильтрацию сигнала с помощью цифровых фильтров ФНЧ четвертого порядка (на схеме не показаны), выдачу результата измерений системам сбора данных с частотой 100 Гц для задач телеметрии через устройство передачи данных (преобразователь RS232) 13 и блоку индикации 15, общему для всех каналов, для оперативной индикации состояния измерительных каналов. Микропроцессор МП2 12 по командам с компьютера формирует сигналы привязки начала измерений START и калибровки CLB для других каналов и считывает эти сигналы с шины управления для выполнения соответствующих действий. Также МП2 12 осуществляет контроль линии подключения тензорезисторной мостовой схемы и защиту входных/выходных усилителей от выхода из строя из-за неправильного подключения с помощью схемы защиты 14; блок индикации 15 осуществляет сбор данных по всем 6-ти каналам измерителей сигналов тензорезисторной мостовой схемы и выдачи этих данных единым пакетом в стандарте USB на компьютер для статических измерений с частотой 1 Гц через преобразователь USB (16).

Устройство работает следующим образом.

Сигнал питания тензорезисторной мостовой схемы (тензомоста) формируется Блоком генератора синусоидальных сигналов 1. Измерение и обработка полезного сигнала тензорезисторной мостовой схемы производится Блоком измерителя 2. Обеспечение синхронизации всех частей устройства осуществляется применением общего генератора прямоугольных импульсов ГПИ частотой Fг, входящего в состав генератора синусоидальных сигналов 1 (на схеме не показан). Синусоидальный сигнал частотой F0 формируется из М дискретов делением частоты Fг на K.

Синусоидальный сигнал питания тензорезисторной мостовой схемы выдается в линии А, В.

Измерение полезного сигнала тензорезисторной мостовой схемы (дисбаланса тензомоста) каждого канала производится Блоком измерителя 2. Противофазные синусоидальные сигналы питания подаются через усилители мощности 3, 4 с линий А, В на тензорезисторную мостовую схему каждого канала. Возвращенные сигналы обратной связи от линий питания тензорезисторной мостовой схемы через буферные усилители 5, 6 подаются на опорный индуктивный делитель напряжения 7 с известным коэффициентом деления, выходной сигнал которого подается на входы 1 коммутатора 8 для проведения калибровки канала. На входы 2 коммутатора 8 подается измеряемый сигнал дисбаланса тензорезисторной мостовой схемы, модулированный несущей частотой сигнала питания тензорезисторной мостовой схемы F0. Сигнал с выхода коммутатора 8 через дифференциальный операционный усилитель 9 подается на аналого-цифровой преобразователь 10.

Оцифровка измеряемого сигнала происходит с частотой Fm. Для этого микропроцессор МП1 11 соответствующим образом задает режим работы АЦП 10 и затем принимает оцифрованные отсчеты сигнала. При кратности частот F0 и Fm, на одном периоде сигнала питания тензорезисторной мостовой схемы умещается ровно N=Fm/F0 отсчетов. Поток данных от АЦП 10 с подмешанным сигналом фазы сигнала питания тензорезисторной мостовой схемы SINF микропроцессор МП1 11 передает микропроцессору МП2 12 для цифровой амплитудной демодуляции сигнала методом синхронного детектирования с последующим расчетом коэффициента передачи тензорезисторной мостовой схемы и цифровой фильтрации результатов измерений как выходной величины.

Цифровая обработка сигнала устроена следующим образом.

Исходный сигнал Xn в виде кода АЦП 10 нормируется и умножается на базисную функцию сигнала питания тензорезисторной мостовой схемы с учетом подстройки фазы.

где

Xn - код АЦП,

Xmax - максимальное значение шкалы АЦП,

N - количество отсчетов сигнала на одном периоде сигнала питания тензорезисторной мостовой схемы,

n - счетчик отсчетов полезного сигнала тензорезисторной мостовой схемы,

ϕ0 - коэффициент подстройки фазы сигнала питания тензорезисторной мостовой схемы.

