СПОСОБ КАЛИБРОВКИ И КОРРЕКЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЯ МНОГОКАНАЛЬНОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА Российский патент 2009 года по МПК G01D18/00 G01R35/00 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к обеспечению получения достоверных результатов измерения при воздействии мешающих факторов (влияния изменения окружающей температуры, электрических помех, изменения окружающего давления и т.д.) средств измерения неэлектрических величин электрическим способом, а именно измерительно-вычислительным комплексом (ИВК). Он может быть использован в устройствах для измерения физических параметров, в которых используются пассивные и активные датчики, изменяющие свои параметры при вариации значений физических воздействий. Если по устранению влияния электрических помех в измерительных устройствах достигнуты определенные успехи, то вопросы компенсации влияния изменения окружающей температуры на ИВМ, особенно в широком диапазоне, например ±60°С, остаются проблематичными и определяют в основном погрешность результатов измерения.

Известен ряд способов, способствующих получению достоверных результатов измерения при воздействии мешающих факторов.

Как описано в Патенте РФ №2262713 «Способ калибровки измерительных систем», МПК G01R 35/00, 2005 г., периодически в процессе между измерениями осуществляют измерение на основе оценки эталонных значений. При этом в характерных и (или) эмпирически полученных точках диапазона измерений, в соответствии с их соотношением, автоматически запоминают или корректируют эталонные значения входного измеряемого сигнала. На основе соответствующих значений получают аппроксимации, по которым воспроизводится функция наилучшего равномерного приближения, интерполирующая и экстраполирующая значения эталонных сигналов.

При этом затрачивают большое время на процесс измерения и выполняют значительный объем вычислений.

По патенту №2006789 «Способ градуировки измерительных каналов тензометрических систем», МПК G01B 7/18, 1994 г., способ градуировки выполняют путем формирования на входах измерительных каналов штатных и дополнительных образцовых сигналов, которые соответствуют заданным точкам диапазона измерений, и в последующем регистрируют величины сигналов на выходах этих каналов в соответствующих точках, что также требует временных затрат и проведения значительных вычислительных процедур.

За прототип принят способ, описанный в статье «Контрольные измерения, калибровка и коррекция результатов измерений ИВК "ТЕНЗОР"» - Датчики и системы - 2006 г. - №6. с.5-9, где рассмотрены вопросы калибровки и коррекции результатов измерения в многоканальном многофункциональном измерительно-вычислительном комплексе (ИВК) с учетом влияния температурных факторов. Для более детального понимания работы ИВК в процессе измерения, калибровки и коррекции результатов измерения к прототипу можно использовать материалы статьи «Малогабаритный измерительно-вычислительный комплекс "ТЕНЗОР" для мониторинга прочности сложных механических конструкций». - Датчики и системы. - 2006 г. - №5. с.2-7.

В процессе рабочих измерений прототипа проводят контрольные измерения в процессе штатной работы ИВК, калибровку и реализуют сложный алгоритм коррекции.

Контрольные измерения (КИ) в способе выполняют трех видов:

- КИ1 - измеряют напряжение (Е₊, Е_-) с целью контроля допустимого падения напряжения питания автономных источников (периодически и редко);

- КИ2 - определяют температуру в месте расположения контрольных многокомпонентных измерительных преобразователей (МИП);

- КИ3 - определяют значения начала и конца диапазона измерений для всех контрольных МИП с целью уточнения их значений в диапазоне рабочих температур эксплуатации ИВК и вычисляют метрологические константы линейной функции преобразования у=А+В×х измерительных программ ИВК, после производят коррекцию результатов измерения.

Коррекция результатов измерения в описанном способе-прототипе.

Режим коррекции используется для обеспечения метрологических характеристик (MX) ИВК в диапазоне рабочих температур эксплуатации ИВК. С этой целью перед сбором показаний рабочих датчиков проводят контрольные измерения (КИ).

Периодичность автоматического выполнения КИ определяют температурными условиями использования ИВК и устанавливают в процессе эксплуатации ИВК. Выполняют последовательную реализацию следующих основных операций перед каждым штатным измерением:

- вводят данные настройки ИВК;

- проводят контрольные измерения КИ2 (определяют температуру ИВК и оценивают ее диапазон); проводят контрольные измерения КИ3;

- выполняют рабочие измерения РИ (сбор показаний рабочих датчиков);

- выполняют коррекцию и статистическую обработку результатов измерений.

Недостаток способа заключается в том, что реализация этих операций требует значительных затрат времени.

Техническим результатом изобретения является снижение погрешности устройства за счет увеличения его быстродействия благодаря исключению дополнительного набора прецизионных резисторов, фиксирующих начало и конец диапазона измерения для всех типов и схем соединения датчиков, обслуживаемых измерительно-вычислительным комплексом (ИВК) и при этом требующих дополнительного времени для их опроса, обработки и вычисления корректирующих значений перед каждым штатным измерением ИВК.

