Способ коррекции систематической погрешности измерительного преобразователя с параметрическим датчиком

 

Изобретение может быть использовано для измерения электрических и неэлектрических величин с помощью параметрических датчиков. В способе коррекции систематической погрешности измерительного преобразователя с параметрическим датчиком формируют вспомогательный сигнал, пропорциональный напряжению питания датчика или потребляемого им тока, и первое значение выходного сигнала измерительного преобразователя как отношение вспомогательного сигнала к первому значению выходного сигнала датчика. Дополнительно после формирования первого значения f₁ выходного сигнала измерительного преобразователя изменяют напряжение питания датчика, вторично формируют упомянутый вспомогательный сигнал и второе значение f₂ выходного сигнала датчика и вторично сформированного вспомогательного сигнала. 3начение результата измерения Y(Х) определят по формуле где α - коэффициент, равный отношению напряжения питания при определении первого значения f₁ выходного сигнала к напряжению питания при определении второго значения f₂ выходного сигнала. Технический результат: уменьшение постоянных систематических аддитивных погрешностей и порога чувствительности измерительных преобразователей с параметрическим датчиком. 1 ил.

Изобретение относится к области электрических измерений и может быть использовано для повышения точности измерительных преобразователей физических величин.

Известен способ коррекции систематической погрешности измерительного преобразователя, основанный на определении разности выходных сигналов двух дифференциально включенных каналов измерительного преобразователя путем подачи этих сигналов на входы вычитающего устройства (см. кн.: Измерение электрических и неэлектрических величин: Учебн. пособие для вузов / Н.Н. Евтихиев, Я. А. Купершмидт и др.; Под общ. ред. Н. Н. Евтихиева. -М.: Энергоатомиздат, 1989, с. 120-123). На вход одного канала воздействует измеряемая физическая величина, а на вход другого - физическая величина той же природы, но имеющая постоянное значение, в частности, равное нулю. Второй канал служит для компенсации погрешностей, вызванных изменением условий работы прибора. Этот способ обеспечивает компенсацию аддитивной составляющей погрешности измерительного преобразователя (т. е. составляющей, не зависящей от входной величины) благодаря компенсации аддитивных погрешностей первого и второго каналов (см. там же, с. 122). Однако мультипликативная составляющая погрешности (составляющая, зависящая от входной величины) с использованием дифференциальной схемы включения измерительных каналов не корректируется, что является недостатком этого способа.

Известен способ коррекции систематической погрешности измерительного преобразователя, основанный на принципе компенсации (уравновешивающего преобразования) с использованием отрицательной обратной связи, охватывающей измерительный преобразователь (см. там же, с. 123-125). Способ заключается в формировании выходного сигнала с помощью канала прямого преобразования из разностного сигнала, полученного вычитанием из измеряемой величины однородной ей величины, которая формируется из выходного сигнала с помощью точного обратного преобразователя. Такой способ позволяет уменьшить как аддитивную, так и мультипликативную составляющие систематической погрешности измерительного преобразователя. Однако при этом степень уменьшения погрешностей ограничивается характеристиками канала обратного преобразования и величиной коэффициента преобразования канала прямого преобразования. Другим недостатком этого способа является невозможность его использования при измерении величин, для которых не могут быть реализованы обратные преобразователи (при измерении твердости материалов, ускорения) или они обладают большой погрешностью (при измерении температуры, перемещения).

Известен способ коррекции систематической погрешности измерительного преобразователя (наиболее близкий к заявляемому способу), основанный на логометрическом преобразовании сигналов двух каналов преобразования (см. там же, с. 122 - 123). Суть способа-прототипа заключается в том, что формируют вспомогательный сигнал, пропорциональный напряжению питания параметрического датчика или потребляемого им тока, и формируют значение выходного сигнала измерительного преобразователя как отношение вспомогательного сигнала к выходному сигналу параметрического датчика. При использовании большинства параметрических датчиков (индуктивных и емкостных, фото-, термо- и тензорезисторов) их чувствительность пропорциональна напряжению питания, что вызывает мультипликативную составляющую систематической погрешности. Поскольку выходной сигнал логометрического преобразователя является функцией частного от деления двух сигналов, одинаково зависящих от напряжения питания, применение логометрического способа коррекции погрешности позволяет уменьшить мультипликативную составляющую погрешности.

Недостатком описанного способа-прототипа является то, что аддитивная составляющая систематической погрешности при его использовании практически не уменьшается.

Задачей изобретения является повышение точности измерительного преобразователя с параметрическим датчиком путем коррекции аддитивной составляющей постоянной систематической погрешности.

