Тензометрическое устройство Советский патент 1993 года по МПК G01B7/16 

Изобретение относится к измерительным устройствам, а именно к тензометриче- ским устройствам с автоматической коррекцией погрешностей измерения.

Известно тензометрическоё устройство, содержащее тензомост, нормирующий усилитель, цепи отрицательной обратной связи дли коррекции начального разбаланса датчика и нормирующего усилителя, содержащие блоки аналоговой памяти. Однако известное тензометрическоё устройство же позволяет корректировать мультипликативную погрешность датчика и нормирующего усилителя. Кроме того, время измерения с заданной точностью с помощью известного тензометрического устройства ограничено из-за разрядки конденсаторов в блоках аналоговой памяти.

Наиболее близким к предлагаемому является тензометрическоё устройство, содержащее тензомост с блоком питания и калибровочным резистором, подключаемым в диагональ тензомостг с помощью ключа,дифференциальный усилитель, сумматор, цепь отрицательной обратной связи для коррекции начального смещения датчика и нормирующего усилителя, включающую блоки цифровой памяти.

Однако известное тензометрическоё устройство не позволяет корректировать начальный разброс чувствительного тензометрического датчика и дифференциального усилителя.

Известно, что начальный разброс чувствительности, например, металлопленочных и полупроводниковых тензодатчиков может составлять ± 50%. Чувствительность тен- зодатчика может иметь разброс из-за разброса для изменения напряжения питания датчика.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого тензометрического устройства; на фиг.2 - схема измерительной цепи; на фиг.З - схема блока управления.

Устройство содержит тензомост 1 с калибровочным резистором 2, который коммутируется параллельно плечу тензомостз 1 с помощью первого ключа 19. Тензомост 1 запитывается от блока питания 3. Выходной сигнал тензомоста 1 подается на послодоваVI

О

со ю

sO

тельно включенные дифференциальный усилитель 4, программируемый усилитель 5, сумматор 6.

Устройство содержит два контура отрицательной обратной связи: контур отрица- 5 тельной обратной связи для регулировки начального выходного уровня, содержащий интегратор 20, первый компаратор 14, блок управления 13, связанный с тактирующим генератором 10, первый реверсивный счет- 10 чик 11, цифроаналоговый преобразователь 8, и контур отрицательной обратной связи для регулировки коэффициента передачи устройства, содержащий интегратор 20, первый компаратор 14, блок управления 13 45 и второй реверсивный счетчик 7.

Кроме того, устройство содержит последовательную цепочку, содержащую второй ключ 15, второй компаратор знака 12, блок 9 определения знака опорного уровня циф- 20 роаналогового преобразователя 8, а также переключатель 16 и высокостабильныё источники напряжения начального И номинального уровня выходного сигнала устройства 17 и 18, Блок управления 13 со- 25 держит первый и второй D-триггер 21 и 22, первый и второй ждущие мультивибраторы 23 и 24, схему И 25, счетчик 26 и схему 27. . ; .;, -. -

Устройство работает в две стадии: пер- 30 вая - автоматическая коррекция систематических погрешностей, вторая - измерение.

На фиг.2 приведена измерительная цепь {ИЦ), состоящая из двух линейных звеньев: датчика и вторичного преобразова- 35 теля (ВП), имеющих аддитивные и мультипликативные погрешности. Функция преобразования ИЦ представляется уравнением

Y X (Кд Квп + Кд А Квп +ДКД Квп + Д Кд 40 ДМ + ДЛ(КД Квп + Кд А Квп) + А КвггД в где Y - выходной сигнал ИЦ;

Х-входной сигнал датчика;

Кди Квп-коэффициенты преобразования датчика и ВП;45

ДКд и А Квп - мультипликативные погрешности датчика и ВП;

Ад и Авп - аддитивные погрешности датчика и ВП, приведенные к их входам.

Пренебрегая произведениями погреш- 50 ностй как величинами второго порядка малости, можно записать

У-КдМТ+тг +т 1).

КдК.в.п X Х+КдКвп Ад+Квп Дед . () 55

Из выражения (1) мультипликативная погрешность д К ИЦ

ЈК- Кд+ д Квп (2)

.П

приведенная к выходу аддитивная погрешность

А Y-КдКвп Дд+Квп Ав.п(3) Теоретически предлагаемое тензомет- рическое устройство с автоматической коррекцией систематических погрешностей на первой стадии работы должно выработать отрицательную реакцию, компенсирующую мультипликативную составляющую погрешности, приведенную к выходу А Кк

АКК

v v г А|±А -1- АКв.п т -К,д Nenl -г;- -г -я-- j .п

и аддитивную составляющую, приведенную

К ВЫХОДУ АУцап

А ицап Ч((Кд+ АКд)(Квп+АКвп) Ад+

(КВП+ А Квп) Авп)(1+ АК.

