СПОСОБ ОБРАБОТКИ СИГНАЛА ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО МОСТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR MEASURING BRIDGE SIGNAL PROCESSING AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах дистанционного контроля и диагностики технических объектов, в измерительных комплексах при контроле параметров технологического оборудования.
Известен способ преобразования выходного напряжения четырехплечего измерительного моста постоянного тока (далее по тексту "измерительного моста") в унифицированный сигнал, который требует в общем случае применения усилителя с большим коэффициентом усиления и дифференциальным входом [1], [2]. Как правило, в таких случаях используют инструментальный усилитель с огромным (до нескольких мОм) входным сопротивлением, в то время как входное сопротивление измерительного моста составляет несколько сот Ом [2], [3]. Такое соотношение входных сопротивлений позволяет практически полностью исключить влияние входного сопротивления инструментального усилителя на метрологические характеристики измерительного моста.
max
В то же время, выходной сигнал измерительного моста отображает значение параметра реального физического объекта, скорость изменения которого всегда ограничена. Поэтому основная мощность такого сигнала приходится на низкочастотную область спектра, ограниченную условно сверху частотой f. Известный способ и устройство обработки такого сигнала предполагают последовательное выполнение нескольких операций: симметрирование входных цепей устройства обработки, усиление входного сигнала, последующая фильтрация сигнала или какая-либо другая обработка его [3]. Так в работе [2], которая выбрана в качестве прототипа, операция усиления входного сигнала выполняется с помощью инструментального усилителя. При изготовлении его используют лазерную подгонку элементов, что обеспечивает симметрирование входных цепей. Фильтрацию сигнала производят активным фильтром нижних частот третьего порядка.
Недостатком такого способа обработки является слабая помехозащищенность при использовании его в тех случаях, когда само устройство обработки удалено от измерительного моста и подключается к нему с помощью линии связи [1]. При передаче измерительного сигнала по линии связи в ней наводятся различного рода помехи, которые снижают точность обработки сигнала. Применительно к линии связи в технической литературе [4] принято выделять наводимые в ней емкостную и индуктивную составляющие помехи. Емкостная составляющая обусловлена взаимодействием проводников через электрические поля. Индуктивная составляющая помехи является результатом взаимодействия проводников через магнитные поля.
Напряжение шумов емкостной составляющей помехи тем меньше, чем больше величина проводимости и емкости провода-приемника (провода линии связи) относительно земли [4].
Напряжение индуктивной составляющей помехи, наводимой в линии связи, оказывается включенным последовательно с сопротивлениями, находящимися на концах линии связи, и распределяется между этими сопротивлениями пропорционально их величине [4]. Таким образом, чем ниже импеданс входных цепей устройства обработки, подключаемого к линии связи, тем меньшая часть напряжения индуктивной составляющей помехи проходит на вход устройства обработки.
Распространенным способом борьбы с шумами в измерительных цепях большой чувствительности является симметрирование этих цепей [4]. Симметричными являются двухпроводные электрические схемы, в которых оба провода и подключаемые к ним цепи обладают одинаковым импедансом как относительно земли, так и относительно любого другого проводника, связанного с ними. Цель симметрирования состоит в том, чтобы сделать одинаковыми шумы, наводимые в проводах линии связи. В этом случае они будут представлять продольную помеху, которую можно компенсировать при последующей обработке сигнала [4]. Чем лучше симметрия схемы, тем большее подавление шумов можно получить. С этих позиций применение в прототипе инструментального усилителя с симметричной структурой входных цепей представляется целесообразным. Однако для обеспечения симметрии по импедансам входных цепей инструментального усилителя должна быть обеспечена симметрия не только самих рассматриваемых цепей, но и любых паразитных импедансов, связанных с ними. Поэтому только за счет обеспечения равенства между собой входных сопротивлений устройства обработки и увеличения их величины не удается обеспечить высокую точность симметрирования входных цепей устройства обработки. Более того, согласно [4] чем выше входное сопротивление цепей устройства обработки, подключаемых к линии связи, тем большее напряжение емкостной составляющей помехи наводится в линии связи и тем большая часть индуктивной составляющей помехи попадает на вход устройства обработки.
