ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
STRAIN-MEASURING TRANSDUCER

Изобретение относится к области измерительной техники и промышленной электроники и служит для измерения деформаций, усилий, давлений и других физических параметров с помощью тензорезисторных датчиков, собранных по мостовой схеме.
Известны аналоговые измерительные преобразователи, предназначенные для нормирования выходных сигналов первичных преобразователей с тензорезисторами, включенными по мостовой схеме (см. B.C.Волобуев, В.П.Страшнов, Е.С.Сущевич, Л.Ф.Слепченко, А.В.Селицкий. Измерительные преобразователи для тензометрии типа Ш74. Приборы и системы управления, 1985, №9, с.25).
Питание тензорезисторного моста осуществляется по пятипроводной схеме, уменьшающей влияние сопротивлений проводов на измерительные характеристики преобразователя. Симметричный выход тензомоста с несимметричным входом усилителя постоянного тока УПТ согласуется с помощью блока, состоящего из последовательно включенного модулятора М и демодулятора ДМ. УПТ содержит предварительный усилитель У и устройство гальванического разделения УГР. Предварительный усилитель построен по двухканальной схеме. Канал усиления постоянного тока У1 выполнен по схеме М-ДМ, а канал переменного тока У2 - с непосредственными связями. Выходные сигналы каналов У1 и У2 подаются на вход УГР, состоящего из трансформаторного узла разделения сигналов. В выходном каскаде УГР сигналы каналов постоянного и переменного тока суммируются и усиливаются до уровня 10 В. Преобразователь содержит активный выходной фильтр нижних частот ФНЧ на операционном усилителе для ослабления уровня помех. Полоса пропускания ФНЧ регулируется изменением RC-элементов с помощью механического переключателя. Преобразователь содержит также устройство ручной балансировки тензомоста с индикатором небаланса.
Недостатки известного измерительного преобразователя заложены в его сложной архитектуре с М-ДМ схемами, ручном управлении режимами работы и балансировкой тензомоста, ограниченном диапазоне измерений, недостаточной точности, а также в отсутствии преобразователя аналогового сигнала в цифровой код.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения, принятым за прототип, является аналого-цифровой измерительный преобразователь сигналов датчиков, предназначенный для использования в составе магистрально-модульных измерительных схем (Блокин-Мечталин Ю.К. Измерительный преобразователь сигналов датчиков для магистрально-модульных систем. Измерительная техника, 1997, №11, с.14). Данный преобразователь содержит: источник питания датчиков постоянным напряжением с переключаемой полярностью, дифференциальный измерительный усилитель с программируемым коэффициентом усиления, интегрирующий аналого-цифровой преобразователь, состоящий из преобразователя напряжения в частоту с источником опорного напряжения и преобразователя частоты в код с программируемым временем измерения (интегрирования), формирователь калибровочного сигнала, коммутатор выбора режима работы, схему смещения шкалы, схему контроля линий связи с тензодатчиком, схему гальванического разделения аналоговой части от цифровой, дешифратор команд системной магистрали.
Существенными признаками, совпадающими с существенными признаками предлагаемого технического решения, являются: наличие источника питания тензорезисторного моста датчика постоянным напряжением с переключаемой полярностью, источника опорного эталонного напряжения, формирователя калибровочного сигнала, дешифратора команд системной магистрали.
К недостаткам прототипа относятся: ограниченный частотный диапазон измеряемых сигналов, значительное время измерения (интегрирования) сигнала для получения необходимой точности измерений, сложность архитектуры, включающей большое количество дискретных элементов и узлов, выполняющих основные функции преобразования.
Техническим результатом изобретения является расширение частотного диапазона измеряемых сигналов, уменьшение времени и повышение точности измерений, упрощение архитектуры преобразователя.