Решение задачи достигается тем, что в способе, основанном на формировании вспомогательного сигнала, пропорционального напряжению питания параметрического датчика или потребляемого им тока, и первого значения f₁ выходного сигнала измерительного преобразователя как отношения вспомогательного сигнала к первому значению выходного сигнала датчика, дополнительно, после формирования первого значения f₁ выходного сигнала измерительного преобразователя изменяют напряжение питания датчика, вторично формируют упомянутый вспомогательный сигнал и второе значение f₂ выходного сигнала измерительного преобразователя как отношение второго значения выходного сигнала датчика к вторично сформированному вспомогательному сигналу, а откорректированное значение выходного сигнала Y(X) определяют в соответствии с выражением где α - коэффициент, равный отношению напряжения питания при определении первого значения f₁ выходного сигнала к напряжению питания при определении второго значения f₂ выходного сигнала.

Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что после формирования первого значения выходного сигнала измерительного преобразователя изменяют напряжение питания датчика, вторично формируют упомянутый вспомогательный сигнал и второе значение f₂ выходного сигнала измерительного преобразователя как отношение второго значения выходного сигнала датчика к вторично сформированному вспомогательному сигналу, а откорректированное значение выходного сигнала Y(X) определяют в соответствии с выражением где α - коэффициент, равный отношению напряжения питания при определении первого значения f₁ выходного сигнала к напряжению питания при определении второго значения f₂ выходного сигнала.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволяет установить соответствие его критерию "новизна".

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию "существенные отличия".

На чертеже приведена структурная схема устройства, иллюстрирующая реализацию предложенного способа. Устройство содержит логометрический измерительный преобразователь ЛИП (1), основным элементом которого является параметрический датчик ПД (2) измеряемой величины X. Питание датчика 2 осуществляется от источника 3 питания ИП. Первый преобразователь П1 (4) выполняет преобразование напряжения питания U_п в сигнал u(U_п), удобный для последующего преобразования. В качестве сигнала u(U_п) может быть использовано само напряжение U_п. Датчик 2 под действием измеряемой величины X вырабатывает сигнал U(X), который вторым преобразователем П2 (5) преобразуется в сигнал u(X), поступающий одновременно с сигналом u(U_п) на входы устройства деления УД (6). Выходные сигналы устройства деления 6 обрабатываются вычислительным устройством ВУ (7). Питание преобразователей 4 и 5, а также устройств 6 и 7 осуществляется от отдельного источника питания.

Величина выходного сигнала параметрических датчиков, используемых в логометрических измерительных преобразователях, пропорциональна напряжению его питания и может быть представлена в виде U(X) = U_п·F(X), (1) где U_п - напряжение питания, F(X) - функция передаточной характеристики датчика 2.

В соответствии с предложенным способом формирование выходного сигнала логометрического измерительного преобразователя выполняют в два этапа, во время которых получают два предварительных значения f₁ и f₂ сигнала измерительного преобразователя с погрешностями, обусловленными неидеальностью каналов преобразования сигнала параметрического датчика и напряжения питания измерительного преобразователя или потребляемого им тока, а затем уточняют значение сигнала измерительного преобразователя по предложенному алгоритму.

На первом этапе формирования сигнала напряжение питания датчика 2 устанавливают равным первому значению U_п1, например номинальным, и из него с помощью первого преобразователя 4 формируют первое значение вспомогательного сигнала u₁(U_п), пропорционального напряжению питания U_п1. С помощью второго преобразователя 5 из первого значения U₁(X) выходного сигнала датчика 2 формируют первое значение сигнала u₁(Х), несущего информацию об измеряемом параметре. Делением сигналов u₁(X) и u₁(U_п) с помощью устройства деления 6 формируют первое значение выходного сигнала f₁ измерительного преобразователя 1. В зависимости от формы графика функции F(X), а это определяется типом и схемой датчика 2, любой из сигналов u₁(Х) и u₁(U_п) может быть и делителем и делимым. Например, в измерительных преобразователях перемещения при использовании индуктивных или вихретоковых датчиков, когда зависимость F(X) близка к обратно пропорциональной, сигнал u₁(U_п) делят на сигнал u₁(X), а при использовании дифференциальных трансформаторов - наоборот - сигнал u₁(X) делят на сигнал u₁(U_п). В результате при делении, например, сигнала u₁(X) на сигнал u₁(U_п) получаем
В процессе формирования сигналов u₁(Х) и u₁(U_п) в них первым 4 и вторым 5 преобразователями вносятся погрешности, в частности постоянные систематические аддитивные погрешности, проявляющиеся в виде постоянного или медленно изменяющегося сдвига передаточных характеристик упомянутых преобразователей.

В соответствии с этим выражение (2) можно записать в виде

где U₁(X) - зависимость выходного сигнала датчика 2 от измеряемого параметра при первом значении напряжения питания;
ΔU₁ и ΔU₂ - напряжения сдвига передаточных характеристик преобразователей 4, 5 и соответствующих входов устройства деления 6, приведенные к входам преобразователей 4 и 5;
K_д, K_и и K_дел - передаточные коэффициенты преобразователей 4, 5 и устройства деления 6 соответственно.

