СПОСОБ КОРРЕКЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКОГО МОСТОВОГО ДАТЧИКА С ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫМ УСИЛИТЕЛЕМ
CORRECTION METHOD OF MEASUREMENT RESULTS OF STRAIN-GAUGE BRIDGE TRANSMITTER WITH INSTRUMENT AMPLIFIER

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.
ад
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 Δ и на его выходе получают сигнал
ад
см
ΔК+U, где
см
ад
см
см
ад
ад
K - коэффициент усиления инструментального усилителя, U - 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 ΔК+U, причем на инверсный вход этого сумматора постоянно подают сигнал U, на выходе второго сумматора получают сигнал ΔК, который записывают в запоминающее устройство, с выхода запоминающего устройства сигнал ΔК 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
ад
R - сопротивление тензорезисторов мостового датчика, ΔR - изменение сопротивления тензорезисторов от изменения измеряемых параметров, после этого из сигнала, находящегося на прямом входе первого сумматора, вычитают сигнал ΔК, 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.
п
см
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. 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 нулевого уровня его выходного сигнала.
см
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. 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.
п
см
ад
ад
см
см
ад
п
ад
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 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. В результате проведенных операций на вход инструментального усилителя 8 подают (т.к. мостовой датчик обесточен) только сигнал аддитивной погрешности Δ, 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 ΔК+U, 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, то на выходе его получают сигнал ΔК, 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. 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, ΔR - 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 ΔK, 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 (Δτ), либо через заданный интервал изменения температуры тензометрического мостового датчика (ΔT), которую контролируют в процессе измерения.