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 правило, к устройствам измерения этого типа предъявляются высокие требования к точности измерений при воздействии внешних мешающих факторов (колебания температуры, электромагнитные помехи, изменение напряжения питания 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 классу погрешностей относятся погрешности, вызываемые, например, 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 падения напряжения в линии связи источника питания с тензометрическим мостовым датчиком. Эта схема позволяет минимизировать погрешности от влияния колебаний температуры и изменения длины проводов на изменение активного сопротивления линий связи.
Схема активной компенсации выполняется на базе операционного усилителя, выход которого и один из входов в зависимости от полярности подаваемого напряжения соединяется с соответствующей вершиной (+ или -) диагоналей питания тензометрического мостового датчика. Другой вход этого усилителя соединяется с соответствующей клеммой (+ или -) двуполярного источника питания. 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 датчика с усилителем. Схемы этого устройства взяты за прототип.
Недостатком прототипа, приведенного в указанной литературе, является необходимость организации двух абсолютно идентичных измерительных каналов, по одному из которых 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 погрешностей производится деление результатов измерения одного канала на другой. Реализация двух абсолютно идентичных каналов с одинаковыми погрешностями практически недостижима, что снижает точность измерения.
Технический результат предлагаемого изобретения состоит в повышении точности работы измерительных устройств, использующих тензометрические мостовые датчики, подключенные к инструментальному усилителю, с питанием постоянным током, за счет устранения систематических аддитивных и мультипликативных погрешностей посредством независимого измерения этих погрешностей и удаления их из общего результата при штатном измерении полезного сигнала.
Достижение данного результата обеспечивается тем, что в измерительное устройство, содержащее тензометрический мостовой датчик, инструментальный усилитель, две схемы активной компенсации, в каждой из которых один из входов операционного усилителя соответственно соединен с положительной или отрицательной клеммами двуполярного источника питания, вершины измерительной диагонали тензометрического мостового датчика подключены к дифференциальному входу инструментального усилителя, введены два коммутатора, пять ключей, четыре мультиплексора, два аналого-цифровых преобразователя, пять делителей, одно умножающее устройство, три регистра энергонезависимой памяти, два сумматора и блок управления, соединенные так, что коммутаторы, расположенные в линиях связи операционных усилителей и диагонали питания тензометрического мостового датчика, соединяют вершины этих диагоналей либо с выходами и соответствующими входами операционных усилителей, либо с шиной «земля», при этом первый и второй ключи установлены в линиях связи вершин измерительной диагонали тензометрического мостового датчика с дифференциальным входом инструментального усилителя, третий ключ расположен в линии связи выхода первого делителя на постоянный коэффициент M>>1 с положительным входом инструментального усилителя, четвертый ключ расположен в линии связи отрицательного входа инструментального усилителя с шиной «земля», пятый ключ установлен в линии между дифференциальными входами инструментального усилителя, 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 постоянный коэффициент M>>1, выход умножающего устройства соединен с первым входом второго делителя, второй вход которого связан с выходом второго аналого-цифрового преобразователя, вход второго аналого-цифрового преобразователя, так же как и вход первого делителя, соединен с положительной клеммой источника питания, выход второго делителя связан с входом второго регистра энергонезависимой памяти, выход второго регистра энергонезависимой памяти связан со вторыми входами третьего и четвертого делителей, выход третьего мультиплексора подключен к первому входу третьего делителя, выход третьего делителя соединен с входом третьего регистра энергонезависимой памяти, выход третьего регистра энергонезависимой памяти соединен с инверсным входом второго сумматора, прямой вход второго сумматора подключен к выходу четвертого делителя, первый вход которого связан с выходом четвертого мультиплексора, выход второго сумматора связан с первым входом пятого делителя, второй вход пятого делителя подключен к выходу второго аналого-цифрового преобразователя, выход пятого делителя является выходом измерительного устройства, управление коммутаторами, ключами, мультиплексорами и регистрами энергонезависимой памяти осуществляется четырьмя цифровыми сигналами, поступающими с выхода блока управления, переключение ключевых элементов устройства производится через заданные интервалы изменения времени Δτ или изменения температуры ΔT датчика или других элементов устройства измерения, сигналы Δτ или ΔT подаются на соответствующие входы блока управления от внешних устройств.
