АВТОМАТИЧЕСКИЙ КАЛИБРАТОР КАНАЛОВ ИЗМЕРЕНИЯ СИГНАЛОВ ДАТЧИКОВ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ Российский патент 2022 года по МПК G01R35/00 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для проведения в автоматическом режиме метрологической поверки и калибровки каналов измерения сигналов датчиков быстродействующих информационно-измерительных систем, в которых управляющие входы коммутаторов датчиков подсоединены к магистрали управления, измерительные выходы - к измерительной магистрали. Имитаторы сигналов датчиков автоматического калибратора выполнены по схеме резисторного моста или цепи последовательно соединенных резисторов и формируют необходимое для обеспечения точности поверки системы и равное для всех имитаторов количество ступеней сигналов датчиков с различными диапазонами измерения и номинальными сопротивлениями.

В различных областях техники нашли применение мостовые тензорезисторные датчики силы, давления, перемещения, а также одиночные тензорезисторы и другие датчики, которые подключаются к коммутаторам информационно-измерительных систем (ИИС). Сокращение времени выполнения метрологической поверки, повышение точности при вычислении коэффициентов функции преобразования измерительных каналов ИИС при ее калибровке и в конечном итоге повышение точности измерения физической величины по результатам измерения сигналов датчиков может быть достигнуто при применении автоматических калибраторов, обеспечивающих формирование большого количества (21 и более) ступеней сигналов. Известны автоматические калибраторы, представляющие собой приборы, которые подключают к ИИС. Управляющие входы таких автоматических калибраторов при проведении метрологических исследований подсоединяют к выходам тех шин магистрали управления поверяемой или калибруемой ИИС, по которым передаются сигналы, управляющие выбором номера коммутатора датчиков ИИС. Известные автоматические калибраторы предназначены для формирования ступеней сигналов мостовых датчиков силы, давления, перемещения или одиночных тензорезисторов и термометров сопротивления и вполне могут применяться для метрологической поверки и калибровки ИИС, имеющих измерительные устройства для измерения однотипных датчиков. Для метрологической поверки и калибровки каналов измерения ИИС с различными диапазонами измерения, предназначенных для измерения сигналов датчиков различного типа и номинального сопротивления, желательно применять универсальные автоматические калибраторы. Такой вариант устройства универсального автоматического калибратора является предметом предлагаемого изобретения.

Известен универсальный автоматический калибратор, состоящий из имитаторов сигналов датчиков и устройства управления. Устройство управления с помощью замыкания соответствующих контактов реле подключает одну из двух или обе резисторные цепи для сборки схемы имитатора. Для формирования приращений сопротивления тензорезистора каждый резистор в этих цепях шунтируется через контакт реле дополнительным резистором. Калибратор работает с имитаторами мостовых тензорезисторных датчиков, одиночных тензорезисторов и других типов датчиков - (Беклемищев А.И., Судаков В.А. Устройство для автоматизации исследований метрологических характеристик. Труды ЦАГИ, вып. 2105, 1981, с. 75, рис. 3). Калибратор изготовлен в виде прибора, который подключается к ИИС. Управление калибратором осуществляется от системы. Калибратор применялся при проведении метрологических исследований измерительных каналов измерительных систем, имеющих небольшое быстродействие, например, ИИС, в которых коммутаторы датчиков выполнены на реле.

Недостаток известного калибратора заключается в том, что предложенная схема формирования ступеней сигналов может быть реализована только на реле. Применение бесконтактных ключевых элементов, которые используются для обеспечения необходимого быстродействия системы, приведет в этом калибраторе к снижению точности формирования ступеней сигналов ниже требуемой. Поэтому известный калибратор нельзя применять в быстродействующих системах для исследования их метрологических характеристик и поверки с требуемой точностью. Кроме того, известный калибратор рассчитан для имитации сигналов тензорезисторов сопротивлением 120±2 Ом. Использование этого калибратора с другими номинальными сопротивлениями и диапазонами приращения сопротивления тензорезисторов не предусмотрено.

Известен универсальный автоматический калибратор каналов измерения сигналов мостовых тензорезисторных датчиков, одиночных тензорезисторов и других типов датчиков быстродействующих измерительных систем - [Патент РФ №2345377, МПК G01R 35/00, 2009 г.]. Калибратор состоит из имитаторов сигналов, устройства управления подключением ступеней сигналов имитатора к измерительным каналам системы и выделенных разрядов управления. Управление выбором ступеней калибратора осуществляется по программе, введенной в компьютер.

Недостаток известного автоматического калибратора состоит в том, что он встроен в измерительную систему, в которой имеются выделенные разряды управления подключением ступеней имитаторов по программе управления. В магистрали управления коммутаторами датчиков систем, которые не оснащены автоматическими калибраторами, не имеется специально выделенных для этой цели дополнительных разрядов. Поэтому известный автоматический калибратор не может быть применен в измерительных системах, которые не имеют выделенных разрядов для программного управления выбором ступеней. Кроме того, применяемые в калибраторе схемы имитаторов сигналов датчиков рассчитаны на формирование небольшого количества ступеней сигналов датчика. Для формирования необходимого количества ступеней, обеспечивающего требуемую точность при вычислении коэффициентов функции преобразования измерительных каналов систем, в известном калибраторе потребуется увеличение количества комплектующих и габаритов калибратора, а также затрат на его изготовление. И это при условии, что система будет иметь требуемое количество дополнительных разрядов управления, необходимых для формирования увеличенного количества ступеней сигналов калибратора. Ограничения, связанные с выделением дополнительных разрядов в магистрали управления, обусловлены с одной стороны необходимостью использования основного количества разрядов управления для обеспечения управления подключением заданного в техническом задании на систему количества датчиков, а с другой стороны зависят от количества разрядов оперативной памяти компьютера при заданном быстродействии системы. При этом часть разрядов оперативной памяти используется для управления режимами работы системы (режим управления подключением каналов коммутаторов и прием аналогового сигнала датчика, режим измерения и метрологии, режим тестирования и др.), на это количество разрядов состояния системы, предназначенных для управления режимами работы системы, уменьшается количество разрядов, выделяемых для магистрали управления ИИС.