Сброс счетчика n происходит по сигналу SINF на каждом периоде сигнала питания тензорезисторной мостовой схемы, таким образом привязывая фазу базисной функции к фазе сигнала питания тензорезисторной мостовой схемы и обеспечивая синхронность детектирования сигнала.

Данные Yn поступают на вход каскадного фильтра ФНЧ. Первый каскад фильтра выполнен в виде фильтра скользящего среднего и предназначен для фильтрации гармоник сигнала питания.

Второй каскад фильтра ФНЧ выполнен в виде опционально подключаемого набора классических фильтров Бесселя, Баттерворта и Чебышева четвертого порядка с помощью цифровой аппроксимации фильтров с дискретной передаточной функцией Z следующего вида:

Приведенная выше процедура цифровой обработки сигнала обеспечивает фильтрацию любого некоррелированного с фазой несущей частоты питания тензорезисторной мостовой схемы шума, в том числе сетевых помех питания, температурных дрефов нулей всех усилителей и АЦП, входящих в схему измерительного преобразователя, паразитных эффектов, связанных с термоЭДС контактов и паек, паразитных емкостных утечек тока и т.п. Данный комплекс методов цифровой обработки обеспечивает снижение основной погрешности измерений вплоть до физически неустранимых эффектов, связанных с тепловым электрическим шумом тензорезисторов.

Величина коэффициента передачи тензорезисторной мостовой схемы Rn вычисляется как произведение величины Bn на калибровочный коэффициент С, который вычисляется по известной величине внутреннего индуктивного делителя напряжения ИДН 11.

Величина R прореживается в L раз и с требуемой частотой, например 100 Гц, передается через интерфейс RS232 13 на компьютер или другое приемное устройство.

Для защиты входных цепей от ошибок подключения служит схема защиты 14, которая детектирует и выпрямляет разницу сигналов с выходов буферных усилителей 5, 6 и подает его на аналоговый вход микропроцессора МП2 12. Если результирующий сигнал схемы защиты находится ниже порогового значения, схема защиты производит отключение усилителей мощности 3, 4 от тензорезисторной мостовой схемы и переключение коммутатора 8 в положение 1 для защиты дифференциального операционного усилителя 9.

Сигналы с выходных линий передачи данных от микропроцессора МП2 12 подаются на блок индикации 15 для оперативного контроля и индикации состояний измерительных каналов и передачи данных через устройство USB 16.

Для проведения калибровки и перезапуска счетчика реального времени от компьютера через преобразователь RS 13 подаются команды «Калибровка» и «Старт». Микропроцессор МП2 12 формирует сигналы START и CLB и передает их на Шину управления для синхронного запуска процессов калибровки и перезапуска счетчиков реального времени в других Блоках измерителей 2.

1. Многоканальный измерительный преобразователь на несущей частоте с встроенным цифровым синхронным детектором, содержащий блок генератора синусоидальных сигналов, блоки измерителей по числу каналов, противофазные сигналы с выхода блока генератора синусоидальных сигналов через усилители мощности подаются на входы питания каждой тензорезисторной мостовой схемы, в каждом блоке измерителя напряжение со входов питания тензорезисторной мостовой схемы через дополнительные буферные усилители подается на входы опорного индуктивного делителя напряжения, выход которого соединен с первым входом коммутатора, второй вход коммутатора соединен с выходной диагональю тензорезисторной мостовой схемы, а выход через дифференциальный операционный усилитель соединен со входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП), режим работы которого задается первым микропроцессором, вход-выход АЦП соединен с входом-выходом первого микропроцессора, выход которого соединен со входом второго микропроцессора (МП2), осуществляющего цифровое синхронное детектирование, цифровую фильтрацию и расчет коэффициента передачи тензорезисторной мостовой схемы, вход-выход второго микропроцессора соединен входом-выходом устройства передачи данных, аналоговый вход МП2 соединен с выходом схемы защиты, входы которой соединены с выходами дополнительных буферных усилителей, второй выход МП2 соединен с третьим входом схемы защиты, а его третий выход - с третьим входом коммутатора, тактирующий вход АЦП каждого блока измерителей соединен с выходом блока генератора синусоидальных сигналов, формирующим тактирующие импульсы, а дискретный вход первого микропроцессора каждого блока измерителей соединен с выходом блока генератора синусоидальных сигналов, формирующим сигнал фазы напряжения питания тензорезисторных мостовых схем.

