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 и ко всяким устройствам измерения, к устройствам этого типа предъявляются высокие требования к точности измерений при воздействии внешних мешающих факторов (колебаний температуры, электромагнитных помех и т.д.).
Предлагаемое изобретение направлено 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 паразитными термо-ЭДС, возникающими в линиях связи датчика с инструментальным усилителем (аддитивная погрешность), а также погрешности, связанные с изменением коэффициента усиления нормирующего преобразователя (мультипликативная погрешность и погрешности, вызываемые изменением напряжения питания мостовых датчиков).
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 изменений сопротивлений линий связи источника питания с тензометрическим мостовым датчиком. Эта схема располагается между источником питания и вершиной высокого потенциала диагонали питания тензометрического мостового датчика. Она позволяет минимизировать погрешности от влияния колебаний температуры и изменения длины проводов на изменение сопротивлений линий связи датчика с источником питания. Однако в устройстве по патенту US №4142405 отсутствует техническая возможность устранения систематических погрешностей, возникающих в линиях связи датчиков с инструментальным усилителем.
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 датчиков 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 проводят операцию вычитания показаний результатов измерения одного канала из другого, а в случае исключения мультипликативных погрешностей - деление результатов измерения одного канала на другой. Реализация двух абсолютно идентичных каналов практически недостижима, что ухудшает точность измерения.
Технический результат предлагаемого изобретения состоит в повышении точности работы измерительных устройств, использующих тензометрические мостовые датчики 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.
а
в
Достижение данного результата обеспечивается тем, что в измерительное устройство, содержащее тензометрический мостовой датчик, инструментальный усилитель, схему активной компенсации, расположенную между источником питания и вершиной высокого потенциала диагонали питания тензометрического мостового датчика, при этом вершина нулевого потенциала диагонали питания тензометрического мостового датчика подключена к шине «земля», а вершины измерительной диагонали тензометрического мостового датчика подключены к дифференциальному входу инструментального усилителя, запитанного от двуполярного источника питания, дополнительно введены пять ключей, четыре коммутирующих устройства, два аналого-цифровых преобразователя, пять делителей, одно умножающее устройство, три запоминающих устройства, два сумматора, измеритель температуры и блок управления, при этом первый и второй ключи располагаются в линиях связи вершин измерительной диагонали тензометрического мостового датчика с дифференциальным входом инструментального усилителя, третий ключ расположен в линии связи выхода первого делителя на постоянную величину M>>1 с положительным входом инструментального усилителя, четвертый ключ расположен в линии связи отрицательного входа инструментального усилителя с шиной «земля», пятый ключ в линии связи положительного и отрицательного входов 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 коммутирующих устройств, выход первого коммутирующего устройства подключен к входу первого запоминающего устройства, выход первого запоминающего устройства связан с инверсным входом первого сумматора, прямой вход первого сумматора подключен к выходу второго коммутирующего устройства, выход первого сумматора связан с входом умножающего устройства на постоянную величину 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, соединены с положительной клеммой источника питания, выход второго делителя связан с входом второго запоминающего устройства, выход второго запоминающего устройства связан со вторыми входами третьего и четвертого делителей, выход третьего коммутирующего устройства подключен к первому входу третьего делителя, выход третьего делителя соединен с входом третьего запоминающего устройства, выход третьего запоминающего устройства соединен с инверсным входом второго сумматора, прямой вход второго сумматора подключен к выходу четвертого делителя, первый вход которого связан с выходом четвертого коммутирующего устройства, 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, вход блока управления связан с выходом измерителя температуры, цифровой управляющий выход «» блока управления связан с входами управления всех ключей, коммутирующих устройств и первого запоминающего устройства, цифровой адресный выход «» блока управления подключен к адресным входам второго и третьего запоминающих устройств, выходы сигналов запись «ЗП», чтение «СЧ» блока управления соединены с соответствующими входами второго и третьего запоминающих устройств.
