ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
MEASURING DEVICE

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к разделу измерения неэлектрических величин электрическим способом. Оно может быть применено в устройствах, в которых используются тензометрические мостовые датчики и инструментальные усилители, запитанные однополярным постоянным током.
Характерным примером, аналогом предлагаемого устройства, является устройство, описанное в статье «Инструментальный усилитель AD8555: измерительные системы на мостовых тензодатчиках становятся проще и совершеннее», автор Реза Могими, журнал «Компоненты и технологии», №2, 2005 г. В этой статье приведен традиционный способ подключения мостовых тензометрических датчиков к измерительным усилителям. В качестве недостатков устройства указаны погрешности, возникающие при питании датчиков данного типа постоянным током, в том числе аддитивные погрешности в линиях связи тензометрического датчика с инструментальным усилителем, но не указаны пути их исключения.
В качестве другого аналога может служить описание инструментального усилителя типа AD8221 (eicom.ru/data_sheets/Analog/…/Ad8221/), где приведена схема его использования совместно с тензометрическим мостовым датчиком. В этом устройстве, как и в предыдущем аналоге, не приводятся средства снижения систематических аддитивных погрешностей в измерительном канале.
В приведенных аналогах применяется традиционная схема соединений мостовых датчиков и инструментальных усилителей, в которой мостовой датчик включается по четырехпроводной схеме, т.е. два провода подают напряжение питания на вершины диагонали питания мостового датчика, два других провода соединяют вершины измерительной диагонали мостового датчика с дифференциальным входом инструментального усилителя. При однополярном питании измерительных систем на корректирующий вход инструментального усилителя подается напряжение смещения нулевого уровня его выходного сигнала.
В качестве прототипа выбрана схема измерительного устройства, представленная в патенте US №4142405, МПК G01K 7/20, G01L 1/22. В этом патенте приведена схема, состоящая из тензометрического мостового датчика, инструментального усилителя и схемы активной компенсации, обеспечивающей подачу постоянного напряжения питания на вершину высокого потенциала диагонали питания тензометрического мостового датчика от источника питания однополярным постоянным током.
Схема активной компенсации выполнена 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.
Недостатками предложенного прототипа является отсутствие технических возможностей исключения из полезного сигнала аддитивных погрешностей, возникающих от влияния температурных факторов на линии связи датчик-инструментальный усилитель. Одним из источников этих погрешностей, например, является термо-ЭДС, возникающая в местах соединения вершин измерительной диагонали тензометрического мостового датчика с проводами измерительных линий, а также дрейф инструментального усилителя, что снижает точность измерения.
Технический результат предлагаемого изобретения состоит в повышении точности работы измерительных систем, использующих тензометрические мостовые датчики, за счет устранения аддитивных погрешностей посредством независимого измерения этих погрешностей, а затем вычитания их из общего результата измерения.
Достижение данного результата обеспечивается тем, что измерительное устройство, содержащее тензометрический мостовой датчик, инструментальный усилитель, схему активной компенсации, в которой операционный усилитель соединен прямым входом с источником питания однополярным постоянным 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 этому же источнику питания, корректирующий вход инструментального усилителя соединен с источником напряжения смещения нулевого уровня его выходного сигнала, дополнено ключевым элементом, тремя коммутирующими устройствами, аналогово-цифровым преобразователем, устройством управления, регистром энергонезависимой памяти и сумматором, при этом входы первого коммутирующего устройства соединены с выходом и инверсным входом операционного усилителя схемы активной компенсации, между которыми расположен ключевой элемент, соответствующие выходы первого коммутирующего устройства соединены с шиной "земля" и вершиной высокого потенциала диагонали питания мостового датчика, выход инструментального усилителя подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого связан с входами второго и третьего коммутирующих устройств, выход второго коммутирующего устройства соединен с входом регистра энергонезависимой памяти, выход которого связан с инверсным входом сумматора, прямой вход сумматора подключен к выходу третьего коммутирующего устройства, выход сумматора является выходом измерительного устройства, управляющие входы ключевого элемента и всех коммутирующих устройств соединены с выходом устройства управления, на входы устройства управления поступают сигналы от таймера Δτ либо от датчика температуры ΔT.
