СПОСОБ ОБРАБОТКИ СИГНАЛА ТЕНЗОДАТЧИКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR PROCESSING OF STRAIN SENSOR SIGNAL AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Предлагаемое 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 инструментального усилителя с большим входным сопротивлением [1], [2]. Величина входного сопротивления усилителя может достигать нескольких мОм, в то время как входное сопротивление измерительного моста с тензодатчиком в качестве его рабочих плеч, как правило, составляет 300-500 Ом [2]. Такое соотношение сопротивлений позволяет практически полностью исключить влияние входного сопротивления инструментального усилителя на метрологические характеристики измерительного моста. Подобным образом решается задача сопряжения в устройстве [1], которое выбрано в качестве прототипа.
Недостатком известного технического решения является слабая помехозащищенность при использовании его в тех случаях, когда устройство обработки сигнала удалено от измерительного моста и подключается к нему через линию связи [3]. При передаче измерительного сигнала по линии связи в ней наводятся различного рода помехи, которые снижают точность преобразования сигнала. Применительно к линии связи в технической литературе принято выделять [4] 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, наводимой в линии связи, прямо пропорционально сопротивлению провода-приемника (провода линии связи) относительно земли, напряжению излучаемой помехи и обратно пропорционально величине емкости между проводом-приемником и землей [4]. Следовательно, чем ниже импеданс провода линии связи относительно земли, тем ниже уровень напряжения емкостной составляющей помехи, наводимой в нем.
Напряжение индуктивной составляющей помехи, наводимой в линии связи, оказывается включенной последовательно с сопротивлениями, находящимися на концах линии связи, и ее напряжение распределяется между ними пропорционально их величине [4]. Малое выходное сопротивление измерительного моста на одном конце линии связи и большое входное сопротивление инструментального усилителя на другом ее конце обусловливают практически полное приложение напряжения индуктивной составляющей помехи к входу инструментального усилителя, что приводит к увеличению уровня помех на его входе.
Напряжение емкостной составляющей помехи при таком включении сопротивлений, казалось бы, должно быть достаточно малым из-за малой величины входного сопротивления измерительного моста относительно земли. Однако в действительности линия связи обладает распределенной индуктивностью, которая в значительной мере влияет на распределение энергии помехи по длине линии связи и между сопротивлениями на ее концах. В таких условиях напряжение емкостной составляющей помехи на входе инструментального усилителя зависит от места расположения источника помех по длине линии связи. Так, если он располагается в непосредственной близости от входа инструментального усилителя, то последовательно с малым входным сопротивлением измерительного моста оказывается включенным распределенное индуктивное сопротивление линии связи, что многократно увеличивает результирующее значение сопротивления проводов линии связи относительно земли. Это особенно сильно проявляется в области высоких частот и приводит к резкому увеличению напряжения емкостной составляющей помехи на входном сопротивлении инструментального усилителя.
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 относительно земли и любого другого проводника. 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.
Источником сигнала в прототипе является четырехплечий измерительный мост, который по своей структуре является симметричным устройство. С помощью линии связи он подключается к симметричной структуре входных цепей инструментального усилителя. Однако для обеспечения симметрии по импедансам входных цепей инструментального усилителя должна быть обеспечена симметрия относительно земли как по активным, так и по реактивным сопротивлениям ни только самих рассматриваемых цепей, но и любых паразитных импедансов, связанных с ними. Поэтому только за счет большого входного сопротивления устройства обработки сигнала не удается обеспечить высокую точность симметрирования его входных цепей. Более того, согласно [4], чем больше величина входного сопротивления цепи, подключаемого к линии связи, тем выше уровень емкостной и индуктивной составляющих помехи, наводимой на входе этой цепи.
Целью изобретения является обеспечение условий передачи максимальной мощности полезного сигнала на вход устройства обработки, снижение уровня помех на его входе и выходе при одновременном снижении требований к допустимому разбросу значений входных сопротивлений входных цепей инструментального усилителя и их стабильности.