Известен автоматический калибратор каналов измерения сигналов мостовых тензорезисторных датчиков быстродействующих измерительных систем - [Патент РФ на полезную модель №189614, МПК G01R 35/00, 2019 г.]. Калибратор состоит из имитатора сигналов мостовых тензорезисторных датчиков и устройства управления подключением ступеней сигналов имитатора. Калибратор рассчитан на формирование k=m×n ступеней напряжения, пропорциональных приращению сопротивления. Известный калибратор выполнен в виде прибора, подключаемого к поверяемой ИИС и предназначен для метрологической поверки и калибровки быстродействующих измерительных систем, не имеющих в своем составе специального калибратора. Ступени имитаторов сигналов датчиков переключаются автоматически сигналом управления, формируемым на выходах шин номера коммутаторов датчиков ИИС после завершения цикла опроса коммутаторов. Недостаток известного автоматического калибратора состоит в том, что он не является универсальным, а предназначен для метрологических исследований ИИС, которые измеряют только выходное напряжение мостовых тензорезисторных датчиков. Для проведения метрологических исследований систем, предназначенных для измерения других типов датчиков, применение известного калибратора не предусмотрено.

Известен автоматический калибратор каналов измерения приращения сопротивления тензорезисторов многоканальной измерительной системы - [Патент РФ №2724450, МПК G01R 35/00, 2020 г., прототип]. Автоматический калибратор каналов измерения приращения сопротивления тензорезисторов многоканальной измерительной системы содержит устройство управления и подключаемый к нему имитатор сигналов тензорезистора, который состоит из первого коммутатора с m входами и одним выходом, второго коммутатора с n входами и одним выходом и формирователя ступеней приращения сопротивления тензорезистора, представляющего собой цепь последовательно соединенных резисторов, один из которых является опорным и с одной стороны через цепь последовательно соединенных с ним m-1 резисторов соединен с токовым выводом первой пары выводов имитатора, потенциальный вывод которой подключен к выходу первого коммутатора, входы которого соединены последовательно со всеми выводами m-1 резисторов, а с другой стороны опорный резистор через цепь последовательно соединенных с ним n-1 резисторов соединен с токовым выходом второй пары выводов имитатора, потенциальный вывод которой подключен к выходу второго коммутатора, входы которого соединены последовательно со всеми выводами n-1 резисторов, устройство управления состоит из логического элемента ИЛИ-НЕ, первого и второго двоичных счетчиков, первого и второго дешифраторов, первого логического элемента ИЛИ-1, второго логического элемента ИЛИ-2 и формирователя сигнала «установка нуля», входы первого дешифратора соединены с выходами первого двоичного счетчика, n выходов второго дешифратора соединены с управляющими входами соответствующих ключевых элементов второго коммутатора имитатора, выходы второго двоичного счетчика соединены с входами второго дешифратора, (m+1) выход первого дешифратора соединен со счетным входом второго двоичного счетчика и третьим входом первого логического элемента ИЛИ-1, первый вход которого соединен с выходом формирователя сигнала «установка нуля», а выход соединен с входом «установка нуля» первого двоичного счетчика, счетный вход которого соединен с выходом логического элемента ИЛИ-НЕ, входы которого представляют управляющие входы автоматического калибратора, первый вход второго логического элемента ИЛИ-2 соединен с выходом формирователя сигнала «установка нуля», а выход второго логического элемента ИЛИ-2 соединен с входом «установка нуля» второго двоичного счетчика. Ступени имитатора сигналов датчика переключаются автоматически сигналом управления, формируемом на выходах шин номера коммутаторов датчиков ИИС после завершения цикла опроса коммутаторов датчиков системы. Известный калибратор выполнен в виде прибора, подключаемого к поверяемой ИИС и предназначен для метрологической поверки и калибровки быстродействующих измерительных систем, не имеющих в своем составе специального калибратора. Из всех приведенных аналогов технические решения, заложенные в устройстве управления этого калибратора, являются наиболее подходящими при использовании его в качестве прототипа предложенного варианта изобретения универсального автоматического калибратора.

Недостаток известного автоматического калибратора состоит в том, что он не является универсальным, а предназначен для метрологических исследований ИИС, которые измеряют только приращения сопротивления тензорезисторов. Для проведения метрологических исследований систем, предназначенных для измерения других типов датчиков, применение известного калибратора не предусмотрено. Кроме того, используемый в известном калибраторе имитатор тензорезистора рассчитан на формирование k=[m(n-1)+1] ступеней напряжения, пропорционального приращениям сопротивления соответствующих ступеней имитатора, поэтому в имитаторе можно сформировать количество ступеней на (m-1) меньше, чем в имитаторе мостовых датчиков, предназначенного для формирования k=m×n ступеней напряжения. Под тип обозначено количество выводов цепей резисторов имитатора, образующих формирователь.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей автоматического калибратора, которое заключается в применении одного и того же устройства управления автоматического калибратора совместно с имитатором сигналов тензорезистора или имитатором мостовых тензорезисторных датчиков для проведения метрологических исследований, поверки и калибровки соответствующих каналов измерения сигналов тензорезисторов и мостовых тензорезисторных датчиков в быстродействующих измерительных системах, и увеличении количества ступеней в имитаторе сигналов тензорезистора до уровня имитатора мостовых тензорезисторных датчиков. Данное изобретение позволит при этом повысить точность определения коэффициентов функции преобразования, которая достигнута при увеличении количества ступеней сигналов калибратора, и, в конечном итоге, повысить точность измерения физических величин.

