Устройство для компенсации погрешностей измерительного канала
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.
союз советсних социАлистичесних
РЕСПУБЛИН (51)5 G 05 5В 23/02
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ по изОБРетениям и ОтнРьп иям
ПРИ ГКНТ СССР
Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
1 (21) 4741641/24 (22) 26.09.89 (46) 15.08.92. Бюл. V 30 (72) В.И.Мороз, Е.К.Ромашенко и
А.Н.Светличный (56) Авторское свидетельство СССР и 392463, кл. С 05 В 23/02, 1975.
Авторское свидетельство СССР. и 1070514, кл. G 05 В 23/02, 1984, Шахгильдян В.В. и Ляховкин А,А.
Системы фазовой автоподстройки часто Tble М: Связь, 1972.
Алексеенко А.Г., Коломбет Е.А,, Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых ИС. М.: Советское ра" дио, 1980.
Ралио, N 5, 1978.
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 синусоидально"
ro сигнала, который является дат чиком нарушения целостности измерительных цепей, нагрузочная обмотка ко" торого 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,, SU„„ 1755257 А1
2 (54) уСТРОйСТВО ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КАНАЛА (57) Сущность изобретения: устройство содержит 1 датчик измеряемой величины (1), 2 сумматора (2,15), 1 генератор образцового сигнала (3), I выход устройства (4), 1 вход устройства (5), 2 разделительных фильтра (6,7),1 компаратор (8), 2 ключа (9,10), блок фАПИ (11), 1 вычитатель (12), 1 блок фиксации погрешностей (13), 1 инвертор (14). 1-2, 3-2, 2-4, 5-68-9-12-13-14-15, 5-7-8, 7-11-9, 7-1012, 6-15, 8-10, 8-13. 6 ил. связи, которые приводят к погрешнос" тям 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 подключен к выходу датчика измеряемой
1Б 5257
40 величины, второй вход - к выходу генератора образцового сигнала, выход - к входу измерительного канала, вход которого подключен к входам первого и второго разделительных
5 фильтров, выход первого разделительного фильтра подключен к первому входу первого сумматора, выход второго разделительного фильтра подключен к входу блока вычисления среднего значения, выход которого подключен к первому входу вычитателя, вто; рой вход которого подсоединен к выходу блока формирования сигнала 5 задания, выход вычитателя соединен с входом инвертора, выход которого подключен ко второму входу первого сумматора.
Функции проверки и компенсации 20 погрешностей измерительного канала совмещены во времени с процессом измерения. При этом компенсируется погрешность измерительного канала только в том случае, когда величина 25 этой погрешности Ьу для значения измеряемого параметра у„ на выходе измерительного канала равна погрешности Ь у для амплитуды образцового сигнала на выходе измерительного ка- 30 нала, т,е. Ьу = Лу . Данное условие выполняется при компенсации погрешности Д у„, вызванной появлением постоянной составляющей Ф Чо в линейной функции преобразования измерительного канала f(х)= Кях.,В этом случае измеряемый параметр на выходе измерительного канала можно представить в виде одного из двух уравнений уу = Квх+ о. ух = KHx Vot где К я — номинальное значение коэффициента преобразовайия измерительного канала; х - значение измеряемой величины.
Для этого случая погрешность, подлежащая компенсации, равна и 50
Аналогичным образом может быть представлена погрешность преобразования образцового сигнала Л у
g 47 = уц — киа где а - значение образцового сигнала
55 на входе измерительного канала.
Недостатком данного устройства является то, что компенсации подлежат только те погрешности, которые обусловлены параллельным смещением функции преобразования f(х) при условии сохранения ее линейности.
Вместе с тем на практике всегда имеют место возмущающие и дестабилизирующие факторы, которые приводят к нелинейному виду Функции преобразования Г „е„ (х) измерительйого 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 устрой тва 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.
