Тензометрический измерительный преобразователь
Владельцы патента RU 2400711:
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU)
Изобретение относится к области измерительной техники и промышленной электроники и служит для измерения деформаций, усилий, давлений и других физических параметров с помощью тензорезисторных датчиков, собранных по мостовой схеме. Техническим результатом изобретения является расширение частотного диапазона измеряемых сигналов, уменьшение времени и повышение точности измерений, упрощение архитектуры преобразователя. Тензометрический измерительный преобразователь содержит источник питания тензорезисторного моста постоянным напряжением с переключаемой полярностью, источник опорного эталонного напряжения, формирователь калибровочного сигнала и дешифратор команд системной магистрали. В тензометрический измерительный преобразователь введен аналого-цифровой усредняющий сигма-дельта преобразователь, включающий коммутатор выбора режима работы преобразователя, устройство выборки и хранения входного сигнала, преобразователь с уравновешиванием заряда, цифровой фильтр нижних частот, регистр данных и регистр управления. Указанные измерительные блоки соединены по соответствующей схеме. 2 ил.
Изобретение относится к области измерительной техники и промышленной электроники и служит для измерения деформаций, усилий, давлений и других физических параметров с помощью тензорезисторных датчиков, собранных по мостовой схеме.
Известны аналоговые измерительные преобразователи, предназначенные для нормирования выходных сигналов первичных преобразователей с тензорезисторами, включенными по мостовой схеме (см. B.C.Волобуев, В.П.Страшнов, Е.С.Сущевич, Л.Ф.Слепченко, А.В.Селицкий. Измерительные преобразователи для тензометрии типа Ш74. Приборы и системы управления, 1985, №9, с.25).
Питание тензорезисторного моста осуществляется по пятипроводной схеме, уменьшающей влияние сопротивлений проводов на измерительные характеристики преобразователя. Симметричный выход тензомоста с несимметричным входом усилителя постоянного тока УПТ согласуется с помощью блока, состоящего из последовательно включенного модулятора М и демодулятора ДМ. УПТ содержит предварительный усилитель У и устройство гальванического разделения УГР. Предварительный усилитель построен по двухканальной схеме. Канал усиления постоянного тока У1 выполнен по схеме М-ДМ, а канал переменного тока У2 - с непосредственными связями. Выходные сигналы каналов У1 и У2 подаются на вход УГР, состоящего из трансформаторного узла разделения сигналов. В выходном каскаде УГР сигналы каналов постоянного и переменного тока суммируются и усиливаются до уровня 10 В. Преобразователь содержит активный выходной фильтр нижних частот ФНЧ на операционном усилителе для ослабления уровня помех. Полоса пропускания ФНЧ регулируется изменением RC-элементов с помощью механического переключателя. Преобразователь содержит также устройство ручной балансировки тензомоста с индикатором небаланса.
Недостатки известного измерительного преобразователя заложены в его сложной архитектуре с М-ДМ схемами, ручном управлении режимами работы и балансировкой тензомоста, ограниченном диапазоне измерений, недостаточной точности, а также в отсутствии преобразователя аналогового сигнала в цифровой код.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения, принятым за прототип, является аналого-цифровой измерительный преобразователь сигналов датчиков, предназначенный для использования в составе магистрально-модульных измерительных схем (Блокин-Мечталин Ю.К. Измерительный преобразователь сигналов датчиков для магистрально-модульных систем. Измерительная техника, 1997, №11, с.14). Данный преобразователь содержит: источник питания датчиков постоянным напряжением с переключаемой полярностью, дифференциальный измерительный усилитель с программируемым коэффициентом усиления, интегрирующий аналого-цифровой преобразователь, состоящий из преобразователя напряжения в частоту с источником опорного напряжения и преобразователя частоты в код с программируемым временем измерения (интегрирования), формирователь калибровочного сигнала, коммутатор выбора режима работы, схему смещения шкалы, схему контроля линий связи с тензодатчиком, схему гальванического разделения аналоговой части от цифровой, дешифратор команд системной магистрали.
Существенными признаками, совпадающими с существенными признаками предлагаемого технического решения, являются: наличие источника питания тензорезисторного моста датчика постоянным напряжением с переключаемой полярностью, источника опорного эталонного напряжения, формирователя калибровочного сигнала, дешифратора команд системной магистрали.
К недостаткам прототипа относятся: ограниченный частотный диапазон измеряемых сигналов, значительное время измерения (интегрирования) сигнала для получения необходимой точности измерений, сложность архитектуры, включающей большое количество дискретных элементов и узлов, выполняющих основные функции преобразования.