2. Измерительный преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что питание каждой тензорезисторной мостовой схемы по числу каналов осуществляется противофазными сигналами питания через усилители мощности, а тактирующие входы АЦП всех каналов соединены с выходом блока генератора синусоидальных сигналов, формирующим тактирующие импульсы, что обеспечивает синхронную работу блока генератора и блоков измерителей.

3. Измерительный преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что выход блока генератора синусоидальных сигналов соединен с входом каждого из микропроцессоров измерительных каналов МП2, что обеспечивает возможность применения цифрового синхронного детектора.

4. Измерительный преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что на МП2 одного из каналов через устройство передачи данных подаются команды Калибровка и Старт, МП2 преобразует эти сигналы в сигналы START и CLB и передает на шину управления для синхронного запуска процессов калибровки и перезапуска счетчиков реального времени в блоках измерителей других каналов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для регистрации нагрузок, в частности осевого усилия от вращающихся деталей, таких как валы или цапфы турбомашин.

Изобретение относится к приборостроению, в частности к измерительным устройствам для измерения и регистрации сил взаимодействия между колесом и рельсом. Техническим результатом является повышение точности измерения сил взаимодействия колеса с рельсом за счет уменьшения влияния на измерения вертикальных сил, поперечного смещения колеса относительно рельса и расширения частотного диапазона измеряемых вертикальных и боковых (горизонтальных) сил, возникающих при контакте колеса с рельсом при прохождении по геометрическим, стыковым неровностям пути и волнообразным неровностям на поверхности катания рельса.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к датчикам давления контактного типа, в частности к тензометрическим средствам измерений консольного типа.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к тензометрическим средствам измерения. Технический результат: расширение динамического диапазона преобразования напряженно-деформированных состояний сенсорной консоли вследствие воздействия на ее поверхность скоростного напора (динамического давления) газовых или жидкостных потоков.

Изобретение относится к буровой технике и предназначено для измерения параметров силового воздействия на буровое долото режуще-скалывающего действия в процессе разрушения им породы.

Изобретение относится к датчикам силы. Датчик силы содержит корпус, который выполнен в виде короба, основание которого с внешней стороны снабжено крестообразным хомутом для закрепления корпуса в держателе штатива, а к противоположной стороне хомута закреплено основание, посредством которого датчик силы устанавливается на лабораторном столе, корпус снабжен съемной крышкой, один торец которой выполнен с П-образным окном для выхода порта.

Изобретение относится к весовой технике, в частности к датчикам силы, для точного измерения небольших усилий в широком диапазоне. Силочувствительный элемент содержит упругое кольцо с тензорезисторами, два жестких кольца меньшего и большего диаметров, радиальные рычаги по своим концам снабжены верхними и нижними балками равной толщины и длины, выполненными в виде трапеций с криволинейными основаниями.

Изобретение относится к весовой технике, в частности к тензорезисторным датчикам силы, предназначенным для точного измерения сил, в том числе в агрессивных средах.

Изобретение относится к весовой технике, в частности к упругим элементам датчиков силы, предназначенных для точного измерения силы небольшой величины в широком диапазоне.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для постоянного измерения усилий в различных резьбовых соединениях строительных элементов и конструкций.

Изобретение относится к гибкому устройству отображения. Технический результат – обеспечение обратной связи с предупреждением о степени изгиба для исключения повреждения гибкого устройства.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к устройствам для измерения деформации опор, находящихся под нагрузкой и может быть использовано для измерения и контроля деформации опорных элементов, предназначенных для магистральных газопроводов.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения относительной деформации. Сущность: тензопреобразователь содержит гибкую диэлектрическую подложку и, по крайней мере, четыре тензорезистора с токоподводящими дорожками, размещенных на одной стороне подложки с образованием сторон, по крайней мере, одного прямоугольника.
Использование: для исследования деформаций и напряжений в конструкциях опасных производственных объектов газо-, нефтехимической промышленности. Сущность: заключается в том, что наносят на поверхность детали хрупкое тензочувствительное пористое покрытие с фреоном, осуществляют отверждение покрытия, нагружение конструкции и определяют зону высвобождения газа фреона из пористого покрытия (лопаются пузырьки), используя газоанализатор, при этом в качестве хрупкого тензочувствительного пористого покрытия используют покрытие, выполненное из смеси, содержащей эпоксидную смолу, отвердитель ПЭП, газ фреон R-22 при следующем соотношении компонентов, мас.

