СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ ВЕЛИЧИНЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК G01D3/02 

Изобретение относится к измерительной технике, использующей компьютер при получении и работе с метрологической информацией общего назначения.

Известен способ измерений с использованием компьютера, в основе которого лежит преобразование физической величины в электрическое напряжение, где информация содержится в уровне сигнала [1].

Известен способ преобразования физической величины в электрическое напряжение фиксированного уровня, а информация об измеряемой величине содержится в длительности (периоде) напряжения [3].

Способы реализуются соответствующими устройствами.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому результату, и принятым авторами в качестве прототипа, является способ и устройство для измерения физической величины [4] в котором формируют сигнал, длительность которого пропорциональна измеряемой величине. Для этого используют заряд эталонного конденсатора до определенного уровня напряжения, через резистор, электрическое сопротивление которого чувствительно к измеряемой величине.

Реализующее его устройство состоит из терморезистора, соединенного с ним последовательно конденсатора, и транзистора, включенного параллельно конденсатору. Эти элементы образуют колебательный контур, а параметры элементов задают частоту выходного напряжения. Перечисленные элементы и триггер Шмитта образуют формирователь импульсного электрического напряжения. Выход формирователя соединен с цифровым входом компьютера.

Устройство работает следующим образом.

По сигналу компьютера транзистор запирается, и в этот же момент в компьютере запускается внутренний счетчик времени. Конденсатор через включенный в цепь его заряда терморезистор заряжается до величины порога опрокидывания триггера Шмитта. Фиксируют момент заряда конденсатора. Сигнал перепада напряжения с выхода триггера Шмитта поступает в компьютер, останавливая внутренний счетчик, и по сигналу компьютера переводит транзистор в режим насыщения. Разряд конденсатора происходит через внутреннее сопротивление транзистора. Информация об измеряемой величине содержится во внутреннем счетчике компьютера.

Известный способ позволяет измерять физическую величину, температуру, компенсировать влияние температурной нестабильности характеристик некоторых компонентов реализующего его устройства на результаты измерений.

Существенными недостатками известного способа и реализующего его устройства являются низкая точность измерений, обусловленная принципиальной невозможностью скомпенсировать влияние температурной нестабильности всех активных элементов схемы формирователя и возникновением систематических ошибок измерений из-за накопления вследствие нелинейности характеристик транзистора и конечности его сопротивления в режиме насыщения остаточного напряжения на конденсаторе, а также ограниченные функциональные возможности, не позволяющие проводить измерения с использованием распространенных персональных компьютеров без дополнительных устройств и программ драйверов.

В основу изобретения поставлена задача повышения точности и стабильности измерений, при одновременном расширении функциональных возможностей способа и устройства, упрощения процедуры измерений и соответственно унификации процедуры и средств измерений.

Дополнительно ставятся задачи повышения надежности измерений, обеспечения электрической развязки, вплоть до дистанционной, беспроводной, связи между компонентами измерительной системы, а также управления формирователем для повышения разрешающей способности измерений.

Поставленная основная задача измерения физической величины с использованием компьютера решается тем, что подвергают физическому воздействию чувствительный элемент, организуют, используя электрический параметр чувствительного элемента, электроколебательный процесс, формируют под влиянием электроколебательного процесса электрическое напряжение, которое подают на вход компьютера, согласно изобретению, электроколебательный процесс организуют периодическим, напряжение формируют с уровнем и частотой информационно-значимых составляющих его частотного спектра, удовлетворяющими в диапазоне измерения физической величины параметрам входа аудиоадаптера компьютера, конфигурация которого соответствует спецификации Multimedia Personal Computer, при этом входом компьютера является вход его аудиоадаптера.

