МНОГОКАНАЛЬНОЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ВНУТРИМОДЕЛЬНЫХ ВЕСОВ Российский патент 2012 года по МПК G01L1/22 

Изобретение относится к измерительной технике, к разделу измерения неэлектрических величин электрическим способом. Оно может быть использовано в устройствах, в которых применяются тензометрические мостовые датчики, изменяющие свое сопротивление под воздействием измеряемых физических параметров, в частности, для определения аэродинамических сил и моментов, воздействующих на модели летательных аппаратов, при их испытаниях в аэродинамических трубах.

Основными источниками погрешностей при такого рода измерениях являются температурные изменения параметров измерительных устройств и электромагнитные помехи, воспринимаемые длинными линиями связи первичных преобразователей (мостовых датчиков) и измерительных приборов. Характерными примерами такого рода устройств могут служить устройства, приведенные в патентах РФ №2287795, №2287796 (МПК G01M 9/06; G01R 3/12) под одинаковым названием «Устройство для измерения составляющих векторов аэродинамической силы и момента». В этих патентах описаны внутримодельные аэродинамические весы, построенные на базе тензометрических мостовых датчиков, связанных длинными линиями связи с вторичными приборами, которые расположены в нескольких десятках метров от датчиков. Устранение влияния указанных выше причин появления помех представляет собой важную задачу при разработке многоканальных измерительных устройств для аэродинамических внутримодельных весов.

Известны измерительные устройства, в которых нормирующие преобразователи располагаются рядом с датчиками, например, устройство Uniconv-105 «Универсальный измерительный преобразователь (нормирующий усилитель) для работы с мостовыми датчиками, платиновыми термометрами сопротивления и термопарами с интерфейсом RS-422/RS-485» фирмы HOTTINGER (см. сайт http://www.oriel.ru/Uniconvl05.pdf). Это устройство взято за прототип. Компания «Ориэл» анонсировала Uniconv-105 26.01.2008. Достоинством этого устройства, которое по своей структуре построения канала измерения наиболее близко к предлагаемому изобретению, состоит в его высокой точности, компактности и температурной стабильности. В описании устройства Uniconv-105, как один из вариантов, приведена схема измерения, состоящая из универсального измерительного преобразователя Uniconv-105 и мостового датчика, соединенного с этим преобразователем по шестипроводной схеме для существенного ослабления влияния омической составляющей подводящих проводов на точность проводимых измерений. Ослабление (практическое исключение) влияния сопротивления проводов, подводящих ток от источника питания к вершинам диагонали питания мостового датчика, так называемая активная компенсация, в измерительном преобразователе Uniconv-105 производится следующим образом. Электрические потенциалы с вершин питания мостового датчика по дополнительным проводам (пятому и шестому) подаются на входы REF+ и REF- (см. рисунок на странице 3 приложения), далее через буфер (REF BUFFER) и аналого-цифровой преобразователь ADC эти сигналы поступают в микроконтроллер DSP, который через цифроаналоговый преобразователь DAC корректирует выходное напряжение управляемого источника питания PCS таким образом, чтобы компенсировать падение напряжения в линиях связи выходов ЕХС1 и ЕХС4 с вершинами питания тензометрического мостового датчика. Эта схема аналогична аналоговой схеме активной компенсации, применяемой в предлагаемом изобретении (см. фиг.). Измерительная диагональ мостового датчика (см. рис.на стр.3, 4 приложения) соединена с входами IN+ и IN-инструментального усилителя IA. К недостаткам известного устройства следует отнести невысокую скорость измерений (не более 250 изм/сек) даже при постоянном напряжении питания первичного преобразователя, а также отсутствии схемных решений для минимизации систематических аддитивных погрешностей, возникающих в инструментальном усилителе и линиях связи его с измерительными вершинами тензометрических мостовых датчиков.

Техническим результатом является исключение систематических аддитивных погрешностей и увеличение быстродействия многоканального измерительного устройства аэродинамических внутримодельных весов.