На фигуре показана структурная схема измерительного устройства:
1, 2, 3, 4 - тензорезисторы мостового датчика;
5, 6, 7, 8, 9 - ключи;
10, 11, 12, 13, 14 - делители;
15 - инструментальный усилитель;
16, 17 - аналого-цифровые преобразователи (АЦП);
18, 19, 20, 21 - коммутирующие устройства;
22, 23, 24 - запоминающие устройства;
25, 26 - сумматоры;
27 - умножающее устройство;
28 - блок управления;
29 - измеритель температуры (датчик температуры);
30 - схема активной компенсации.
n
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 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 выходом схемы активной компенсации 30. Вход схемы 30 соединен с источником питания U. Вершина низкого потенциала диагонали питания тензометрического мостового датчика соединена с шиной «земля».
n
n
Вершины измерительной диагонали тензометрического мостового датчика (общие точки резисторов 1, 2 и 3, 4) через первый и второй ключи 5, 6 соединены с дифференциальным входом инструментального усилителя 15. Входы питания инструментального усилителя 15 соединены с двуполярным источником питания (U, -U). Выход инструментального усилителя 15 соединен с входом первого аналого-цифрового преобразователя 16. Выход аналого-цифрового преобразователя 16 через коммутирующие устройства 18, 19, 20, 21 соответственно соединен с входами первого запоминающего устройства 22, первого сумматора 25 и первыми входами третьего и четвертого делителей 12, 13.
n
Выход умножающего устройства 27 подключен к первому входу второго делителя 11, второй вход которого связан с выходом второго АЦП 17. Вход АЦП 17, так же как и вход первого делителя 10, связан с клеммой U источника питания. Выход делителя 10 через третий ключ 7 подключен к положительному входу инструментального усилителя 15. Отрицательный вход усилителя 15 через четвертый ключ 9 связан с шиной «земля». Между положительным и отрицательным входами инструментального усилителя 15 расположен ключ 8. Выход второго делителя 11 соединен с входом второго запоминающего устройства 23. Выход устройства 23 связан со вторыми входами третьего и четвертого делителей 12, 13. Выход делителя 12 подключен к входу третьего запоминающего устройства 24. Выход устройства 24 соединен с инверсным входом второго сумматора 26. Выход делителя 13 подключен к прямому входу сумматора 26. Выход второго сумматора 26 связан с первым входом пятого делителя 14, второй вход которого соединен с выходом второго АЦП 17. Выход делителя 14 является выходом измерительного устройства.
а
в
Управление переключением всех ключей, коммутирующих устройств и записью (чтением) в запоминающие устройства производится цифровыми сигналами, а также сигналами «ЗП» и «СЧ», подаваемыми с выходов «», «», «ЗП», «СЧ» блока управления 28. Сигнал об изменении температуры измерительного устройства поступает в блок управления 28 от измерителя температуры 29.
a
а
адui
i
аддi
адui
i
Работает устройство следующим образом. Перед началом первого режима штатных рабочих измерений производится определение систематических мультипликативных и аддитивных погрешностей при различных уровнях температуры измерительного устройства, принудительно задаваемых оператором при ненагруженном тензометрическом мостовом датчике. Изменение температуры элементов измерительного устройства в режиме определения аддитивных и мультипликативных погрешностей может производиться разными способами и в данном изобретении не приводится. Найденные величины указанных погрешностей записываются в соответствующие им ячейки запоминающих устройств. Для мультипликативных поправок используется запоминающее устройство 23, а для аддитивных - 24. Нумерация ячеек в обоих запоминающих устройствах одинаковая и соответствует нумерации температурных уровней. После выполнения процедуры определения погрешностей начинается режим штатных измерений. В этом режиме из фактически получаемых величин рабочего сигнала с учетом температурного состояния измерительного устройства удаляются ранее найденные систематические погрешности, хранящиеся в памяти. Подробнее это делается так. Для нахождения погрешностей ненагруженное измерительное устройство подвергается постепенному тепловому воздействию. Температура измеряется датчиком температуры 29. На достигнутом уровне температуры блок управления 28 на выходе «» вырабатывает первую управляющую команду. По этой команде ключи 8, 9 и коммутирующее устройство 18 замкнуты, все остальные ключи и коммутирующие устройства разомкнуты. Вход инструментального усилителя 15 закорочен и соединен с шиной «земля». На выходе инструментального усилителя 15 появляется сигнал Δ(K+ΔK), где Δ - аддитивная погрешность инструментального усилителя на i-ом температурном уровне. Сигнал Δ(K+ΔK) запоминается в первом запоминающем устройстве 22 (по первой запоминающей команде, подаваемой с выхода «» блока управления 28) и подается на инверсный вход первого сумматора 25.