Технический результат изобретения достигается тем, что в автоматическом калибраторе каналов измерения сигналов датчиков измерительных систем, содержащем устройство управления и подключаемый к нему имитатор сигналов тензорезистора, который состоит из первого коммутатора с m входами и одним выходом, второго коммутатора с n входами и одним выходом и формирователя ступеней приращения сопротивления тензорезистора, представляющего собой цепь последовательно соединенных резисторов, один из которых является опорным и с одной стороны через цепь последовательно соединенных с ним m-1 резисторов равных сопротивлений соединен с токовым выводом первой пары выводов имитатора, потенциальный вывод которой подключен к выходу первого коммутатора, входы которого соединены последовательно со всеми выводами m-1 резисторов, а с другой стороны опорный резистор через цепь последовательно соединенных с ним n-1 резисторов равных сопротивлений, но отличных от сопротивлений цепи m-1 резисторов, соединен с токовым выходом второй пары выводов имитатора, потенциальный вывод которой подключен к выходу второго коммутатора, входы которого соединены последовательно со всеми выводами n-1 резисторов, устройство управления состоит из логического элемента ИЛИ-НЕ, первого и второго двоичных счетчиков, первого и второго дешифраторов, первого логического элемента ИЛИ-1, второго логического элемента ИЛИ-2 и формирователя сигнала «установка нуля», входы первого дешифратора соединены с выходами первого двоичного счетчика, n выходов второго дешифратора соединены с управляющими входами соответствующих ключевых элементов второго коммутатора имитатора, выходы второго двоичного счетчика соединены с входами второго дешифратора, (m+1) выход первого дешифратора соединен со счетным входом второго двоичного счетчика и третьим входом первого логического элемента ИЛИ-1, первый вход которого соединен с выходом формирователя сигнала «установка нуля», а выход соединен с входом «установка нуля» первого двоичного счетчика, счетный вход которого соединен с выходом логического элемента ИЛИ-НЕ, входы которого представляют управляющие входы автоматического калибратора, первый вход второго логического элемента ИЛИ-2 соединен с выходом формирователя сигнала «установка нуля», а выход второго логического элемента ИЛИ-2 соединен с входом «установка нуля» второго двоичного счетчика, автоматический калибратор дополнительно содержит имитатор сигналов мостовых тензорезисторных датчиков, выполненный с возможностью подключения к устройству управления поочередно с имитатором сигналов тензорезистора через разъемное соединение калибратора, при этом имитатор сигналов мостовых тензорезисторных датчиков содержит два коммутатора и резисторный мост, в котором сопротивления базовых резисторов равны номинальному сопротивлению плеч тензорезисторов мостового датчика, между каждой парой базовых резисторов, к которым подведено электропитание моста, включены цепи из последовательно соединенных резисторов, при этом одна цепь состоит из m-1 резисторов и имеет m выводов, которые соединены с соответствующими входами ключей первого коммутатора, выходы ключей коммутатора объединены, вторая цепь состоит из n-1 резисторов и имеет n выводов, которые соединены с соответствующими входами ключей второго коммутатора, выходы ключей коммутатора объединены, а устройство управления дополнено формирователем сигнала «Подключен имитатор сигналов тензорезистора», формирователем сигнала «Подключен имитатор сигналов мостовых тензорезисторных датчиков», первыми логическими элементами И₁-И_m, вторыми логическими элементами И₁-И_m, третьими логическими элементами ИЛИ₁-ИЛИ_m, при этом выход второго дешифратора соединен со вторым входом второго логического элемента ИЛИ-2 и вторым входом первого логического элемента ИЛИ-1, а выходы с первого по m первого дешифратора соединены со вторыми входами первых логических элементов И₁-И_m и первыми входами вторых логических элементов И₁-И_m, первые входы первых логических элементов И₁-И_m соединены с выходом формирователя сигнала «Подключен имитатор сигналов тензорезистора», выходы первых логических элементов И₁-И_m соединены с первыми входами совпадающих номеров третьих логических элементов ИЛИ₁-ИЛИ_m, вторые входы вторых логических элементов И₁-И_m соединены с выходом формирователя сигнала «Подключен имитатор сигналов мостовых тензорезисторных датчиков», выходы вторых логических элементов И₁-И_m соединены со вторыми входами третьих логических элементов ИЛИ₁-ИЛИ_m в последовательности с номера И_m по номер И₁, выходы третьих логических элементов ИЛИ₁-ИЛИ_m соединены с управляющими входами соответствующих ключевых элементов первого коммутатора имитатора.

На фиг. 1 представлена схема автоматического калибратора каналов измерения сигналов датчиков измерительных систем с имитатором сигналов тензорезистора.

На фиг. 2 представлена схема имитатора сигналов мостовых тензорезисторных датчиков.