Технический результат обеспечивается тем, что в многоканальное измерительное устройство аэродинамических внутримодельных весов, запитанное однополярным постоянным током, содержащее N тензометрических мостовых датчиков, две схемы активной компенсации изменений электрических сопротивлений линий связи общих точек вершин диагоналей питания указанных датчиков с источником питания и с шиной «земля», причем каждая схема активной компенсации состоит из операционного усилителя и соответствующих линий связи выходов и входов операционных усилителей с общими точками вершин диагоналей питания мостовых датчиков, при этом вершины измерительных диагоналей тензометрических мостовых датчиков подключены к дифференциальным входам соответствующих им инструментальных усилителей, выходы которых подключены к N-канальному входу аналого-цифрового преобразователя, а корректирующие входы к источнику напряжения смещения выходных сигналов этих инструментальных усилителей, дополнительно введены одноканальный аналого-цифровой преобразователь, мультиплексор, два запоминающих устройства, сумматор, делитель, передатчик цифровой информации, блок управления и датчик температуры, которые совместно со схемами активной компенсации, инструментальными усилителями, N-канальным аналого-цифровым преобразователем размещены внутри аэродинамической модели рядом с тензометрическими мостовыми датчиками, при этом в линии связи выхода и инверсного входа операционного усилителя первой схемы активной компенсации с вершинами высокого потенциала диагоналей питания тензометрических мостовых датчиков введены два ключа, третий ключ установлен между этими линиями, четвертый ключ установлен между общими точками вершин диагоналей питания тензометрических мостовых датчиков, выход N-канального аналого-цифрового преобразователя подключен к входу мультиплексора, один выход мультиплексора связан с цифровым входом первого запоминающего устройства, выход которого соединен с инверсным входом сумматора, прямой вход сумматора подключен к второму выходу мультиплексора, выход сумматора связан с первым входом делителя, второй вход делителя связан с выходом одноканального аналого-цифрового преобразователя, вход которого соединен с источником напряжения питания мостовых тензодатчиков, выход делителя подключен к цифровому входу второго запоминающего устройства, выход которого соединен с входом передатчика цифровой информации, адресный выход блока управления связан с адресными входами N-канального аналогового цифрового преобразователя и двух запоминающих устройств, выходы сигналов «запись», «чтение 1», «чтение 2» блока управления соответственно соединены с управляющими одноименными входами ключей, мультиплексора, запоминающих устройств и передатчика цифровой информации, аналоговый вход блока управления подключен к выходу датчика температуры, импульсный вход блока управления предназначен для приема команды «считывания информации» от внешнего устройства.

На фиг. показана структурная схема измерительного устройства внутримодельных аэродинамических весов:

1, 2, 3, 4, 5, 6 - тензометрические мостовые датчики;

7, 8, 9, 10 - четыре ключа;

11 - операционный усилитель первой схемы активной компенсации;

12, 13, 14, 15, 16, 17 - инструментальные усилители;

18 - N-канальный АЦП;

19 - мультиплексор;

20 - первое запоминающее устройство;

21 - цифровой сумматор;

22 - делитель;

23 - одноканальный АЦП;

24 - второе запоминающее устройство;

25 - передатчик цифровой информации;

26 - датчик температуры;

27 - блок управления;

28 - операционный усилитель второй схемы активной компенсации.

Аэродинамические внутримодельные весы в зависимости от числа измеряемых сил и моментов содержат до шести тензометрических мостовых датчиков, следовательно, до шести каналов измерения. Обозначим в общем виде число каналов буквой N для упрощения описания состава и работы многоканального измерительного устройства аэродинамических весов.

Устройство содержит N тензометрических мостовых датчиков 1-6, две схемы активной компенсации. Первая схема активной компенсации состоит из операционного усилителя 11, трех ключей 8, 9, 10 и линий, их соединяющих. Вторая схема активной компенсации содержит операционный усилитель 28 и линии связи его входов и выхода с шиной «земля» и общей точкой нулевого потенциала диагоналей питания тензометрических мостовых датчиков. Кроме того, в устройство входят: N инструментальных усилителей 12-17, N-канальный АЦП 18, мультиплексор 19, первое запоминающее устройство 20, сумматор 21, делитель 22, одноканальный АЦП 23, второе запоминающее устройство 24, передатчик цифровой информации 25, датчик температуры 26, блок управления 27.

