СПОСОБ КОРРЕКЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИМ МОСТОВЫМ ДАТЧИКОМ С ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫМ УСИЛИТЕЛЕМ
METHOD OF CORRECTING MEASUREMENT RESULTS USING TENSOMETRIC BRIDGE SENSOR WITH INSTRUMENTATION AMPLIFIER

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к разработке методов повышения точности измерений при воздействии мешающих факторов (изменение температуры, электрические помехи, изменение напряжения источника питания и т.д.). Оно может быть использовано в устройствах с тензометрическими мостовыми датчиками, подключенными к инструментальным усилителям, запитанным постоянным током при измерении физических параметров.
Известен ряд методов, способствующих получению достоверных результатов измерения при воздействии мешающих факторов, например, «Способ калибровки измерительных систем» патент РФ №2262713, МПК G01R 35/00, «Способ градуировки измерительных каналов тензометрических систем», патент РФ №2006789, МПК G01B 7/18.
Указанные способы предполагают создание образцовых сигналов разных уровней и проведение на их основе методом аппроксимации процедуры коррекции градуировочных характеристик измерительного канала.
Недостатком приведенных способов является необходимость большого объема вычислительных операций, что значительно снижает быстродействие измерительных устройств.
Наиболее близким (прототипом) предлагаемого способа является способ, приведенный в учебном пособии для вузов «Измерение электрических и неэлектрических величин» авторы Н.Н.Евтихеев, Я.А.Купершмидт и др. под общей редакцией Н.Н.Евтихеева, М.: Энергоатомиздат, 1989 г. (с.120-123).
Известный способ основан на наличии двух идентичных измерительных цепей, по одной из которых проходит измерительный рабочий сигнал, а по другой - эталонный сигнал. Затем операциями вычитания и деления из измерительного сигнала удаляются систематические аддитивные и мультипликативные погрешности.
Недостатком данного способа является наличие двух измерительных каналов, абсолютно одинаковые характеристики которых труднодостижимы по причине необходимости полной идентичности элементов их составляющих и внешних воздействий, в которых они находятся, нарушение перечисленных условий вносит искажения в процедуру исключения указанных погрешностей, что приводит к снижению точности измерения.
В предлагаемом способе используется только один измерительный канал, который периодически переводят в режим измерения величин аддитивных и мультипликативных составляющих систематической погрешности, а затем посредством операций вычитания и деления производят очищение рабочего измерительного сигнала от названных выше погрешностей. Технический результат состоит в повышении точности измерения.
n
n
ади
ади
Указанный технический результат достигается тем, что в способ коррекции результатов измерения тензометрическим мостовым датчиком с инструментальным усилителем, запитанным двуполярным постоянным напряжением (U, -U), основанный на исключении посредством операций вычитания и деления систематических аддитивных и мультипликативных погрешностей, вводят режим контроля систематических аддитивных и мультипликативных погрешностей, для чего периодически по первому управляющему сигналу измерительную диагональ тензометрического мостового датчика отключают от дифференциального входа инструментального усилителя. Дифференциальный вход инструментального усилителя закорачивают и соединяют с шиной «земля». Выход инструментального усилителя соединяют с первым запоминающим устройством, в которое записывают сигнал Δ·(K+ΔK), где Δ - аддитивная систематическая погрешность инструментального усилителя,
K - коэффициент усиления инструментального усилителя,
ΔK - систематическая мультипликативная погрешность инструментального усилителя.
