Многоканальный измерительный преобразователь на несущей частоте с встроенным цифровым синхронным детектором Российский патент 2017 года по МПК G01L1/22 G01B7/16 

Многоканальная аппаратура для измерения сигналов тензорезисторных мостовых схем (АИСТ МС) предназначена для весовых тензометрических измерений в части измерений сигналов с первичных преобразователей силы (тензодатчиков). Аппаратура может применяться в любых отраслях промышленности, требующих прецизионных (0.002% и точнее) измерений массы, силы, момента силы, механических нагрузок, напряжений деформации и т.п.

АИСТ МС относится к классу аппаратуры, работающей на несущей частоте 225 Гц. Аналогами данной аппаратуры являются усилители DMP-40, DMP-41s, ML-38 немецкой фирмы НВМ. Все приведенные усилители используют схемы аналоговой фильтрации и аналогового синхронного детектирования сигнала тензорезисторной мостовой схемы, что приводит к увеличению уровня шумов, снижению точностных характеристик усилителя в целом, снижению повторяемости характеристик при серийном производстве усилителей и к повышению стоимости оборудования.

Наиболее близким аналогом аппаратуры АИСТ МС является измерительный преобразователь на несущей частоте (RU 2396511 С1, G01B 7/16, 10.08.2010), содержащий измерительный мост, программируемый задающий генератор синусоидального напряжения несущей частоты с автоматической стабилизацией амплитуды, усилитель мощности питания измерительного моста синусоидальным напряжением, предварительный усилитель несущей частоты, демодулятор, преобразователь синусоидального напряжения в прямоугольное, активный фильтр нижних частот с программно-изменяемыми частотами среза, программно-управляемые балансировочное устройство, устройство калибровки и устройство управления режимами работы преобразователя, выходной усилитель постоянного напряжения с программируемым коэффициентом усиления, аналого-цифровой преобразователь.

Недостатком преобразователя является высокая основная погрешность измерений.

Задачей изобретения является устранение указанных выше недостатков аналогичных преобразователей. Технический результат заключается в снижении основной и дополнительных погрешностей измерений, повышении повторяемости характеристик преобразователей при массовом производстве за счет применения метода синхронного цифрового детектирования сигнала, снижение стоимости преобразователей за счет отказа от аналоговых методов и схем обработки сигналов.

Указанный технический результат достигается следующей совокупностью существенных признаков: многоканальный измерительный преобразователь на несущей частоте с встроенным цифровым синхронным детектором, содержащий блок генератора синусоидальных сигналов, блоки измерителей по числу каналов, противофазные сигналы питания тензорезисторной мостовой схемы с выхода блока генератора синусоидальных сигналов через усилители мощности подаются на входы питания каждой тензорезисторной мостовой схемы, в каждом блоке измерителя напряжение со входов питания тензорезисторной мостовой схемы через дополнительные буферные усилители подается на входы опорного индуктивного делителя напряжения, выход которого соединен с первым входом коммутатора, второй вход коммутатора соединен с выходной диагональю тензорезисторной мостовой схемы, а выход через дифференциальный операционный усилитель соединен со входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП), режим работы которого задается первым микропроцессором, вход-выход АЦП соединен с входом-выходом первого микропроцессора, выход которого соединен со входом второго микропроцессора (МП2), осуществляющего цифровое детектирование измеряемого полезного сигнала тензорезисторной мостовой схемы совместно с сигналами питания тензорезисторной мостовой схемы, цифровую фильтрацию и расчет коэффициента передачи тензорезисторной мостовой схемы как результата измерений, вход-выход второго микропроцессора соединен входом-выходом устройства передачи данных, аналоговый вход МП2 соединен с выходом схемы защиты, входы которой соединены с выходами усилителей мощности питания тензорезисторной мостовой схемы, второй выход МП2 соединен с третьим входом схемы защиты, а его третий выход - с третьим входом коммутатора, тактирующий вход АЦП каждого блока измерителей соединен с выходом блока генератора синусоидальных сигналов, формирующим тактирующие импульсы, а дискретный вход первого микропроцессора каждого блока измерителей соединен с выходом блока генератора синусоидальных сигналов, формирующим сигнал фазы напряжения питания тензорезисторных мостовых схем.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена блок-схема многоканального измерительного преобразователя.