В первой схеме активной компенсации прямой вход операционного усилителя 11 соединен с положительной клеммой источника питания Un. Выход операционного усилителя 11 и его инверсный вход через два ключа 8, 9 соединены с общей точкой высокого потенциала диагоналей питания всех тензометрических мостовых датчиков 1-6. Общая точка нулевого потенциала диагоналей питания датчиков 1-6 соединена с выходом и прямым входом операционного усилителя 28, инверсный вход которого соединен с шиной «земля», между вершинами диагоналей питания мостового датчика расположен ключ 7. Вершины измерительных диагоналей датчиков 1-6 связаны с дифференциальными входами соответствующих им инструментальных усилителей 12-17. Корректирующий вход каждого инструментального усилителя соединен с источником напряжения смещения U_см выходного сигнала каждого усилителя. Выходы инструментальных усилителей 12-17 подключены к соответствующим входам N-канального АЦП 18. Выход АЦП 18 соединен с входом мультиплексора 19. Первый выход мультиплексора 19 соединен с входом первого запоминающего устройства 20. Выход устройства 20 подключен к отрицательному входу сумматора 21. Положительный вход сумматора 21 связан с вторым выходом мультиплексора. Выход сумматора 21 соединен с входом делителя 22, другой вход делителя 22 связан с выходом одноканального АЦП 23. Вход АЦП 23 подключен к источнику напряжения питания мостовых датчиков. Выход делителя 22 соединен с входом второго запоминающего устройства 24. Выход устройства 24 связан с входом передатчика цифровой информации 25. Выход датчика температуры 26 соединен с входом блока управления 27. Выходы цифровых адресных сигналов i, блока управления 27 соединены с адресными входами N-канального АЦП 18, запоминающих устройств 20, 24. Командные выходы «запись» (ЗП) и «чтения 1» (ЧТ1) блока управления 27 соединены с управляющими входами ключей 7, 8, 9, 10, мультиплексора 19 и запоминающих устройств 20, 24. Второй управляющий вход второго запоминающего устройства 24 и управляющий вход передатчика 25 предназначены для приема команды управления «чтения 2» (ЧТ2), вырабатываемой блоком управления 27 по приходу внешней команды «считывания».

Процесс измерения аэродинамических сил и моментов в предлагаемом устройстве производится в два этапа. Переход с одного этапа на другой происходит по командам блока управления 27. На первом этапе для каждого измерительного канала определяют аддитивные составляющие погрешностей при обесточенных тензометрических мостовых датчиках и запоминают их на весь период штатных измерений, на втором этапе проводят штатные измерения и из результатов штатных измерений автоматически исключают посредством вычитания аддитивные составляющие погрешностей. При изменении температуры датчиков на заданную величину процесс определения аддитивных погрешностей повторяют.

Работает устройство следующим образом. На этапе определения систематической аддитивной составляющей погрешностей по команде ЗП1 с блока управления 27 ключи 8, 9 размыкаются, ключи 7, 10 замыкаются, мультиплексор 19 соединяет выход АЦП 18 с входом запоминающего устройства 20. Тензометрические мостовые датчики 1-6 обесточиваются, на измерительных диагоналях датчиков 1-6 появляются сигналы аддитивных погрешностей, вызванные, например, паразитными термо-ЭДС, возникающими в точках контакта вершин измерительных диагоналей с медными проводниками, соединяющими эти вершины с дифференциальными входами инструментальных усилителей 12-17, а также токами и напряжениями смещения нуля инструментальных усилителей. Обозначим сигналы аддитивных погрешностей для измерительных цепей датчиков 1-6, Δ_адi, где i - номер канала измерения. Эти сигналы усиливаются инструментальными усилителями 12-17. На выходах усилителей 12-17 появляются сигналы (Δ_адi·K_n+U_см), где K_n - коэффициент усиления n-го усилителя (n=12…17). Эти сигналы приходят на входы АЦП 18 и в соответствии с адресными командами i записываются в ячейки памяти запоминающего устройства 20. После опроса всех мостовых датчиков команда ЗП1 снимается. По команде ЧТ1 начинается второй этап. Ключи 8, 9 замыкаются, ключи 7, 10 размыкаются, мультиплексор 19 соединяет выход АЦП 18 с положительным входом сумматора 21. После произошедших переключений на выходах инструментальных усилителей 12-17 появляются сигналы:

,

где U_n - напряжение питания мостовых датчиков,

ΔR_i - изменение сопротивления тензорезистора i-го мостового датчика,

R_i - номинальное сопротивление тензорезистора i-го мостового датчика.