Дифференциальный усилитель 4 усиливает выходной сигнал тензрмоста 1 с коэффициентом усиления Кд.у, равным половине номинального коэффициента передачи ВП Кв.пн. Коэффициент , усиления программируемого усилителя 5 изменяется от 1 до 4. Такой запас регулировки коэффициентов программируемого усилителя 5 обеспечивает коррекцию систематической погрешности чувствительности датчика в диапазоне ±50% от номинального значения. ЦАП обеспечивает регулировку смещения нулевого уровня в диапазоне + Uon. перекрываемом опорными уровнями блока определения знака опорного уровня 9 цифроаналоговрго преобразователя 8.

По команде Пуск запускается тактирующий генератор 10, который тактирует работу блока управления 13, а также первого и второго реверсивных счетчиков 7 и 11. Устройство устанавливается в начальное состояние: второй реверсивный счетчик 7 устанавливается в положение, соответствующее минимальному коэффициенту передачи программируемого усилителя 5, первый реверсивный счетчик 11 в положение, соответствующее нулевому выходному сигналу цифроаналогового преобразователя 8. Блок управления 13 замыкает второй ключ 15, второй компаратор знака 12 выдает информацию о знаке начального смещения и блок определения знака опорного уровня 9 цифроаналогового преобразователя 8 устанавливает величину опорного уровня + Don, противоположную знаку начального смещения. Далее второй ключ 15 размыкается, переключатель 16 коммутирует на второй вход первого компаратора 14 опорный уровень нулевого выходHord сигнала устройства U0 17 и блок управления 13 разрешает работу первого ревер- сивйого счетчика 11 в направлении, которое обе( печивает компенсацию аддитивной по- rpei шести устройства. В момент равенства начального смещения устройства на шине Выкод опоре нулевого выходного уровня Uo 7 первый компаратор 14 изменяет со- и блок управления 13 фиксирует код первого реверсивного счетчика 11, В следующем полутакте блок управления 13 ком иутирует на второй вход первого компаратора опорный уровень 18 номинального выхэдного сигнала устройства UH. первый ключ 19 подключает калибровочный резистор Рк2, и запускается второй реверсивный сче чик 7. Увеличение кода второго ревер- сив юго счетчика 7 ведет к росту коэффици- ен1а передачи программируемого уси штеля 5 Кп.у до тех пор, пока напряжение на шине Выход не сравняется со значением UL В этот момент фиксируется код втоэого реверсивного счетчика 7.

Блок управления 13 (фиг.З) работает следующим образом.

С выхода генератора тактовых импуль- соч 10 на первый вход блока управления 13 по( тупает единичный импульс, который выставляет выход счетчика 26 в состояние 1, и, фойдя через схему ИЛИ, поступает на Р-вход первого D-триггера 21, который уста- на( ливается в состояние О. Сигнал О с прямого выхода запускает второй реверсив- ньм счетчик 7, а сигнал 1 с инверсного вы сода замыкает ключ 19 и переводит пере- клочатель 16 в состояние, при котором на второй вход первого компаратора 14 подключается источник номинального выходного сигнала 18. После отработки но Финального выходного уровня с компара- то а 14 на счетные входы D-триггеров 21 и 22 поступает импульс, который переведет со стояние первого D-триггера 21, остановит ра 5оту второго реверсивного счетчика 7 и, пройдя через первый ждущий мультивибра- то ) 23, установит второй D-триггер 22 в состояние О, а также сигнал О с инверсного вьхода первого D-триггера 21 разомкнет кл оч 19 и сменит состояние переключателя 16.

Сигнал О с прямого выхода второго D-триггера 22 запустит первый реверсивный счетчик 11, а сигнал 1 с инверсного вьхода замкнет ключ 15. После отработки ш чального выходного уровня с выхода пер- вс го компаратора 14 поступает импульс, коте рый переведет состояние второго D триггера 22 в 1. Сигнал О с инверсного внхода второго D-триггера 22 размыкает к/юч 15, а сигнал 1 с прямого выхода отключает первый реверсивный счетчик 11, проходит через второй ждущий мультивибратор 24, инкрементирует состояние счетчика 26 и, пройдя через схемы И и ИЛИ,

устанавливает первый D-триггер 21 в О. Циклы работы блока управления заканчиваются, когда на выходе счетчика появится О, и схема И закроется. Необходимое количество тактов определяется выбором соответствующего выхода счетчика 26.

При наличии смещения на входе программируемого усилителя 5 проведенные операции регулировки нулевого выходного уровня и коэффициента передачи устройства не приведут к полной компенсации систематических погрешностей, определяемых выражениями (2) и (3), поскольку смещение вносит погрешность в установление коэффициента передачи, а приращение коэффициента передачи вызывает изменение смещения нуля устройства. Поэтому следует повторять операции регулировки начального уровня и коэффициента передачи. Процесс итераций описывается обобщенными

уравнениями: : ...

