Способ температурной компенсации дифференциальных датчиков с линейными характеристиками
Владельцы патента RU 2330243:
Государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" ГОУ ВПО "ТГТУ" (RU)
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении физических величин с использованием дифференциальных датчиков на базе первичных измерительных преобразователей с раздельными электрическими выходами и неидентичными линейными характеристиками. Технический результат: повышение точности измерения. Сущность: определяют постоянные величины k и С по экспериментальным данным, полученным в статическом режиме при изменяющейся температуре окружающей среды линейной регрессией функции y=k·F(X0,T)+k1X·X+C, где у - разность сигналов опорного и измерительного первичных преобразователей (ПП) датчика. При измерениях осуществляют преобразование сигналов датчика из аналоговых в цифровые. Вычислительное устройство вычисляет значение измеряемой величины Х по формуле:
где F(X0, T) - числовое значение напряжения с опорного ПП, F(X1, T) - числовое значение напряжения с измерительного ПП, 1/k1X - коэффициент пропорциональности, определяемый при градуировке датчика. 4 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении физических величин с использованием дифференциальных датчиков на базе первичных измерительных преобразователей с раздельными электрическими выходами и линейными характеристиками.
Аналогом данного изобретения является способ температурной компенсации тензорезисторных датчиков относительного давления с герметичной внутренней полостью и мостовой измерительной цепью (патент РФ №2267756 RU), отличающийся тем, что определяют температурные коэффициенты сопротивления (ТКС) всех плеч мостовой схемы, начальный разбаланс датчика и выходной сигнал датчика при номинальном давлении, затем рассчитывают эквивалентное значение ТКС мостовой цепи датчика от температурного расширения фиксированного значения давления газа, загерметизированного во внутренней полости датчика, и определяют величину термонезависимого компенсационного резистора, который включают в одно из плеч мостовой схемы.
Недостатком данного способа является то, что для определения плеча, к которому необходимо привести изменение от загерметизированного в датчике давления при изменении температуры и разброса ТКС тензорезисторов, необходимо оценить эквивалентное значение ТКС от изменения внутреннего давления и ТКС мостовой измерительной схемы из-за технологического разброса ТКС тензорезисторов.
Прототипом данного изобретения является способ температурной компенсации тензорезисторных датчиков (патент РФ №2027142 RU), отличающийся тем, что измеряют начальные выходные сигналы датчика при двух значениях рабочего диапазона температур, включают термочувствительный резистор в одно из плеч мостовой схемы и герметизируют датчик в нормальных климатических условиях.
Недостатком данного способа является то, что датчик необходимо герметизировать в нормальных климатических условиях, так как невыполнение данного условия ведет к возрастанию погрешности измерения, а применение термочувствительного резистора, изготовленного из другого, чем тензорезисторные датчики, материала ведет к существенному ограничению динамического диапазона измеряемых величин.
Технической задачей изобретения является повышение точности измерения и упрощение процесса градуировки.
На Фиг.1 показана структурная схема автоматической температурной компенсации дифференциального датчика, где
1, 10 - сумматоры;
2 - источник опорной величины (ИОВ);
3 - опорный первичный измерительный преобразователь (Д0);
4 - первичный измерительный преобразователь (Д1);
5 - устройство индикации (УИ);
Х0 - входная опорная величина;
Х - измеряемая величина;
F(X0, T) - выходной сигнал опорного ПИП;
F(X1, T) - выходной сигнал измерительного ПИП;
у - выходной сигнал дифференциального датчика;
Т - температура окружающей среды;
На Фиг.1 сигнал Х0 источника опорной величины 2 и Х измеряемой величины попадают на сумматор 1, с выхода которого сигнал X1 поступает на первичный измерительный преобразователь (ПИП) 4. Сигнал Х0 поступает на опорный ПИП 3. Полученные выходные сигналы F(X0, T) и F(X1, T) попадают в сумматор 10, с выхода которого сигнал у поступает на устройство индикации (УИ) 5.
В случае автоматической температурной компенсации дифференциального датчика имеем:
Х0=const
F(X0,T)=k0Х·X0+k0T·T+C, где k0Х=const, k0Т=const, С=const.