Поставленная задача решается также и устройством для реализации способа, включающим компьютер, чувствительный элемент, соединенный с ним формирователь переменного электрического напряжения, содержащий частотозадающие элементы, согласно изобретению формирователь дополнительно содержит преобразователь уровня напряжения, выход которого является выходом формирователя, конфигурация компьютера соответствует спецификации Multimedia Personal Computer (MPS), выход формирователя соединен с входом аудиоадаптера такого компьютера, частотозадающие элементы формирователя имеют параметры, обеспечивающие частоту информационно- значимых составляющих частотного спектра выходного напряжения в пределах, удовлетворяющих параметрам входа аудиоадаптера компьютера во всем диапазоне измерения физической величины.

Наилучший результат достигается в устройстве тем, что преобразователь уровня напряжения выполнен либо в виде оптоэлектронных, согласованных между собой, приемника, соединенного с входом аудиоадаптера, и передатчика, соединенного с выходом формирователя, либо в виде трансформатора, вторичная обмотка которого соединена с входом аудиоадаптера, а первичная соединена с выходом формирователя.

Дополнительные задачи решаются тем, что устройство содержит идентификатор чувствительного элемента и формирователя соединенный с цифровым входом компьютера, а также тем, что оно снабжено блоком управления формирователем, вход блока соединен с цифровым выходом компьютера или аудиоадаптера компьютера, а выход блока - с входом управления формирователем.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства для осуществления предлагаемого способа; на фиг.2 - принципиальная схема устройства для измерения температуры, пример реализации; на фиг.3 - функциональная схема устройства, содержащего идентификатор чувствительного элемента и формирователя; на фиг.4 - функциональная схема устройства, содержащего блок управления формирователем.

В предлагаемом способе измерения выбирают схему формирователя, работающую в автоколебательном режиме (мультивибратор, генератор и т.п.), одним из частотозадающих элементов которой является чувствительный элемент. Чувствительный элемент подвергают физическому воздействию, изменяя тем самым его электрический параметр. Так как параметр чувствительного элемента участвует в образовании электрического автоколебательного процесса, это приводит к изменению параметра процесса (его частоты) и соответственно частоты выходного напряжения формирователя. При выбранной схеме с мультивибратором сигнал на его выходе содержит большое число гармоник, но информационно-значимой является основная, первая гармоника. Поэтому параметры частотозадающих элементов выбирают такими, чтобы во всем диапазоне измерения физической величины основная гармоника частотного спектра выходного напряжения была согласована с входными параметрами аудиоадаптера компьютера, конфигурация которого соответствует спецификации Multimedia Personal Computer. Для некоторых измерений информационно- значимыми могут быть вторая и последующие гармоники или только они. При использовании резистивных датчиков (терморезистор, фоторезистор, тензорезистор) весьма удобно применять формирователь, выполненный по схеме мультивибратора. При емкостных датчиках (температуры, размеров и других величин) и датчиках, использующих емкостной эффект (силы, перемещения, давления и т.д.), в качестве формирователя используют схему высокочастотного емкостного генератора, а выходное напряжение схемы с требуемыми параметрами получают путем смешивания напряжений с измерительного и опорного генератора. Для параметрических датчиков (фотодиод, термопара, и т.д.) в качестве формирователя используют схему генератора, управляемого напряжением (ГУН). Приведенные выше рассуждения об информационно-значимых составляющих также справедливы вне зависимости от выбора конкретной схемы реализации ГУН. Для бесконтактных датчиков Холла схемная реализация формирователя будет весьма непростой. В частности, необходимо стабилизировать величину выходного тока цепи схемы, в которую включен датчик.

Вычисление физической величины, также как и прототипе, происходит в компьютере. Введенный в компьютер сигнал подвергают преобразованию Фурье, выделяя информационно- значимые составляющие частотного спектра, и, используя значения передаточных характеристик чувствительного элемента, формирователя, аудиоадаптера компьютера, программно вычисляют значение физической величины.

Способ реализуется в работе устройства, функциональная схема которого приведена на фиг.1.