Измерительный преобразователь содержит блок генератора синусоидальных сигналов 1, общий для всех каналов, i блоков измерителя 2 (в частном случае i=6), блок индикации 15, соединенные шиной аналоговых сигналов (А, В), шиной сигналов управления и шиной передачи данных TXD.

Каждый блок измерителя 2 содержит усилители мощности 3, 4, подающие сигналы питания А, В на тензорезисторную мостовую схему, дополнительные буферные усилители 5, 6 сигнала обратной связи питания тензорезисторной мостовой схемы; опорный индуктивный делитель напряжения 7, который служит для повышения точности измерений за счет нормировки шкалы измерительного канала в целом на номинал индуктивного делителя напряжения путем автокалибровки; коммутатор 8, дифференциальный операционный усилитель 9 и аналого-цифровой преобразователь 10, микропроцессор (МП1) 11, который служит для управления аналого-цифровым преобразователем 10, а также для передачи оцифрованного полезного сигнала тензорезисторной мостовой схемы и флага полной фазы синусоидального сигнала питания тензорезисторной мостовой схемы SINF микропроцессору (МП2) 12; МП2 12 осуществляет цифровое синхронное детектирование полезного измеренного сигнала тензорезисторной мостовой схемы совместно с сигналом питания тензорезисторной мостовой схемы или калибровочного сигнала с опорного индуктивного делителя напряжения 7 (сигнал переключения выдается коммутатору 8), фильтрацию сигнала с помощью цифровых фильтров ФНЧ четвертого порядка (на схеме не показаны), выдачу результата измерений системам сбора данных с частотой 100 Гц для задач телеметрии через устройство передачи данных (преобразователь RS232) 13 и блоку индикации 15, общему для всех каналов, для оперативной индикации состояния измерительных каналов. Микропроцессор МП2 12 по командам с компьютера формирует сигналы привязки начала измерений START и калибровки CLB для других каналов и считывает эти сигналы с шины управления для выполнения соответствующих действий. Также МП2 12 осуществляет контроль линии подключения тензорезисторной мостовой схемы и защиту входных/выходных усилителей от выхода из строя из-за неправильного подключения с помощью схемы защиты 14; блок индикации 15 осуществляет сбор данных по всем 6-ти каналам измерителей сигналов тензорезисторной мостовой схемы и выдачи этих данных единым пакетом в стандарте USB на компьютер для статических измерений с частотой 1 Гц через преобразователь USB (16).

Устройство работает следующим образом.

Сигнал питания тензорезисторной мостовой схемы (тензомоста) формируется Блоком генератора синусоидальных сигналов 1. Измерение и обработка полезного сигнала тензорезисторной мостовой схемы производится Блоком измерителя 2. Обеспечение синхронизации всех частей устройства осуществляется применением общего генератора прямоугольных импульсов ГПИ частотой F_г, входящего в состав генератора синусоидальных сигналов 1 (на схеме не показан). Синусоидальный сигнал частотой F₀ формируется из М дискретов делением частоты F_г на K.

Синусоидальный сигнал питания тензорезисторной мостовой схемы выдается в линии А, В.

Измерение полезного сигнала тензорезисторной мостовой схемы (дисбаланса тензомоста) каждого канала производится Блоком измерителя 2. Противофазные синусоидальные сигналы питания подаются через усилители мощности 3, 4 с линий А, В на тензорезисторную мостовую схему каждого канала. Возвращенные сигналы обратной связи от линий питания тензорезисторной мостовой схемы через буферные усилители 5, 6 подаются на опорный индуктивный делитель напряжения 7 с известным коэффициентом деления, выходной сигнал которого подается на входы 1 коммутатора 8 для проведения калибровки канала. На входы 2 коммутатора 8 подается измеряемый сигнал дисбаланса тензорезисторной мостовой схемы, модулированный несущей частотой сигнала питания тензорезисторной мостовой схемы F₀. Сигнал с выхода коммутатора 8 через дифференциальный операционный усилитель 9 подается на аналого-цифровой преобразователь 10.

