Способ коррекции статической характеристики измерительного преобразователя и устройство для его осуществления

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для коррекции статических характеристик измерительных преобразователей давления, силы, углового перемещения и других физических величин. Использование изобретения позволяет получить технический результат - повысить линейность статической характеристики измерительного преобразователя и обеспечить ее инвариантность к факторам, влияющим на процесс измерения. Способ коррекции статической характеристики измерительного преобразователя, имеющей вид Z=f(X), заключается в том, что физическую величину X преобразуют посредством функции F₀ в величину Y, вычитают из нее компенсирующую однородную величину У_к, производят преобразование величины некомпенсации ΔY=Y-Y_k, преобразуют полученную величину в величину Z, осуществляют с помощью функции F₁ преобразование величины Z в величину Y_х, и преобразуют полученную величину У_х путем параметрического преобразования Y_к=F₂(Y_х, Θ), при этом преобразование F₂, осуществляемое с учетом факторов Т, влияющих на процесс измерения физической величины X, представляет собой математическую модель преобразования Y_x в Y_к и выражается в виде: F₂=f[F₀, F₁]. Устройство для коррекции статической характеристики измерительного преобразователя включает преобразователь (1) измеряемой физической величины X в величину Y, состоящий из первичного преобразователя (2) и первого АЦП (3), устройство сравнения (4), интегратор (5), ЦАП (6), АЦП (7), блок математической модели (8), реализованный на микропроцессоре, и датчики (9) факторов, влияющих на процесс измерения физической величины X. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для коррекции статических характеристик измерительных преобразователей давления, силы, углового перемещения и других физических величин.

Нелинейность статической характеристики измерительного преобразователя, его чувствительность к влияющим на процесс измерения факторам может существенно искажать получаемую с него информацию, поэтому для коррекции статической характеристики используют различные способы.

Известен способ коррекции статической характеристики измерительного преобразователя, основанный на аппроксимации функции, обратной к статической характеристике преобразователя, с помощью степенного полинома с точностью, превышающей точность преобразования [1].

Недостатком известного способа является необходимость учета нелинейности и чувствительности к влияющим факторам всех операций, что приводит к усложнению аппроксимации обратной функции и ее последующей реализации.

В качестве прототипа заявляемого способа выбран способ коррекции нелинейности статической характеристики измерительного преобразователя, имеющей вид Z=f(X), который основан на использовании компенсационного преобразования [2]. Он заключается в том, что преобразуют измеряемую физическую величину X посредством прямой функции измерительного преобразователя F₀ в величину Y, вычитают из нее компенсирующую однородную величину Y_к, производят преобразование величины некомпенсации ΔY=Y-Y_к, преобразуют полученную величину в величину Z, осуществляют с помощью функции F₁ обратное преобразование величины Z в величину Y_к, однородную величине Y, и производят сравнение величин Y и Y_к.

Устройство для осуществления указанного способа включает преобразователь физической величины X в величину Y, связанный своим выходом с неинвертирующим входом устройства сравнения, выход которого подсоединен ко входу преобразователя некомпенсации, выходом связанного со входом преобразователя входного сигнала в величину Z, выход которого подключен ко входу обратного преобразователя величины Z в величину У_к, однородную величине Y, связанного своим выходом с инвертирующим входом устройства сравнения [2].

Недостатком указанного способа и устройства является зависимость погрешности измерения от нелинейности и чувствительности к влияющим факторам первичного и обратного преобразования, что приводит к недостаточной линейности статической характеристики измерительного преобразователя и ее неинвариантности к факторам, влияющим на процесс измерения.

Задача, решаемая изобретением, - повышение линейности статической характеристики измерительного преобразователя и обеспечение ее инвариантности к факторам, влияющим на процесс измерения.