Uuanl U0 - Кв.п (Кд Дд 4- Ле.п ) И ,

30

V UH Uo + Кв.пи- ( Кд Дд + Де.п ) fA

в-п ,,{КдЧДд+Дн) + Ле.п--(

где Кцап - выходное напряжение ЦАП в 1-м такте уравновешивания;

Ke.ni - коэффициент передачи ВП в 1-м такте уравновешивания;

Дн - номинальный входной уровень ИЦ. Введем обозначение членов формулы (4)

-По UH-UQ „

A-KA.(+AH)-fAe.n-A-+AH.KA и

45

&

Кд АН -f Ае.п

Кд +Йн7+ п А +Дн . Кд1

где Дг - аддитивная погрешность, приведенная ко входу ВП.

Выражение для коэффициента переда- чи ВП в 1-м такте уравновешивания запишется

Кв.ш А + В Квпм или

Квп - А В° -f A B +...+A + В Кв.по -А Ј BJ + KBnoB

где Ke.no - начальный коэффициент передачи ВП.

Для Кв.по 0 можно записать

КВП|-А2 BJ(5)

Следовательно, процесс итераций коэффициента передачи ВП описывается степенным рядом с основанием В. Выражение (5) является функциональным рядом, где члены В ряде суть функции одного и того же

аргумента Д1 - аддитивной погрешности, приведенной к входу В П. Ряд (5) сходится для I В К 1 и расходится при } В I Ј 1..

Условию 1В 1 соответствует диапазон значений Д ё - 0,5Дн , °°, а условию В Ъ 1 область ,-6,54н)в

Для I.BI. . 1 сумма ряда (5) при I -«

А| , /

jSV ..., . :;-; ; ,:. .

или. расписав А и В.

Ke:n, - 1 ..

u

Кд(4+ДиЪ Д1

° дг+Дн

Up Книц.-

кд ;

Т.е. итерационный процесс регулировки коэффициента передачи И Ц для области

значений ,5Дн , « сходится к номинальному значению Книц.

Следовательно, полностью компенсируются систематические погрешности устройства, определяемые выражениями (2) и (3) при

Величину погрешности установки КВп в 1-м такте преобразования можно оценить остаточным членом ряда (5)

: Об / . . . ЛКвпГ-АТ Bj. :-

; ; jSV :..;;; .

На второй стадии работы тензометрического устррйства производится измерение.

Таким образом, заявленное тензометрическое устройствб, позволяет повысить

точность измерений за счет коррекции как

аддитивной, так и мультипликативной составляющей систематической погрешности устройства.г

Технико-экономическим преимуществом предлагаемого тёнзометрического устройства является повышение точности измерения в 2-3 раза по сравнению с прототипом.У

Использование: в качестве тензометрического устройства с автоматической коррекцией погрешностей измерения. Сущность: в структуру тензометрического устройства вводятся программируемый усилитель, блок определения знака опорного уровня цифроаналогового преобразователя, высокостабильные источники напряжения начального и номинального выходного сигнала устройства, а также второй реверсивный счетчик для управления коэффициентом передачи программируемого усилителя. 3 ил..... - -г ----

Формул а изобретения

Тендометричёское устройство с автоматической коррекцией систематических погрешностей, содержащее последовательно соединенные блок питания тензомоста, тен- зомбст с калибровочным резистором, подключаемым к плечу тензомоста с помощью первого ключа, управляющий вход которого связан с выходом блока управления, дифференциальный усилитель, сумматор с двумя входами, отрицательную обратную связь, состоящую из последовательно соединенных интегратора, первого компаратора, блока управления, связанного с тактирующим генератором, на вход которого поступает запускающий сигнал, первого реверсивного счетчика, первый вход которого связан с выходом тактирующего генератора, а второй вход связан с выходом блока управления, цифроаналогового преобразователя , причем первый вход первого компаратора соединен с выходом сумм-атора через интегратор, а выход цифроаналогового преобразователя соединен с вторым входом сумматора, отлича ющееся тем, что, с

целью повышения точности, введены программируемый усилитель, вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя, а выход-с первым входом сумматора, компаратор знака, первый вход которого соединен через второй ключе выходом программируемого усилителя, а второй вход

-с нулевой шиной, блок определения знака опорного уровня цифроаналогового преобразователя, вход которого соединен с выходом компаратора знака, а вход - с входом цифроаналогового преобразователя, причем управляющий вход второго ключа соеди- н&н с выходом блока управления, переключатель, выход которого соединен с вторым входом компаратора, а входы - с высокостабильными источниками напряжения начального и номинального уровня выходного сигнала устройства, причем управляющий вход переключателя соединен с выходом блока управления, второй реверсивный счетчик, первый вход которого связан с тактирующим генератором, второй вход - с выходом блока управления, а выход

- с управляющим входом программируемого усилителя.

4д

en