Представленная на фиг. 1 схема автоматического калибратора каналов измерения сигналов датчиков измерительных систем (далее по тексту калибратор) предназначена для метрологической поверки и калибровки каналов измерения сигналов тензорезисторов. Поэтому в его состав входит имитатор сигналов тензорезистора 2-1. На фиг. 2 представлена схема имитатора сигналов мостовых тензорезисторных датчиков 2-2, который применяется в составе автоматического калибратора каналов измерения сигналов датчиков измерительных систем при проведении метрологической поверки и калибровки каналов измерения сигналов мостовых тензорезисторных датчиков. Автоматический калибратор 1 состоит из имитатора сигналов датчика (далее имитатор) 2-1 и 2-2 и устройства управления 3. Имитаторы сменные, изготавливаются в соответствии с требуемым количеством ступеней сигналов, номинала датчика и диапазоном измерения поверяемой системы. Они входят в комплект калибратора, но подключается к общему для всех типов и номиналов датчиков устройству управления через общее для всех них разъемное соединение только тот имитатор, который требуется при проведении метрологической поверки и калибровки соответствующих им каналов измерительной системы. На фиг. 1 в качестве примера представлена схема имитатора сигналов тензорезисторов 2-1 на k=m×n=25 ступеней приращения сопротивления тензорезистора, а на фиг.2 схема имитатора сигналов мостовых тензорезисторных датчиков также на 25 ступеней напряжения. В связи с этим в состав имитатора 2-1, представленного на фиг. 1, входят первый коммутатор на m=5 входов, состоящий из бесконтактных ключевых элементов Кл. 1 - Кл. 5, и второй коммутатор на n=5 входов, состоящий из бесконтактных ключевых элементов Кл. 6 - Кл. 10. В состав этого имитатора входят также первая цепь из m-1 равных по величине сопротивлений резисторов R₂, вторая цепь из n-1 равных по величине сопротивлений резисторов R₁ и опорный резистор R₀. Количество резисторов R₁ и R₂ в калибраторах на различное количество ступеней приращения сопротивления тензорезистора всегда четное. Цепи из m-1 и n-1 резисторов с одной стороны своими выводами соединены с выводами опорного резистора R₀. С другой стороны они свободными выводами соединены с первым и вторым выходами автоматического калибратора 1, предназначенными для питания током этих цепей. Входы Вх. 1 - Вх. 5, представляющие в общем случае m входов первого коммутатора, соединены со всеми выводами резисторов из цепи, состоящей из m-1 резисторов. Выходы ключевых элементов первого коммутатора объединены и представляют первый потенциальный вывод автоматического калибратора 1. Входы Вх. 6 - Вх. 10, представляющие в общем случае n входов второго коммутатора имитатора, соединены со всеми выводами резисторов из цепи, состоящей из n-1 резисторов. Выходы ключевых элементов второго коммутатора объединены и представляют второй потенциальный вывод автоматического калибратора. Токовые и потенциальные выводы автоматического калибратора 1 образуют измерительные выходы, которые проводами соединяются с измерительными входами коммутатора датчиков измерительной системы при проведении ее метрологической поверки. Величины сопротивлений R₀, R₁ и R₂ рассчитываются с учетом величины номинального сопротивления тензорезисторов и их диапазона приращения сопротивления, а также количества необходимых ступеней приращения сопротивления в заданном диапазоне поверяемой системы. Имитатор сигналов тензорезистора формирует сопротивление R = R_н ± AR, где R_н представляет величину номинального сопротивления имитируемого тензорезистора, а ±ΔR-диапазон задаваемого имитатором приращения сопротивления этого тензорезистора. Величины сопротивлений R₀, R₂ и R₁ для обеспечения формирования имитатором k=m×n ступеней приращения сопротивления тензорезистора рассчитываются следующим образом: R₀=R_н-ΔR, R₂=2ΔR / (k-1), R₁ = m×R₂. Поэтому имитатор, формирующий 25 ступеней приращения сопротивления имитируемого тензорезистора, для которого R_н = 120 Ом, а ± ΔR = ±2,4 Ом, имеет величины сопротивлений R₀, R₂ и R₁ соответственно 117,6 Ом, 0,2 Ом и 1,0 Ом.

При использовании схемы имитатора сигналов тензорезистора для имитатора сигналов термометров сопротивлений предложенный автоматический калибратор может быть рекомендован для метрологических исследований измерительных каналов систем, которые предназначены для измерения температур с помощью термометров сопротивления.

Имитатор сигналов мостовых тензорезисторных датчиков 2-2 содержит первый коммутатор, второй коммутатор и резисторный мост. Первый коммутатор состоит из ключевых элементов, количество которых равно количеству выходов моста m. Второй коммутатор состоит из ключевых элементов, количество которых равно количеству выходов моста n. Резисторный мост состоит из базовых резисторов R₃, сопротивления которых равны номинальному сопротивлению плеч тензорезисторов мостового датчика. Между каждой парой резисторов R₃, к которым подведено электропитание моста, включены цепи из последовательно соединенных резисторов. Одна цепь состоит из m-1 резисторов R₄ и имеет m выводов, которые соединены с соответствующими входами ключей первого коммутатора, вторая цепь состоит из n-1 резисторов R₅ и имеет n выводов, которые соединены с соответствующими входами ключей второго коммутатора. На выводах коммутаторов, представляющих измерительную диагональ моста, может быть сформировано до k=m×n ступеней сигналов моста от максимальной отрицательной до максимальной положительной. Выводы диагонали питания и измерительной диагонали резисторного моста образуют измерительные выходы автоматического калибратора. Провода выхода калибратора аналогичны по назначению проводам выхода тензорезисторного мостового датчика, поэтому они могут быть подсоединены к измерительным входам коммутатора датчиков ИИС так же, как и провода датчика. В этом случае питание по проводам на вход калибратора будет поступать от подключенного измерительного канала коммутатора датчиков, а выходное напряжение моста калибратора - на этот же подключенный измерительный канал коммутатора датчиков. На фиг. 2 питание моста осуществляется током по двум проводам. В случае питания моста напряжением применяется известная схема с подключением с каждой стороны диагонали питания по паре проводов.

Кроме того, при питании имитатора мостовых датчиков постоянным напряжением этот имитатор можно использовать для формирования ступеней напряжения термопар, а автоматический калибратор применять в измерительных системах для метрологических исследований каналов измерения напряжения термопар.

На фиг. 2 представлена схема имитатора сигналов мостовых тензорезисторных датчиков 2-2 на 25 ступеней напряжения. При этом предложенная схема может быть рекомендована для использования в автоматических калибраторах на другое количество ступеней сигналов. Для представленной на фиг. 2 схемы m=5, n=5, k=m×n = 25. В связи с этим на фиг. 2 в первой цепи резисторного моста подключено четыре резистора R₄, во второй цепи - четыре резистора R₅. Первый коммутатор имитатора содержит пять ключевых элементов Кл. 1 - Кл. 5, второй коммутатор содержит также пять ключевых элементов Кл. 6 - Кл. 10. Ключевые элементы представляют собой аналоговые микросхемы, которые позволяют обеспечить высокое быстродействие калибратора при его работе с ИИС.