Т.к. на инверсный вход сумматора 21 с запоминающего устройства 20 при изменении адресов мостовых датчиков поступают сигналы Δ_адiK_n+U_см, а на прямой вход с мультиплексора 19 сигналы , то на выходе сумматора 21 формируются сигналы . Эти сигналы на делителе 22 делятся на величину U_n и в виде сигналов записываются в ячейки памяти второго запоминающего устройства 24. Записанные сигналы очищены от аддитивных погрешностей и погрешностей, связанных с колебаниями напряжения питания тензометрических мостовых датчиков. Накопление результатов в запоминающем устройстве 24 происходит до конца выполнения штатного режима измерения. Передача из запоминающего устройства 24 во внешнее устройство производится по команде «чтения 2» (ЧТ2), подаваемой из блока управления 27 по внешней инициирующей команде «считывания». При изменении температуры, измеряемой датчиком 26 на приращение, большее допустимой величины, блок управления 27 выдает сигналы на возвращение к выполнению первого этапа.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к многоканальным измерительным устройствам для измерения сил и моментов, действующих на модель летательных аппаратов в аэродинамической трубе. Техническим результатом изобретения является повышение точности и быстродействия устройства измерения при определении аэродинамических характеристик моделей летательных аппаратов. Это достигается тем, что многоканальное измерительное устройство расположено внутри модели рядом с измерительными тензометрическими мостами, запитанными постоянным током и гальванически развязанными от внешних источников питания, при этом предложенное изобретение исключает наличие измерительных трасс, а также содержит прецизионные инструментальные усилители, многоканальный быстродействующий сигма-дельта аналого-цифровой преобразователь, связанный синхронным последовательным интерфейсом (SPI) с микроконтроллером, который в свою очередь связан с внешним запоминающим устройством (флэш-памятью). Кроме того, в изобретении дано схемное решение подавления систематических аддитивных помех. 1 ил.

Многоканальное измерительное устройство аэродинамических внутримодельных весов, запитанное однополярным постоянным током, содержащее N тензометрических мостовых датчиков, две схемы активной компенсации изменений электрических сопротивлений линий связи общих точек вершин диагоналей питания указанных датчиков с источником питания и с шиной «земля», причем каждая схема активной компенсации состоит из операционного усилителя и соответствующих линий связи выходов и входов операционных усилителей с общими точками вершин диагоналей питания мостовых датчиков, при этом вершины измерительных диагоналей тензометрических мостовых датчиков подключены к дифференциальным входам соответствующих им инструментальных усилителей, выходы которых подключены к N-канальному входу аналого-цифрового преобразователя, а корректирующие входы - к источнику напряжения смещения выходных сигналов этих инструментальных усилителей, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены одноканальный аналогово-цифровой преобразователь, мультиплексор, два запоминающих устройства, сумматор, делитель, передатчик цифровой информации, блок управления и датчик температуры, которые совместно со схемами активной компенсации, инструментальными усилителями, N-канальным аналогово-цифровым преобразователем размещены внутри аэродинамической модели рядом с тензометрическими мостовыми датчиками, при этом в линии связи выхода и инверсного входа операционного усилителя первой схемы активной компенсации с вершинами высокого потенциала диагоналей питания тензометрических мостовых датчиков введены два ключа, третий ключ установлен между этими линиями, четвертый ключ установлен между общими точками вершин диагоналей питания тензометрических мостовых датчиков, выход N-канального аналого-цифрового преобразователя подключен к входу мультиплексора, один выход мультиплексора связан с цифровым входом первого запоминающего устройства, выход которого соединен с инверсным входом сумматора, прямой вход сумматора подключен второму выходу мультиплексора, выход сумматора связан с первым входом делителя, второй вход делителя связан с выходом одноканального аналого-цифрового преобразователя, вход которого соединен с источником напряжения питания мостовых тензодатчиков, выход делителя подключен к цифровому входу второго запоминающего устройства, выход которого соединен с входом передатчика цифровой информации, адресный выход блока управления связан с адресными входами N-канального аналогового цифрового преобразователя и двух запоминающих устройств, выходы сигналов «запись», «чтение 1», «чтение 2» блока управления соответственно соединены с управляющими одноименными входами ключей, мультиплексора, запоминающих устройств и передатчика цифровой информации, аналоговый вход блока управления подключен к выходу датчика температуры, импульсный вход блока управления предназначен для приема команды «считывания» от внешнего устройства.