СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УСТАНОВИВШЕГОСЯ ПОСЛЕ ВКЛЮЧЕНИЯ ПИТАНИЯ ЗНАЧЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА НА ВЫХОДЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
METHOD TO MEASURE PERMANENT ELECTRIC SIGNAL VALUE AT MEASURING TRANSDUCER OUTPUT SET STEADY AFTER POWER SWITCHING ON

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерениям физических параметров, преобразуемых в электрическую форму, и может быть использовано в системах телеметрии.
Общеизвестны способы измерения установившегося значения сигнала на выходе измерительного преобразователя, заключающиеся в том, что измерение производят в определенный момент времени после включения электропитания; так, например, в описании измерительного преобразователя давления JUMOdTRANS р30 (www.jumo.ru) указаны соответствующие времена задержки для различных модификаций этого преобразователя.
Однако наличие в этих способах переходных процессов, имеющих, как правило, экспоненциальный характер, приводит к тому, что измеренное значение выходного сигнала отличается от установившегося, причем эта разница (погрешность) становится малой только через продолжительный момент времени. Например, погрешность порядка 0,1% требует, чтобы момент измерения превосходил постоянную времени экспоненты не менее чем в 7 раз.
Это приводит к замедлению процесса измерения и повышению расхода энергии от источника питания, что особенно сказывается при питании от химических источников тока.
0
1
0
2
3
4
Известен способ определения параметров многоэлементного RLC- двухполюсника заключающийся в том, что на исследуемый двухполюсник подают постоянное напряжение U, далее осуществляют, по меньшей мере, четыре измерения мгновенного значения тока, протекающего в измерительной цепи, причем первое измерение тока I производят в произвольный момент времени t после начала подачи напряжения, второе I, третье I, четвертое I и последующие измерения тока производят через равные между собой образцовые промежутки времени Δ, равные промежутку времени между первым и вторым измерениями, а параметры двухполюсника определяют по соответствующим формулам (патент на изобретение РФ №2411525, М.кл. G01R 27/02, опубл. 10.02.2011 г.).
Указанный способ предназначен только для определения параметров двухполюсника и не позволяет измерять установившееся значение выходного сигнала на выходе измерительного преобразователя.
Наиболее близким к предлагаемому является способ определения параметров двухполюсников, заключающийся в том, что на измеряемый двухполюсник подают напряжение постоянного тока, а через образцовый интервал времени Δt с момента подачи напряжения измеряют первое мгновенное значение тока, протекающего в измерительной цепи, через такой же образцовый интервал времени Δt с момента второго измерения измеряют третье мгновенное значение тока, протекающего в измерительной цепи, и определяют параметры двухполюсника по формулам (патент RU 2180966, G01R 27/26, G01R 27/02, опубл. 27.03.2002 г.).
Указанный способ также предназначен только для определения параметров двухполюсников и не позволяет измерить установившееся значение выходного сигнала измерительного преобразователя.
Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей способа путем обеспечения измерения установившегося после включения питания значения выходного сигнала измерительного преобразователя, позволяющее одновременно уменьшить время измерения.
Достижение технического результата обеспечивается в предлагаемом способе измерения установившегося после включения питания значения постоянного электрического сигнала на выходе измерительного преобразователя, при котором измерение сигнала на выходе измерительного преобразователя производят в произвольно задаваемый момент времени после включения питания, отличающемся тем, что производят дополнительное измерение сигнала в момент времени, равный удвоенному значению первого момента времени, а установившееся значение определяют по формуле
<mrow><msub><mi>Y</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mi>y</mi><mn>2</mn></msup><msub><mrow /><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><msub><mi>у</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>у</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
где Yвыx - установившееся значение сигнала на выходе измерительного преобразователя,
вых1
вых2
у и у - соответственно значения выходного сигнала в первый и второй моменты времени.
Поясним достижение указанного технического результата указанными отличиями в предлагаемом способе.
вых1
2
1
вых2
После включения питания в произвольный момент времени t1 производится первое измерение сигнала на выходе преобразователя у и в момент времени t=2t производится второе измерение выходного сигнала у.
Установившееся значение сигнала на выходе измерительного преобразователя Yвых определяется по формуле
<mrow><msub><mi>Y</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mi>y</mi><mn>2</mn></msup><msub><mrow /><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><msub><mi>у</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>у</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
.