Следовательно,
,
где С0=const
,
где k1Х=const, k1T=const, C1=const
Необходимым условием физической реализации автоматической температурной компенсации дифференциального датчика является идентичность характеристик опорного и измерительного датчика, то есть в этом случае:
Таким образом, при подстановке (2) и (3) в (4) с учетом (5) получаем:
y=-k1Х·X+C,'
то есть разность сигналов опорного и измерительного датчика прямо пропорциональна измеряемой величине Х и не зависит от температуры окружающей среды. Такое техническое решение весьма сложно технологически, а в некоторых случаях невозможно, т.к. датчики с идентичными свойствами не удается изготовить.
Применение численных способов температурной компенсации связано с градуировкой датчика по температурному каналу, с измерением температуры датчика и, следовательно, приводит к дополнительной погрешности измерения.
Таким образом, в общем случае
k0Т≠k1T
и в результате преобразований получаем
k=const, k1Х-const, C=const
При подстановке (4) в (6) получаем
Значение величин k и С определяют при обработке данных, полученных в статическом режиме (т.е. при Х=0) при изменяющейся в пределах рабочего диапазона температуре окружающей среды Т, выполняя линейную регрессию функции (6), причем само измерение величины Т в этом случае не нужно. Коэффициент пропорциональности 1/k1Х определяется при градуировке датчика.
Для физической реализации данного способа мы предлагаем структурные схемы численных способов температурной компенсации, показанные на Фиг.2 и Фиг.3, где
1 - сумматор;
2 - источник опорной величины (ИОВ);
3 - опорный первичный измерительный преобразователь (Д0);
4 - первичный измерительный преобразователь (Д1);
5 - устройство индикации (УИ);
6 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
7 - вычислительное устройство (ВУ);
8 - аналоговый коммутатор (АК);
9 - цифровой коммутатор (ЦК);
Х0 - входная опорная величина;
Х - измеряемая величина;
F(X0, T) - выходной сигнал опорного ПИП;
F(X1, Т) - выходной сигнал измерительного ПИП;
Т - температура окружающей среды.
На Фиг.2 сигнал Х0 источника опорной величины 2 и Х измеряемой величины попадают на сумматор 1, с выхода которого сигнал X1 поступает на первичный измерительный преобразователь (ПИП) 4. Сигнал Хо поступает на опорный ПИП 3. Полученные выходные сигналы F(X0, T) и F(X1, T) попадают в сумматор 1, с выхода которого сигнал у поступает в аналоговый коммутатор (АК) 8, затем каждый из них преобразуется в цифровой сигнал в аналого-цифровом преобразователе (АЦП) 6, после чего оба попадают в вычислительное устройство (ВУ) 7, где производится вычисление измеряемой величины Х по формуле (7) и затем результат выводится на устройство индикации (УИ) 5.
На Фиг.3 сигнал Х0 источника опорной величины 2 и Х измеряемой величины попадают на сумматор 1, с выхода которого сигнал X1 поступает на первичный измерительный преобразователь (ПИП) 4. Сигнал Х0 поступает на опорный ПИП 3. Полученные выходные сигналы F(X0, T) и F(X1, T) поступают на отдельные аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 6, затем в цифровой коммутатор (ЦК) 9, после чего оба попадают в вычислительное устройство (ВУ) 7, где производится вычисление измеряемой величины Х по формуле (7) и затем результат выводится на устройство индикации (УИ) 5.
На Фиг.4 показан общий вид дифференциального датчика для реализации данного способа температурной компенсации, представляющего собой оптрон с открытым каналом связи. Устройство работает следующим образом. Шторка 1 (в данном случае это сумматор) одним концом жестко закреплена на исследуемом объекте. Под действием излучения от источника опорной величины 2 (в данном случае это излучатель) в опорном ПИП 4 и измерительном ПИП 3 (фотодиоды с линейными характеристиками) возникает фототок. Под действием измеряемой величины Х происходит перемещение шторки 1, что вызывает изменение фототока в измерительном ПИП 3. Изменение фототока в опорном ПИП 4 происходит при изменении температуры окружающей среды. Далее обработка полученных сигналов (F(X0, T) и F(X1, T)) производится в соответствии с описанием к структурным схемам на Фиг.2 или Фиг.3.
