ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
MEASURING DEVICE

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к разделу измерений неэлектрических величин электрическим способом. Оно может быть применено в устройствах, где используются тензометрические мостовые датчики (запитанные постоянным током), изменяющие свои параметры при изменении измеряемых физических величин. Построение устройств на базе тензометрических мостовых датчиков с дальнейшим усилением сигналов инструментальными усилителями (нормирующими преобразователями) - известный прием, широко освещенный в технической литературе. Как и ко всяким устройствам измерения, к устройствам этого типа предъявляются жесткие требования к точности измерений при воздействии внешних мешающих факторов (колебаний температуры, электромагнитных помех и т.д.).
Предлагаемое изобретение направленно на создание средств уменьшения систематических аддитивных и мультипликативных погрешностей в измерительном сигнале при использовании в измерительных цепях тензометрических мостовых датчиков с инструментальными усилителями. К указанному виду погрешностей относятся погрешности, вызываемые паразитными термо-ЭДС, возникающими в линиях связи датчика с инструментальным усилителем (аддитивные погрешности), а также погрешности, связанные с изменением коэффициента усиления нормирующего преобразователя (мультипликативные погрешности).
Известны измерительные устройства, в которых предусмотрены средства подавления систематических погрешностей. Например, в патенте US №4142405, МПК G01K 7/20, G01L 1/22, G01R 17/10 предусмотрена, так называемая, схема активной компенсации изменений сопротивлений линий связи источника питания с тензометрическим мостовым датчиком. Эта схема позволяет минимизировать погрешности, связанные с изменением активного сопротивления линий связи датчика и источника питания от влияния колебаний температуры или изменения длины проводов. Схема активной компенсации выполняется на базе операционного усилителя, соединенного выходом и инверсным входом с вершиной высокого потенциала диагонали питания тензометрического мостового датчика, а прямым входом с источником питания однополярным постоянным током. Однако в устройстве по патенту US №4142405 отсутствует техническая возможность устранения систематических погрешностей, возникающих в линиях связи датчика с инструментальным усилителем и в самом инструментальном усилителе.
Из литературных источников («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.120-123) известны схемы устройства для минимизации систематических аддитивных и мультипликативных погрешностей, возникающих в линиях связи датчиков с усилителем. Схемы этого устройства взяты за прототип.
Недостатком прототипа, приведенного в указанной литературе, является необходимость организации двух абсолютно идентичных измерительных каналов, состоящих из датчика и инструментального усилителя каждый. По одному из каналов передается эталонный сигнал, а затем, в случае исключения аддитивных погрешностей проводится операция вычитания показаний результатов измерения одного канала из другого, а в случае исключения мультипликативных помех - операция деления результатов измерения одного канала на другой. Реализация двух абсолютно идентичных каналов практически недостижима, что снижает точность измерения.
Технический результат предлагаемого изобретения состоит в повышении точности работы измерительных устройств, использующих тензометрические мостовые датчики с инструментальным усилителем при питании их постоянным током, за счет устранения систематических аддитивных и мультипликативных погрешностей посредством независимого измерения этих погрешностей и удаления их из общего результата штатного измерения полезного сигнала.