Изобретение относится к измерению деформаций и может быть использовано при испытаниях изделий из хрупких материалов, например керамических обтекателей. Сущность: датчик измерения перемещения и деформации крепится жестким клеем на сухой поверхности односторонней липкой ленты с жесткой основой, закрепленной на поверхности исследуемой конструкции, при этом площадь липкой ленты выбирают из условия: Fe<<S1⋅τ1≤S2⋅τ2<S2⋅τ3, где Fe - максимальное значение силы реакции упругого элемента датчика измерения перемещения и деформации; S1 - площадь приклеивания датчика измерения перемещения и деформации; τ1 - величина сдвиговых напряжений, при которых наступает нарушение склейки жесткой основы липкой ленты с датчиком измерения перемещения и деформации; τ2 - величина сдвиговых напряжений, при которых наступает нарушение склейки липкой ленты с поверхностью объекта; τ3 - величина предельных сдвиговых напряжений, при которых происходит механическое разрушение поверхности объекта, например влагозащитного покрытия (ВЗП), или сколы на поверхности объекта и др., где τ2<τ3; S2 - площадь приклейки липкой ленты к поверхности объекта.

Изобретения относятся к измерительной технике, в частности к конструкции тензометрического датчика, системе определения его пространственного положения, способу определения его пространственного положения и измерительной системе с использованием тензометрического датчика.

Заявленные изобретения относятся к контрольно-измерительной технике, а именно к автоматическим средствам непрерывного мониторинга состояния конструкции стартового сооружения в процессе его эксплуатации.

Изобретение относится к автоматическим средствам периодического отслеживания состояния конструкции здания или инженерно-строительного сооружения в процессе его эксплуатации.

Изобретения относятся к приборостроению, в частности к контрольно-измерительной технике, а именно к автоматическим средствам непрерывного отслеживания состояния конструкций.

Изобретение относится к измерительной технике. Сущность: датчик подключают к высокоомной нагрузке RH>500 кОм, измеряют начальный разбаланс и выходной сигнал датчика при нормальной температуре t0, а также температурах t+ и t-, соответствующих верхнему и нижнему пределу рабочего диапазона температур.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для автоматизированного контроля состояния конструкции здания или инженерно-строительного сооружения в процессе его эксплуатации. Согласно способу в местах диагностирования контролируемой конструкции размещают датчики, осуществляют опрос датчиков, преобразуют полученную от датчиков информацию и передают ее на пункт контроля, выполненного в виде компьютера с программным обеспечением, где осуществляют регистрацию и сравнение полученной информации с заранее введенными в память компьютера фиксированными величинами. Датчики выполняют с возможностью получения от них информации об их пространственном положении. В пункте контроля формируют условное изображение контролируемой конструкции и фиксируют изменения пространственного положения датчиков, по которым определяют и регистрируют отклонения пространственного положения контролируемой конструкции или ее частей. По результатам сравнения этих отклонений с заранее введенными в память компьютера фиксированными величинами, соответствующими их допустимым значениям, судят о состоянии контролируемой конструкции. Условное изображение контролируемой конструкции выполняют в виде расчетной схемы контролируемой конструкции. Фиксацию изменений пространственного положения датчиков, по которым определяют и регистрируют отклонения пространственного положения контролируемой конструкции или ее частей, производят при различных нагружениях контролируемой конструкции. Технический результат заключается в повышении точности контроля. 2 ил.
© Патентный поиск, поиск патентов на изобретения - FindPatent.RU 2012-2024
Политика конфиденциальности 2016-07-07 2017-05-22T03:21:39
Наверх