Тензометрическое устройство

 

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 ----

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (I 9) (sI)s G 01 В 7/16

ГОСУД

ВЕДО (ГОСП Т

РСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

СТВО СССР

ЕНТ СССР) К АВ (21) 47 6 (22) 05. 9 (46) 07. 2 (71)На ч зическ х (72) В.А Ф ков и .И (5С) Авт

М 1193 3, Авт

%9169 0 (54) TE

О РС КОМУ С ВИДETE Jlb CTBY

165/28 .89 ,93. Бюл. М5 но-исследовательский институт фиизмерений ильчиков, Н.Т.Гузненков, С.А.Иса.Синицын рское свидетельство СССР

8, кл. G 01 В 7/16, 1984. о рское свидетельство СССР, кл. G 01 В 7/16, 1973, ЗОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО

Изо ным уст ским у коррекц

Изв во, соде усилите связи дл са датчи держащ

Однако. ройство типлика нормиру мя изме мощью устройст денсатор

Наиб ляется т держа ще калибров мым в д ключа, д матор, це для корре ретение относится к измерительойствам, а именно к тензометричетройствам с автоматической ей погрешностей измерения. стно тензометрическое устройстжащее тензомост, нормирующий ь, цепи отрицательной обратной коррекции начального разбалана и нормирующего усилителя, соие блоки аналоговой памяти. звестное тензометрическое усте позволяет корректировать мульивную погрешность датчика и щего усилителя. Кроме того, вреения с заданной точностью с поэвестного тензометрического а ограничено иэ-за разрядки конв в блоках аналоговой памяти. лее близким к предлагаемому явнзометрическое устройство, сотензомост с блоком питания и чным резистором, подключаеагональ тензомостг с помощью ференциальный усилитель, сумь отрицательной обратной связи ции начального смещения датчи(57) Использование: в качестве тензометрического ус1ройства с автоматической коррекцией погрешностей измепения.

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. ка и нормирующего усилителя, включающую блоки цифровой памяти, Однако известное тензометрическое 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 тенэодатчика может иметь разброс из-за разброса для изменейия 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.3 — схема блока управления, Устройство содержит тензомост 1 с калибровочным резистором 2, который коммутируется параллельно плечу тензомостг 1 с помощью первого ключа 19. Тензомост 1 эапитывается от блока питания 3. Выходной сигнал тензомоста 1 подается на посл .дова1793199 тельно включенные дифференциальный усилитель 4, программируемый усилитель 5, сумматор 6.

Устройство содержит два контура отрицательной обратной связи: контур отрицательной обратной связи для регулировки начального выходного уровня, содержащий интегратор 20, первый компаратор 14, блок управления 13, связанный с тактирующим генератором 10, первый реверсивный счет- "0 чик 11, цифроаналоговый преобразователь

8, и контур отрицательной обратной связи для регулировки коэффициента передачи устройства-, содержащий интегратор 20, первый компаратор 14, блок управления 13 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 высокостабильные источники напряжения начальйого 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 ИЛИ27.

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 мультипликатйвные погрешности. Функция преобразования ИЦ представляется уравнением

Y = Х (Кд Квп + Кд Ь Квп +ЬКд Квп + Ь Кд" 40

"Ь Квп) + Ь (Кд Квп + Кд Ь Квп) + Ь Квп Ь n y где У вЂ” выходной сигнал ИЦ;

Х вЂ” входной сигнал датчика;

К и Квп — коэффициенты преобразования датчика и ВП;

ЬКд и ЬКвп — мультипликативные погрешности датчика и ВП;

Ьд и Ь и — эдди гйвные погрешности датчика и ВП, приведенные к их входам, Пренебрегая произведениями погреш- 50 ности как величинами второго порядка малости. можно записать х Х +Кд Квп Ьд+ Квп Ьвд (!

Из выражения (1) мультипликативная погрешность д К ИЦ

bK- - — + = д Кд+ д Квп (2) ЬКд b Ke.n

Кд Квп приведенная к выходу аддитивная погрешность

Ь Y - Кд Квп Ьд+ Квп Ьв.п (3)

Теоретически предлагаемое тензометрическое устройство с автоматической коррекцией систематических погрешностей на первой стадии работы должно выработать отрицательную реакцию, компенсирующую мультипликативную составляющую погрешности, приведенную к выходу Ь К»

ЬК» = -Кд Квп(— + — j

ЬК ЬК, Кд Кв.п и аддйтивную составляющую, приведенную к выходу Ь Оцвп

Ь Оцвп = (((Кд+ Ь Кд) (Квп Ь Квп) Ьд+ (Квп + Ь Квп) Ь вп ) (1 + Ь К»)).