Указанная задача решается тем, что в способе коррекции статической характеристики измерительного преобразователя, имеющей вид Z=f(X), в котором физическую величину X посредством функции F₀ преобразуют в величину Y, вычитают из нее компенсирующую однородную величину Y_к, производят преобразование величины некомпенсации ΔY=Y-Y_к, преобразуют полученную величину в величину Z и осуществляют с помощью функции F₁ преобразование величины Z в величину Y_х, в качестве Y_к используют величину, полученную в результате параметрического преобразования Y_к=F₂(Y_х, Θ), осуществляемого с учетом факторов Т, влияющих на процесс измерения физической величины X, при этом F₂ представляет собой математическую модель преобразования Y_x в Y_к, выраженную в виде:

F₂=f[F₀, F₁],

при этом параметры Θ функции F₂ определяются путем задания известных значений измеряемой физической величины X и факторов Т, измерения текущего значения Z, вычисления разности между текущим значением Z и соответствующим значением по номинальной характеристике Z_н=F_н(X), интегрирования разности ΔZ=Z-Z_н по времени и использования ΔZ для регулирования параметров Θ функции F₂ с целью сведения разности ΔZ к нулю, а в качестве преобразования некомпенсации ΔY используют операцию интегрирования по времени.

Устройство для осуществления способа коррекции статической характеристики измерительного преобразователя, имеющей вид Z=f(X), включающее преобразователь физической величины X в величину Y, связанный своим выходом с неинвертирующим входом устройства сравнения, выход которого подсоединен к входу преобразователя некомпенсации, выходом связанного с входом преобразователя входного сигнала в величину Z, выход которого подключен к входу обратного преобразователя величины Z в величину Y_х, снабжено блоком математической модели преобразования величины У_х в величину Y_к, однородную величине Y, содержащим n входов, при этом первый вход подсоединен к выходу обратного преобразователя, остальные (n-1) входов подключены к датчикам влияющих факторов Т, выход связан с инвертирующим входом устройства сравнения, а преобразователь некомпенсации выполнен в виде интегратора.

Преобразователь физической величины X в величину Y выполнен в виде первичного преобразователя физической величины X, соединенного выходом с входом первого аналого-цифрового преобразователя; преобразователь входного сигнала в величину Z выполнен в виде цифроаналогового преобразователя, обратный преобразователь выполнен в виде второго аналого-цифрового преобразователя, а блок математической модели реализован на микропроцессоре.

На чертеже схематически изображено устройство, с помощью которого реализуется заявляемый способ. Оно представляет собой астатическую систему и включает преобразователь 1 измеряемой физической величины X в величину Y, состоящий из первичного преобразователя 2 и первого аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 3, выход которого подсоединен к неинвертирующему входу устройства сравнения 4, преобразователь некомпенсации, выполненный в виде интегратора 5, связанного входом с выходом устройства сравнения 4, а выходом - со входом цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) 6, выход которого является выходом заявляемого устройства. Выход ЦАП 6 связан с входом второго АЦП 7, выходом соединенного с первым входом блока математической модели преобразования величины Y_х в величину Y_к, реализованного на микропроцессоре 8, выход которого подключен к инвертирующему входу устройства сравнения 4, а остальные (n-1) входов подсоединены к выходам датчиков 9 факторов, влияющих на процесс измерения физической величины X. В качестве таких факторов могут выступать, например, температура, атмосферное давление, влажность и др.

Отметим, что устройство сравнения 4, АЦП 3 и 7, интегратор 5, ЦАП 6 и датчик температуры могут быть выполнены на базе микроконвертера ADUC816 фирмы Analog Devices.

Способ согласно изобретению осуществляется следующим образом. Измерительный преобразователь 1 измеряет физическую величину X, например давление, и преобразует ее посредством прямой функции измерительного преобразователя F₀ в цифровой выходной сигнал Y, поступающий с выхода АЦП 3 на неинвертирующий вход устройства сравнения 4 и далее на вход интегратора 5. С выхода интегратора 5 сигнал поступает на вход ЦАП 6, который преобразует цифровой сигнал в аналоговый выходной сигнал устройства, например в ток или напряжение. С выхода ЦАП 6 сигнал поступает на вход АЦП 7, в котором с помощью функции F₁ осуществляется обратное преобразование Z в величину Y_x, однородную по своей природе величине Y. Далее сигнал (величина Y_x) поступает на первый вход микропроцессора 8, на остальные входы которого подаются выходные сигналы датчиков 9. Алгоритм работы микропроцессора 8 реализует математическую модель преобразования Y_x в Y_к - величину, подаваемую на инвертирующий вход устройства сравнения 4, и описывается параметрическим преобразованием F₂.