Из (3) после преобразования с учетом (1) получаем

где K= K_д·K_дел/K_u - результирующий коэффициент преобразования преобразователей 4, 5 и устройства деления 6, т. е. всего логометрического измерительного преобразователя 1.

Для наглядности дополнительных пояснений перепишем выражение (4) в виде

где γ = ΔU₂/U(X) - относительная постоянная систематическая аддитивная погрешность преобразования выходного сигнала датчика 2;
β = ΔU₁/U_п1 - относительная постоянная систематическая аддитивная погрешность преобразования напряжения питания.

Учитывая, что, как правило, погрешность β достаточно мала, согласно методам приближенных вычислений отношение (1+γ)/(1+β) можно заменить произведением (1+γ)·(1-β) (см., например, кн. Выгодский М. Я. Справочник по высшей математике. Издание пятое. М.: Гос. изд. физико-математической литературы, 1961, с. 308.).

В результате получаем
f₁ = K·F(X)·(1+γ)·(1-β) = K·F(X)·(1+γ-β-γ·β).
В связи с малыми значениями коэффициентов γ и β их произведением также можно пренебречь и считать, что
f₁ = K·F(X)·(1+γ-β).
Выполняя такую замену в выражении (4) с учетом (1), получаем первое значение выходного сигнала измерительного преобразователя 1 - первое приближение к истинному значению измеряемой величины:

На втором этапе формирования изменяют напряжение U_п питания датчика 2 и с помощью преобразователей 4 и 5 повторно формируют сигналы, которые принимают значения, равные u₂(X) и u₁(U_п):
u₂(X) = U₂(X)+ΔU₂;
u₁(U_п) = U_п2+ΔU₁,
где U_п2 - второе значение напряжения питания измерительного преобразователя 1.

Выполняя аналогичные преобразования, получаем выражение для второго значения выходного сигнала измерительного преобразователя 1, являющегося вторым приближением к истинному значению измеряемой величины:

Вычитая затем (5) из (6), получаем

Решая это уравнение относительно выражения в квадратных скобках и подставляя его в (6), получаем

из которого находим уточненное (откорректированное) значение результата измерения Y(X):

При подстановке выражения в квадратных скобках из (6) в (5) получим такой же результат.

В качестве параметра, характеризующего режим работы датчика 2, в большинстве случаев может быть также использован ток, потребляемый этим датчиком от источника 3 питания. В таком случае характеристика датчика 2 может быть задана функцией
U(X) = I_п·F(X),
где I_п - ток, потребляемый датчиком от источника питания.

Первый преобразователь осуществляет преобразование тока I_п в сигнал u(I_п). Приведенные выше выводы остаются аналогичными, а окончательное выражение для результата измерения Y(X) - без изменений.

В соответствии с изложенным устройство, реализующее предложенный способ, работает следующим образом.

На первом этапе формирования выходного сигнала источник 3 питания вырабатывает первое значение напряжения U_п1 питания датчика 2. Датчик 2 в соответствии со значением измеряемой величины вырабатывает сигнал U₁(X). Преобразователи 4 и 5 формируют сигналы u₁(U_п), пропорциональный напряжению питания датчика 2, и u₁(X), пропорциональный выходному сигналу датчика 2. Выходные сигналы преобразователей 4 и 5 подаются на входы устройства 6 деления. Результат этого деления - первое предварительное значение f₁ - запоминается в памяти вычислительного устройства 7. Затем источник 3 изменяет напряжение питания датчика 2 с кратностью α, которая может быть задана при настройке всего устройства, датчик 2 вырабатывает новое значение своего выходного сигнала U₂(X), которое преобразователем 5 преобразуется в сигнал u₂(Х). В соответствии с изменением напряжения питания преобразователь 4 формирует сигнал u₂(U_п) и устройство 6 деления формирует второе предварительное значение f₂, которое передается в вычислительное устройство 6, выполняющее вычисление по формуле (8). Результат вычисления Y(X) является уточненным значением результата измерения и подается на выход всего измерительного устройства.

Для оценки эффекта, достигаемого реализацией предложенного способа, рассмотрим конкретные примеры.

Пример 1. Измерительный преобразователь перемещений в качестве датчика содержит дифференциальный трансформатор. При напряжении питания U_п = 5 В и измерении некоторого перемещения он создает на своем выходе напряжение U(X) = 2 В. Оба эти напряжения переменные и преобразователи 4 и 5 осуществляют их выпрямление, внося совместно с устройством деления 6 в преобразуемые сигналы аддитивные систематические погрешности в виде смещения ΔU₁ = -0,6 В ΔU₂ = -0,5 В. Коэффициенты K₁ = K₂ = 1, К₃ = 5 (значения коэффициентов K₁ и K₂ определяются как отношение приращений соответствующих выходных и входных сигналов).