В состав устройства управления 3 входят логический элемент ИЛИ-НЕ 4, первый двоичный счетчик 5, второй двоичный счетчик 6, первый дешифратор 7, второй дешифратор 8, первый логический элемент ИЛИ-1 9, второй логический элемент ИЛИ-2 10, формирователь сигнала «установка нуля» 11, формирователь сигнала «Подключен имитатор сигналов тензорезистора» 12, формирователь сигнала «Подключен имитатор сигналов мостовых тензорезисторных датчиков» 13, первые логические элементы И₁-И_m 14-18, вторые логические элементы И₁-И_m 19-23, третьи логические элементы И₁-И_m 24-28. Управляющие сигналы с устройства управления 3 передаются через разъемное соединение 29 на управляющие входы ключевых элементов первого коммутатора имитаторов 2-1 или 2-2 через контакты 1_m-5_m, а на управляющие входы ключевых элементов второго коммутатора имитаторов 2-1 или 2-2 через контакты 1_n-5_n. Формирователь сигнала «установка нуля» 11 включает в себя источник положительного напряжения с кнопкой, при нажатии на которую формируется перепад напряжения с нуля на плюс, обеспечивающий установку в «нуль» счетчиков 5 и 6. Каждый из формирователей сигналов «Подключен имитатор сигналов тензорезистора» 12 и «Подключен имитатор сигналов мостовых тензорезисторных датчиков» 13 представляют собой тумблер, который во включенном положении формирователя соединен с источником положительного напряжения, а в выключенном положении формирователя соединен с «нулевым» потенциалом. Питание (на фиг. 1 не показано) формирователей 11, 12 и 13, как и всех узлов калибратора 1, осуществляется от поверяемой измерительной системы, к магистрали управления которой подключается калибратор 1 перед проведением поверки системы, или от источников напряжения, установленных в формирователе 11. При необходимости сигнал «установка нуля» может подаваться из системы по дополнительно выделенной шине (при ее наличии) в магистрали управления. На фиг. 1 эта шина не показана.

В устройстве управления входы первого дешифратора 7 соединены с выходами первого двоичного счетчика 5, n выходов второго дешифратора 8 соединены с управляющими входами соответствующих ключевых элементов второго коммутатора одного из имитаторов калибратора 1. Выходы второго двоичного счетчика 6 соединены с входами второго дешифратора 8, (m+1) выход первого дешифратора 7 соединен со счетным входом второго двоичного счетчика 6 и третьим входом первого логического элемента ИЛИ-1 9. Первый вход первого логического элемента ИЛИ-1 9 соединен с выходом формирователя сигнала «установка нуля» 11, а выход соединен с входом «установка нуля» первого двоичного счетчика 5, счетный вход которого соединен с выходом логического элемента ИЛИ-НЕ 4, входы которого представляют управляющие входы автоматического калибратора. Первый вход второго логического элемента ИЛИ-2 10 соединен с выходом формирователя сигнала «установка нуля» 11. Выход второго логического элемента ИЛИ-2 10 соединен с входом «установка нуля» второго двоичного счетчика 6, (n+1) выход второго дешифратора 8 соединен со вторым входом второго логического элемента ИЛИ-2 10 и вторым входом первого логического элемента ИЛИ-1 9. Выходы с первого по т первого дешифратора 7 соединены со вторыми входами совпадающих номеров первых логических элементов И₁-И_m 14-18 и первыми входами совпадающих номеров вторых логических элементов И₁-И_m 19-23, первые входы первых логических элементов И₁-И_m 14-18 соединены с выходом формирователя сигнала «Подключен имитатор сигналов тензорезистора» 12, выходы первых логических элементов И₁-И_m 14-18 соединены с первыми входами совпадающих номеров третьих логических элементов ИЛИ₁-ИЛИ_m 24-28, вторые входы вторых логических элементов И₁-И_m 19-23 соединены с выходом формирователя сигнала «Подключен имитатор сигналов мостовых тензорезисторных датчиков» 13, выходы вторых логических элементов И₁-И_m 19-23 соединены со вторыми входами третьих логических элементов ИЛИ₁-ИЛИ_m 24-28 в последовательности с номера И_m 28 по номер И₁ 24, выходы третьих логических элементов ИЛИ₁-ИЛИ_m 24-28 соединены с управляющими входами соответствующих ключевых элементов первого коммутатора имитатора калибратора.

Автоматический калибратор в зависимости от типа подключенного имитатора работает в двух режимах: режиме работы с имитатором сигналов тензорезистора и режиме работы с имитатором сигналов мостовых тензорезисторных датчиков.