5
Предлагаемое .устройство отличает" ся 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, воз" никающих в нелинейном измерительном канале. В итоге достигается более высокая точность компенсации пог" решностей измерительного канала по сравнению с известным устройством. Это позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию "существенные отличия" °
На фиг.l приведены линейная и нелинейная функции преобразования измерительного канала, а также ком" пенсируемая с помощью предлагаемого устройства погрешность Д у, обусловленная нелинейными искажениями; на фиг.2 - структурная схема предлагаемого устройства.
Устройство для компенсации nîãрешностей измерительного канала (фиг.2) содержит датчик 1 измеряемой величины, первый сумматор 2, генератор .3 образцового сигнала, выход 4 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 ll ФАПЧ, вычитатель 12, блок 13 фиксации погреш- ностей, инвертор 14, 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 образцовым сигналом, имеющим амплитуду а, который поступает с генератора 3 образцового сигнала на вход второго слагаемого сумматора 12. Образцовый сигнал представляет собой синусоиду, 755257 6 частота f„ которой много выше частоты fx передаваемого сигнала, т.е. Еа>)Гх . Суммарный сигнал с вы"
5 хода сумматора 2 поступает на выход
4 устройства для подключения ко вхо" ду измерительного канала, который имеет номинальный коэффициент преобразования К . В измерительном канале вследствйе нелинейных искажений функции преобразования (фиг.l) возникает погрешность 6, ух . Амплитуду передаваемого и образцового сигналоа на входе 5 устройства для подклю1с чения к выходу измерительного канала в этом случае можно представить выражениями у = К х-Ду и у = и х
= К„а — уа. соответственно. Со входа
5 устройства для подключения к вы20 ходу измерительного канала суммарный сигнал (у„ + уа) поступает на входы разделительных фильтров 6 и
7. Полоса пропускания разделительного фильтра 7 определяется частотой образцового сигнала f, а разделительный фильтр 6 представляет собой широкополосный фильтр, полоса пропускания которого меньше частоты образцового сигнала. С выходов пер-
ЗО вого 6 и второго 7 разделительных
Фильтров сигналы у и уц поступают на вход компаратора 8, который выдает короткий импульс при ух = уа.
Этот импульс с выхода компаратора
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, Одновремннно на вход уменьшаемого вычитателя 12 через информационный вход открытого ключа 10 поступает сигнал у с выхода второго
4 разделительного фильтра 7. Правило формирования сигнала у на выходе
f блока 11 ФАПЧ известно. В данном случае блока ФАПЧ применяется для восстановления эталонного сигнала
50 у с малыми погрешностями по амплитуде, частоте, и Фазе. На фиг.3 пред-! ставлен вид сигналов у», уо. и у в виде функций времени. В фиксированные моменты времени и t< имеет
55 место раве ство у x = yа. В этом случае на выходе вычитателя 12 опреде" ляется компенсируемая величина
-h у,„ = у -у =у -К„а, обусловленная о С Н наличием нелинейных искажений в
Таким образом, погрешность Ay „, 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 реализо-. ван s виде прецизионного однопорогового компаратора типа 521. CAI точность сравнения которого ж0,1 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 = уа 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 выхода дифференцирующей цепочки через
;ключ на неинвертирующий вход AI. Им пульс с выхода дифференцирующей це25 почки будет сбрасывать компаратор (фиг.4) в исходное состояние.
Получить короткие импульсы в моменты времени с« и с на выходе компаратора.8 можно также путем спарки .двух компараторов 521CAI, один из которых на неинвертирующем входе AI имеет сигнал у, а на инвертирующем - y>, а второй — наоборот.
В качестве блока 13 фиксации погрешностей можно использовать ионисторы KHI-I. Применение ионисторов оправдано там, где могут быть реализованы уникальные, только им присущие свойства; высокая удельная емкость (свыше 10 ф/смз); длительная сохранность заряда; надежность хранения.
Ионисторы могут работать в цепях
50 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 выборкиI .хранения (УВХ). Кроме того, в анало-, говой технике элементами памяти являются амплитудные (пиковые) детекУх=К t«>: Ь Ух + Д Уа - K вх
7 1755257 8 измерительном канале, 4исленно погрешность измерительного канала при конкретном значении х можно определить в виде (фиг.l):
-"Ух = Ух
В случае, когда имеет место равенство ух = у, можно утверждать, что в эти моменты времени x = а, а следовательно, и погрешности Лу„ и Д у равны между собой, так как их источником является один и тот же измерительный канал.