Истинные значения выходных сигналов измерительного преобразователя 1 равно u(X) = U(X)·K₁ = 2 В, преобразователя 2 равно u(U_п) = U_п·K₂ = 5 В. Из-за аддитивных погрешностей преобразователей 4 и 5 их выходные сигналы равны u₁(U_п) = 4,4 В и u₁(X) = 1,5 В, а выходной сигнал устройства деления 6 равен f₁ = 1,5/4,4·5 = 1,7045 В. Относительная погрешность формирования этого значения - около 15%.

При изменении напряжения U_п до 3 В (коэффициент α = 0,6) напряжение U(X) становится равным 1,2 В, выходные сигналы преобразователей 4 и 5 - соответственно u₁(U_п) = 2,4 В и u₁(X) = 0,7 В, сигнал f₂ = 0,7/2,4·5 = 1,4583. Относительная погрешность - более 27%.

После вычислений по формуле (8) получаем уточненное значение Y(X) = 2,0738 В. В результате погрешность уменьшилась до 3,7%, т. е. более чем в 4 раза по сравнению с первоначальным значением.

Пример 2. Измерительный преобразователь электронных весов с тензометрическим мостом (датчик представлен одним или несколькими тензорезисторами) питается напряжением U_п = 2 В, которое поступает непосредственно на вход устройства деления 6 с приведенным ко входу напряжением смещения ΔU₁ = -1 мВ (коэффициент K₂ = 1). Выходное напряжение датчика (напряжение измерительной диагонали мостовой схемы) при взвешивании некоторого груза равно U(X) = 10 мВ и усиливается усилителем с коэффициентом усиления K₁ = 500 и приведенным ко входу напряжением смещения ΔU₂ = 5 мВ. При K₃ = 1 истинное значение выходного сигнала измерительного преобразователя равно 2,5 В.

Устройством деления 6 делятся сигналы, равные u₁(U_п) = 1,999 В и u₁(X) = 7,5 В. Первое значение сигнала устройства деления 6 равно f₁ = 7,5/1,999 = 3,751876 В (относительная погрешность более 50%).

При уменьшении напряжения U_п до 1,2 В (коэффициент α = 0,6) напряжение U(X) = 6,0 мВ. Устройством деления 6 делятся сигналы, равные u₁(X) = 5,5 В и u₁(U_п) = 1,199 В. Второе значение выходного сигнала устройства деления 6 равно f₂ = 4,587156 В. Относительная погрешность формирования f₂ превышает 83%.

После вычислений по формуле (8) получаем уточненное значение Y(X) = 2,4989 В с относительной погрешностью 0,042%, т. е. погрешность уменьшилась почти в 1200 раз.

Как видно из этих примеров, при реализации предлагаемого способа значительно уменьшается влияние аддитивных систематических погрешностей обоих каналов преобразования логометрического измерительного преобразователя на результат измерения, а следовательно, уменьшается и суммарная погрешность измерений. Это позволит выполнять точные измерения при пониженных напряжениях питания датчиков, а следовательно, при меньшем их разогреве током питания, что дополнительно повысит точность измерений и обеспечит возможность снижения веса и габаритных размеров измерительных устройств, повысить их экономичность. Благодаря уменьшению порога чувствительности за счет уменьшения аддитивной погрешности нижний предел измерения может быть уменьшен на несколько порядков. В измерительных приборах могут быть использованы низкоомные (вплоть до долей ома) термо- и тензорезисторы, выполненные из проводящего материала с достаточно большим сечением, т. е. более технологичные, стабильные и надежные. Аналоговые блоки измерительных преобразователей также могут быть выполнены на дешевых, грубых и нестабильных элементах.

Формула изобретения

Способ коррекции систематической погрешности измерительного преобразователя с параметрическим датчиком, заключающийся в том, что формируют вспомогательный сигнал, пропорциональный напряжению питания датчика или потребляемого им тока, и первое значение f₁ выходного сигнала измерительного преобразователя как отношение вспомогательного сигнала к первому значению выходного сигнала датчика, отличающийся тем, что после формирования первого значения выходного сигнала измерительного преобразователя изменяют напряжение питания датчика, вторично формируют упомянутый вспомогательный сигнал и второе значение f₂ выходного сигнала измерительного преобразователя как отношение второго значения выходного сигнала датчика к вторично сформированному вспомогательному сигналу, а значение результата измерения Y(X) определяют по формуле

где α - коэффициент, равный отношению напряжения питания при определении первого значения f₁ выходного сигнала к напряжению питания при определении второго значения f₂ выходного сигнала.

РИСУНКИ

Рисунок 1