Технический результат достигается тем, что в тензометрический измерительный преобразователь, содержащий источник питания тензорезисторного моста постоянным напряжением с переключаемой полярностью, источник опорного эталонного напряжения, формирователь калибровочного сигнала и дешифратор команд системной магистрали, введен аналого-цифровой усредняющий сигма-дельта преобразователь, включающий коммутатор выбора режима работы преобразователя, устройство выборки и хранения входного сигнала, преобразователь с уравновешиванием заряда, цифровой фильтр нижних частот, регистр данных и регистр управления, при этом первый аналоговый вход коммутатора соединен с выходом измерительной диагонали тензомоста, второй аналоговый вход коммутатора соединен с входом формирователя калибровочного сигнала, вход которого соединен с диагональю питания тензомоста, выход коммутатора соединен с входом устройства выборки и хранения входного сигнала, выход которого соединен с входом преобразователя с уравновешиванием заряда, выход которого соединен с входом цифрового фильтра низких частот, выход которого соединен с входом регистра данных, выход которого соединен с входом дешифратора команд системной магистрали, выход источника опорного эталонного напряжения соединен с входом опорного напряжения преобразователя с уравновешиванием заряда и аналоговым входом источника питания тензомоста, выходы регистра управления соединены с входами управления коммутатора выбора режима работы преобразователя, устройства выборки и хранения входного сигнала, преобразователя с уравновешиванием заряда и цифрового фильтра нижних частот, а входы регистра управления и цифровой вход источника питания тензомоста с переключаемой полярностью соединены с выходом дешифратора команд системной магистрали.
На фиг.1 показана структурная схема предлагаемого тензометрического измерительного преобразователя. На фиг.2 приведен алгоритм работы преобразователя.
Предлагаемый тензометрический измерительный преобразователь содержит: источник питания тензорезисторного моста ТМ постоянным напряжением с переключаемой полярностью 1, аналого-цифровой усредняющий сигма-дельта преобразователь 2, источник опорного эталонного напряжения 3, формирователь калибровочного сигнала 4, дешифратор команд системной магистрали 5. Аналого-цифровой сигма-дельта преобразователь 2 включает: коммутатор выбора режима работы преобразователя 6, устройство выборки и хранения входного сигнала 7, преобразователь с уравновешиванием заряда 8, цифровой фильтр нижних частот 9, регистр данных 10 и регистр управления 11.
Предлагаемый тензометрический измерительный преобразователь работает следующим образом. Напряжение опорного эталонного источника 3 (2,5 В), необходимое для работы преобразователя 2, подается на вход опорного напряжения преобразователя IN REF. Одновременно эталонное напряжение источника 3 подается на аналоговый вход источника питания 1 для формирования напряжения питания тензомоста U (10 В).
Питание тензомоста осуществляется по четырехпроводной схеме со 100% обратной связью по напряжению с целью поддержания стабильности напряжения на вершинах диагонали питания тензомоста.
Выходное напряжение тензомоста (ΔU) в диапазоне -2,5…0…+2,5 В поступает на аналоговый вход коммутатора 6 IN1 преобразователя 2 и измеряется.
к
Напряжение питания тензомоста (U) с линий обратной связи поступает на формирователь калибровочного сигнала 4. С выхода формирователя калибровочный сигнал U поступает на аналоговый вход IN2 коммутатора 6 преобразователя 2 и измеряется.
Управление преобразователем 2, источником питания тензомоста 1 и передача данных измерения осуществляется по командам от компьютера, поступающим через системную магистраль и дешифратор команд 5 в регистр управления 11. Вначале устанавливается конфигурация преобразователя 2.
Конфигурирование преобразователя 2 включает: выбор типа регистра преобразователя (регистр управления или данных), режима работы (измерение или калибровка), коэффициента усиления (от 1 до 128), частоты режекции цифрового фильтра (от 10 Гц до 1000 Гц), номера канала преобразователя (IN1 или IN2), режима записи или чтения данных. Запись конфигурационной информации и чтение выходных данных осуществляется через двунаправленный последовательный порт преобразователя 2.