На чертеже показана структурная схема измерительного устройства:
1, 2, 3, 4 - тензорезисторы мостового датчика;
5, 6 - коммутаторы;
7, 8 - операционные усилители;
9, 10, 11, 12, 13 - ключи;
14, 15, 16, 17, 18 - делители;
19 - инструментальный усилитель;
20, 21 - аналого-цифровые преобразователи (АЦП);
22, 23, 24, 25 - мультиплексоры;
26, 27, 28 - регистры энергонезависимой памяти;
29 - умножающее устройство на постоянный коэффициент M>>1;
30, 31 - сумматоры;
32 - блок управления.
п
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 низкого потенциала диагонали питания тензометрического мостового датчика. Общие точки резисторов 1, 2 и 3, 4 являются вершинами измерительной диагонали тензометрического мостового датчика. Вершины диагонали питания мостового датчика соответственно соединены с выходами первого и второго коммутаторов 5, 6. Входы этих коммутаторов подключены к выходам и соответствующим входам первого и второго операционных усилителей 7, 8, при этом прямой вход операционного усилителя 7 соединен с положительной клеммой источника питания U, а инверсный вход операционного усилителя 8 подключен к отрицательной клемме источника питания -U.
п
п
п
Вершины измерительной диагонали тензометрического мостового датчика (общие точки резисторов 1, 2 и 3, 4) через первый и второй ключи 9, 10 соединены с дифференциальным входом инструментального усилителя 19. Входы питания инструментального усилителя 19 соединены с двуполярным источником питания (U, -U). Выход инструментального усилителя 19 соединен с входом первого АЦП 20. Выход АЦП 20 через мультиплексоры 22, 23, 24, 25 соответственно соединен с входами первого регистра энергонезависимой памяти 26, первого сумматора 30, третьего и четвертого делителей 16, 17. Выход регистра 26 связан с инверсным входом сумматора 30. Выход сумматора 30 соединен с входом умножающего устройства 29. Выход умножающего устройства 29 подключен к первому входу второго делителя 15, второй вход которого связан с выходом второго АЦП 21. Вход АЦП 21, так же как и вход первого делителя 14, связан с клеммой U источника питания. Выход делителя 14 через третий ключ 11 подключен к положительному входу инструментального усилителя 19. Положительный и отрицательный входы инструментального усилителя связаны между собой через четвертый ключ 12. Отрицательный вход усилителя 19 через пятый ключ 13 связан с шиной «земля». Выход второго делителя 15 соединен с входом второго регистра 27 энергонезависимой памяти. Выход регистра 27 связан со вторыми входами третьего и четвертого делителей 16, 17. Выход делителя 16 подключен к входу третьего регистра энергонезависимой памяти 28. Выход регистра 28 соединен с инверсным входом второго сумматора 31. Выход делителя 17 подключен к прямому входу сумматора 31. Выход сумматора 31 связан с первым входом пятого делителя 18, второй вход которого соединен с выходом второго АЦП 21. Выход делителя 18 является выходом измерительного устройства.
а
Управление переключением всех ключей, коммутаторов и мультиплексоров, а также управление регистрами памяти производится четырьмя цифровыми сигналами (, б, в, г), подаваемыми с блока управления 32.
