Устройство для компенсации погрешностей измерительного канала Советский патент 1992 года по МПК G05B23/02 

Изобретение относится к автоматике и контрольно-измерительной технике, может быть использовано для компенсации погрешностей, вносимых измерительным каналом в многоканальных системах передачи информации.

Известно устройство, содержащее генератор образцового синусоидального сигнала, который является датчиком нарушения целостности измерительных цепей, нагрузочная обмотка которого включена в общую цепь последовательно с опрашиваемым датчиком через коммутирующее устройство.

Контроль целостности цепей измерительных датчиков основан на анализе искажения тест-сигнала постоянного тока высокого уровня, что вызывает нежелательные переходные процессы в измерительных цепях датчиков, линиях

связи, которые приводят к погрешностям в результатах измерения. Поэтому проверочные операции с использованием названного тест-сигнала не могут осуществляться одновременно с процессом измерения, а требуют дополнительного времени с учетом возникающих переходных процессов.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для компенсации погрешности измерения и диагностического контроля измерительного канала, содержащее датчик измеряемой величины, вычитатель, первый разделительный фильтр, первый сумматор, блок вычисления среднего значения, второй разделительный фильтр, генератор образцового сигнала и второй сумматор, первый вход которого поД- ключен к выходу датчика измеряемой

СП СП

ел

х|

„«л

величины, второй вход - к выходу генератора образцового сигнала, выход - к входу измерительного канала , вход которого подключен к входам первого и второго разделительных фильтров, выход первого разделительного фильтра подключен к первому входу первого сумматора, выход второго разделительного фильтра подключен к входу блока вычисления среднего значения, вгыход которого подключен к первому входу вычитателяj втог рой вход которого подсоединен к выходу блока формирования сигнала задания, выход вычитателя соединен с входом инвертора, выход которого подключен ко второму входу первого сумматора.

Функции проверки и компенсации погрешностей измерительного канала совмещены во времени с процессом измерения. При этом компенсируется погрешность измерительного канала только в том случае, когда величина этой погрешности йух для значения измеряемого параметра ух на выходе измерительного канала равна погрешности Дуа для амплитуды образцового сигнала на выходе измерительного канала, т.е. Дух . Данное условие выполняется при компенсации погрешности Ду., вызванной появлением постоянной составляющей ±V0 в линейной функции преобразования измерительного канала f(x) KHX. В этом случае измеряемый параметр на выходе измерительного канала можно представить в виде одного из двух уравнений

У KHx+V0.

Ух

где Кн - номинальное значение коэффициента преобразования измерительного канала; х - значение измеряемой величины

Для этого случая погрешность, подлежащая компенсации, равна ± ДУх УХ Ких, Аналогичным образом может быть представлена погрешность преобразования образцового сигнала Д yq

ДУр Ур RHa где а - значение образцового сигнала

на входе измерительного ка- , нала.

Недостатком данного устройства является то, что компенсации под

10

5

20

25

755257k

лежат только те погрешности, которые

обусловлены параллельным смещением функции преобразования f(x) при условии сохранения ее линейности Вместе с тем на практике всегда имеют место возмущающие и дестабилизирующие факторы, которые приводят к нелинейному виду функции преобразования fнел () измерительного канала. По этой причине точность компенсации погрешностей измерительного канала с использованием этого устройства будет недостаточной.