В процессе преобразования входной сигнал выбранного канала непрерывно модулируется устройством выборки и хранения 7, усиливается и преобразуется в последовательную цепочку импульсов в преобразователе с уравновешиванием заряда 8. Последовательность импульсов обрабатывается цифровым фильтром 9.
3
Скорость смены данных в выходном регистре 10 определяется частотой режекции цифрового фильтра - первым провалом спектральной характеристики, которая описывается законом (sinx/x) - параболическое спектральное окно. Точки режекции повторяются на кратных частотах, на которых фильтр дает наибольшее ослабление сигнала. Так, например, на частоте 50 Гц и 60 Гц обеспечивается ослабление до 100 дБ.
s
Допустимая частота отсчетов результатов преобразования f равна первой частоте режекции цифрового фильтра. Выходные данные считываются периодически со скоростью, которая не должна превышать скорость обновления (смены) данных.
Так как цифровая фильтрация проводится после преобразования аналог-код, она исключает шум, вносимый процессом преобразования.
у
n
n
n
у
При ступенчатом изменении входного сигнала преобразователя, например при переключении полярности напряжения питания тензорезисторного моста, время установления цифрового фильтра t=4·1/f, где f - частота 1-го провала частотной характеристики выбранного фильтра. Так, при f=10 Гц, t=0,4 c.
Формирование напряжения источника питания 1 тензомоста U и опорного напряжения для работы преобразователя 2 от общего источника эталонного напряжения 3, четырехпроводная схема подключения тензомоста к источнику питания 1 со 100% обратной связью по напряжению, применение аналого-цифрового усредняющего сигма-дельта преобразователя с программируемыми коэффициентом усиления и частотой режекции цифрового фильтра, определение средних значений результатов измерений при разной полярности напряжения питания тензомоста, использование автоматической калибровки преобразователя повышают точность измерений за счет уменьшения мультипликативных и аддитивных погрешностей от влияния электрических помех, изменения коэффициента преобразования и смещения нуля измерительного канала, термоЭДС в измерительных трассах и других влияющих факторов.
Алгоритм работы предлагаемого измерительного преобразователя следующий (фиг.2).
Вначале в регистр дешифратора команд 5 записывается конфигурационная информация от компьютера:
- код регистра преобразователя 2 (управления или данных);
- код режима работы преобразователя 2 (измерение или калибровка);
- код номера канала преобразователя 2 (IN1 или IN2);
- код коэффициента усиления (от 1 до 128);
- код частоты режекции цифрового фильтра (от 10 Гц до 1000 Гц);
- код записи или чтения данных.
Далее запускается цикл передачи конфигурационной информации из регистра дешифратора команд 5 в регистр управления 11 преобразователя 2. В процессе передачи данных читается код о начале и завершении цикла передачи.
После завершения передачи данных в регистр управления 11 преобразователя 2 запускается цикл преобразования сигнала в соответствии с установленной конфигурацией преобразователя. Завершение цикла преобразования подтверждается чтением соответствующего кода.
После завершения преобразования сигнала запускается цикл передачи данных из регистра данных 10 преобразователя 2 в регистр дешифратора команд 5. Чтение данных начинается с записи в регистр управления дешифратора команд 5 кода регистра данных 10 преобразователя 2. Завершение цикла передачи данных в регистр дешифратора команд 5 подтверждается чтением соответствующего кода.
Далее выполняется чтение результата преобразования из регистра дешифратора команд 5 через системную магистраль в компьютер.
Тензометрический измерительный преобразователь изготовлен и опробован в составе магистрально-модульной весоизмерительной системы аэродинамической трубы.
Исследование преобразователя показало высокую точность измерений сигналов многокомпонентных преобразователей силы - аэродинамических тензовесов в рабочем диапазоне частот и уменьшение времени измерения.