Кроме того, в прототипе операции фильтрации сигнала предшествует операция симметрирования. Это приводит к тому, что симметрированию подвергаются спектральные составляющие сигнала и помехи в огромной полосе пропускания инструментального усилителя, хотя составляющие спектра полезного сигнала размещаются в сравнительно узкой низкочастотной области спектра. При этом следует иметь в виду, что чем выше частота спектральных составляющих сигнала или шума, тем в большей степени их фаза зависит даже от очень малых значений активных, емкостных и индуктивных проводимостей паразитных цепей, связанных с входными цепями устройства обработки или с линией связи. Тем труднее обеспечить приемлемое качество симметрирования этих составляющих. Требования к частотным свойствам, допустимому разбросу параметров и стабильности элементов, используемых во входных цепях устройства обработки, с увеличением частоты спектральных составляющих тоже возрастают. Можно утверждать, что в области высоких частот в этом случае развивается неконтролируемый процесс, и подавление помех за счет симметрирования входных цепей практически не происходит. А так как избирательность активного фильтра нижних частот, так же как и его способность подавлять шумы за пределами полосы пропускания ограничены, то все это обусловливает на выходе устройства обработки сравнительно высокий уровень помех и низкое качество обработки сигнала.
Целью изобретения является повышение эффективности операции симметрирования входных цепей устройства обработки, снижение уровня помех на его входе и выходе при одновременном снижении требований к частотным свойствам и быстродействию применяемых при обработке операционных усилителей.
Это достигается тем, что в способе обработки сигнала, поступающего по двухпроводной лини связи с измерительного моста, операцию фильтрации сигнала активным фильтром нижних частот объединяют с операцией симметрирования сигналов и выполняют их непосредственно на входе устройства обработки. Для этого к выходу линии связи, к каждому ее проводу подключают относительно земли активный фильтр нижних частот. Относительно друг друга активные фильтры нижних частот включают таким образом, чтобы они образовали входные каскады инструментального усилителя с общим резистором регулирования коэффициента усиления. Кроме того, активные фильтры нижних частот выполняют идентичными друг другу по параметрам используемых в них активных и пассивных элементов, обеспечивая тем самым высокую степень симметрирования входных цепей устройства обработки.
В устройстве обработки сигнала, поступающего по двухпроводной линии связи с измерительного моста, используют вместо одного активного фильтра нижних частот два активных фильтра нижних частот, идентичные друг другу по параметрам используемых в них активных и пассивных элементов. Один активный фильтр нижних частот подключают входом относительно земли к одному из проводов линии связи, другой активный фильтр нижних частот подключают входом относительно земли к другому проводу линии связи. Выход одного активного фильтра нижних частот соединяют с инвертирующим входом дифференциального каскада инструментального усилителя. Выход другого активного фильтра нижних частот соединяют с неинвертирующим входом дифференциального каскада инструментального усилителя. Кроме того, инвертирующие входы операционных усилителей активных фильтров нижних частот соединяют между собой с помощью резистора регулирования коэффициента усиления. При этом выход дифференциального каскада инструментального усилителя используют в качестве выхода устройства обработки сигнала.
Эффективность операции симметрирования зависит от того, насколько точно удается обеспечить равенство фаз спектральных составляющих входного сигнала, поступающих по разным проводам линии связи на дифференциальный каскад инструментального усилителя. Чем ниже частота спектральной составляющей, тем меньшую часть периода ее составляют постоянные времени всех паразитных импедансов линии связи и связанных с ней цепей, включая паразитные цепи операционных усилителей заявляемого устройства, тем меньшее влияние оказывают паразитные импедансы на фазу спектральной составляющей. В соответствии с этим для спектральных составляющих одной частоты, поступающих по разным проводам линии связи, с уменьшением их частоты уменьшается степень влияния на разность их фаз разброса параметров паразитных импедансов линии связи, их стабильности.