Цель достигается тем, что к выходу линии связи, к точкам подключения инструментального усилителя подключают диагональю дополнительный резистивный четырехплечий мост. Выбирают параметры дополнительного моста, при которых обеспечиваются условия передачи максимальной мощности полезного сигнала на вход инструментального усилителя, снижается уровень помех на его входе и выходе и одновременно снижаются требования к допустимому разбросу параметров и стабильности параметров элементов, применяемых в устройстве обработки сигнала.
В устройство обработки сигнала тензодатчика вводят дополнительный четырехплечий мост с одинаковыми сопротивлениями плеч, величину которых выбирают равной величине сопротивлений плеч измерительного моста в сбалансированном состоянии, и подключают дополнительный мост первой диагональю к выходу линии связи, параллельно входным цепям инструментального усилителя, а второй диагональю подключают к источнику опорного напряжения.
Подключение к входу инструментального усилителя дополнительного моста из четырех одинаковых резисторов, сопротивление которых равно величине сопротивления плеч измерительного моста в сбалансированном состоянии, многократно снижает активное сопротивление проводов линии связи относительно земли в точке подключения входных цепей инструментального усилителя, а так как величина напряжения емкостной составляющей помехи, наводимой в линии связи, прямо пропорциональна этому сопротивлению, то и величина напряжения помехи на входе инструментального усилителя многократно снижается и становится практически независимой от места расположения источника помех относительно входных цепей инструментального усилителя. При этом обеспечивается равенство сопротивлений на выходе измерительного моста и на входе инструментального усилителя, что позволяет осуществить передачу максимальной мощности полезного сигнала на его вход и одновременно обусловливает распределение в равных долях индуктивной составляющей помехи между входом инструментального усилителя и выходом измерительного моста. Последнее обстоятельство позволяет снизить напряжение индуктивной составляющей помехи почти в два раза. Результатом является снижение уровня помех и увеличение отношения сигнал/шум на выходе инструментального усилителя.
Подключение дополнительного моста приводит к резкому снижению активного сопротивления проводов линии связи относительно земли в точках подсоединения к ним инструментального усилителя, снижает их импеданс относительно земли и позволяет более точно симметрировать входные цепи, если в дополнительном мосте использовать прецизионные резисторы с одинаковой величиной сопротивлений. В этом случае в импедансе входных цепей инструментального усилителя начинают сильно преобладать активные сопротивления дополнительного моста, подключенные к входу инструментального усилителя и тщательно подобранные по величине. Более точное симметрирование входных цепей приводит к снижению уровня помех на выходе инструментального усилителя, то есть повышает эффективность самой операции симметрирования. При этом сопротивления плеч дополнительного моста подключаются параллельно входным сопротивлениям инструментального усилителя, величина которых многократно превышает сопротивления плеч. Следовательно, даже при большом разбросе значений входных сопротивлений инструментального усилителя и их нестабильности результирующие значения входных сопротивлений инструментального усилителя (с учетом сопротивлений плеч дополнительного моста) будет практически полностью определяться нестабильностью сопротивлений плеч дополнительного моста. Поэтому если резисторы плеч дополнительного моста будут иметь малый разброс сопротивлений и обладать достаточной стабильностью, то требования к разбросу значений входных сопротивлений инструментального усилителя и к их стабильности могут быть существенно снижены.
вх
вх
Однако малое входное сопротивление дополнительного моста нагружает измерительный мост и приводит к дополнительной нелинейности его статической характеристики. Под последней будем понимать зависимость U=f(Δ), где U - входное напряжение инструментального усилителя, А - величина изменения сопротивления тензодотчика. Оценим это влияние.
1
2
3
4
1H
2Н
3Н
4H
1
2
вх
0
На Фиг.1 изображена электрическая схема измерительного моста, нагруженного через линию связи на дополнительный мост. На схеме используются следующие обозначения. Сопротивления R, R, R, R - отображают плечи измерительного моста, сопротивления R, R, R, R - плечи дополнительного моста, сопротивления r, r - условно обозначают активные сопротивления проводов линии связи, U - входное напряжение инструментального усилителя, ИУ - инструментальный усилитель, АЦП - аналого-цифровой преобразователь. Питание схемы осуществляется от источника постоянного напряжения U.