Автоматический калибратор 1, представленный на фиг. 1, в котором к устройству управления 3 подсоединен имитатор приращения сопротивления тензорезистора 2-1, работает следующим образом. После подсоединения управляющих входов калибратора 1 к выходам магистрали управления поверяемой ИИС, а измерительных выходов калибратора к запараллеленным соответствующим измерительным входам коммутатора датчиков этой системы, выполняются следующие действия. В калибраторе формирователь 12 устанавливается во включенное положение, а формирователь 13 в положение «выключен». После этих переключений первые логические элементы И₁-И_m 14-18 будут готовы к прохождению управляющих сигналов с выходов первого дешифратора 7, а вторые логические элементы И₁-И_m 19-23 будут закрыты для прохождения этих сигналов. Выходы с первого по n второго дешифратора 8 непосредственно соединены с n входами второго коммутатора имитатора, поэтому для любого имитатора, подключенного к устройству управления 3 калибратора 1, эти входы всегда готовы к приему управляющих сигналов от дешифратора 8. Измерительная система устанавливается в исходное состояние, при котором по всем шинам магистрали управления выставляется потенциал, соответствующий логическому «нулю». С помощью формирователя сигнала «установка нуля» 11 через первый логический элемент ИЛИ-1 9 осуществляется установка в «нуль» первого двоичного счетчика 5, а через второй логический элемент ИЛИ-2 10 осуществляется установка в «нуль» второго двоичного счетчика 6. В результате дешифраторы 7 и 8 устанавливаются в состояние, при котором на их первых выходах формируется положительный потенциал. Управляющий сигнал с первого выхода дешифратора 7 через первый логический элемент И₁ 14 и третий логический элемент ИЛИ₁ 24 будет передан на управляющий вход ключевого элемента Кн. 1 первого коммутатора имитатора 2-1. Одновременно с первого выхода дешифратора 8 управляющий сигнал поступит на управляющий вход ключевого элемента Кл. 6 второго коммутатора имитатора 2-1. Ключевые элементы Кл. 1 и Кл. 6 открываются, и входы 1 и 6 коммутаторов имитатора 2-1 подсоединяются к выходу калибратора. После выполнения этих переключений напряжение калибратора 1 U₁₆, пропорциональное приращению сопротивления относительно номинального сопротивления тензорезистора и представляющее максимальную отрицательную ступень имитатора, будет сформировано на выходе калибратора. Для калибратора, в котором формируется 25 ступеней приращения сопротивления тензорезистора, максимальная отрицательная ступень будет иметь номер -12, средняя ступень будет под нулевым номером, а максимальной положительной ступени соответствует номер +12. На этом подготовка к работе калибратора совместно с ИИС завершается и начинается работа. По командам, выдаваемым компьютером ИИС, осуществляется подключение коммутаторов датчиков к измерительному устройству системы, измерение, преобразование в двоичный код и запоминание результатов измерений в памяти компьютера. Измерительные входы коммутатора датчиков системы, которые при подготовке к поверке соединены с токовыми и потенциальными выходами калибратора, подключены к тому измерительному устройству системы, которое измеряет напряжения, пропорциональные приращению сопротивления тензорезистора. Номера коммутаторов датчиков так же, как номера измерительных каналов в каждом коммутаторе, опрашиваются с первого до последнего, при этом к измерительной магистрали подключается коммутатор с тем номером, адрес которого совпадает с выданным в магистраль управления кодом. При совпадении адреса коммутатора датчиков, к которому подключен калибратор 1, и кода управления этот коммутатор, подключится к измерительной магистрали ИИС. Напряжение U₁₆ с выхода калибратора 1 по соединительному кабелю будет передано на измерительные входы этого коммутатора датчиков, далее по измерительной магистрали на вход измерительного устройства системы. Таким образом, все измерительные каналы коммутатора датчиков поверяемой системы, к которому подключен калибратор 1, будут опрошены. Напряжение, соответствующее минус двенадцатой ступени калибратора 1, будет измерено, преобразовано в двоичный код и записано в памяти компьютера измерительной системы.

После завершения первого цикла опроса и измерения первой (максимальной отрицательной) ступени система установится в исходное состояние, при котором на всех входах логического элемента ИЛИ-НЕ 4 будут нулевые потенциалы. На выходе логического элемента ИЛИ-НЕ 4 сформируется положительный перепад напряжения, который переключит первый двоичный счетчик 5 из состояния 000 в состояние 100. В результате этого на втором выходе первого дешифратора 7 сформируется положительный потенциал. Управляющий сигнал со второго выхода дешифратора 7 через первый логический элемент И₂ 15 и третий логический элемент ИЛИ₂ 25 будет передан на управляющий вход ключевого элемента Кл. 2 первого коммутатора имитатора 2-1, и откроется ключевой элемент Кл. 2 первого коммутатора имитатора 2-1, ключевой элемент Кл. 1 при этом закроется. На всех входах второго дешифратора 8 потенциал не изменится, поэтому останется открытым ключевой элемент Кл. 6 второго коммутатора имитатора 2-1. На выходе калибратора 1 сформируется напряжение U₂₆, соответствующее ступени приращения сопротивления, номер которой -11 (на единицу меньшей максимальной отрицательной). Калибратор 1 готов к опросу этой ступени. Приращение сопротивления на этой ступени по абсолютной величине равно сопротивлению R₂. При проведении следующего цикла будут опрошены коммутаторы датчиков измерительной системы. Коммутатор датчиков с подсоединенным к нему калибратором 1 подключится к измерительной магистрали, как это было описано выше, и напряжение с калибратора 1, соответствующее -11 ступени приращения сопротивления, будет последовательно подключено через измерительные каналы коммутатора датчиков и измерительную магистраль к входу измерительного устройства системы. Соответствующее этой ступени выходное напряжение калибратора 1, как и для предыдущей ступени приращения сопротивления тензорезистора, будет измерено, преобразовано в двоичный код и записано в памяти компьютера измерительной системы. В такой последовательности будут подключены к коммутатору датчиков системы и опрошены ступени калибратора 1, сформированные включением ключевых элементов Кл. 3, Кл. 4 и Кл. 5 первого коммутатора имитатора 2-1 при постоянно включенном ключевом элементе Кл. 6 второго коммутатора имитатора 2-1. При формировании этих ступеней управляющий сигнал с выходов дешифратора 7 будет проходить через соответствующие первые логические элементы И₃-И_m 16-18 и третьи логические элементы ИЛИ₃-ИЛИ_m 26-28. Величина приращения сопротивления на каждой последующей ступени будет по абсолютной величине равна величине сопротивления R₂. После завершения опроса ступени приращения сопротивления, которая соответствует напряжению U₅₆, (соответствует ступени под номером -5) и формируется при включении ключевых элементов Кл. 5 и Кл. 6, на шинах магистрали управления выставляется потенциал, соответствующий логическому «нулю». В результате этого на счетный вход первого счетчика 5 с логического элемента ИЛИ-НЕ 4 поступит положительный перепад напряжения. Счетчик перейдет в состояние, при котором на его выходах установится двоичный код 101. В соответствии с этим кодом на выходе с номером (m+1) (на фиг. 1 выход номер 6) первого дешифратора 7 сформируется положительный потенциал. Положительный фронт этого потенциала установит второй двоичный счетчик 6 в состояние, при котором на выходах счетчика сформируется двоичный код 100. В результате на выходе с номером 2 второго дешифратора 8 сформируется положительный потенциал, под воздействием которого включится ключевой элемент Кл. 7. Ключевой элемент Кл. 6 отключится. Одновременно положительный фронт потенциала, сформированного на выходе с номером (m+1) первого дешифратора 7, через первый логический элемент ИЛИ 9, установит в «нуль» первый двоичный счетчик 5. В результате на первом выходе первого дешифратора 7 установится положительный потенциал, который откроет ключевой элемент Кл. 1. Такие циклы формирования напряжений, которым соответствуют ступени приращения сопротивления тензорезистора, будут повторены при постоянно включенном ключевом элементе Кл. 7, а затем, Кл. 8, Кл. 9. При этом ключевые элементы Кл. 1 - Кл. 5 будут включаться последовательно. После включения ключевых элементов Кл. 5 и Кл. 10 и формирования напряжения U₅₁₀, которому соответствует +12 ступень приращения сопротивления тензорезистора, работа калибратора 1 по формированию ступеней приращения сопротивления тензорезистора завершается. После проведения цикла опроса каналов коммутатора датчиков системы, к которым подключен калибратор 1, измерения напряжения U₅₁₀, преобразования его в двоичный код и запоминания в памяти компьютера система установится в исходное состояние, соответствующее нулевым потенциалам на выходах шин магистрали управления. В логическом элементе ИЛИ-НЕ 4 сформируется положительный перепад напряжения, который переключит выходы первого счетчика 5 в состояние, соответствующее двоичному коду 101. В результате на (m+1) выходе первого дешифратора 7 установится положительный потенциал. Этот потенциал своим передним фронтом взведет счетчик 6 в состояние, соответствующее на его выходах двоичному коду 101, что приведет к появлению положительного потенциала на (n+1) выходе (на фиг. 1 номер 6) второго дешифратора 8. Кроме того, положительный потенциал с (m+1) выхода дешифратора 7 через логический элемент ИЛИ-1 9 установит в исходное состояние первый счетчик 5. Положительный перепад напряжения, сформированный на (n+1) выходе второго дешифратора 8, через второй логический элемент ИЛИ-2 10 установит второй счетчик 6 в исходное состояние. Этот же перепад напряжения подтвердит исходное состояние первого счетчика 5. На этом режим работы калибратора 1 с имитатором приращения сопротивления тензорезистора завершается. При необходимости провести метрологическую поверку измерительной системы со всеми коммутаторами датчиков после завершения работы на одном коммутаторе датчиков кабель от калибратора с запараллеленными измерительными выходами подключается к измерительным входам следующего коммутатора датчиков, и проводятся выше описанные действия.