Дифференциальный усилитель 4 усиливает выходной сигнал тензомоста 1 с коэффициентом усиления Кд.у, равным половине номинального коэффициента передачи Bll

K8.пН. Коэффициент, усиления программируемого усилителя 5 изменяется от 1 до 4.

Такой запас регулировки коэффициентов программируемого усилителя 5 обеспечивает коррекцию систематйческой погрешности чувствительности датчика в диапазоне

*50 от номинального значения. ЦАП обеспечивает регулировку смещения нулевого уровня в диапазоне + Овп, перекрываемом опорными уровнями блока определения знака опорного уровня 9 цифроаналогового преобразователя 8.

По команде "Пуск" запускается тактиру ющий 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 + Uo,, противоположную знаку начального смещения. Далее второй ключ 15 размыкается, переключатель 16 коммутирует на второй вход первого компаратора 14 опорный уровень нулевого выход1793199 со по т став и, Р- х на л пр ны вы кл вт р кл ног но то а

22 и со т ра пр то ст я вьх кл

Сигнал "0" с прямого выхода второго риггера 22 запустит первый реверсивсчетчик 11, а сигнал "1" с инверсного да замкнет ключ 15. После отработки льного выходного уровня с выхода перкомпаратора 14 поступает импульс, коый переведет состояние второго т иггера 22 в "1", Сигнал "0" с инверсного ода второго D-триггера 22 размыкает ч 15, а сигнал "1" с прямого выхода отн и в хо н ча

В го т р р ного сигнала устройства Uo 17 и блок управления 13 разрешает работу первого реверсив ого счетчика 11 в направлении. которое обе печивает компенсацию аддитивной погре ности устройства. В момент равенства нач льного смещения устройства на шине

"Вы од" опоре нулевого выходного уровня

Uo 7 первый компаратор 14 изменяет состо ние и блок управления 13 фиксирует код первого реверсивного счетчика 11, B сле ующем полутакте блок управления 13 ком утирует на второй вход первого компарат ра опорный уровень 18 номинального вых дного сигнала устройства Оп, первый кл ч 19 подключает калибровочный резисто Р 2, и запускается второй реверсивный сче чик 7. Увеличение кода второго реверсив ого счетчика 7 ведет к росту коэффициен а передачи программируемого уси ителя 5 K .y до тех пор, пока напряжени на шине "Выход" не сравняется со значен ем Ul. В этот момент фиксируется код вто ого реверсивного счетчика 7.

Блок управления 13 (фиг.З) работает сре ующим образом.

С выхода генератора тактовых импуль10 на первый вход блока управления 13 упает единичный импульс, который выляет выход счетчика 26 в состояние "1", ройдя через схему ИЛИ, поступает на од первого D-триггера 21, который устаивается в состояние "0". Сигнал "0" с мого выхода запускает второй реверсивсчетчик 7, а сигнал "1" с инверсного ода замыкает ключ 19 и переводит перечатель 16 в состояние, при котором на ой вход первого компаратора 14 подчается источник номинального выходо сигнала 18. После отработки инального выходного уровня с компара14 на счетные входы D-триггеров 21 и оступает импульс, который переведет ояние первого D-триггера 21, остановит оту второго реверсивного счетчика 7 и, йдя через первый ждущий мультивибра23, установит второй 0-триггер 22 в соние "0", а также сигнал "0" с инверсного ода первого D-триггера 21 разомкнет ч 19 и сменит состояние переключателя ключает первый реверсивный счетчик 11, проходит через второй ждущий мультивибратор 24, инкрементирует состояние счетчика 26 и, пройдя через схемы И и ИЛИ, 5 ус ганавливает первый Р-триггер 21 в "0".

Циклы работы блока управления заканчиваются, когда на выходе счетчика появится "0", и схема И закроется. Необходимое количество тактов определяется выбором соответ10 ствующего выхода счетчика 26.