а
в
n
i
По второй управляющей команде с выхода «» блока управления 28 ключи 7, 9 и коммутирующее устройство 19 замкнуты, остальные ключи и коммутирующие устройства разомкнуты. Сигнал  с выхода делителя 10 поступает на вход инструментального усилителя 15. На выходе инструментального усилителя 15 появляется сигнал . Этот сигнал поступает на прямой вход первого сумматора 25. На выходе сумматора 25 образуется сигнал - , далее он умножается на величину M (умножающее устройство 27), а затем делится на величину U (делитель 11), на который он подается с выхода второго АЦП 17. Далее сигнал (K+ΔK) по адресной команде с выхода «» блока управления 28 записывается в i-ю ячейку второго запоминающего устройства 23. На этом операция определения мультипликативной погрешности для данного уровня температуры заканчивается.
a
Блок управления 28 на выходе «» вырабатывает третью управляющую команду. По этой команде ключи 5, 6 и коммутирующее устройство 20 замкнуты, остальные ключи и коммутирующие устройства разомкнуты. На вход инструментального усилителя 15 с тензометрического мостового датчика подается сигнал
где
i
R - сопротивление тензорезисторов моста на i-м уровне температуры,
i
ΔR - температурный разбаланс тензорезисторов на i-м уровне температуры.
аддi
в
а
в
Δ - аддитивная погрешность в линии связи тензометрического мостового датчика и инструментального усилителя на i-м уровне температуры. На выходе инструментального усилителя образуется сигнал . Этот сигнал по адресной команде с выхода «» блока управления 28 на третьем делителе 12 преобразуется в сигнал  и записывается в i-ю ячейку третьего запоминающего устройства 24. На этом заканчивается определение искомых погрешностей на i-м уровне температуры. Температура, измеряемая датчиком температуры 29, продолжает изменяться. При достижении следующего уровня температуры блок управления вырабатывает новую серию цифровых команд на выходах «», «» и служебных сигналов «ЗП» блока управления 28 и тем самым повторяет описанную выше процедуру определения указанных погрешностей. Это продолжается до тех пор, пока не будут установлены погрешности для каждого температурного уровня. Далее выполняется штатный режим измерений.
«а»
в
ri
n
i
Блок управления 28 с выхода  выдает четвертую управляющую команду. По этой команде ключи 5, 6 и коммутирующее устройство 21 замкнуты, остальные ключи и коммутирующие устройства разомкнуты. Сигнал с выхода тензометрического мостового датчика в виде  (где ΔR - изменение сопротивления тензорезисторов под воздействием измеряемых нагрузок) подается на вход усилителя 15. На выходе инструментального усилителя 15 образуется сигнал . Этот сигнал на четвертом делителе 13 по адресной команде, пришедший с выхода «» устройства 28 на второе запоминающее устройство 23, преобразуется в сигнал , который с выхода четвертого делителя 13 поступает на прямой вход второго сумматора 26, где из него вычитают величину и , выбираемую из соответствующей ячейки третьего запоминающего устройства 24 по той же адресной команде. На выходе сумматора 26 образуется сигнал , который на пятом делителе 14 делится на величину U, тем самым получают чистый сигнал . Выборка значений (K+ΔK) и  из ячеек памяти первого и второго запоминающих устройств 23, 24 производится блоком управления 28 по сигналу, поступающему на его вход от датчика температуры 29. Управление всеми видами переключений при переходе с режимов рабочих измерений на режим определения систематических погрешностей производят посредством блока управления 28 по команде оператора в соответствии с регламентом поверок измерительного устройства.