Цель изобретения - повышение точности компенсации погрешностей измерительного канала за счет оценки нелинейных искажений.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее датчик измеряемой величины, первый и второй сумматоры, первый и второй разделительные фильтры, вычитатель, генератор образцового сигнала и инвертор, выход которого соединен с входом первого слагаемого второго сумматора, выход которого является выходом устройства, входы первого, второго слагаемого и выход первого сумматора соединены соответственно с выходом датчика измеряемой величины, выходом генератора образцового сигнала, выходом устройства для подключения ко входу измерительного канала, входы первого и второго разделительных фильтров соединены со входом устройства для подключения к выходу измерительного канала, дополнительно введены компаратор, первый и второй ключи, блок фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и блок фиксации погрешностей, информационный вход, выход и вход управления записью которого соединен соответственно с выходом вычитателя, входом инвертора, выходом компаратора, первый вход которого соединен с выходом первого разделительного фильтра и входом второго слагаемого второго сумматора, а второй вход - с выходом второго разделительного фильтра, информационным входом второго ключа и входом блока ФАПЧ, выход которого соединен с информационным входом первого ключа, входы управления первого и второго ключей соединены с выходом компаратора, а выходы - с входом вычитаемого и входом уменьшаемого вычитателя соответственно.

30

35

40

45

50

55

5

Предлагаемое устройство отличается отсутствием блока вычисления среднего значения, порогового блока, блока-сигнализатора и наличием новых блоков: компаратора, первого и второго ключей, блока ФАПЧ, блока фиксации погрешностей с их связями между собой и остальными блоками устройства. Таким образом, предлагаемое устройство соответствует критерию изобретения новизна.

Введение в предлагаемое устройство названных дополнительных блоков и связей приводит к повышению точности компенсации погрешностей, возникающих в нелинейном измерительном канале. В итоге достигается более высокая точность компенсации погрешностей измерительного канала по сравнению с известным устройством. Это позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию существенные отличия.

На фиг„1 приведены линейная и нелинейная функции преобразования измерительного канала, а также компенсируемая с помощью предлагаемого устройства погрешность Д у, обусловленная нелинейными искажениями; на фиг.2 - структурная схема предлагаемого устройства о

Устройство для компенсации rtoi- решностей измерительного канала (фиг02) содержит датчик 1 измеряемой величины, первый сумматор 2, генератор 3 образцового сигнала, выход А устройства для подключения ко входу измерительного канала, вход 5 устройства для подключения к выходу измерительного канала, первый б и второй 7 разделительные фильтры,компаратор 8, первый 9 и второй 10 ключи, блок 11 ФАПЧ, вычи- татель 12, блок 13 фиксации погрешностей, инвертор 1, второй сумматор 15.

Устройство работает следующим образом.

Передаваемый сигнал с переменной амплитудой х с выхода датчика 1 поступает на вход первого слагаемого сумматора 2, где суммируется с образ цовым сигналом, имеющим амплитуду а, который поступает с генератора 3 образцового сигнала на вход второго слагаемого сумматора 12. Образцовый сигнал представляет собой синусоиду,

552376

частота f которой много выше частоты fx передаваемого сигнала, т„е0 . Суммарный сигнал с выхода сумматора 2 поступает на выход устройства для подключения ко входу измерительного канала, который имеет номинальный коэффициент преобразования K. В измерительном канаЮ ле вследствие нелинейных искажений функции преобразования () возникает погрешность & УХ. Амплитуду передаваемого и образцового сигналов на входе 5 устройства для подклю15 чения к выходу измерительного канала в этом случае можно представить выражениями у Ких-Духи yq -Ма Дуа соответственно. Со входа 5 устройства для подключения к вы20 ходу измерительного канала суммарный сигнал (у х + yq) поступает на входы разделительных фильтров 6 и 7. Полоса пропускания разделительного фильтра 7 определяется частотой

25 образцового сигнала fd, а разделительный фильтр 6 представляет собой широкополосный фильтр, полоса пропускания которого меньше частоты образцового сигнала. С выходов пер30 вого 6 и второго 7 разделительных фильтров сигналы у и yq поступают на вход компаратора 8, который выдает короткий импульс при УХ Уд Этот импульс с выхода компаратора

35 8 поступает на входы управления первого 9 и второго 10 ключей и открывает их. В результате этого сигнал у с выхода блока 11 ФАПЧ через информационный вход открытого ключа

40 9 поступает на вход вычитаемого

вычитателя 12. Одновременно на вход уменьшаемого вычитателя 12 через информационный вход открытого ключа 1 0 поступает сигнал Уд с выхода второго