В заявляемом способе активные фильтры нижних частот (далее АФНЧ) имеют ширину полосы пропускания, равную ширине спектра полезного сигнала и размещены на входе устройства обработки, на каждом из проводов линии связи. Поэтому они исключают возможность прохождения спектральных составляющих шума средней и высокой частоты на входы дифференциального каскада инструментального усилителя, в котором формируется разностный сигнал. А именно эти составляющие, поступающие по разным проводам линии связи, приобретают наибольшую разность фаз за счет воздействия неодинаковых по величине неконтролируемых активных и реактивных проводимостей паразитных импедансов. Именно их труднее всего симметрировать. Поэтому исключение спектральных составляющих средней и высокой частоты из процесса формирования разностного сигнала в дифференциальном каскаде инструментального усилителя повышает эффективность симметрирования входных цепей и за счет этого снижает уровень помех на выходе устройства обработки. При этом снижаются требования к частотным свойствам и стабильности параметров применяемых в устройстве обработки операционных усилителей, так как обработка сигнала в этом случае производится только на низкой частоте и параметры усилителей, а также их стабильность уже существенно не влияют на фазы низкочастотных спектральных составляющих.
Входными цепями заявляемого устройства обработки сигнала являются входные цепи активных фильтров нижних частот. В общем случае они представляют собой пассивные интегрирующие RC - цепи [2]. В заявляемом устройстве они оказываются подключенными относительно земли непосредственно к проводам линии связи. Оценим влияние таких цепей на уровень помех, поступающих из линии связи.
ф
ф
ш
1
2
3
п
1
ш
На Фиг.1 изображена эквивалентная схема, заимствованная из [4], которая условно отображает емкостную связь одного из проводов линии связи с проводником-излучателем помехи. Схема дополнена интегрирующей цепью RС, имитирующей входную цепь АФНЧ. В схеме используются следующие обозначения. U - напряжение шума на проводнике - излучателе; C - емкость между проводником - излучателем и землей; С - паразитная емкость связи между проводником - излучателем и проводом линии связи; С - емкость между проводом линии связи и землей; R - сопротивление провода линии связи относительно земли. Емкостью C при анализе можно пренебречь, поскольку она включена параллельно источнику U и на связь с другими цепями не влияет.
п
шп
В прототипе нагрузкой провода линии связи является его сопротивление R относительно земли, и соотношение для емкостной составляющей напряжения шума U, выделяющейся на проводе линии связи, согласно [4] имеет вид
Здесь ω - круговая частота наводимой на проводе линии связи емкостной составляющей помехи.
ф
ф
В заявляемом устройстве, как уже отмечалось, к проводу линии связи дополнительно подключена относительно земли интегрирующая цепь RС, имитирующая входную цепь АФНЧ. Так что полное сопротивление провода линии связи относительно земли Z, выделенное на Фиг.1 пунктиром в виде двухполюсника 1, будет определяться отношением
шф
А величина напряжения емкостной составляющей помехи U согласно (1) составит:
Или:
шф
2
2
3
2
3
п
ф
ф
-1
-1
-1
В соответствии с соотношением (4) напряжение U емкостной составляющей помехи, выделяющееся на проводе линии связи, в заявляемом устройстве прямо пропорционально проводимости емкости связи jωC между проводником - приемником и проводником - излучателем и обратно пропорционально суммарной проводимости jω(C+С) емкостей связи С, С, проводимости R  проводника линии связи относительно земли, суммарной проводимости входной цепи АФНЧ [R+(jωС)].