Устройство содержит чувствительный элемент 1, соединенный с ним формирователь 2 переменного электрического напряжения, содержащий частотозадающие элементы 3, с параметрами, обеспечивающими для информационно-значимых составляющих частотного спектра его выходного напряжения частоту и ее изменения в пределах, удовлетворяющих параметрам подключенного к выходу преобразователя 4 уровня входа аудиоадаптера 5 компьютера 6. Компьютер 6, оснащенный программным обеспечением, имеет конфигурацию, соответствующую спецификации Multimedia Personal Computer.

Преобразователь 4 уровня может быть выполнен в виде согласованных между собой оптических передатчика и приемника информации, а также в виде согласующего трансформатора или радиоприемопередатчика.

Устройство работает следующим образом.

Измеряемая величина воздействует на чувствительный элемент 1 и приводит к изменению его электрического параметра, вследствие чего изменяется параметр электроколебательного процесса в формирователе 2 переменного электрического напряжения и соответственно частота его выходного напряжения. Последнее с выхода преобразователя уровня 4 поступает на вход аудиоадаптера 5 компьютера 6, конфигурация которого соответствует спецификации Multimedia Personal Computer, обрабатывается и с использованием программного обеспечения и информации о передаточных характеристиках формирователя и параметрах частотозадающих элементов, хранящейся в памяти компьютера, позволяет определить значение измеряемой величины.

Устройство для измерения температуры (фиг.2) содержит чувствительный элемент (терморезистор) 1, соединенный с выходом 7 усилителя 8 формирователя 2 переменного электрического напряжения и через регулировочный резистор 9 с измерительным конденсатором 10, подстроечным конденсатором 11 и инвертирующим входом 12 усилителя 8. Выход 7 усилителя 8 соединен с резисторами 13, 14 и 15 преобразователя 4 уровня напряжения формирователя и через резистор 13 с неинвертирующим входом 16 усилителя 8. Через резистор 15 неинвертирующий вход 16 соединен с "аналоговой землей", а через резистор 14 - с входом аудиоадаптера 5 компьютера 6 спецификации МРS, оснащенного программным обеспечением. Инвертирующий вход 12 усилителя 8 через конденсатор 10 и подстроечный конденсатор 12 соединен с "аналоговой землей".

Устройство работает следующим образом.

Исходное состояние схемы определяется отсутствием заряда на конденсаторе 10 и вследствие этого практически нулевым напряжением на инвертирующем входе 12 усилителя 8. В то же время часть выходного напряжения усилителя 8 через резисторы 13 и 14 преобразователя 4 уровня напряжения формирователя подается на неинвертирующий вход 16 усилителя 8 и превышает напряжение на инвертирующем входе 12. В результате напряжение на выходе 7 усилителя 8 имеет положительную полярность и величину, определяемую напряжением питания и внутренней схемой усилителя. Конденсаторы 10 и 11 начинают заряжаться током, протекающим с выхода 7 усилителя 8 через чувствительный элемент 1 и регулировочный резистор 9 на "аналоговую землю". На обкладках конденсатора начинает накапливаться заряд. По мере заряда конденсатора падение напряжения на нем (по модулю) будет увеличиваться до тех пор, пока не превысит напряжения на неинвертирующем входе 16. Тогда выходное напряжение усилителя 8 изменится на противоположное и процесс повторится. Таким образом частота основной гармоники выходного напряжения определяется постоянной времени, численно равной произведению суммы величин сопротивлений чувствительного элемента 1 и регулировочного резистора 9 на суммарную емкость измерительного 10 и подстроечного 11 конденсаторов, что позволяет однозначно связать частоту основной гармоники с измеряемой величиной. Изменение измеряемой температуры приводит к изменению сопротивления чувствительного элемента 1, т.е. времени заряда и соответственно частоты основной гармоники выходного переменного электрического напряжения, подаваемого на вход аудиоадаптера 5 компьютера 6 спецификации MPS. Компьютер, оснащенный программным обеспечением, вычисляет измеряемую величину. Изменением величины регулировочного резистора 9 и подстроечного конденсатора 11 обеспечивают для конкретного типа чувствительного элемента 1 и выбранного диапазона измерения температуры основную частоту генерации в диапазоне, соответствующем входным параметрам аудиоадаптера 5 компьютера 6. Резисторы 13, 14 и 15 обеспечивают соответствие входным параметрам аудиоадаптера по уровню подаваемого на его вход напряжения формирователя 2.