1
2
1
2
1H
2Н
3Н
4H
3
4
Рассмотрим случай, когда активные сопротивления проводов линии связи r, r равны между собой, сопротивления двух плеч R, R измерительного моста также как и сопротивления плеч дополнительного моста R, R, R, R равны между собой, а в качестве сопротивлений двух других плеч измерительного моста R, R используется тензодатчик, сопротивления которого изменяются под воздействием контролируемого параметра на величину Δ
вх
2Н
4Н
В рассматриваемой схеме Фиг.1 напряжение Uможно определить как разность потенциалов между узлами "а" и "с" относительно земли. Для определения этих потенциалов рассчитаем методом эквивалентного генератора [5] токи, протекающие через резисторы R, R, а также падения напряжения на этих резисторах.
2H
ххав
Ток резистора R можно определить, если рассчитать напряжение холостого хода U между точками "а", "в", полагая, что данный резистор в схеме Фиг.1 отсутствует. Эквивалентная схема, соответствующая данному случаю, изображена на Фиг.2, согласно которой можно записать
d
где U - падение напряжения в точке "d" относительно земли
Принимая во внимание условия (1), получим
кз2
0
Для вычисления сопротивления короткого замыкания R двухполюсника Фиг.2 замыкаем условно источник U и определяем сопротивление полученной цепи относительно зажимов "а", "в"
кз2
1
2
1H
-1
-1
-1
-1
R=[(R)+(R)+(R+r)].
Преобразуя последнее соотношение с учетом (1), получим
2
2H
Определим ток I, протекающий через резистор R
Преобразуя, запишем
2H
2Н
Последнее соотношение позволяет определить падение напряжения U на резисторе R
4H
4H
Аналогично определим падение напряжения на резисторе R. Эквивалентная схема для расчета тока резистора R методом эквивалентного генератора изображена на Фиг.3. В соответствии с этим рисунком напряжение холостого хода
xxсв
U между точками "с" и "в" можно представить в таком виде
е
где U - падение напряжения в точке "е" относительно земли
ххсв
Принимая во внимание условия (1), для U, можно записать
0
кз4
В соответствии с методом эквивалентного генератора на схеме Фиг.3 замыкаем источник U и определяем сопротивление короткого замыкания R
Учитывая соотношения (1), получим
4
4H
В соответствии с методом эквивалентного генератора определим ток I, протекающий через резистор R
4H
4H
Тогда падение напряжения U на резисторе R будет определяться отношением
вх
2Н
4H
Входное напряжение инструментального усилителя U (Фиг.1) можно определить как разность падений напряжений на резисторах R, R
Вводя обозначения δ=Δ/R,
вх
для U получим
Упростим последнее соотношение
вх
В последнем соотношении выделим линейную часть уравнения U=f(δ)
Упрощая, получим
л
Выражение (19) позволяет определить приближенное значение относительной величины изменения сопротивления тензодатчика δ
0
вх
Реализовать соотношение (20) можно с помощью инструментального усилителя, если на вход его подать нормированное относительно U значение U, а коэффициент преобразования усилителя k выбрать равным
л
л
При этом будет допускаться ошибка δ-δ, так как при вычислении δ использовалось приближенное соотношение (20), полученное в результате линеаризации уравнения (18).
л
-1
Относительное значение ошибки Λ=(δ-δ)δ с учетом (20) будет равно
вх
Соотношение (22) характеризует нелинейность зависимости U=f(δ), возникающую в результате подключения через линию связи дополнительного моста к измерительному мосту при равенстве между собой активных сопротивлений проводов линии связи и симметрии дополнительного моста.
вх
Для оценки величины Λ согласно (22) задавались значения  и δ из ряда {0.01; 0.02; 0.04; 0.08; 0.1} во всевозможных сочетаниях. При этом значения U определялись согласно (18). Расчеты показали, что величина Λ при этом изменялась в пределах от -0.003 до +0.0039, что существенно меньше погрешности самого тензодатчика. Таким образом, величина Λ достаточно мала и нелинейностью функции (18) в данных условиях можно пренебречь, если величины  и δ не превышают значения 0.1. Последние условия на практике, как правило, выполняются.