Техническим результатом изобретения является расширение частотного диапазона измеряемых сигналов, уменьшение времени и повышение точности измерений, упрощение архитектуры преобразователя.
Технический результат достигается тем, что в тензометрический измерительный преобразователь, содержащий источник питания тензорезисторного моста постоянным напряжением с переключаемой полярностью, источник опорного эталонного напряжения, формирователь калибровочного сигнала и дешифратор команд системной магистрали, введен аналого-цифровой усредняющий сигма-дельта преобразователь, включающий коммутатор выбора режима работы преобразователя, устройство выборки и хранения входного сигнала, преобразователь с уравновешиванием заряда, цифровой фильтр нижних частот, регистр данных и регистр управления, при этом первый аналоговый вход коммутатора соединен с выходом измерительной диагонали тензомоста, второй аналоговый вход коммутатора соединен с входом формирователя калибровочного сигнала, вход которого соединен с диагональю питания тензомоста, выход коммутатора соединен с входом устройства выборки и хранения входного сигнала, выход которого соединен с входом преобразователя с уравновешиванием заряда, выход которого соединен с входом цифрового фильтра низких частот, выход которого соединен с входом регистра данных, выход которого соединен с входом дешифратора команд системной магистрали, выход источника опорного эталонного напряжения соединен с входом опорного напряжения преобразователя с уравновешиванием заряда и аналоговым входом источника питания тензомоста, выходы регистра управления соединены с входами управления коммутатора выбора режима работы преобразователя, устройства выборки и хранения входного сигнала, преобразователя с уравновешиванием заряда и цифрового фильтра нижних частот, а входы регистра управления и цифровой вход источника питания тензомоста с переключаемой полярностью соединены с выходом дешифратора команд системной магистрали.
На фиг.1 показана структурная схема предлагаемого тензометрического измерительного преобразователя. На фиг.2 приведен алгоритм работы преобразователя.
Предлагаемый тензометрический измерительный преобразователь содержит: источник питания тензорезисторного моста ТМ постоянным напряжением с переключаемой полярностью 1, аналого-цифровой усредняющий сигма-дельта преобразователь 2, источник опорного эталонного напряжения 3, формирователь калибровочного сигнала 4, дешифратор команд системной магистрали 5. Аналого-цифровой сигма-дельта преобразователь 2 включает: коммутатор выбора режима работы преобразователя 6, устройство выборки и хранения входного сигнала 7, преобразователь с уравновешиванием заряда 8, цифровой фильтр нижних частот 9, регистр данных 10 и регистр управления 11.
Предлагаемый тензометрический измерительный преобразователь работает следующим образом. Напряжение опорного эталонного источника 3 (2,5 В), необходимое для работы преобразователя 2, подается на вход опорного напряжения преобразователя IN REF. Одновременно эталонное напряжение источника 3 подается на аналоговый вход источника питания 1 для формирования напряжения питания тензомоста U (10 В).
Питание тензомоста осуществляется по четырехпроводной схеме со 100% обратной связью по напряжению с целью поддержания стабильности напряжения на вершинах диагонали питания тензомоста.
Выходное напряжение тензомоста (ΔU) в диапазоне -2,5…0…+2,5 В поступает на аналоговый вход коммутатора 6 IN1 преобразователя 2 и измеряется.
Напряжение питания тензомоста (U) с линий обратной связи поступает на формирователь калибровочного сигнала 4. С выхода формирователя калибровочный сигнал Uк поступает на аналоговый вход IN2 коммутатора 6 преобразователя 2 и измеряется.
Управление преобразователем 2, источником питания тензомоста 1 и передача данных измерения осуществляется по командам от компьютера, поступающим через системную магистраль и дешифратор команд 5 в регистр управления 11. Вначале устанавливается конфигурация преобразователя 2.
Конфигурирование преобразователя 2 включает: выбор типа регистра преобразователя (регистр управления или данных), режима работы (измерение или калибровка), коэффициента усиления (от 1 до 128), частоты режекции цифрового фильтра (от 10 Гц до 1000 Гц), номера канала преобразователя (IN1 или IN2), режима записи или чтения данных. Запись конфигурационной информации и чтение выходных данных осуществляется через двунаправленный последовательный порт преобразователя 2.
В процессе преобразования входной сигнал выбранного канала непрерывно модулируется устройством выборки и хранения 7, усиливается и преобразуется в последовательную цепочку импульсов в преобразователе с уравновешиванием заряда 8. Последовательность импульсов обрабатывается цифровым фильтром 9.