Пример реализации иллюстрирует простоту используемого схемотехнического решения. Благодаря этому легко обеспечивается возможность изготовления, вплоть до серийного, модулей датчика с формирователем. Наличие ряда таких модулей ставит задачу их идентификации с целью безошибочности их подключения и соответственно повышения надежности измерений в целом. Модуль чувствительного элемента формирователя, снабженный индентификатором, в свою очередь обеспечивает унификацию процедуры измерений.

На фиг. 3 изображена функциональная схема устройства, содержащего идентификатор чувствительного элемента и формирователя.

Устройство, кроме перечисленного выше, содержит идентификатор 17, представляющий собой автономный блок энергонезависимого постоянного запоминающего устройства, выход которого подключен к цифровому входу компьютера 6. Идентификатор содержит опознавательную информацию о типе датчика и формирователя, роде и диапазоне измерения физической величины, градуировке чувствительного элемента и формирователя.

Устройство работает следующим образом.

Измеряемая величина воздействует на чувствительный элемент 1, что приводит к изменению его параметра. Вследствие этого изменяется параметр электроколебательного процесса в формирователе 2 переменного электрического напряжения и соответственно его выходное напряжение. Последнее с выхода преобразователя уровня 4 поступает на вход аудиоадаптера 5 компьютера 6, конфигурация которого соответствует спецификации Multimedia Personal Computer, обрабатывается и с использованием программного обеспечения и информации о передаточных характеристиках формирователя и параметрах частотозадающих элементов, считываемой с идентификатора 17, позволяет определить значение измеряемой величины.

Задача управления формирователем в целях повышения разрешающей способности или расширения диапазона измерений решается устройством, содержащим блок управления формирователем. На фиг. 4 изображена функциональная схема такого устройства.

Устройство, кроме перечисленного выше, содержит блок 18 управления формирователем 2, соединенный с цифровым выходом аудиоадаптера 5 или цифровым выходом компьютера 6.

Устройство работает следующим образом.

При инициализации устройства компьютер 6, в зависимости от требуемого диапазона измерений задает через блок управления формирователем 18 передаточные характеристики формирователя и параметры его частотозадающих элементов. Измеряемая величина воздействует на чувствительный элемент 1, что приводит к изменению его параметра. Вследствие этого изменяется параметр электроколебательного процесса в формирователе 2 переменного электрического напряжения и соответственно его выходное напряжение. Последнее с выхода преобразователя уровня 4 поступает на вход аудиоадаптера 5 компьютера 6, конфигурация которого соответствует спецификации Multimedia Personal Computer, обрабатывается и с использованием программного обеспечения и информации о заданных передаточных характеристиках формирователя и параметрах его частотозадающих элементов позволяет определить значение измеряемой величины.

Благодаря отличию действий, состава и структуры устройства, связи его частей, их схемных решений, а также параметров элементов предлагаемое техническое решение характеризуется повышенной точностью и стабильностью измерения физической величины вследствие периодичности электроколебательного процесса, из-за которой взаимокомпенсируется влияние нестабильности характеристик компонентов формирователя на информационно-значимый параметр его выходного напряжения. При этом осуществляется минимальное число операций при формировании напряжения и имеется возможность выбора оптимального соотношения точности, диапазона и продолжительности измерения физической величины, а также проведения измерения ряда физических величин, в том числе одновременного, с использованием одного компьютера, в связи с более предпочтительными для целей измерения информационно-значимыми параметрами формируемого напряжения и соответственно условиями его согласования с входными параметрами компьютера.

