Способ измерения физической величины и устройство для его осуществления
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах для измерения силы, давления, угловых перемещений и т.д. Чувствительный элемент подвергают физическому воздействию. При помощи компьютера организуют электроколебательный процесс путем воздействия на формирователь электрического сигнала, соединенный с чувствительным элементом, сигналом компьютера, осуществляя периодическую компенсацию электрического параметра чувствительного элемента. В результате электроколебательного процесса формируется сигнал, частота которого определяется измеряемой величиной. Техническим результатом применения предлагаемого технического решения является обеспечение независимости результатов измерений от параметров формирователя электрического сигнала и повышение точности измерений. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах для измерения силы, давления, углового перемещения и других физических величин.
Известен способ измерения перемещения, заключающийся в том, что из входного напряжения при помощи емкостных датчиков формируют два напряжения, разность между которыми характеризует перемещение, причем входное напряжение формируют в виде разности между опорным напряжением и напряжением, сформированным из выходных напряжений емкостных датчиков [1].
Устройство для осуществления известного способа содержит источник опорного напряжения, генератор импульсов, выход которого соединен со входом электронного ключа, емкостный датчик, две диодно-резисторные цепи, включенные между выходом генератора и входами фильтров, выходы которых соединены со входами первого сумматора, второй сумматор, входы которого подключены к выходу первого сумматора и к источнику опорного напряжения, а выход подключен к шине питания электронного ключа и к выходу устройства, причем емкостный датчик подключен к средней точке соединения диода и резистора первой диодно-резисторной цепи [1].
Недостатком известного технического решения является невысокая точность измерений ввиду того, что на результат измерений влияют параметры диодно-резисторных цепей и других аналоговых элементов схемы.
Наиболее близким к предложенному является способ измерения физической величины, заключающийся в том, что подвергают физическому воздействию чувствительный элемент, формируют, используя электрический параметр чувствительного элемента, периодический электроколебательный процесс, в результате чего получают электрическое напряжение, частота которого определяется измеряемой величиной, путем преобразования уровня этого напряжения формируют электрический сигнал, который подают на вход аудиоадаптера компьютера, конфигурация которого соответствует спецификации Multimedia Personal Computer, и далее определяют значение измеряемой величины путем программной обработки этого сигнала с использованием информации о передаточных характеристиках чувствительного элемента и формирователя электроколебательного процесса [2].
Устройство для осуществления этого способа и наиболее близкое к предложенному содержит компьютер, конфигурация которого соответствует спецификации Multimedia Personal Computer, чувствительный элемент, соединенный с ним формирователь переменного электрического напряжения, содержащий частотозадающие элементы, дополнительный преобразователь уровня напряжения, выход которого является выходом формирователя и соединен со входом аудиоадаптера компьютера, причем частотозадающие элементы формирователя имеют параметры, обеспечивающие частоту информационно-значимых составляющих частотного спектра его выходного напряжения в пределах, удовлетворяющих параметрам входа аудиоадаптера компьютера во всем диапазоне измерения физической величины. Дополнительный преобразователь уровня выполнен в виде оптоэлектронных, согласованных между собой, приемника и передатчика или в виде трансформатора [2].
Недостатком известного технического решения является невысокая точность измерения физической величины, вызванная отсутствием компенсации нестабильности передаточных характеристик и параметров частотозадающих элементов формирователя переменного электрического напряжения. В частности, температурные и временные изменения коэффициента передачи формирователя, а также его частотозадающей емкости или индуктивности приводят к погрешности измерений, которая при обработке сигнала в компьютере не может быть скомпенсирована.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности измерений физической величины за счет обеспечения независимости полученного результата измерений от параметров формирователя переменного электрического напряжения.
В способе измерения физической величины, заключающемся в том, что подвергают физическому воздействию чувствительный элемент, организуют периодический электроколебательный процесс, используя электрический параметр чувствительного элемента, в результате чего формируют электрический сигнал, частота которого определяется измеряемой величиной, а также осуществляют программную обработку этого сигнала с использованием информации о передаточных характеристиках чувствительного элемента, решение поставленной задачи достигается тем, что указанный электроколебательный процесс организуют при помощи компьютера или микроконтроллера, для чего формируют дополнительный выходной сигнал компьютера или микроконтроллера и воздействуют этим сигналом на формирователь электрического сигнала.
При воздействии выходным сигналом компьютера или микроконтроллера на формирователь электрического сигнала могут осуществлять компенсацию электрического параметра чувствительного элемента, изменяющегося под воздействием измеряемой физической величины.
Для достижения поставленной цели в предложенном способе измерения возможна организация двух или более периодических электроколебательных процессов и формирование в результате этого двух или более электрических сигналов, частоты которых определяются измеряемой величиной, а также осуществление программной обработки двух и более сигналов и формирование нескольких дополнительных выходных сигналов компьютера или микроконтроллера и воздействие этими сигналами на формирователи электрических сигналов.