Оцифровка измеряемого сигнала происходит с частотой F_m. Для этого микропроцессор МП1 11 соответствующим образом задает режим работы АЦП 10 и затем принимает оцифрованные отсчеты сигнала. При кратности частот F₀ и F_m, на одном периоде сигнала питания тензорезисторной мостовой схемы умещается ровно N=F_m/F₀ отсчетов. Поток данных от АЦП 10 с подмешанным сигналом фазы сигнала питания тензорезисторной мостовой схемы SINF микропроцессор МП1 11 передает микропроцессору МП2 12 для цифровой амплитудной демодуляции сигнала методом синхронного детектирования с последующим расчетом коэффициента передачи тензорезисторной мостовой схемы и цифровой фильтрации результатов измерений как выходной величины.

Цифровая обработка сигнала устроена следующим образом.

Исходный сигнал X_n в виде кода АЦП 10 нормируется и умножается на базисную функцию сигнала питания тензорезисторной мостовой схемы с учетом подстройки фазы.

где

X_n - код АЦП,

X_max - максимальное значение шкалы АЦП,

N - количество отсчетов сигнала на одном периоде сигнала питания тензорезисторной мостовой схемы,

n - счетчик отсчетов полезного сигнала тензорезисторной мостовой схемы,

ϕ₀ - коэффициент подстройки фазы сигнала питания тензорезисторной мостовой схемы.

Сброс счетчика n происходит по сигналу SINF на каждом периоде сигнала питания тензорезисторной мостовой схемы, таким образом привязывая фазу базисной функции к фазе сигнала питания тензорезисторной мостовой схемы и обеспечивая синхронность детектирования сигнала.

Данные Y_n поступают на вход каскадного фильтра ФНЧ. Первый каскад фильтра выполнен в виде фильтра скользящего среднего и предназначен для фильтрации гармоник сигнала питания.

Второй каскад фильтра ФНЧ выполнен в виде опционально подключаемого набора классических фильтров Бесселя, Баттерворта и Чебышева четвертого порядка с помощью цифровой аппроксимации фильтров с дискретной передаточной функцией Z следующего вида:

Приведенная выше процедура цифровой обработки сигнала обеспечивает фильтрацию любого некоррелированного с фазой несущей частоты питания тензорезисторной мостовой схемы шума, в том числе сетевых помех питания, температурных дрефов нулей всех усилителей и АЦП, входящих в схему измерительного преобразователя, паразитных эффектов, связанных с термоЭДС контактов и паек, паразитных емкостных утечек тока и т.п. Данный комплекс методов цифровой обработки обеспечивает снижение основной погрешности измерений вплоть до физически неустранимых эффектов, связанных с тепловым электрическим шумом тензорезисторов.

Величина коэффициента передачи тензорезисторной мостовой схемы R_n вычисляется как произведение величины B_n на калибровочный коэффициент С, который вычисляется по известной величине внутреннего индуктивного делителя напряжения ИДН 11.

Величина R прореживается в L раз и с требуемой частотой, например 100 Гц, передается через интерфейс RS232 13 на компьютер или другое приемное устройство.

Для защиты входных цепей от ошибок подключения служит схема защиты 14, которая детектирует и выпрямляет разницу сигналов с выходов буферных усилителей 5, 6 и подает его на аналоговый вход микропроцессора МП2 12. Если результирующий сигнал схемы защиты находится ниже порогового значения, схема защиты производит отключение усилителей мощности 3, 4 от тензорезисторной мостовой схемы и переключение коммутатора 8 в положение 1 для защиты дифференциального операционного усилителя 9.

Сигналы с выходных линий передачи данных от микропроцессора МП2 12 подаются на блок индикации 15 для оперативного контроля и индикации состояний измерительных каналов и передачи данных через устройство USB 16.