a
а
ади
п
Работает устройство следующим образом. В режиме контроля производится независимое измерение аддитивных и мультипликативных погрешностей, для чего первоначально сигналом «» с блока управления 32 замыкают ключи 12, 13 и мультиплексор 22. Остальные ключи и мультиплексоры разомкнуты. При таком состоянии ключей и мультиплексоров дифференциальный вход инструментального усилителя 19 закорочен и заземлен. На его выходе появляется сигнал  где Δ - внутренняя аддитивная погрешность инструментального усилителя, k - коэффициент усиления инструментального усилителя, Δk - мультипликативная погрешность инструментального усилителя. Величина  запоминается по сигналу «» в первом регистре 26 энергонезависимой памяти и с выхода этого регистра подается на инверсный вход первого сумматора 30. По второму управляющему сигналу «б» ключи 11, 13 и мультиплексор 23 замкнуты. Остальные ключи и мультиплексоры 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 19. Величина M выбирается из расчета, чтобы инструментальный усилитель работал в штатном режиме. Сигнал с выхода инструментального усилителя 19 величиной  подается на вход первого АЦП 20. С выхода АЦП 20 через мультиплексор 23 сигнал поступает на прямой вход первого сумматора 30. На выходе сумматора 30 образуется сигнал  Полученный сигнал умножающим устройством 29 преобразуется в сигнал вида
п
ади
ад
ад
ад
ад
п
U·(k+Δk). Этот сигнал через делитель 15 в виде сигнала (k+Δk) запоминается по команде «б» в регистре 27. Из регистра 27 сигнал (k+Δk) поступает на вторые входы третьего и четвертого делителей 16, 17. После этого сигнал «б» с блока управления 32 снимается и подается сигнал «в». По этой команде ключи 9, 10 и мультиплексор 24 замыкаются. Коммутаторы 5, 6 заземляют диагональ питания мостового датчика. Остальные ключи и мультиплексоры находятся в разомкнутом состоянии. В результате произведенных переключений тензометрический мостовой датчик, состоящий из тензорезисторов 1, 2, 3, 4, обесточен. С измерительной диагонали этого датчика на вход инструментального усилителя 19 поступает сигнал Δ, определяемый аддитивной погрешностью, обусловленной паразитными ЭДС, возникающими в линиях соединения вершин измерительной диагонали датчика с дифференциальным входом инструментального усилителя 19. На выходе усилителя 19 появится сигнал Δ(k+Δk), где  Этот сигнал через третий мультиплексор 24 и третий делитель 16 в виде сигнала Δ поступает на вход регистра 28 и по команде «в» запоминается в нем. С выхода регистра 28 сигнал Δ поступает на инверсный вход сумматора 31. На этом режим контроля прекращается. Сигнал «в» с выхода блока управления 32 снимается и подается сигнал «г». По этому сигналу организуется режим штатных измерений. Коммутаторы 5, 6 соединяют вершины диагонали питания датчика с источником двуполярного питания. Ключи 9, 10 и мультиплексор 25 замыкаются. Остальные ключи и мультиплексоры разомкнуты. Сигнал  с измерительной диагонали мостового датчика (резисторы 1, 2, 3, 4) поступает на дифференциальный вход инструментального усилителя 19, здесь R - сопротивление тензорезисторов мостового датчика; ΔR - приращение сопротивления, вызванное изменением измеряемого параметра. На выходе усилителя 19 образуется сигнал  Этот сигнал через мультиплексор 25 и делитель 17 в виде сигнала  поступает на прямой вход второго сумматора 31. Так как на инверсном входе сумматора 31 находится сигнал Δ, то на выходе сумматора 31 появится сигнал . С выхода сумматора 31 сигнал  поступает на первый вход пятого делителя 18. Поскольку на втором входе этого делителя находится сигнал U, то на выходе делителя 18 будет сигнал , т.е. чистый сигнал, вызванный изменением входного параметра, измеряемого тензометрическим мостом, без влияния систематических аддитивных и мультипликативных помех, а также без влияния колебаний напряжения питания мостового датчика. Режим коррекции осуществляют либо через заданные интервалы изменения температуры ΔT тензометрического мостового датчика, либо через заданные промежутки времени Δτ. Отслеживание указанных интервалов и переключение режимов работы измерительного устройства осуществляется блоком управления 32 по сигналам Δτ и ΔT от внешних устройств.