В устройстве сравнения 4 происходит сравнение сигналов Y и Y_к. Величина ΔY=Y-Y_к в статическом режиме при использовании в качестве преобразователя некомпенсации интегратора равна нулю, т.е. Y=Y_к или

В том случае, если функция F₂ определена так, что функция преобразования величины Z в величину Y_к имеет такой же вид, как и функция преобразования входной физической величины X в величину Y=F₀ (X), статическая характеристика измерительного преобразователя Z=f (X) приобретает линейный вид Z=KX, где К - коэффициент пропорциональности.

Искомая функция F₂ является параметрической. Ее параметры Θ определяются путем задания известных значений измеряемой физической величины X и дополнительных влияющих факторов Т, измерения текущего значения Z, получения разности между текущим значением Z и соответствующим значением по номинальной характеристике Z_H=F_H(X), интегрирования разности ΔZ=Z-Z_H по времени и использования ΔZ для управления регулировкой параметров функции F₂ с целью сведения этой разности к нулю.

В качестве F₂ можно использовать кусочно-линейную аппроксимирующую функцию, аппроксимацию степенным полиномом, сплайн-аппроксимацию и др. Например, при использовании кусочно-линейной функции параметрами ее i-го сегмента являются мультипликативный коэффициент А_i и аддитивный коэффициент B_i, т.е. Θ={A_i, В_i}. Настройка параметров модели в этом случае происходит следующим образом. При X=Х₀=0 значение аддитивного коэффициента первого сегмента В₁ равно Y₀. Далее на вход измерительного преобразователя подают известное значение величины X=X₁, измеряют текущее значение Z=Z₁ образцовым прибором, сравнивают его со значением, вычисленным по номинальной характеристике, в качестве которой в большинстве случаев используется линейная функция Z_н1=KX₁, интегрируют по времени полученное значение некомпенсации ΔZ₁=Z₁-Z_н1 и используют значение на выходе интегратора в качестве мультипликативного коэффициента первого сегмента. По завершении переходного процесса стабилизированное значение на выходе интегратора принимается за А₁. Далее на вход измерительного преобразователя подают следующее известное значение величины X=X_i, измеряют текущее значение Z=Z_i образцовым прибором, сравнивают его со значением, вычисленным по номинальной характеристике Z_нi=КХ_i, интегрируют по времени полученное значение некомпенсации ΔZ_i=Z_i-Z_нi и используют значение на выходе интегратора в качестве A_i, а текущий аддитивный коэффициент вычисляют по формуле:

По завершении переходного процесса на выходе интегратора мультипликативный и аддитивный коэффициенты i-го сегмента считаются настроенными и далее осуществляется настройка (i+1)-го сегмента.

Для обеспечения инвариантности измерительного преобразователя к воздействию влияющего фактора, например температуры Т, необходимо получить семейство кусочно-линейных функций, которое используется в качестве модели F₂. В этом случае коэффициенты сегментов каждой из них настраиваются по описанному выше алгоритму для каждого из определенного числа известных значений температуры T_j, воздействующей на измерительный преобразователь, например, в камере тепла и холода.

Коэффициенты модели при значениях температуры, не являющихся узловыми, определяются микропроцессором измерительного преобразователя исходя из пропорции:

где , , , - настроенные параметры i-го сегмента на j-й и (j+1)-й температурах.

Определение параметров Θ по описанному выше алгоритму автоматически учитывает функции преобразования F₀ и F₁, что позволяет записать F₂ в виде:

F₂=f[F₀, F₁].