Работа автоматического калибратора 1, состоящего из устройства управления 3, представленного на фиг. 1, и имитатора сигналов мостовых тензорезисторных датчиков 2-2, представленного на фиг. 2, в основном аналогична работе автоматического калибратора 1, представленного на фиг. 1. Отличия состоят в том, что будут разблокированы вторые логические элементы И₁-И_m 19-23, а первые логические элементы И₁-И_m 14-18 заблокированы. Для осуществления этого во время подготовки к работе в калибраторе формирователь 13 устанавливается во включенное положение, а формирователь 12 в положение «выключен». В результате выполнения этих переключений m выходов устройства управления 3 подготовлены для передачи по ним с выходов первого дешифратора 7 сигналов, управляющих подключением ключевых элементов первого коммутатора имитатора, предназначенного для формирования напряжения имитатора мостового датчика. Измерительная система устанавливается в исходное состояние, при котором по всем шинам магистрали управления выставляется потенциал, соответствующий логическому «нулю». С помощью формирователя сигнала «установка нуля» 11 через первый логический элемент ИЛИ-1 9 осуществляется установка в «нуль» первого двоичного счетчика 5, а через второй логический элемент ИЛИ-2 10 осуществляется установка в «нуль» второго двоичного счетчика 6. В результате дешифраторы 7 и 8 устанавливаются в состояние, при котором на их первом выходе формируется положительный потенциал. Управляющий сигнал с первого выхода дешифратора 7 через второй логический элемент И₁ 19 и третий логический элемент ИЛИ_m 28 будет передан на управляющий вход ключевого элемента Кл. 5 первого коммутатора имитатора 2-2. Одновременно с первого выхода дешифратора 8 управляющий сигнал поступит на управляющий вход ключевого элемента Кл. 6 второго коммутатора имитатора 2-2. Ключевые элементы Кл. 5 и Кл. 6 открываются, и входы 5 и 6 коммутаторов имитатора 2-2 подсоединяются к выходу калибратора. После выполнения этих переключений напряжение калибратора 1 U₅₆, пропорциональное приращению сопротивления относительно диапазона приращения сопротивления имитатора и представляющее максимальную отрицательную ступень имитатора, будет сформировано на выходе калибратора. При этом порядок формирования ступеней в имитаторе сигналов мостового тензорезисторного датчика (от максимальной отрицательной до максимальной положительной) отличается от порядка формирования ступеней в имитаторе сигналов тензорезистора. Отличие состоит в том, что при переключении выходов дешифратора 7 с первого по m управляющие сигналы с выходов устройства управления 3 поступают на управляющие входы ключевых элементов первого коммутатора в имитаторе сигналов мостового тензорезисторного датчика в последовательности с m до единицы. Поэтому на фиг.1 вначале будет включен ключевой элемент Кл. 5, затем Кл. 4, Кл. 3, Кл. 2 и наконец, Кл. 1. При переключении выходов дешифратора 8 с первого по n управляющие сигналы с выходов устройства управления 3 поступают на управляющие входы ключевых элементов второго коммутатора в имитаторе сигналов мостового тензорезисторного датчика в такой же последовательности. Поэтому на фиг. 1 вначале будет включен ключевой элемент Кл. 6, затем Кл. 7, Кл. 8, Кл. 9 и Кл. 10. Ступени в имитаторе сигналов мостового тензорезисторного датчика будут формироваться в следующей последовательности включения ключевых элементов. При постоянно включенном Кл. 6 поочередно будут включаться Кл. 5, Кл. 4, Кл. 3, Кл. 2 и Кл. 1. Затем это повторится при постоянно включенном Кл. 7, Кл. 8, Кл. 9 и Кл. 10. В остальном работа устройства управления 3 и калибратора в целом будет аналогичной работе калибратора в режиме работы с имитатором приращения сопротивления тензорезистора.