В устройстве для осуществления предложенного способа измерения физической величины, содержащем компьютер или микроконтроллер, чувствительный элемент и соединенный с ним формирователь электрического сигнала, выход которого соединен со входом компьютера или микроконтроллера, решение поставленной задачи достигается тем, что формирователь электрического сигнала содержит интегратор, а указанный компьютер или микроконтроллер снабжается дополнительным выходом, который соединяется с дополнительным входом формирователя электрического сигнала, предназначенным для организации электроколебательного процесса с использованием электрического параметра чувствительного элемента при помощи указанного компьютера или микроконтроллера.
Формирователь электрического сигнала может иметь два или более выходов и дополнительных входов, соединенных соответственно со входами и дополнительными выходами компьютера или микроконтроллера.
Реализация в измерителе физической величины указанных отличительных признаков заявленного технического решения обеспечивает независимость результатов измерения физической величины от параметров формирователя электрического сигнала и благодаря этому позволяет получить технический результат - повышение точности измерений.
На фиг.1 приведен пример устройства, реализующего предложенный способ измерения, на фиг.2 - временная диаграмма его работы.
Устройство для измерения физической величины содержит чувствительный элемент 1, соединенный с ним формирователь электрического сигналов 2, выход или выходы которого соединены со входом компьютера или микроконтроллера 3. Компьютер или микроконтроллер 3 снабжается одним или несколькими дополнительным выходами 4 (4'), которые соединяются с дополнительными входами 5 (5') формирователя электрических сигналов 2.
Чувствительный элемент 1 может быть выполнен, в частности, в виде полумоста или моста из тензорезисторов или магниторезисторов 6-9. Формирователь электрических сигналов 2 в общем случае имеет многоканальное исполнение. Каждый канал формирователя может содержать интегратор, реализованный на операционном усилителе 10 (10'), конденсаторе 11 (11’) и резисторе 12 (12').
В качестве микроконтроллера может быть использован, в частности, однокристальный микроконтроллер PIC16C505 фирмы Microchip.
Поясним суть предложенного способа измерения на примере работы реализующего его устройства.
Измеряемая физическая величина, например давление или сила, воздействуют на чувствительный элемент 1. Если этот элемент выполнен в виде тензомоста, то воздействие давления или силы приводят к изменению напряжения на каждой половине моста и, соответственно, напряжения на диагонали моста.
При измерении линейного или углового положения на чувствительный элемент 1 воздействуют, в частности, магнитным полем, а элементы моста 6 - 9 выполняют из магниторезисторов. В этом случае выходное напряжение полумоста или моста также определяется значением измеряемой физической величины. Зависимость этого напряжения Ul, U1' (см.фиг.1) заранее известна и определяется характеристикой чувствительного элемента 1
U1=F(A); U1'=F'(A), (1)
где U1, U1' - входные напряжения каждого полумоста (выходные напряжения чувствительного элемента 1);
А - значение измеряемой физической величины;
F, F' - передаточные характеристики каждого полумоста чувствительного элемента 1.
Каждый канал формирования электрического сигнала работает следующим образом.
Напряжение U1 с выхода полумоста чувствительного элемента 1 поступает на вход операционного усилителя 10, включенного по схеме интегратора. Если напряжение на выходе операционного усилителя U2 и, соответственно, на входе компьютера 3 мало (см. фиг.2), то компьютер 3 на своем дополнительном выходе 4 формирует низкий уровень напряжения U3 (см. фиг.2). Напряжение на выходе операционного усилителя 10 при этом начинает возрастать с постоянной времени, определяемой конденсатором 11 и резистором 12.
Компьютер или микроконтроллер 3 в фиксированные моменты времени, показанные на оси времени на фиг.2 символами "х", производит опрос своего входного сигнала U2 (выходного напряжения операционного усилителя 10). Если это напряжение не превышает пороговый уровень Uo, компьютер или микроконтроллер 3 сохраняет низкий уровень потенциала на своем дополнительном выходе 4.
К стабильности порогового уровня Uo особых требований не предъявляется. Поэтому этот уровень может быть задан триггером Шмидта, которые обычно устанавливаются на цифровых входах компьютеров и микроконтроллеров.
В момент времени t1 напряжение U2 достигает уровня Uo. Компьютер или микроконтроллер 3 выявляет это в момент времени t2 и устанавливает на своем дополнительном выходе, а следовательно, и на дополнительном входе формирователя 2 напряжение фиксированной амплитуды Ео. Это напряжение удерживается компьютером или микроконтроллером в течение фиксированного интервала времени То и далее вновь становится равным нулю.
За время действия напряжения U3, превышающего по величине выходное напряжение чувствительного элемента 1, происходит понижение выходного напряжения операционного усилителя 10. После этого под действием выходного напряжения чувствительного элемента 1 напряжение на выходе операционного усилителя 10 U2 вновь начинает повышаться и далее процессы в схеме повторяются.
Таким образом, в устройстве с участием компьютера дли микроконтроллера организуется электроколебательный процесс. Скорость нарастания напряжения на выходе формирователя электрических сигналов U2 определяется выходным напряжением (электрическим параметром) U1 чувствительного элемента 1 и, соответственно, значением измеряемой физической величины.