Изобретение значительно упрощает для пользователя процедуру измерения и стандартизирует ее благодаря использованию унифицированного технического средства, завершающего эту процедуру - компьютера распространенной спецификации MPS, и расширяет функциональные возможности путем использования в качестве информационно-значимых параметров как частоты, так и уровня формируемого напряжения, упрощает и унифицирует процедуру измерений, благодаря новой связи с входом аудиоадаптера компьютера. Кроме того, оно расширяет функциональные возможности путем введения преобразователя уровня и выполнения преобразователя уровня в виде того или иного средства электрической развязки.

Использование изобретения дополнительно упрощает, унифицирует и автоматизирует процедуру измерений и повышает их надежность вследствие наличия идентификатора чувствительного элемента и формирователя, а также блока управления формирователем.

Источники информации
1. Заявка Японии, 5-25409, кл. G 01 D 09/00.

2. Заявка PCT(WO), 94/12940, кл. G 06 F 15/20.

3. Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC./ Под ред. У.Томпкинса и Дж. Уэбстера.- М.: Мир, 1992, с. 312.

4. Заявка Франции, 2697080, кл. G 01 D 3/02, 1994 (прототип).

Использование: в измерительной технике, использующей компьютер при получении и работе с метрологической информацией общего назначения. Сущность изобретения: в способе измерения физической величины и устройстве для его осуществления измеряемая величина воздействует на чувствительный элемент, изменение электрического параметра которого приводит к изменению параметра электроколебательного процесса в формирователе переменного электрического напряжения, частота выходного напряжения которого соответствующим образом изменяется. Упомянутое напряжение с выхода преобразователя уровня поступает на вход аудиоадаптера компьютера, конфигурация которого соответствует спецификации Multimedia Personal Computer, обрабатывается и с использованием программного обеспечения и информации о передаточных характеристиках формирователя и параметрах частотозадающих элементов определяется значение измеряемой величины, 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ измерения физической величины с использованием компьютера, заключающийся в том, что подвергают физическому воздействию чувствительный элемент, организуют, используя электрический параметр чувствительного элемента, электроколебательный процесс, формируют под влиянием электроколебательного процесса электрическое напряжение, которое подают на вход компьютера, отличающийся тем, что электроколебательный процесс организуют периодическим, напряжение формируют с уровнем и частотой информационно значимых составляющих его частотного спектра, удовлетворяющими в диапазоне измерения физической величины параметрам входа аудиоадаптера компьютера, конфигурация которого соответствует спецификации Multimedia Personal Computer, при этом входом компьютера является вход его аудиоадаптера. 2. Устройство для осуществления способа по п.1, включающее компьютер, чувствительный элемент, соединенный с ним формирователь переменного электрического напряжения, содержащий частотозадающие элементы, отличающееся тем, что формирователь дополнительно содержит преобразователь уровня напряжения, выход которого является выходом формирователя, конфигурация компьютера соответствует спецификации Multimedia Personal Computer, выход формирователя соединен с входом аудиоадаптера такого компьютера, частотозадающие элементы формирователя имеют параметры, обеспечивающие частоту информационно значимых составляющих частотного спектра его выходного напряжения в пределах, удовлетворяющих параметрам входа аудиоадаптера компьютера во всем диапазоне измерения физической величины. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что преобразователь уровня напряжения выполнен в виде оптоэлектронных сигласованных между собой приемника, соединенного с входом аудиоадаптера, и передатчика, соединенного с выходом формирователя. 4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что преобразователь уровня напряжения выполнен в виде трансформатора, вторичная обмотка которого соединена с входом аудиоадаптера, а первичная - с выходом формирователя. 5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что дополнительно содержит идентификатор чувствительного элемента и формирователя, соединенный с цифровым входом компьютера. 6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что формирователь снабжен блоком управления, вход которого соединен с цифровым выходом аудиоадаптера компьютера, а выход - с входом управления формирователя.