n
ади
n
n
n
n
адд
ади
ад
адд
ади
ад
ад
ад
n
n
По второму управляющему сигналу размыкают дифференциальный вход инструментального усилителя и подключают к нему положительное напряжение питания U тензометрического мостового датчика, которое предварительно делят на первом делителе на коэффициент М>>1, выбранный из условий функционирования инструментального усилителя в рабочем диапазоне. Выходной сигнал с инструментального усилителя, равный , подают на положительный вход первого сумматора, где из него вычитают сигнал Δ·(K+ΔK). В результате получают сигнал . Этот сигнал умножают на коэффициент М и получившуюся величину U·(K+ΔK) на втором делителе делят на величину положительного напряжения питания тензометрического мостового датчика U, величину (K+ΔK) запоминают на втором запоминающем устройстве. С выхода второго запоминающего устройства величину (K+ΔK) подают на вторые входы третьего и четвертого делителей. После этого по третьему управляющему сигналу, сигнал  с выхода первого делителя отключают от дифференциального входа инструментального усилителя и соединяют этот вход с измерительной диагональю тензометрического мостового датчика. Вершины (U, -U) питающей диагонали тензометрического мостового датчика соединяют с шиной "земля", тем самым обесточивают тензометрический мостовой датчик. На его выходе остается лишь систематическая аддитивная составляющая погрешности, равная Δ, создаваемая внешними мешающими факторами, которая суммируется с аддитивной погрешностью инструментального усилителя (Δ). Суммарную аддитивную погрешность обозначим Δ=Δ+Δ. На выходе инструментального усилителя образуется сигнал Δ(K+ΔK). Полученный сигнал на третьем делителе делят на величину (K+ΔK) и записывают в третье запоминающее устройство в виде Δ. Сигнал Δ подают на отрицательный вход второго сумматора. После этого вырабатывают четвертый управляющий сигнал, по которому на питающую диагональ тензометрического мостового датчика подают двуполярное напряжение питания (U, -U). На выходе тензометрического мостового датчика получают сигнал , где
R - сопротивление тензорезисторов мостового датчика,
n
ΔR - изменение сопротивлений тензорезисторов при изменении измеряемых физических параметров. Сигнал  с мостового датчика подают на вход инструментального усилителя и преобразуют в нем в сигнал . Полученный сигнал с выхода инструментального усилителя подают на вход четвертого делителя, которым преобразуют его в сигнал вида . Этот сигнал подают на положительный вход второго сумматора, на выходе которого формируют сигнал . Сигнал  подают на первый вход пятого делителя в качестве делимого. На второй вход этого делителя подают сигнал U так, что на выходе пятого делителя (выходе измерительного устройства) получают сигнал , очищенный от систематических аддитивных и мультипликативных погрешностей, возникших в линиях связи тензометрического мостового датчика и инструментального усилителя. Переключения с режима измерения аддитивных и мультипликативных погрешностей на рабочий режим измерений производят через заданные интервалы изменения температуры или заданные промежутки времени.
Так как окружающая температура изменяется медленно, то значения величин измеряемых погрешностей хранят в запоминающих устройствах значительное время, режим коррекции может производиться между сеансами измерений, что не снижает быстродействие работы устройства измерения.
На чертеже схематически показана структура устройства, реализующего предлагаемый способ коррекции:
1, 2, 3, 4 - тензорезисторы мостового датчика,
5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 - ключи,
16 - первый делитель на постоянный коэффициент М>>1,
17 - инструментальный усилитель,
18 - второй делитель,
19 - умножающее устройство на постоянный коэффициент М>>1,
20 - второе запоминающее устройство,
21 - третий делитель,
22 - четвертый делитель,
23 - третье запоминающее устройство,
24 - второй сумматор,
25 - пятый делитель,
26 - первое запоминающее устройство,
27 - первый сумматор.
Измерительное устройство состоит из тензометрического мостового датчика (тензорезисторы 1, 2, 3, 4), одиннадцати коммутирующих ключей (5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15), инструментального усилителя 17, пяти делителей (16, 18, 21, 22, 25), устройства умножения 19, трех запоминающих устройств (20, 23, 26), двух сумматоров 24, 27.
n
n
n
Ключи 5, 6 соединяют вершины питающей диагонали тензометрического мостового датчика (общая точка резисторов 1, 3 и 2, 4) либо с источником двуполярного питания, либо с шиной "земля". Вершины измерительной диагонали тензометрического мостового датчика соединены через ключи 7, 8 с дифференциальным входом инструментального усилителя 17. Между дифференциальными входами инструментального усилителя расположен ключ 10. Положительный вход инструментального усилителя 17 через ключ 9 и первый делитель 16 соединен с положительной клеммой источника питания U. Отрицательный вход усилителя 17 через ключ 11 соединен с шиной "земля". Выход усилителя 17 через ключи 12, 13, 14, 15 соединен с входом первого запоминающего устройства 26, положительным входом первого сумматора 27, а также входами третьего и четвертого делителей 22, 21. Выход устройства 26 соединен с инверсным входом первого сумматора 27. Выход сумматора 27 подключен к входу устройства умножения 19. Выход устройства умножения 19 подключен к первому входу второго делителя 18. Второй вход делителя 18 соединен с положительной клеммой источника питания U. Выход делителя 18 связан с входом второго запоминающего устройства 20. Выход второго запоминающего устройства 20 подключен к вторым входам третьего и четвертого делителей 21, 22. Выход делителя 21 связан с входом третьего запоминающего устройства 23. Выход устройства 23 соединен с отрицательным входом второго сумматора 24. Выход четвертого делителя 22 подключен к положительному входу сумматора 24. Выход сумматора 24 соединен с первым входом пятого делителя 25, второй вход которого связан с положительной клеммой источника питания U. Выход делителя 25 является выходом измерительного устройства.