Рассмотрим практически важный случай, когда суммарная проводимость входной цепи АФНЧ многократно превышает суммарную проводимость паразитных цепей связи провода - приемника. Согласно (4) подключение в этом случае АФНЧ непосредственно к проводу линии связи снижает напряжение емкостной составляющей наводимой помехи. Чем выше частота этой помехи, чем выше суммарная проводимость входных цепей АФНЧ, тем ниже напряжение емкостной составляющей помехи. Необходимо учитывать также и то, что входные цепи АФНЧ, подключаемые к проводам линии связи, имеют сравнительно низкий импеданс и идентичны друг другу по параметрам используемых элементов. Это приводит к дополнительному симметрированию входных цепей устройства обработки, так как в этом случае в импедансе нагрузок проводов линии связи начинают преобладать активные и емкостные сопротивления входных цепей АФНЧ, идентичные друг другу по параметрам, что в итоге обеспечивает снижение уровня помех уже на выходе устройства обработки.
В отличие от АФНЧ входное сопротивление инструментального усилителя составляет несколько мОм и практически не влияет на величину емкостной составляющей помехи, наводимой в линии связи.
Индуктивная составляющая помехи применительно к рассматриваемому случаю распределяется согласно [4] между входным сопротивлением измерительного моста и входным сопротивлением АФНЧ, которое в области средних и высоких частот существенно меньше входного сопротивления инструментального усилителя. Следовательно, напряжение индуктивной составляющей помехи на входе заявляемого устройства будет тем меньше, чем выше частота наводимой помехи и чем больше суммарная проводимость входных цепей АФНЧ.
Таким образом, совмещение операции симметрирования с операцией фильтрации входного сигнала снижает напряжение емкостной и индуктивной составляющей помехи, обеспечивает поступление на входы дифференциального каскада только низкочастотных спектральных составляющих входного сигнала, у которых фаза слабо зависит от разброса паразитных параметров линии связи, от разброса параметров применяемых операционных усилителей и их стабильности. Все это повышает эффективность операции симметрирования и одновременно снижения требований к частотным свойствам и стабильности параметров применяемых операционных усилителей. Эффективность операции симметрирования возрастает также за счет применения активных фильтров нижних частот со сравнительно низкими входными импедансами, идентичными друг другу по параметрам используемых в них элементов, так как в этом случае в нагрузках проводов линии связи преобладают сопротивления и емкости входных цепей АФНЧ одинаковые по величине.
Сравнительный анализ заявляемого технического решения с прототипом позволяет сделать вывод о соответствии его критерию "новизна".
Из патентной и научно-технической литературы не известны вышеуказанные отличительные признаки способа и устройства в предложенной совокупности. Таким образом, заявляемый способ обработки сигнала измерительного моста и устройство для его осуществления удовлетворяют критерию "изобретательский уровень".
Предлагаемый способ и устройство для его осуществления позволяют оценивать состояние измерительных мостов, широко распространенных в технике измерений, определять в условиях помех значения параметров контролируемого объекта, удаленного от измерительного устройства на значительное расстояние. При этом обеспечивается снижение уровня помех в точке подключения наиболее чувствительного звена устройства обработки - инструментального усилителя, снижаются требования к частотным свойствам и быстродействию применяемых в устройстве операционных усилителей. Таким образом, предлагаемый способ и устройство удовлетворяют критерию изобретения "промышленная применяемость".
1
1
1
5
3
7
3
5
2
2
2
6
4
9
4
6
Заявляемый способ и устройство поясняются чертежом Фиг.2, где блок 1 условно отображает измерительный мост, блок 2 - линию связи, а блок 3 (обведен пунктиром) отображает заявляемое устройство обработки сигнала измерительного моста, электрическая схема которого изображена внутри этого блока. На ней символами A обозначен операционный усилитель первого АФНЧ, который кроме того содержит интегрирующие цепи RC, RC; резистивную отрицательную обратную связь R; емкостную положительную обратную связь RС. Элемент A представляет собой операционный усилитель второго АФНЧ, который кроме того содержит интегрирующие цепи RC, RС; резистивную отрицательную обратную связь R; емкостную положительную обратную связь RС.