Технический результат достигается тем, что в способе калибровки и коррекции результатов измерения многоканального многофункционального измерительно-вычислительного комплекса, в котором перед каждым штатным измерением рабочими датчиками определяют его температуру и оценивают ее диапазон, производят коррекцию результатов измерений, заранее выполняют разовую калибровку измерительно-вычислительного комплекса путем температурного воздействия на него в климатической камере и измерения текущего значения температуры, при этом заранее определяют точки «i» в эксплуатационном интервале температур измерительно-вычислительного комплекса и в заданной точке температуры (t_i) производят штатное измерение, причем при выполнении процедуры калибровки диапазон кодов результатов измерений разбивают на «j» поддиапазонов, где средние значения N_j в кодовом эквиваленте каждого поддиапазона отсчетов соответствуют калибровочным значениям, формируемых автоматическим калибратором мер, а именно для термопреобразователей сопротивления при измерениях одни значения, а для остальных типов датчиков другие значения, и по результатам калибровочных измерений для каждой программы измерения определяют значения постоянных корректирующих кодов: ΔN_i-j=N_i-j-N_j, где N_i-j - результат измерения при i-й температуре калибровки и соответствующего (j-го) значения, где N_j - калибровочное значение в j-м поддиапазоне значений от автоматического калибратора мер, причем значения кодов для каждой программы измерения фиксируют и записывают в память измерительно-вычислительного комплекса и используют в дальнейшем для корректировки результатов измерений в процессе штатного сбора данных, причем предварительно измеряют температуру блока измерительно-вычислительного комплекса, по которой устанавливают соответствующий (i-й) температурный поддиапазон, и по значению N_j определяют соответствующий (j-й) поддиапазон отсчетов измерительно-вычислительного комплекса, а скорректированное значение результата измерения определяют по выражению N_к=N-ΔN_i-j при N≥N_j или N_к=N+ΔN_i-j при N<N_j, где N_к - результат измерения с коррекцией, N - результат измерения без коррекции, N_j - калибровочное значение соответствующего (j-го) поддиапазона отсчетов,

ΔN_i-j - значение корректирующего кода для данных i и j для соответствующей программы измерения.

На фиг.1 показана структурная схема измерительно-вычислительного комплекса (ИВК), реализующая предложенный способ;

На фиг.2 (таблица 1) - выбранный диапазон температур и его градации;

На фиг.3 (таблица 2) - определенные кодовые эквиваленты для датчика температур;

На фиг.4 (таблица 3) - определенные кодовые эквиваленты для остальных датчиков;

На фиг.5 (таблица 4) - рекомендованная таблица записи корректирующих кодов.

Предложенное решение значительно упрощает процесс коррекции результатов измерения в широком температурном диапазоне эксплуатации ИВК за счет выполнения простого алгебраического суммирования текущих результатов измерения с корректирующими кодами. Эти коды определены заранее при разовой калибровке ИВК в термоклиматической камере с помощью автоматического калибратора мер (АКМ). Это устройство известно для воспроизведения приращения сопротивления, напряжения и тока для измерительно-вычислительного комплекса «Тензор», например «Обеспечение метрологических испытаний измерительно-вычислительного комплекса "ТЕНЗОР"». - Датчики и системы. - 2006 г. №8. стр.34-36.

ИВК включает в себя узел коммутации (УК) 1, программируемый нормирующий преобразователь (ПНП) 2, микропроцессор (МП) 3 и встроенный радиоканал связи PC 4. Для обеспечения работы комплекса в широком диапазоне температур (-40-+50)°С с высокой стабильностью и точностью результатов измерений используют процедуры разовой предварительной калибровки и коррекции для каждого типа датчиков при штатных измерениях, которые обслуживает ИВК.

С этой целью:

а) внутри блока ИВК встроен датчик температуры 5 для измерения температуры блока;

б) для калибровки применяют специально разработанный автоматический калибратор мер (АКМ) 6, имитирующий все типы датчиков и схемы их включения, которые обслуживает ИВК;

в) по результатам калибровки определяют значения корректирующих кодов, которые записывают в память микропроцессора (МП) ИВК и используют в дальнейшем для корректировки результатов измерений в процессе сбора данных. При этом с целью упрощения вычислительных процедур и сокращения времени на их выполнение операции корректировки осуществляют путем простого алгебраического суммирования анализируемых результатов измерения с соответствующими значениями корректирующих кодов.

Процедура разовой предварительной калибровки:

а) диапазон эксплуатационных рабочих температур ИВК (-40)÷(+50)°С условно разбивают на «i» (i=9) поддиапазонов - фиг.2 (табл.1). С помощью датчика температуры ИВК определяют средние значения (t_i) каждого поддиапазона температур, которые используют в качестве контрольных точек, по достижении которых выполняют измерения, и их результаты используют для последующей калибровки;

б) диапазон кодов результатов измерений ИВК (отсчетов) условно разбивают на «j» (j=11) поддиапазонов - фиг.3 (табл.2) для термопреобразователей сопротивления; фиг.4 (табл.3) - для остальных типов датчиков. Средние значения (N_j) в кодовом эквиваленте каждого поддиапазона отсчетов соответствуют калибровочным значениям, формируемым АКМ 6, что обеспечивает достаточную точностью благодаря прецизионным элементам АКМ 6;