Реализуется предлагаемый способ следующим образом.
Вначале определяют систематические мультипликативные и аддитивные погрешности измерительного канала от датчика до выхода инструментального усилителя. Эти погрешности запоминают. Затем производят рабочие измерения в штатном режиме. И из результатов этих измерений исключают ранее найденные величины указанных погрешностей.
Для определения мультипликативных и аддитивных погрешностей выполняют следующую последовательность действий.
ади
Первый шаг. По первому управляющему сигналу ключи 7, 8, 9, 13, 14, 15 размыкают. Ключи 10, 11, 12 замыкают. В результате вход инструментального усилителя 17 закорочен и заземлен. На выходе инструментального усилителя 17 получают сигнал Δ(K+ΔK). Этот сигнал запоминают в первом запоминающем устройстве 26 и подают на инверсный вход первого сумматора 27.
n
n
n
Второй шаг. По второму управляющему сигналу ключи 7, 8, 10, 12, 14, 15 размыкают. Ключи 9, 11, 13 замыкают. На вход инструментального усилителя 17 с выхода первого делителя 16 подают сигнал U/M, где М - постоянный коэффициент много более единицы, выбранной из условия функционирования инструментального усилителя в рабочем диапазоне. На выходе инструментального усилителя получают сигнал . На сумматоре 27 и умножающем устройстве 19 этот сигнал преобразуют в вид U(K+ΔK). На втором делителе 18 сигнал U(K+ΔK) преобразуют в (K+ΔK). Величину этого сигнала запоминают во втором запоминающем устройстве 20. С выхода устройства 20 сигнал (K+ΔK) подают на вторые входы третьего и четвертого делителей 21, 22.
адд
ад
ад
адд
ади
ад
ад
n
n
Третий шаг. По третьему управляющему сигналу ключи 5, 6 замыкают на шину "земля". Ключи 9, 10, 11, 12, 13, 14 размыкают. Ключи 7, 8, 15 замыкают. Тем самым обесточенный тензометрический мостовой датчик подключают к инструментальному усилителю 17 и на дифференциальный вход усилителя подают сигнал аддитивной ошибки Δ, вызванный, например, паразитными термоЭДС в местах соединения вершин измерительной диагонали датчика с медными проводниками линий связи датчика с инструментальным усилителем. На выходе инструментального усилителя 17 получают сигнал Δ(K+ΔK), как указывалось ранее Δ=Δ+Δ. Этот сигнал через замкнутый ключ 15 подают на первый вход третьего делителя 21 и делят на нем на величину (K+ΔK). На выходе делителя 21 получают сигнал Δ, который записывают в третьем запоминающем устройстве 23. С выхода устройства 23 сигнал Δ подают на инверсный вход сумматора 24. На этом режим контроля погрешности завершают и начинают режим рабочих измерений. По четвертому управляющему сигналу через ключи 5, 6 подают двуполярное напряжение питания (U, -U) на питающую диагональ тензометрического моста. Ключи 7, 8, 14 замыкают, остальные ключи размыкают. Сигнал  c измерительной диагонали тензометрического мостового датчика подают на вход инструментального усилителя 17. На выходе инструментального усилителя 17 получают сигнал . Этот сигнал подают на первый вход четвертого делителя 22. На выходе делителя 22 получают сигнал , который подают на положительный вход сумматора 24. На выходе сумматора 24 получают сигнал , который подают на вход пятого делителя 25. На выходе пятого делителя получают сигнал , являющийся выходным сигналом измерительного устройства. Переход с режима коррекции на режим рабочих измерений производят сигналами с управляющего устройства через заданные интервалы изменения температуры или заданные промежутки времени. Устройство управления переключениями режимов на схеме, приведенной на чертеже, не показано. Сигналы записи в запоминающие устройства должны быть согласованы с сигналами переключения соответствующих ключей.