45 разделительного фильтра 7. Правило формирования сигнала у на выходе блока 11 ФАПЧ известно,, В данном случае блока ФАПЧ применяется для восстановления эталонного сигнала

50 Уа с малыми погрешностями по амплитуд8 частоте, и фазе. На фиг.З представлен вид сигналов уа., У о. и у в виде функций времени. В фиксированные моменты времени 14 и t имеет

55 место равенство ух уа В этом случае на выходе вычитателя 12 определяется компенсируемая величина -Ьуа УА-У Уд-Кна, обусловленная наличием нелинейных искажений в

измерительном канале. Численно noi- решность измерительного канала при конкретном значении х можно определить в виде (фиГс,):

Ух - кнхВ случае, когда имеет место равенство уу Ур, можно утверждать, что в эти моменты времени х а, а следовательно, и погрешности Дух иЛуа равны между собой, так как их источником является один и тот же измерительный канал.

С выхода вычитателя величина -uyq поступает на информационный вход блока 13 фиксации погрешностей который может работать в двух режимах - режиме считывания информации и в режиме хранения информации„ В режиме считывания информации, напри мер, при t сц значение погрешност Ауа(Ц) поступает на информационный вход блока 13 фиксации погрешностей на управляющий вход которого поступает импульс считывания с выхода компаратора 8. В результате значение погрешностиДyq(c1) фиксируется блоком 13. В режиме хранения информции, например, при сигналы на входах блока 13 фиксации погреш- ностей отсутствуют, а на его выходе постоянно выдается значение погрешности (t i), зафиксированное в момент времени t t,. В момент времени t (импульс с выхода компаратора сбрасывает значение uya и блок 13 фиксации погрешностей вновь переходит в режим считывания информации, в результате чего значение погрешности АУа(t) обновляет ся наДуа(с2) и фиксируется для работы в режиме хранения информации.

С выхода блока 13 фиксации noi- решностей компенсируемое значение погрешности -&yq через инвертор 14 поступает на вход первого слагаемог второго сумматора 15, где суммируется с сигналом ух К. х - Дух, поступающим с выхода первого разделительного фильтра 6 на вход второго слагаемого второго сумматора 15 Учитывая, что величина погрешности измерительного канала для сигналов х и а при х а одинакова, т.е. ДУХ йУо1 на выходе второго сум- матора 15 будет иметь место соотношение

ЛУх + А

КнХо

ю

1$ , 20 25 303540

Таким образом, погрешность Аух, вносимая измерительным каналом, будет скомпенсирована. Следовательно, изобретение позволяет повысить точность компенсации погрешностей, возникающих в нелинейном измерительном канале.

Изобретение выполняется следующим образом.

Компаратор 8 может быть реализован в виде прецизионного однопорого- вого компаратора типа 521 CAI точность сравнения которого «0,1 мВ. Для получения коротких импульсов на выходе компаратора 8 необходимо в выходную цепь компаратора ввести дифференцирующую цепочку. В этом случае в моменты времени, когда у У у,-, компаратор будет выдавать короткий импульс. Для срабатывания компаратора в следующий момент его необходимо вернуть в исходное состояние, С этой целью в схему компаратора можно ввести дополнительную положительную обратную связь с вы- , хода дифференцирующей цепочки через ключ на неинвертирующий вход AI. Им- пульс с выхода дифференцирующей цепочки будет сбрасывать компаратор (фиг.4) в исходное состояние.

Получить короткие импульсы в

моменты времени t

4 на

выходе

компаратора 8 можно также путем спарки двух компараторов 521 CAT, один из которых на неинвертирующем входе AI имеет сигнал yq, а на инвертирующем - ух, а второй - наоборот.

В качестве блока 13 фиксации погрешностей можно использовать ионис- тбры КН1-Т. Применение ионисторов оправдано там, где могут быть реализованы уникальные, только им присущие свойства;высокая удельная емкость (свыше 10 Ф/см3); длительная сохранность заряда; надежность хранения

Ионисторы могут работать в цепях постоянных и пульсирующих токов в широком диапазоне механических и климатических воддействий.