Проведенные исследования подтвердили работоспособность предложенного автоматического калибратора, как с имитатором сигналов тензорезистора, так и с имитатором сигналов мостовых тензорезисторных датчиков. При этом предложенная схема имитатора сигналов тензорезистора позволила увеличить количество ступеней приращения сопротивления в калибраторе до уровня имитатора сигналов мостовых тензорезисторных датчиков. Применение данного изобретения позволит проводить в автоматическом режиме калибровку и метрологическую поверку каналов измерения сигналов одиночных тензорезисторов и мостовых тензорезисторных датчиков быстродействующих измерительных систем с магистральной структурой подсоединения коммутаторов датчиков. Данное изобретение позволит при этом повысить точность определения коэффициентов функции преобразования, которая достигнута при увеличении количества ступеней сигналов калибратора, и, в конечном итоге, повысить точность измерения таких физических величин, как деформации конструкции в местах установки тензорезисторов, а также сил, перемещений, давлений и других датчиков, в которых применяется мостовая схема.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для проведения в автоматическом режиме метрологической поверки и калибровки каналов измерения сигналов датчиков быстродействующих информационно-измерительных систем. Сущность: устройство содержит устройство управления и имитаторы сигналов тензорезистора и мостовых тензорезисторных датчиков, выполненные с возможностью поочередного подключения к устройству управления. Имитаторы сигналов датчиков автоматического калибратора выполнены по схеме резисторного моста или цепи последовательно соединенных резисторов и формируют необходимое количество ступеней сигналов датчиков с различными диапазонами измерения и номинальными сопротивлениями датчиков. Технический результат: расширение функциональных возможностей автоматического калибратора, повышение точности определения коэффициентов функции преобразования. 2 ил.

Автоматический калибратор каналов измерения сигналов датчиков измерительных систем, содержащий устройство управления и подключаемый к нему имитатор сигналов тензорезистора, который состоит из первого коммутатора с m входами и одним выходом, второго коммутатора с n входами и одним выходом и формирователя ступеней приращения сопротивления тензорезистора, представляющего собой цепь последовательно соединенных резисторов, один из которых является опорным и с одной стороны через цепь последовательно соединенных с ним m-1 резисторов равных сопротивлений соединен с токовым выводом первой пары выводов имитатора, потенциальный вывод которой подключен к выходу первого коммутатора, входы которого соединены последовательно со всеми выводами m-1 резисторов, а с другой стороны опорный резистор через цепь последовательно соединенных с ним n-1 резисторов равных сопротивлений, но отличных от сопротивлений цепи m-1 резисторов, соединен с токовым выходом второй пары выводов имитатора, потенциальный вывод которой подключен к выходу второго коммутатора, входы которого соединены последовательно со всеми выводами n-1 резисторов, устройство управления состоит из логического элемента ИЛИ-НЕ, первого и второго двоичных счетчиков, первого и второго дешифраторов, первого логического элемента ИЛИ-1, второго логического элемента ИЛИ-2 и формирователя сигнала «установка нуля», входы первого дешифратора соединены с выходами первого двоичного счетчика, n выходов второго дешифратора соединены с управляющими входами соответствующих ключевых элементов второго коммутатора имитатора, выходы второго двоичного счетчика соединены с входами второго дешифратора, (m+1) выход первого дешифратора соединен со счетным входом второго двоичного счетчика и третьим входом первого логического элемента ИЛИ-1, первый вход которого соединен с выходом формирователя сигнала «установка нуля», а выход соединен с входом «установка нуля» первого двоичного счетчика, счетный вход которого соединен с выходом логического элемента ИЛИ-НЕ, входы которого представляют управляющие входы автоматического калибратора, первый вход второго логического элемента ИЛИ-2 соединен с выходом формирователя сигнала «установка нуля», а выход второго логического элемента ИЛИ-2 соединен с входом «установка нуля» второго двоичного счетчика, отличающийся тем, что автоматический калибратор дополнительно содержит имитатор сигналов мостовых тензорезисторных датчиков, выполненный с возможностью подключения к устройству управления поочередно с имитатором сигналов тензорезистора через разъемное соединение калибратора, при этом имитатор сигналов мостовых тензорезисторных датчиков содержит два коммутатора и резисторный мост, в котором сопротивления базовых резисторов равны номинальному сопротивлению плеч тензорезисторов мостового датчика, между каждой парой базовых резисторов, к которым подведено электропитание моста, включены цепи из последовательно соединенных резисторов, при этом одна цепь состоит из m-1 резисторов и имеет m выводов, которые соединены с соответствующими входами ключей первого коммутатора, выходы ключей коммутатора объединены, вторая цепь состоит из n-1 резисторов и имеет n выводов, которые соединены с соответствующими входами ключей второго коммутатора, выходы ключей коммутатора объединены, а устройство управления дополнено формирователем сигнала «Подключен имитатор сигналов тензорезистора», формирователем сигнала «Подключен имитатор сигналов мостовых тензорезисторных датчиков», первыми логическими элементами И₁-И_m, вторыми логическими элементами И₁-И_m, третьими логическими элементами ИЛИ1-ИЛИ_m, при этом (n+1) выход второго дешифратора соединен со вторым входом второго логического элемента ИЛИ-2 и вторым входом первого логического элемента ИЛИ-1, а выходы с первого по m первого дешифратора соединены со вторыми входами первых логических элементов И₁-И_m и первыми входами вторых логических элементов И₁-И_m, первые входы первых логических элементов И₁-И_m соединены с выходом формирователя сигнала «Подключен имитатор сигналов тензорезистора», выходы первых логических элементов И₁-И_m соединены с первыми входами совпадающих номеров третьих логических элементов ИЛИ₁-ИЛИ_m, вторые входы вторых логических элементов И₁-И_m соединены с выходом формирователя сигнала «Подключен имитатор сигналов мостовых тензорезисторных датчиков», выходы вторых логических элементов И₁-И_m соединены со вторыми входами третьих логических элементов ИЛИ₁-ИЛИ_m в последовательности с номера И_m по номер И₁, выходы третьих логических элементов ИЛИ₁-ИЛИ_m соединены с управляющими входами соответствующих ключевых элементов первого коммутатора имитатора.