Из изложенного описания работы устройства следует, что средние значения напряжений U1 и U3 всегда равны, т.е. компьютер (микроконтроллер) в процессе воздействия на формирователь электрического сигнала осуществляет компенсацию напряжения U1 - электрического параметра чувствительного элемента, изменяющегося под воздействием измеряемой физической величины.
Поэтому частота сигнала на дополнительном выходе 4 компьютера или микроконтроллера 3 определяется выражением
f=U1
Eo/To, (2)
и не зависит от параметров формирователя (интегратора) электрического сигнала 2.
Изменение емкости конденсатора 11, сопротивления резистора 12, порогового уровня напряжения Uo или смещения уровня выходного напряжения операционного усилителя 10 приводят только к изменению амплитуды и размаха пилообразного напряжения U2, но не влияют на частоту f.
Параметры То и Ео в отличие от коэффициента передачи какого-либо формирователя и параметров частотозадающих элементов легко стабилизировать. В частности, значение интервала времени То определяется встроенным кварцевым генератором компьютера или микроконтроллера и его нестабильность близка к нулю. Значение амплитуды Ео также легко стабилизировать с высокой степенью точности путем применения, например, прецизионных ограничителей напряжения, выполненных на микросхемах (КР142ЕН19 и т.п.).
Если чувствительный элемент выполнен по полной мостовой схеме, то одновременно с формированием периодического электрического сигнала по напряжению U1 осуществляют одновременное и независимое формирование второго периодического сигнала по напряжению U1’. В результате этого получают частоту
f’=U1’Ео/То. (3)
Результирующая оценка значения физической величины при этом может производиться по разности частот
f-f’=(U1-U1')Eo/To. (4)
Компьютер или микроконтроллер 3 кроме организации одного (при полумостовой схеме чувствительного элемента 1) или нескольких (при мостовой схеме) колебательных процессов осуществляет программную обработку сигналов с использованием информации о передаточных характеристиках чувствительного элемента и определяет значение измеренной физической величины.
Это выполняется следующим образом.
Компьютер или микроконтроллер 3, используя формулу (2) или (4) и контролируя значение частоты на своем дополнительном выходе или разности частот на дополнительных выходах, определяет выходной электрический параметр чувствительного элемента, в частности напряжение или разность напряжений
U1-fTo/Eo или U1-U1'=(f-f)To/Eo. (5)
Далее компьютер или микроконтроллер с использованием формулы (1), которая хранится в его памяти, вычисляет значение измеряемой физической величины и формирует выходной сигнал устройства.
Из изложенного следует, что в предложенном техническом решении путем организации колебательных процессов с участием компьютера или микроконтроллера обеспечивается независимость результатов измерения физической величины от параметров формирователя электрического сигнала. Благодаря этому достигается необходимый технический результат - повышение точности измерений.
Источники информации
1. Авт. св. СССР № 1026081 А, МПК3 G 01 R 27/26, 1993.
2. Патент России № 2110770, МПК6 G 01 D 3/02, 1998.
Формула изобретения
1. Способ измерения физической величины, заключающийся в том, что подвергают физическому воздействию чувствительный элемент, организуют периодический электроколебательный процесс, используя электрический параметр чувствительного элемента, в результате чего формируют электрический сигнал, частота которого определяется измеряемой величиной, а также осуществляют программную обработку этого сигнала с использованием информации о передаточных характеристиках чувствительного элемента, отличающийся тем, что указанный электроколебательный процесс организуют при помощи компьютера или микроконтроллера, для чего формируют дополнительный выходной сигнал указанного компьютера или микроконтроллера и воздействуют этим сигналом на формирователь электрического сигнала.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при воздействии выходным сигналом указанного компьютера или микроконтроллера на формирователь электрического сигнала осуществляют компенсацию электрического параметра чувствительного элемента, изменяющегося под воздействием измеряемой физической величины.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что формируют два или более периодических электроколебательных процесса, используя электрические параметры чувствительного элемента, в результате чего получают два или более электрических сигнала, частоты которых определяются измеряемой величиной, осуществляют программную обработку этих сигналов, а электроколебательные процессы организуют при помощи указанного компьютера или микроконтроллера, для чего формируют дополнительные выходные сигналы указанного компьютера или микроконтроллера и воздействуют этими сигналами на формирователи электрических сигналов.
4. Устройство для измерения физической величины, содержащее компьютер или микроконтроллер, чувствительный элемент и соединенный с ним формирователь электрического сигнала, выход которого соединен со входом указанного компьютера или микроконтроллера, отличающееся тем, что формирователь электрического сигнала содержит интегратор, а указанный компьютер или микроконтроллер содержит дополнительный выход, соединенный с дополнительным входом формирователя электрического сигнала, предназначенным для организации электроколебательного процесса с использованием электрического параметра чувствительного элемента при помощи указанного компьютера или микроконтроллера.
5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что формирователь электрического сигнала имеет два или более выходов и дополнительных входов, соединенных соответственно со входами и дополнительными выходами указанного компьютера или микроконтроллера.