В качестве блока 13 фиксации погрешностей можно также использовать аналоговые запоминающие устройства, ;называемые устройствами выборки - хранения (УВХ). Кроме того, в анало-i ,говой технике элементами памяти являются амплитудные (пиковые) детек- I

9

торы. При использовании в блоке фиксации погрешностей амплитудного детектора (фиг.5) последний должен работать в двух режимах: считывания и хранения, В отличие от УВХ режим работы амплитудного детектора определяется входным сигналом. При возрастании входного напряжения Vgx оно отслеживается выходным напряжением схемы, а при уменьшении VBX амплитудный детектор переходит в режим хранения и запоминает предыдущее максимальное значения амплитуды входного сигнала (фиг.6). Это напряжение сохраняется на выходе детектора либо до появления сигнала с большей амплитудой на входе, либо, как в нашем случае, до команды сброса выходного значения byq

В рассматриваемом амплитудном детекторе при возрастании входного напряжения VBI( диод D открывается в прямом направлении и тем самым под ключает емкость C-з в цепь заряда В результате емкость С заряжается до напряжения, равного значению погрешности Ь.yQ. Диод фиксирует амплитуду напряжения на выходе де

тектора на уровне, равном - VQ, что уменьшает время, необходимое для перехода от режима хранения к считыванию информации. Цепь сброс разряжает конденсатор С до нуля перед новым циклом фиксации очередного значения погрешности &уа.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с известным позволяет повысить точность компенсации погрешностей нелинейного изме- рительного канала, формула изобретения

Устройство для компенсации погрешностей измерительного канала, со0

257

5

0

5

0 5

о

10

держащее да ищ измеряемом величины, первый и второй сумматоры, первмй и второй разделительные фильтры, вы- читатель, генератор образцового сигнала и инвертор, выход которого соединен с входом первого слагаемого второго сумматора, выход которого является выходом устройства, входы первого, второго слагаемого и выход первого сумматора соединены соответственно с выходом датчика измеряемой величины, выходом генератора образцового сигнала, выходом устройства для подключения к входу измерительного канала, входы первого и второго разделительных фильтров соединены с входом устройства для подключения к выходу измерительного канала, отличающееся тем, что, с целью повышения точности компенсации погрешности измерительного канала за счет оценки нелинейных искажений, в него введены компаратор, первый и второй ключи, блок фазовой автоподстройки частоты и блок фиксации погрешностей, информационный вход, выход и вход управления записью которого соединены соответственно с выходом вычитателя, входом инвертора, выходом компаратора, первый вход которого соединен с выходом первого разделительного фильтра и входом второго слагаемого второго сумматора, а второй вход - с выходом второго разделительного фильтра, информационным входом второго ключа и входом блока фазовой автоподстройки частоты, выход которого соединен с информационным входом первого ключа, входы управления первого и второго ключей соединены с выходом компаратора, а выходы - с входом вычитаемого и входом уменьшаемого вычитателя соответственно.

%Х wax--г-

ЯжСп

«л.-J-rnox

ФИГМ

Сущность изобретения: устройство содержит 1 датчик измеряемой величины (1), 2 сумматора (2,15), 1 генератор образцового сигнала (3), 1 выход устройства (4), 1 вход устройства (5) , 2.разделительных фильтра (6,7),1 компаратор (8), 2 ключа (9,Ю), 1 блок ФАПИ (11), 1 вычитатель (12), 1 блок фиксации погрешностей (13), 1 инвертор (14). 1-2, 3-2, 2-4, 5-6- 8-9-12-13-14-15, 5-7-8, 7-11-9, 7-10- 12, 6-15, 8-10, 8-13. 6 ил.

Ј

max

з: Win

ФИГЗ

UBX

R

U

t-m

Увы.

R

фигЛ

Фиг 5

USM.