Достижение данного результата обеспечивается тем, что в измерительное устройство, содержащее тензометрический мостовой датчик, инструментальный усилитель, схему активной компенсации, в которой операционный усилитель соединен прямым входом с источником питания однополярным током, вершина нулевого потенциала диагонали питания тензометрического мостового датчика подключена к шине «земля», а вершины измерительной диагонали тензометрического мостового датчика связаны с дифференциальным входом инструментального усилителя, подключенного к тому же источнику питания, введены семь ключей, один коммутатор, пять мультиплексоров, три аналого-цифровых преобразователя, пять делителей, одно умножающее устройство, три регистра энергонезависимой памяти, четыре сумматора и блок управления, при этом первый ключ расположен между выходом операционного усилителя и его инверсным входом, а коммутатор соединяет вершину высокого потенциала диагонали питания тензометрического мостового датчика либо с выходом и инверсным входом операционного усилителя, либо с шиной "земля", второй и третий ключи расположены в линиях связи вершин измерительной диагонали тензометрического мостового датчика с дифференциальным входом инструментального усилителя, четвертый ключ расположен в линии связи выхода первого делителя (на постоянный коэффициент М>>1) с положительным входом инструментального усилителя, пятый ключ расположен в линии связи отрицательного входа инструментального усилителя с шиной «земля», шестой ключ расположен между дифференциальными входами инструментального усилителя, седьмой (перекидной) ключ находится в линии связи корректирующего входа инструментального усилителя либо с источником напряжения смещения выходного сигнала инструментального усилителя, либо с шиной «земля», выход инструментального усилителя соединен с входом первого аналого-цифрового преобразователя, выход первого аналого-цифрового преобразователя подключен к входам первого, второго, третьего и четвертого мультиплексоров, причем выход первого мультиплексора подключен к входу первого регистра энергонезависимой памяти, выход этого регистра соединен с инверсным входом первого сумматора, прямой вход которого связан с выходом второго мультиплексора, выход первого сумматора подключен к входу умножающего устройства (на постоянную величину М>>1), выход умножающего устройства соединен с входом второго регистра энергонезависимой памяти, выход второго регистра энергонезависимой памяти подключен к первому входу второго делителя, второй вход второго делителя связан с выходом второго аналого-цифрового преобразователя, вход этого аналого-цифрового преобразователя и вход первого делителя подключены к положительной клемме источника питания, выход второго делителя связан со вторыми входами третьего и четвертого делителей, выход третьего мультиплексора подключен к входу третьего регистра энергонезависимой памяти, выход третьего регистра энергонезависимой памяти соединен с прямым входом второго сумматора, инверсный вход которого связан с выходом третьего аналого-цифрового преобразователя, вход третьего аналого-цифрового преобразователя подключен к источнику напряжения смещения, выход второго сумматора соединен с первым входом третьего делителя, выход третьего делителя связан с инверсным входом третьего сумматора, выход четвертого мультиплексора соединен с прямым входом четвертого сумматора, инверсный вход которого подключен к выходу третьего аналого-цифрового преобразователя, выход четвертого сумматора соединен с первым входом четвертого делителя, выход четвертого делителя через пятый мультиплексор подключен к прямому входу третьего сумматора, выход третьего сумматора подключен к первому входу пятого делителя, второй вход пятого делителя подключен к выходу второго аналого-цифрового преобразователя, выход пятого делителя является выходом измерительного устройства, управление ключами, коммутатором и мультиплексорами осуществляется четырьмя цифровыми командами, поступающими с выхода блока управления, переключение ключевых элементов устройства производится через заданные интервалы изменения времени Δτ или температуры ΔT элементов измерительного канала, например датчика.
На чертеже показана структурная схема измерительного устройства где:
1, 2, 3, 4 - тензорезисторы мостового датчика;
5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 - ключи;
12 - коммутатор;
13 - операционный усилитель;
14 - первый делитель на постоянный коэффициент M>>1;
15 - инструментальный усилитель;
16 - первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
17 - второй делитель;
18 - умножающее устройство M>>1;
19 - первый сумматор;
20 - второй мультиплексор;
21 - третий мультиплексор;
22 - четвертый мультиплексор;
23 - третий делитель;
24 - третий регистр энергонезависимой памяти;
25 - четвертый делитель;
26 - пятый мультиплексор;
27 - третий сумматор;
28 - пятый делитель;
29 - блок управления;
30 - третий АЦП;
31 - второй сумматор;
32 - четвертый сумматор;
33 - первый регистр энергонезависимой памяти;
34 - первый мультиплексор;
35 - второй регистр энергонезависимой памяти;
36 - второй АЦП.
п
Тензорезисторы 1, 2, 3, 4 образуют тензометрический мостовой датчик, у которого общая точка резисторов 1 и 3 представляет вершину высокого потенциала диагонали питания тензометрического мостового датчика, общая точка резисторов 2 и 4 представляет вершину нулевого потенциала диагонали питания тензометрического мостового датчика. Общие точки резисторов 1, 2 и 3, 4 являются вершинами измерительной диагонали тензометрического мостового датчика. Вершина высокого потенциала диагонали питания тензометрического мостового датчика через коммутатор 12 соединяется либо с выходом и инверсным входом операционного усилителя 13, либо с шиной "земля". Между выходом и инверсным входом усилителя 13 располагается первый ключ 5. Вершина низкого потенциала диагонали питания тензометрического мостового датчика соединена с шиной «земля». Прямой вход операционного усилителя 13 соединен с положительной клеммой источника питания однополярным током U. Операционный усилитель 13 с приведенными линиями связи, ключом 5 и коммутатором 12 представляют собой активную схему компенсации падения напряжения между источником питания и вершиной высокого потенциала диагонали питания тензометрического мостового датчика.