Для проведения калибровки и перезапуска счетчика реального времени от компьютера через преобразователь RS 13 подаются команды «Калибровка» и «Старт». Микропроцессор МП2 12 формирует сигналы START и CLB и передает их на Шину управления для синхронного запуска процессов калибровки и перезапуска счетчиков реального времени в других Блоках измерителей 2.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для весовых измерений в части измерений сигналов с первичных преобразователей силы (тензодатчиков). Аппаратура может применяться в любых отраслях промышленности, требующих прецизионных (0.002% и точнее) измерений массы, силы, момента силы и т.п. Многоканальный измерительный преобразователь сигналов в тензорезисторных мостовых схемах содержит блок генератора синусоидальных сигналов, блоки измерителей по числу каналов. Противофазные сигналы питания тензорезисторной мостовой схемы с выхода блока генератора синусоидальных сигналов через усилители мощности подаются на входы питания каждой тензорезисторной мостовой схемы, в каждом блоке измерителя напряжение со входов питания тензорезисторной мостовой схемы через дополнительные буферные усилители подается на входы опорного индуктивного делителя напряжения, выход которого соединен с первым входом коммутатора, второй вход которого соединен с выходной диагональю тензорезисторной мостовой схемы, а выход через дифференциальный операционный усилитель соединен со входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП), режим работы которого задается первым микропроцессором. Вход-выход АЦП соединен с входом-выходом первого микропроцессора, выход которого соединен со входом второго микропроцессора (МП2), осуществляющего цифровое синхронное детектирование, цифровую фильтрацию и расчет коэффициента деления тензорезисторной мостовой схемы, вход-выход второго микропроцессора соединен входом-выходом устройства передачи данных, аналоговый вход МП2 соединен с выходом схемы защиты, входы которой соединены с выходами усилителей мощности, второй выход МП2 соединен с третьим входом схемы защиты, а третий выход МП2 - с третьим входом коммутатора. Тактирующий вход АЦП каждого блока измерителей соединен с выходом блока генератора синусоидальных сигналов, формирующим тактирующие импульсы, а дискретный вход первого микропроцессора каждого блока измерителей соединен с выходом блока генератора синусоидальных сигналов, формирующим сигнал полной фазы напряжения питания тензорезисторных мостовых схем. Технический результат - снижение основной и дополнительных погрешностей измерений. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Многоканальный измерительный преобразователь на несущей частоте с встроенным цифровым синхронным детектором, содержащий блок генератора синусоидальных сигналов, блоки измерителей по числу каналов, противофазные сигналы с выхода блока генератора синусоидальных сигналов через усилители мощности подаются на входы питания каждой тензорезисторной мостовой схемы, в каждом блоке измерителя напряжение со входов питания тензорезисторной мостовой схемы через дополнительные буферные усилители подается на входы опорного индуктивного делителя напряжения, выход которого соединен с первым входом коммутатора, второй вход коммутатора соединен с выходной диагональю тензорезисторной мостовой схемы, а выход через дифференциальный операционный усилитель соединен со входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП), режим работы которого задается первым микропроцессором, вход-выход АЦП соединен с входом-выходом первого микропроцессора, выход которого соединен со входом второго микропроцессора (МП2), осуществляющего цифровое синхронное детектирование, цифровую фильтрацию и расчет коэффициента передачи тензорезисторной мостовой схемы, вход-выход второго микропроцессора соединен входом-выходом устройства передачи данных, аналоговый вход МП2 соединен с выходом схемы защиты, входы которой соединены с выходами дополнительных буферных усилителей, второй выход МП2 соединен с третьим входом схемы защиты, а его третий выход - с третьим входом коммутатора, тактирующий вход АЦП каждого блока измерителей соединен с выходом блока генератора синусоидальных сигналов, формирующим тактирующие импульсы, а дискретный вход первого микропроцессора каждого блока измерителей соединен с выходом блока генератора синусоидальных сигналов, формирующим сигнал фазы напряжения питания тензорезисторных мостовых схем.

2. Измерительный преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что питание каждой тензорезисторной мостовой схемы по числу каналов осуществляется противофазными сигналами питания через усилители мощности, а тактирующие входы АЦП всех каналов соединены с выходом блока генератора синусоидальных сигналов, формирующим тактирующие импульсы, что обеспечивает синхронную работу блока генератора и блоков измерителей.

3. Измерительный преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что выход блока генератора синусоидальных сигналов соединен с входом каждого из микропроцессоров измерительных каналов МП2, что обеспечивает возможность применения цифрового синхронного детектора.

4. Измерительный преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что на МП2 одного из каналов через устройство передачи данных подаются команды Калибровка и Старт, МП2 преобразует эти сигналы в сигналы START и CLB и передает на шину управления для синхронного запуска процессов калибровки и перезапуска счетчиков реального времени в блоках измерителей других каналов.