На фигуре показана структурная схема измерительного устройства:
1, 2, 3, 4 - тензорезисторы мостового датчика;
5 - первое коммутирующее устройство;
6 - ключевой элемент;
7 - операционный усилитель;
8 - инструментальный усилитель;
9 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
10 - устройство управления;
11, 12 - второе и третье коммутирующие устройства (мультиплексоры);
13 - сумматор;
14 - регистр энергонезависимой памяти.
n
Тензорезисторы 1, 2, 3, 4 образуют тензометрический мостовой датчик, у которого общая точка резисторов 1, 3 представляет вершину высокого потенциала диагонали питания тензометрического мостового датчика, общая точка резисторов 2, 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 соединена с первым и вторым выходами первого коммутирующего устройства 5. Третий выход устройства 5 соединен с шиной "земля". Входные контакты коммутирующего устройства 5 соединены с инверсным входом и выходом операционного усилителя 7. Прямой вход операционного усилителя 7 соединен с положительной клеммой источника питания U. Между инверсным входом и выходом усилителя 7 расположен ключевой элемент 6. Операционный усилитель 7 с приведенными линиями связи, коммутирующим устройством 5 и ключевым элементом 6 представляют собой схему активной компенсации падения напряжения между источником питания и вершиной высокого потенциала диагонали питания тензометрического мостового датчика.
n
см
Вершины измерительной диагонали тензометрического мостового датчика (общие точки резисторов 1, 2 и 3, 4) соединены с дифференциальным входом инструментального усилителя 8. Вход питания инструментального усилителя 8 соединен с источником питания однополярным постоянным током U, а корректирующий вход инструментального усилителя 8 соединен с источником напряжения смещения нулевого уровня выходного сигнала U, равного, например, половине напряжения питания тензометрического мостового датчика. Выход инструментального усилителя 8 соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 9. Выход аналого-цифрового преобразователя 9 через второе и третье коммутирующие устройства 11 и 12 соединен с регистром энергонезависимой памяти 14 и прямым входом сумматора 13. Инверсный вход сумматора 13 соединен с выходом регистра 14. Выход сумматора 13 является выходом измерительного устройства.
Выход управляющего устройства 10 соединен с управляющими входами коммутирующих устройств 5, 11, 12 и ключевого элемента 6.
ад
см
ад
Работа устройства выполняется в два этапа. На первом этапе определяется величина аддитивной погрешности. На втором этапе определяется величина измеряемого сигнала без аддитивной погрешности, для чего из рабочего измерительного сигнала вычитается ранее найденная величина аддитивной погрешности. На первом этапе коммутирующее устройство 11 замкнуто, а коммутирующее устройство 12 разомкнуто. Коммутирующее устройство 5 соединяет общую точку резисторов 1 и 3 с шиной "земля". Ключевой элемент 6 замкнут, тем самым тензометрический мостовой датчик обесточен. Паразитные термо-ЭДС и сигналы других источников аддитивной погрешности поступают на дифференциальный вход инструментального усилителя 8. На его корректирующий вход подано напряжение смещения нулевого уровня его выходного сигнала. На выходе инструментального усилителя 8 появляется сигнал Δ·К+Н, где Δ - аддитивная погрешность, К - коэффициент усиления усилителя 8.
ад
см
Этот сигнал на АЦП 9 преобразуется в цифровую форму и через замкнутое коммутирующее устройство 11 поступает на вход регистра 14 и там запоминается. С выхода регистра 14 сигнал Δ·К+U подается на инверсный вход сумматора 13. На втором этапе коммутирующее устройство 5 отключает общую точку резисторов 1 и 3 от шины "земля" и соединяет ее с выходом и инверсным входом операционного усилителя 7, ключевой элемент 6 и коммутирующее устройство 11 размыкаются. Коммутирующее устройство 12 замыкается. Напряжение питания через схему активной компенсации, содержащую операционный усилитель 7, поступает на вершину высокого потенциала диагонали питания тензометрического мостового датчика (общая точка резисторов 1, 3). С вершин измерительной диагонали этого датчика (общие точки резисторов 1, 2 и 3, 4) рабочий измерительный сигнал поступает на дифференциальный вход инструментального усилителя 8. На выходе инструментального усилителя 8 появится сигнал , где R - сопротивление тензорезисторов, ΔR - изменение сопротивления тензорезисторов от воздействия измеряемых факторов.
Этот сигнал через АЦП 9 и замкнутое коммутирующее устройство 12 передается на прямой вход сумматора 13. Из сигнала, пришедшего на прямой вход сумматора 13, вычитается сигнал, пришедший на его инверсный вход. На выходе сумматора 13 образуется сигнал . Тем самым исключается аддитивная составляющая помехи. Управление коммутирующими устройствами 5, 11, 12 и ключевым элементом 6 для выбора этапов процессов измерения осуществляется устройством управления 10 через определенные температурные промежутки (ΔT) либо через задание интервала времени (Δτ).