С целью повышения удобства, оперативности и повышения точности измерения, а также использования данного датчика в цифровых автоматизированных системах и приборах, вычисление результатов измерения производится вычислительным модулем, соединенным с датчиком в единую электронную схему устройством сопряжения. Один из вариантов схемы устройства сопряжения показан на Фиг.5. В этом случае в качестве вычислительного модуля используется ПЭВМ типа IBM PC, подключаемая к устройству через последовательный порт RS232. Устройство работает следующим образом. При подключении питания излучение с излучателя VD1 (инфракрасный светодиод TSAL 6200 фирмы Vishay Telefunken) попадает на фотоприемники VD2 и VD3 (PIN-фотодиоды из монокристаллического кремния BPW34 фирмы Vishay Telefunken) с линейными характеристиками. Характеристики и режим работы VD1 позволяют считать X0=const. С фотоприемников сигналы поступают на нормирующие усилители DA3 и DA4 (LM135 фирмы National Semiconductor). Выход каждого нормирующего усилителя подключен к входам аналогового коммутатора (выводы 2 и 3 DD2 - микросхема К561КТ3). Программно проверяется состояние триггера DD1.1 (микросхема К561ТМ2) и при необходимости производится его установка в состояние логической "1" на выводе 1, что соответствует режиму измерения сигнала опорного датчика.
Далее нормированное напряжение с вывода 7 DA4.2 поступает через соответствующий канал DD2 и делитель напряжения на резисторах R9 и R10 на вход АЦП DD3 (в данном случае используется 12-разрядный АЦП с последовательным интерфейсом ADS1286 фирмы Burr-Brown). Микросхема DA5 (LM136-2.5V фирмы National Semiconductor) является источником опорного напряжения АЦП. Затем, в соответствии с протоколом связи АЦП, производится измерение, преобразование и передача данных в ПЭВМ. Для преобразования значений напряжения стандарта TTL, в котором работает АЦП, к значениям протокола RS232 (и наоборот) в данной схеме используются ИМС DD4 и DD5. DD4 (микросхема КР1561ТЛ1) представляет собой набор триггеров Шмитта с инверсией, а DD5 является универсальным асинхронным приемопередатчиком для сопряжения с асинхронными каналами последовательных данных с встроенным удвоителем и инвертором напряжения (микросхема ST232 фирмы STMicroelectronics). Затем, по спаду положительного импульса на выводе 3 DD1.1 на выводе 1 DD1.1 устанавливается значение логического "0", а на выводе 2 DD1.1 логической "1", что соответствует режиму измерения напряжения на выходе нормирующего усилителя (вывод 7 DA3.2), к входу которого (вывод 2 DA3.1) подключен фотоприемник VD2. В дальнейшем процесс измерения напряжения на выходе нормирующего усилителя измерительного датчика аналогичен измерению напряжения на опорном датчике. Затем в вычислительном модуле производится вычисление значений веса с подстановкой соответствующих значений в формулу (7). Стабилизация напряжений питания +5 вольт и +9 вольт осуществляется в устройстве сопряжения соответственно микросхемами DA1 (микросхема LM78L05 фирмы National Semiconductor) и DA2 (микросхема LM78L09 фирмы National Semiconductor). Питание устройства осуществляется от источника постоянного напряжения 11,2÷30 вольт и током нагрузки не менее 25 мА.
Способ температурной компенсации дифференциального датчика с линейными характеристиками, содержащего два первичных преобразователя (ПП) с не идентичными линейными характеристиками, имеющих раздельный электрический выход, причем, один из преобразователей является опорным и предназначен для преобразования сигнала от источника опорной величины в выходной сигнал, а другой - измерительный предназначен для преобразования суммарного сигнала источника опорной величины и измеряемой величины в выходной сигнал, при котором осуществляют преобразование выходных сигналов ПП из аналоговых в цифровые, затем цифровые сигналы поступают в вычислительное устройство, где вычисление значения измеряемой величины Х производят по формуле
где F(X0, T) - числовое значение напряжения с опорного ПП, F(X1, T) - числовое значение напряжения с измерительного ПП, 1/k1X - коэффициент пропорциональности, определяемый при градуировке датчика, k и С - постоянные величины для данного датчика, определяемые по экспериментальным данным, полученным в статическом режиме (при Х=0) при изменяющейся температуре окружающей среды линейной регрессией функции y=k·F(X0,T)+k1X·X+C, где у - разность сигналов опорного и измерительного ПП.