в) выбирают типы программ измерения (ПИ) для калибровки, где определяют тип датчика, номинальное значение R_н (для тензорезисторных датчиков), диапазон измерения;

г) для каждого «i» (i=1÷9) значения температуры калибровки последовательно для каждой ПИ проводят калибровочные измерения по «j» (j=1÷11) значениям, устанавливаемым от АКМ 6. По результатам калибровочных измерений для каждой ПИ определяют значения корректирующих кодов:

ΔN_i-j=N_i-j-N_j,

где N_i-j - результат измерения для i-й температуры калибровки и соответствующего (j-го) значения от АКМ 6, N_j - калибровочное значение в j-м поддиапазоне значений от АКМ 6 фиг.3-4 (табл.2 или 3).

Значения корректирующих кодов для каждой ПИ записывают в формат представления, который приведен на фиг.5 (табл.4), в последующем эти данные переписывают в память микропроцессора (МП) ИВК.

Процедура коррекции при штатных измерениях.

Предварительно измеряют температуру блока ИВК, по которой из фиг.2 (табл.1) устанавливают соответствующий (i-й) температурный поддиапазон. По значению N из фиг.3-4 (табл.2 или 3) определяют соответствующий (j-й) поддиапазон отсчетов ИВК.

Скорректированное значение результата измерения определяют по выражению:

N_к=N-ΔN_i-j при N≥N_j; N_k=N+ΔN_i-j при N<N_j,

где N_k - результат измерения с коррекцией;

N - результат измерения без коррекции;

N_j - калибровочное значение соответствующего (j-го) поддиапазона отсчетов;

ΔN_i-j - значение корректирующего кода для данных i и j из фиг.6 (табл.4) корректирующих кодов для соответствующей ПИ.

Указанный способ применим к измерительно-вычислительному комплексу (ИВК), включающему в себя узел коммутации (УК), программируемый нормирующий преобразователь (ПНП), микропроцессор (МП) и встроенный радиоканал связи (PC), с целью обеспечения работы комплекса в широком диапазоне температур (-40÷+50°С) с высокой стабильностью и точностью результатов измерений в нем используют процедуры автоматической разовой калибровки и коррекции для каждого типа датчиков, измеряемых ИВК. В способе заранее определяют точки «i» в эксплуатационном интервале температур ИВК и в заданной точке температуры (t_i) производят штатное измерение, причем при выполнении процедуры калибровки диапазон кодов результатов измерений разбивают на «j» поддиапазонов, где средние значения N_j в кодовом эквиваленте каждого поддиапазона отсчетов соответствуют калибровочным значениям, формируемым автоматическим калибратором мер. Техническим результатом изобретения является снижение погрешности устройства за счет увеличения его быстродействия благодаря исключению дополнительного набора прецизионных резисторов, фиксирующих начало и конец диапазона измерения для всех типов и схем соединения датчиков, обслуживаемых ИВК. 5 ил.

Способ калибровки и коррекции результатов измерения многоканального многофункционального измерительно-вычислительного комплекса, в котором перед каждым штатным измерением рабочими датчиками определяют его температуру и оценивают ее диапазон, производят коррекцию результатов измерений, отличающийся тем, что заранее выполняют разовую калибровку измерительно-вычислительного комплекса путем температурного воздействия на него в климатической камере и измерения текущего значения температуры, при этом заранее определяют точки «i» в эксплуатационном интервале температур измерительно-вычислительного комплекса и в заданной точке температуры (t_i) производят штатное измерение, причем при выполнении процедуры калибровки диапазон кодов результатов измерений разбивают на «j» поддиапазонов, где средние значения N_j в кодовом эквиваленте каждого поддиапазона отсчетов соответствуют калибровочным значениям, формируемым автоматическим калибратором мер, а именно для термопреобразователей сопротивления при измерениях одни значения, а для остальных типов датчиков другие значения, и по результатам калибровочных измерений для каждой программы измерения определяют значения постоянных корректирующих кодов: ΔN_i-j=N_i-j-N_j, где N_i-j - результат измерения при i-й температуре калибровки и соответствующего (j-го) значения, где N_j - калибровочное значение в j-м поддиапазоне значений от автоматического калибратора мер, причем значения кодов для каждой программы измерения фиксируют и записывают в память измерительно-вычислительного комплекса и используют в дальнейшем для корректировки результатов измерений в процессе штатного сбора данных, причем предварительно измеряют температуру блока измерительно-вычислительного комплекса, по которой устанавливают соответствующий (i-й) температурный поддиапазон, и по значению N_j определяют соответствующий (j-й) поддиапазон отсчетов измерительно-вычислительного комплекса, а скорректированное значение результата измерения определяют по выражению N_k=N-ΔN_i-j при N≥N_j или N_k=N+ΔN_i-j при N<N_j, где N_k - результат измерения с коррекцией, N - результат измерения без коррекции, N_j - калибровочное значение соответствующего (j-го) поддиапазона отсчетов, ΔN_i-j - значение корректирующего кода для данных i и j для соответствующей программы измерения.