H
Н
Н
H
В то же время при подключении дополнительного моста снижается в два раза напряжение индуктивной составляющей помехи, многократно снижается уровень напряжения емкостной составляющей помехи, особенно в тех случаях, когда источник шума излучает широкополосную помеху и располагается в непосредственной близости от места подключения инструментального усилителя. При выполнении равенств R1=R2=R3=R4=R уровень помех на выходе инструментального усилителя снижается за счет более точной симметрии его входных цепей, так как в импедансе этих цепей начинают преобладать активные сопротивления дополнительного моста, равные по величине. Одновременно начинают выполняться условия передачи максимальной мощности сигнала с выхода измерительного моста на вход инструментального усилителя.
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 сигналов тензодатчика и устройство для его осуществления удовлетворяют критерию "изобретательский уровень".
Предлагаемый способ и устройство для его осуществления позволяют оценивать состояние широко распространенных в технике измерений тензодатчиков, определять в условиях помех значения параметров контролируемого объекта, удаленного от измерительного устройства на значительное расстояние. При этом обеспечивается необходимая линейность статической характеристики устройства, осуществляется снижение уровня помех в точке подключения наиболее чувствительного звена измерительного устройства - инструментального усилителя. Таким образом, предлагаемый способ и устройство удовлетворяют критерию изобретения "промышленная применяемость".
0
H
H
Н
Н
Н
Н
Н
Н
вх
Заявляемый способ и устройство поясняются чертежом Фиг.1, где изображена электрическая схема устройства, реализующего способ. На схеме используются следующие обозначения: U - источник опорного напряжения; R1, R2, R3, R4 - сопротивления плеч измерительного моста, причем R3=R-Δ, R4=R+Δ - сопротивления тензодатчика; Δ - величина изменения сопротивления тензодатчика; R - сопротивление плеч измерительного моста в сбалансированном состоянии; R1, R2, R3, R4 - сопротивления плеч дополнительного моста, причем R1=R2=R3=R4=R; r1, r2 - активные сопротивления проводов линии связи; "а", "с" - точки подключения инструментального усилителя; U - входное напряжение инструментального усилителя; ИУ - инструментальный усилитель; АЦП - аналого-цифровой преобразователь.
H
Н
Н
Н
Работа устройства сводится к следующему. Сигнал рассогласования, возникающий в диагонали измерительного моста, передается по линии связи и поступает на вход инструментального усилителя (точки "а", "с") и одновременно в диагональ дополнительного моста. Сопротивления плеч дополнительного моста равны сопротивлениям плеч измерительного моста в состоянии баланса. Это в десятки раз меньше входного сопротивления инструментального усилителя, что обеспечивает резкое снижение импеданса на его входе и обеспечивает эффективное подавление помех даже в том случае, когда источник помех излучает широкополосную помеху и располагается в непосредственной близости от места подключения инструментального усилителя. За счет выполнения равенств R1=R2=R3=R=R симметрия входных цепей инструментального усилителя дополнительно возрастает, так как в импедансе этих цепей начинают в значительной мере превалировать активные сопротивления равной величины. Уровень помех на входе и выходе инструментального усилителя снижается. При этом обеспечиваются условия передачи максимальной мощности сигнала на вход инструментального усилителя, так как его входное сопротивление равно выходному сопротивлению измерительного моста.
Источники информации
1. Патент РФ N 2265229.
2. Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM РС. / Под редакцией У.Томпкинса и Дж.Уэбстера. Перевод с англ. - М.: Мир, 1992, с.370-377.
3. Лейтман М.Б. Нормирующие измерительные преобразователи электрических сигналов. - М.: Энергоатомиздат, 1986, с.98-105.
4. Отт Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах. Перевод с англ. - М.: Мир, 1979, с.35-36.
5. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. - М.: Высшая школа, 1964, с.41-43.