При налички смещения на входе программируемого усилителя 5 проведенные операции регулировки нулевого выходного уровня и коэффициента передачи устройст15 ва не привед т к полной компенсации систематических погрешностей, определяемых выражениями (2) и (3), поскольку смещение вносит погрешность в установление коэффициента гередачи, а приращение коэффи20 циента передачи вызывает изменение смещения нуля устройства. Поэтому следует повторять операции регулировки начально-

r0 уровня и коэффициента передачи. Процесс итераций описывается обобщенными

25 уравнениями кацап! = Uo Ke.ni (Кд д + в.п ) и

VH .- uo + Kâë×. (K„ h,ö + hв.п 3 /, 1

30K"" К ° + + где Uz»i — выходное напряжение ЦАП в I-м такте уравновешивания;

К>.п — коэффициент передачи ВП в l-м

35 такте уравновешивайия;

Ьн- номинальный входной уровень ИЦ.

Введем обозначение членов формулы (4)

40 A—

UH — Uo UH uo с;: ц е х д т ;;, „,, — и

K„h, +h,, Ч Т Б Х ) Б . м и

45 где Л вЂ” аддитивная погрешность, приведенная ко входу ВП.

Выражение для коэффициента переда50 чи ВП в i-м такте уравновешивания запишется

Кв.pi А+ B Квпц или вп1 - A В + A B + ° ° .+A B + B Кв.по

|=1

- А,", В + Квпо В (=о где Кв.« — начальный коэффициент передачи ВП.

ДЛЯ Кв.по 0 МОЖНО ЗаПИСатЬ

1793199

t4 — 0o Кн

«И

Д в

30. 1=1

Квп(А 8l (5)

1=о

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 Л вЂ” аддитивной погрешности, I приведенной к входу ВП. Ряд (5} сходится для I В I < 1 и расходится при I 8 I > 1.

Условию I 8l < 1 соответствует диапазон значений Ж6) -0,55„;(, а условию1 Bl ) 1 облает.ь h,Ë e) -oo;0,6Äö) »

Для I 8l <1сумма ряда(5) при I-o4

ОО

А 81-А ф» 1 или. расписав А и В.

0н-00 . 1 .Кв.П1 ) 1» 00 Н О

Кл(+4 ) »

2+6.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

Тензометрическое устройство е автоматической. коррекцией систематических погрешностей, содержащее последовательно соединенные блок питания тензомоста, тензомост с калибровочным резистором, подключаемым к плечу тензомоста с помощью первого ключа, управляющий вход которого связан с выходом блока управления, дифференциальный усилитель, сумиатор с двумя входами, отрицательную обратную связь, состоящую из последовательно соединен ных интегратора, первого компаратора, бло-. ка 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 сумматора через интегратор, а выход цифроаналогового преобразователя соединен с вторым входом сумматора, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с

Т.е. итерационный процесс регулировки коэффициента передачи ИЦ для области значений b,й) — 0,5Дн," oo(сходится к ноI минальному значению Кн«ц.

Следовательно, полностью компенсируются систематические погрешности устройства, определяемые выражениями (2) и (3) np l-oo.

Величину погрешности установки К в

I-м такте преобразования можно оценить остаточным членом ряда (5)

00 вв»Ввп» А g B .

l -V

15 На второй стадии работы тензометрического устройства производится измерение.

Таким образом, заявленное тенэомет: рическое устройствб, позволяет повысить точность измерений за счет коррекции как

20 аддитивной, так и мультипликативной составляющей систематической погрешности устройства, Технико-экономическим преимущест вом предлагаемого тензометрического уст25 ройства является повышение точности измерения в 2-3 раза по сравнению с прототипом, целью повышения точности, введенй программируемый усилитель, вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя, а выход- с первым входом сумматора, компаратор знака, первый вход которого соединен через второй ключ е 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 соединьн с выходом блока управления, переключатель, выход которого соединен с вторым входом компаратора, а входы — с высокостабильными источниками напряжения начального и номийального уровня выходного сигнала устройства, причем управляющий вход переключателя соединен с выходом блока управления, второй реверсивныи счетчик, первый вход которого связан с тактирующим генератором, второй вход — с выходом блока управления, а выход — с управляющим входом программируемого усилителя.

1793199

1793199

fJ

Фиг. 5

Составитель Е.Щелина

Техред ММоргентал Корректор Н,Слободяник

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 493 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного. комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж 35. Раушская наб., 4/5