Необходимость вышеуказанной процедуры определения параметров Θ функции F₂ объясняется следующим.

Представим функцию F₂ в виде

где (•)^-1 - символ обратной функции.

Подставим (3) в (1):

F₀(X)=F₂[F₁(Z)]=F₀({F₁[F₁(Z)]}^-1)=F₀(Z).

Полученное тождество доказывает, что выражение (3) определяет вид функции F₂.

На практике функции F₀ и F₁ могут быть определены с погрешностями и где ΔF₀ и ΔF₁ - погрешности оценивания. Поэтому определение F₂ по формуле (3) на основании оценок вносит большую погрешность в измерение физической величины X по сравнению с определением функции F₂ согласно заявляемому способу.

Заявляемые способ и устройство использовались для коррекции статических характеристик измерительных преобразователей типа «Сапфир-22» абсолютного, относительного и дифференциального давления в диапазоне рабочих температур от -40°С до +80°С и позволили значительно повысить линейность статической характеристики упомянутых преобразователей давления и ее инвариантность к различным факторам, влияющим на процесс измерения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Д.Шапонич, А.Жигич. Коррекция пьезорезистивного датчика давления с использованием микроконтроллера. Приборы и техника эксперимента, 2001 г., №1, С.54-60.

2. П.П.Орнатский. Автоматические измерения и приборы. Киев: Вища школа, 1980, С.107-109 (прототип).

1. Способ коррекции статической характеристики измерительного преобразователя, имеющей вид Z=f(X), в котором измеряемую физическую величину X посредством функции измерительного преобразователя F0 преобразуют в величину Y, вычитают из нее компенсирующую однородную величину Yк, производят преобразование полученной в результате указанного действия величины некомпенсации ΔY=Y-Yк в величину Z, которую подают на выход измерительного преобразователя и осуществляют с помощью функции F1 аналого-цифровое преобразование величины Z в величину YХ, отличающийся тем, что прямая функция измерительного преобразователя F0 обеспечивает преобразование физической величины х в аналого-цифровой сигнал y, упомянутое преобразование величины некомпенсации ΔY в величину Z осуществляют путем интегрирования величины ΔY и цифроаналогового преобразования полученной в результате интегрирования величины, в качестве Y_к используют величину, полученную в результате параметрического преобразования Yк=F2(YX, Θ), где F2=f[F0, F1], а параметры Θ функции F2 определяют путем задания известных значений физической величины X и (n-1) факторов, влияющих на процесс ее измерения, измерения текущего значения Z, вычисления разности между текущим значением Z и соответствующим значением по номинальной характеристике Zн=Fн(X), интегрирования разности ΔZ=Z-Zн по времени и использования ΔZ для регулирования параметров Θ функции F2 с целью сведения разности ΔZ к нулю.

2. Устройство для осуществления способа коррекции статической характеристики измерительного преобразователя, имеющей вид Z=f(X), включающее преобразователь физической величины X в величину Y, посредством функции измерительного преобразователя F0, связанный своим выходом с неинвертирующим входом устройства сравнения, выход которого подсоединен к входу интегратора, выходом связанного с входом цифро-аналогового преобразователя входного сигнала в величину Z, выход которого подключен к входу второго аналого-цифрового преобразователя с функцией преобразования F1 величины Z в величину YX, отличающееся тем, что введен блок математической модели преобразования величины YX в величину Yк, содержащий n входов, причем первый вход подсоединен к выходу преобразователя величины Z в величину YX, остальные (n-1) входов подключены к датчикам факторов, влияющих на процесс измерения, а выход связан с инвертирующим входом устройства сравнения, при этом преобразователь некомпенсации выполнен в виде интегратора, преобразователь физической величины X в величину Y выполнен в виде первичного преобразователя физической величины X, соединенного выходом с входом первого аналого-цифрового преобразователя.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что блок математической модели реализован на микропроцессоре.