C выхода вычитателя величина
-hy< 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, например, при t = с значение погрешности
6уа(«) поступает на информационный вход блока 13 фиксации погрешностей, на управляющий вход которого поступает импульс считывания с выхода компаратора о. В результате значение погрешности Д у (с«) фиксйруется блоком !3. В режиме хранения информации, например, при t < t z. на входах блока l3 фиксации погреш- 30 . ностей отсутствуют, а на его выходе постоянно выдается значение погрешности -Ьу =дуа(«), зафиксированное в момент времени t = t,. В момент времени t = 1 импульс с выхода 35 компаратора сбрасывзет.значение 5ус« и блок 13 фиксации погрешностей вновь переходит в режим считывания информации, в результате чего значение погрешности Ду (t«) Обновляет- 40 а 1 сЯ на Ь У,„(с ) и фиксируетсЯ ДлЯ работы в режиме хранения информации. С выхода блока 13 фиксации погрешностей компенсируемое значение погРешности -ДУа чеРез инвеРтоР 14 45 поступает на вход первого слагаемого второго сумматора 15, где суммируется с сигналом У. = K х — Ду посх н х тупающим 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. ЬУ х = д Уц, на выходе втоРого сУмматора 15 будет иметь место соотношение 175 торы. При использовании s блоке фиксации погрешностей амплитудного детектора (фиг.5) последний должен работать в двух режимах: считывания и хранения. В отличие от УВХ режим работы амплитудного детектора опре" деляется входным сигналом, При возрастании входного напряжения U „оно отслеживается выходным напряжением схемы, а при уменьшении Ч „ амплитудный детектор переходит в режим хранения и запоминает предыдущее максимальное значения амплитуды входного сигнала (фиг,б). Это напряжение сохраняется на выходе детектора либо до появления сигнала с большей амплитудой на входе, лиЬо, как в нашем случае, до команды сброса выходного значения Д y ., В рассматриваемом амплитудном детекторе при возрастании входного . напряжения U>> диод D открывается в прямом направлении и тем самым под ключает емкость С з в цепь заряда. В результате, емкость С заряжается до напряжения, равного значению погрешности Д у . Диод D фиксирует: амплитуду напряжения на выходе детектора на уровне, равном - U, что уменьшает время, необходимое для перехода от режима хранения к считыванию информации. Цепь "сброс" раз- ряжает конденсатор С> до нуля перед новым циклом фиксации очередного значения погрешности ду . Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с известным позволяет повысить точность компенсации погрешностей нелинейного измерительного канала. Формула изобретения Устройство для компенсации погрешностей измерительного канала, со5257 10 держащее да.чик измеряемой величины, первый и второй сумматоры, первый и второй разделительные фильтры, вычитатель, генератор оЬразцового 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 и:« åpÿeмой величины, выходом генератора образцового сигнала, выходом устройства для подключения к входу измери5 тельного канала, входы первого и второго разделительных фильтров соединены с входом устройства для подключения к выходу измерительного 20 канала, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности компенсации погрешности измерительного канала за счет оценки нелинейных искажений, в него введены компара25 тор, первый и второй ключи, блок фазовой автоподстройки частоты и блок фиксации погрешностей, информационный вход, выход и вход управления записью которого соединены соответственно с выходам вычитателя, входом инвертора, выходом компаратора, первый вход которого соединен с выходом первого разделительного фильтра и входом второго слагаемого второго сумматора, а второй входс выходом второго разделительного фильтра, информационным входом второго ключа и входом блока фазовой автоподстройки частоты, выход которо40 го 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. 2 755257 ФИГ. < Фиг. 2 . 1, ФИГ. 3 1755257 Составитель E. Ромашенко Корректор О. Густи Редактор l),Ñåãëÿíèê Техред И.Моргенатл Заказ 2893 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина, I01