п
п
см
Вершины измерительной диагонали тензометрического мостового датчика (общие точки резисторов 1, 2 и 3, 4) через второй и третий ключи 6, 7 соединены с дифференциальным входом инструментального усилителя 15. Четвертый ключ 8 расположен в линии связи выхода первого делителя 14 с положительным входом усилителя 15. Вход первого делителя 14 связан с положительной клеммой источника питания U. Пятый ключ 10 расположен в линии связи отрицательного входа усилителя 15 с шиной "земля". Между входами усилителя 15 установлен шестой ключ 9. Входы питания инструментального усилителя 15 соединены с однополярным источником питания U, и шиной «земля», а корректирующий вход инструментального усилителя 15 через седьмой перекидной ключ 11 соединен либо с источником напряжения смещения выходного сигнала инструментального усилителя U, либо с шиной «земля». Выход инструментального усилителя 15 соединен с входом первого АЦП 16. Выход АЦП 16 через мультиплексоры 34, 20, 21, 22 соответственно соединен с входами первого регистра энергонезависимой памяти 33, первого сумматора 19, третьего регистра энергонезависимой памяти 24 и четвертого сумматора 32. Выход регистра 33 соединен с инверсным входом сумматора 19, выход сумматора 19 соединен с входом умножающего устройства 18. Выход умножающего устройства 18 соединен с входом второго регистра 35 энергонезависимой памяти. Выход регистра 35 подключен к первому входу второго делителя 17. На второй вход делителя 17 подается сигнал с выхода второго АЦП 36. Вход АЦП 36 связан с источником напряжения питания тензометрического мостового датчика. Выход второго делителя 17 соединен со вторыми входами третьего делителя 23 и четвертого делителя 25. Первый вход третьего делителя 23 связан с выходом второго сумматора 31, прямой вход которого соединен с выходом третьего регистра 24 энергонезависимой памяти. Инверсный вход второго сумматора 31 подключен к выходу третьего АЦП 30. Выход третьего делителя 23 соединен с инверсным входом третьего сумматора 27. Прямой вход сумматора 27 через пятый мультиплексор 26 связан с выходом четвертого делителя 25. Выход сумматора 27 подключен к первому входу пятого делителя 28, второй вход которого через посредство второго АЦП 36 связан с источником напряжения питания тензометрического мостового датчика. Выход делителя 28 является выходом устройства измерения. Управление переключением всех ключей и коммутирующих устройств производится четырьмя цифровыми сигналами с выхода блока управления 29. Условно обозначим варианты цифрового управляющего сигнала «а», «б», «в», «г».
ади
ади
ади
п
п
Работает устройство следующим образом. В режиме контроля производится независимое измерение аддитивных и мультипликативных погрешностей, для чего первоначально сигналом «а» с блока управления 29 размыкаются ключи 6, 7, 8. Замыкаются ключи 9, 10. Ключ 11 связывает корректирующий вход инструментального усилителя с шиной «земля». Первый мультиплексор 34 сигналом «а» замкнут. Остальные ключи и мультиплексоры разомкнуты. При таком состоянии ключей и мультиплексоров дифференциальный вход инструментального усилителя 15 закорочен и заземлен. На его выходе появляется сигнал Δ(k+Δk), где Δ - внутренняя аддитивная погрешность инструментального усилителя, k - коэффициент усиления инструментального усилителя, Δk - мультипликативная погрешность инструментального усилителя. Величина Δ(k+Δk) запоминается в первом регистре 33 энергонезависимой памяти и с выхода этого регистра подается на инверсный вход первого сумматора 19. По второму управляющему сигналу «б» ключи 6, 7, 9 разомкнуты. Ключи 8, 10 замкнуты. Перекидной ключ 11 соединяет корректирующий вход усилителя 15 с шиной «земля». Мультиплексор 20 замкнут. Остальные коммутирующие устройства разомкнуты. При таком состоянии переключающих элементов данного устройства напряжение питания U, поделенное на первом делителе 14 на коэффициент M>>1, подается на вход инструментального усилителя 15. Величина M выбирается из расчета, чтобы инструментальный усилитель работал в штатном режиме. Сигнал с выхода инструментального усилителя 15 величиной  подают на вход первого АЦП 16. С выхода АЦП 16 через мультиплексор 20 сигнал поступает на прямой вход первого сумматора 19. На выходе сумматора 19 получают сигнал . Полученный сигнал умножающим устройством 18 путем умножения на величину M преобразуют в сигнал вида U·(k+Δk).