выx
Выходной сигнал измерительного преобразователя у (t) после включения питания во многих случаях меняется по экспоненциальному закону
<mrow><mtext>y(t)</mtext><mo>=</mo><msup><mrow><mtext>Yвых(l-е</mtext></mrow><mrow><mo>−</mo><mi>t</mi><msub><mo>/</mo><mi>τ</mi></msub></mrow></msup><mtext>)</mtext><mtext>, </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>  (1)</mtext></mrow>
где τ - постоянная времени, присущая данному измерительному преобразователю.
Из (1) следует
<mrow><msub><mtext>y</mtext><mrow><mtext>вых</mtext></mrow></msub><msub><mrow><mtext>(t</mtext></mrow><mtext>1</mtext></msub><mtext>)</mtext><mo>=</mo><msup><mrow><mtext>Yвых(l-е</mtext></mrow><mrow><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><msub><mo>/</mo><mi>τ</mi></msub></mrow></msup><mtext>)</mtext><mtext>, </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>  (2)</mtext></mrow>
<mrow><msub><mtext>y</mtext><mrow><mtext>вых</mtext></mrow></msub><msub><mrow><mtext>(t</mtext></mrow><mtext>2</mtext></msub><mtext>)</mtext><mo>=</mo><msup><mrow><mtext>Yвых(l-е</mtext></mrow><mrow><mo>−</mo><mi>t</mi><mn>2</mn><msub><mo>/</mo><mi>τ</mi></msub></mrow></msup><mtext>)</mtext><mtext>, </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>  (3)</mtext></mrow>
Из(2)следует
<mrow><mi>τ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><mi>I</mi><mi>n</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>y</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><msub><mi>Y</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Подставив (4) и (3), получим
<mrow><msub><mi>у</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>Y</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>у</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><msup><mrow /><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msup><mo>/</mo><msub><mi>Y</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msup><mo stretchy="false">)</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
2
1,
Положив t=2t получаем
<mrow><msub><mi>у</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>Y</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>у</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><msup><mrow /><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msup><mo>/</mo><msub><mi>Y</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>2</mn><msub><mi>у</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><msub><mi>y</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mn>1</mn><mo>/</mo><msub><mi>Y</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
вых,
Выразив из (6) Yполучаем
<mrow><msub><mi>Y</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mi>y</mi><mn>2</mn></msup><msub><mrow /><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><msub><mi>у</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>у</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
вых
2
вых
Из (7) следует, что точное значение Y может быть получено в момент времени t, на выбор которого, в принципе, ограничения не накладываются, т.е. в идеальном случае время измерения может быть сколь угодно малым. В имеющихся решениях погрешность измерения Yстремится к нулю только при времени измерения, стремящемся к бесконечности.
Реализация способа возможна, например, при помощи устройства, представленного на фиг.1.
В устройстве к выходу измерительного преобразователя 1 подключен вход микроконтроллера 2, а вход измерительного преобразователя 1 соединен с выходом ключа 3, вход которого соединен с выходом источника 4 питания.
0
1
2
1
0
Устройство работает следующим образом. В заданный программой микроконтроллера 2 момент t микроконтроллер 2 подает сигнал на ключ 3, который подключает источник питания 4 к измерительному преобразователю 1, выход которого подключен к измерительному входу микроконтроллера 2 (к входу АЦП, входящему в микроконтроллер). В заданный программой микроконтроллера 2 момент t производится первое измерение выходного сигнала измерительного преобразователя 1 и запись его в оперативную память микроконтроллера, в заданный программой момент t=2t-t производится второе измерение выходного сигнала измерительного преобразователя, после чего производится определение установившегося значения по формуле (7).
Блок-схема программы микроконтроллера 2 приведена на фиг.2. При этом микроконтроллер 2 может быть реализован, например, на микросхеме процессора, например, AT megal 168.
В качестве ключа 3 может быть использован транзистор IRF9Z14.
В качестве измерительного преобразователя 1 может быть использован датчик давления МИДА - 13П.
В качестве источника 4 питания может быть использована, например, литиевая гальваническая батарея LSH 20 напряжением 3,6 В.