1
2
3
12
1
2
8
1
10
2
11
13
Одновременно каскады на операционных усилителях A, A выполняют роль входных каскадов инструментального усилителя, дифференциальный каскад которого выполнен на операционном усилителе А с резистивной отрицательной обратной связью R. Инвертирующие входы A, А связаны между собой общим резистором регулирования коэффициента усиления R. Выход A связан с инвертирующим входом дифференциального каскада резистором R. Выход A связан с неинвертирующим входом дифференциального каскада резистивной цепью R, R.
1
2
3
4
5
6
7
9
10
11
12
13
1
2
3
4
5
6
1
2
Для обеспечения условий симметрирования сигналов, поступающих из линии связи, в схеме заявляемого устройства должны выполняться с высокой точностью следующие равенства: R=R; R=R; R=R; R=R; R=R; R=R; C=C; С=С; С=С. Коэффициенты усиления операционных усилителей A, А по своим значениям должны быть тоже близки друг другу.
3
Работа устройства сводится к следующему. Сигнал рассогласования измерительного моста в виде двух напряжений, определяемых относительно земли, поступает по проводам линии связи на активные фильтры нижних частот. По параметрам используемых в них элементов фильтры идентичны друг другу и, следовательно, имеют идентичные амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики. Причем ширина полосы пропускания каждого из АФНЧ равна ширине спектра полезного сигнала, так что на входы дифференциального каскада (операционный усилитель А) проходят только низкочастотные составляющие полезного сигнала и шума, слабо реагирующие на разброс параметров паразитных импедансов линии связи и цепей, связанных с ней. Спектральные составляющие помехи средней и высокой частоты, обладающие высокой чувствительностью к паразитным импедансам линии связи, на вход дифференциального каскада не проходят. Операция симметрирования выполняется более точно. Эффективность ее возрастает, уровень помех на выходе дифференциального каскада снижается. Требования к частотным свойствам используемых операционных усилителей тоже снижаются, так как обработка сигнала производится только на низкой частоте.
Входные импедансы АФНЧ невысокие и носят активно-емкостный характер, что обеспечивает снижение уровня емкостной составляющей помехи в области средних и высоких частот. По этой же причине происходит перераспределение индуктивной составляющей помехи между входным сопротивлением измерительного моста и входным сопротивлением фильтра, что приводит к снижению уровня индуктивной составляющей помехи в области средних и высоких частот.
Таким образом, совмещение операции симметрирования с операцией фильтрации входного сигнала позволяет существенно снизить напряжения емкостный и индуктивной составляющих помехи, наводимых в линии связи в области средних и высоких частот, обеспечивает поступление на входы дифференциального каскада только тех спектральных составляющих сигнала и помехи, у которых фаза слабо зависит от разброса параметров линии связи и паразитных цепей, связанных с ней, от разброса параметров применяемых операционных усилителей и стабильности их параметров. Все это повышает эффективность операции симметрирования и одновременно снижает требования к частотным свойствам и стабильности параметров применяемых операционных усилителей.
Эффективность операции симметрирования возрастает также за счет того, что входные импедансы АФНЧ по своим параметрам идентичны друг другу. В этом случае в сопротивлении проводов линии связи относительно земли преобладают сопротивления и емкости входных цепей фильтров, одинаковые по величине.
Источники информации
1. Лейтман М.Б. Нормирующие измерительные преобразователи электрических сигналов. - М.: Энергоатомиздат, 1986, с.98-105.
2. Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC/ Под редакцией У. Томпкинса и Дж. Уэбстера: Перевод с англ. - М.: Мир, 1992, с.364-375.
3. Патент РФ №2265229.
4. Отт Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах: Перевод с англ. - М.: Мир, 1979, с.35-36.