n
см
адд
ад
см
ад
адд
ади
ад
см
см
ад
ад
см
см
ад
n
Этот сигнал через регистр памяти 35 подают на первый вход второго делителя 17. На втором входе делителя 17 находится сигнал U, пришедший в цифровой форме с выхода второго АЦП 36. Следовательно, на выходе второго делителя 17 образуется сигнал (k+Δk). Этот сигнал поступает на вторые входы третьего делителя 23 и четвертого делителя 25. После этого команда «б» с блока управления 29 снимается и подается команда «в». По этой команде ключи 8, 9, 10 и мультиплексоры 20, 22, 34 разомкнуты. Коммутатор 12 соединяет общую точку тензорезисторов 1,3 с шиной "земля", ключи 6, 7 и мультиплексор 21 замкнуты. Ключ 11 соединяет корректирующий вход усилителя 15 с источником напряжения смещения выходного сигнала инструментального усилителя U. В результате произведенных переключений тензометрический мостовой датчик, состоящий из тензорезисторов 1, 2, 3, 4 - обесточен. С измерительной диагонали этого датчика на вход инструментального усилителя 15 поступает сигнал Δ, определяемый аддитивной погрешностью, обусловленной паразитными ЭДС, возникающими в местах соединения вершин измерительной диагонали датчика с проводами, связывающими их с дифференциальным входом инструментального усилителя 15. На выходе усилителя 15 появится сигнал Δ×(k+Δk)+U, где Δ=Δ+Δ. Этот сигнал через третий мультиплексор 21 поступает на вход регистра 24 и запоминается в нем. С выхода регистра 24 сигнал Δ×(k+Δk)+U поступает на прямой вход сумматора 31. На инверсном входе этого сумматора находится сигнал U в цифровой форме, поданный с АЦП 30. С выхода сумматора 31 сигнал Δ×(k+Δk) поступает на первый вход третьего делителя 23 и делится в этом делителе на величину (k+Δk). Следовательно, на выходе делителя 23 появляется сигнал Δ, который поступает на инверсный вход сумматора 27. На этом режим контроля прекращается. Сигнал «в» с выхода блока управления 29 снимается и подается сигнал «г». По этому сигналу начинается режим штатных измерений, который обеспечивается следующим состоянием ключей и мультиплексоров. Ключи 6, 7 и мультиплексоры 22, 26 замкнуты. Коммутатор 12 соединяет выход и инверсный вход операционного усилителя 13 с общей точкой резисторов 1, 3 тензомоста. Ключ 11 соединяет корректирующий вход инструментального усилителя 15 с источником напряжения смещения выходного сигнала инструментального усилителя U. Остальные ключи и мультиплексоры разомкнуты. Сигнал  с измерительной диагонали мостового датчика (резисторы 1, 2, 3, 4) поступает на дифференциальный вход инструментального усилителя 15, где R - сопротивление тензорезисторов мостового датчика; ΔR - приращение сопротивления, вызванное изменением измеряемого параметра. На выходе усилителя 15 образуется сигнал  Этот сигнал через мультиплексор 22 поступает на прямой вход четвертого сумматора 32. Так как на инверсном входе сумматора 32 находится сигнал U, поступающий с АЦП 30, то на выходе сумматора 32 образуется сигнал  Этот сигнал поступает на первый вход четвертого делителя 25. Т.к. на втором входе этого делителя уже находится сигнал (k+Δk), то на выходе делителя 25 будет сформирован сигнал . Этот сигнал через мультиплексор 26 поступает на прямой вход сумматора 27. На выходе сумматора 27 появится сигнал , т.к. на его инверсном входе уже был сигнал Δ. С выхода сумматора 27 сигнал  поступает на первый вход пятого делителя 28. Поскольку на втором входе этого делителя находится сигнал U, то на выходе делителя 28 будет сигнал , т.е. чистый сигнал, вызванный изменением входного параметра, измеряемого тензометрическим мостом, без влияния систематических аддитивных и мультипликативных помех, а также без влияния изменения напряжения питания мостового датчика. Режим коррекции осуществляют через заданные промежутки времени Δτ или через заданные интервалы изменения температуры ΔT, например тензометрического мостового датчика. Отслеживание указанных интервалов и переключение режимов работы измерительного устройства осуществляется блоком управления 29.