Скорость смены данных в выходном регистре 10 определяется частотой режекции цифрового фильтра - первым провалом спектральной характеристики, которая описывается законом (sinx/x)3 - параболическое спектральное окно. Точки режекции повторяются на кратных частотах, на которых фильтр дает наибольшее ослабление сигнала. Так, например, на частоте 50 Гц и 60 Гц обеспечивается ослабление до 100 дБ.
Допустимая частота отсчетов результатов преобразования fs равна первой частоте режекции цифрового фильтра. Выходные данные считываются периодически со скоростью, которая не должна превышать скорость обновления (смены) данных.
Так как цифровая фильтрация проводится после преобразования аналог-код, она исключает шум, вносимый процессом преобразования.
При ступенчатом изменении входного сигнала преобразователя, например при переключении полярности напряжения питания тензорезисторного моста, время установления цифрового фильтра tу=4·1/fn, где fn - частота 1-го провала частотной характеристики выбранного фильтра. Так, при fn=10 Гц, tу=0,4 c.
Формирование напряжения источника питания 1 тензомоста U и опорного напряжения для работы преобразователя 2 от общего источника эталонного напряжения 3, четырехпроводная схема подключения тензомоста к источнику питания 1 со 100% обратной связью по напряжению, применение аналого-цифрового усредняющего сигма-дельта преобразователя с программируемыми коэффициентом усиления и частотой режекции цифрового фильтра, определение средних значений результатов измерений при разной полярности напряжения питания тензомоста, использование автоматической калибровки преобразователя повышают точность измерений за счет уменьшения мультипликативных и аддитивных погрешностей от влияния электрических помех, изменения коэффициента преобразования и смещения нуля измерительного канала, термоЭДС в измерительных трассах и других влияющих факторов.
Алгоритм работы предлагаемого измерительного преобразователя следующий (фиг.2).
Вначале в регистр дешифратора команд 5 записывается конфигурационная информация от компьютера:
- код регистра преобразователя 2 (управления или данных);
- код режима работы преобразователя 2 (измерение или калибровка);
- код номера канала преобразователя 2 (IN1 или IN2);
- код коэффициента усиления (от 1 до 128);
- код частоты режекции цифрового фильтра (от 10 Гц до 1000 Гц);
- код записи или чтения данных.
Далее запускается цикл передачи конфигурационной информации из регистра дешифратора команд 5 в регистр управления 11 преобразователя 2. В процессе передачи данных читается код о начале и завершении цикла передачи.
После завершения передачи данных в регистр управления 11 преобразователя 2 запускается цикл преобразования сигнала в соответствии с установленной конфигурацией преобразователя. Завершение цикла преобразования подтверждается чтением соответствующего кода.
После завершения преобразования сигнала запускается цикл передачи данных из регистра данных 10 преобразователя 2 в регистр дешифратора команд 5. Чтение данных начинается с записи в регистр управления дешифратора команд 5 кода регистра данных 10 преобразователя 2. Завершение цикла передачи данных в регистр дешифратора команд 5 подтверждается чтением соответствующего кода.
Далее выполняется чтение результата преобразования из регистра дешифратора команд 5 через системную магистраль в компьютер.
Тензометрический измерительный преобразователь изготовлен и опробован в составе магистрально-модульной весоизмерительной системы аэродинамической трубы.
Исследование преобразователя показало высокую точность измерений сигналов многокомпонентных преобразователей силы - аэродинамических тензовесов в рабочем диапазоне частот и уменьшение времени измерения.
Тензометрический измерительный преобразователь, содержащий источник питания тензорезисторного моста постоянным напряжением с переключаемой полярностью, источник опорного эталонного напряжения, формирователь калибровочного сигнала и дешифратор команд системной магистрали, отличающийся тем, что в него введен аналого-цифровой усредняющий сигма-дельта преобразователь, включающий коммутатор выбора режима работы преобразователя, устройство выборки и хранения входного сигнала, преобразователь с уравновешиванием заряда, цифровой фильтр нижних частот, регистр данных и регистр управления, при этом первый аналоговый вход коммутатора соединен с выходом измерительной диагонали тензомоста, второй аналоговый вход коммутатора соединен с выходом формирователя калибровочного сигнала, вход которого соединен с диагональю питания тензомоста, выход коммутатора соединен с входом устройства выборки и хранения входного сигнала, выход которого соединен с входом преобразователя с уравновешиванием заряда, выход которого соединен с входом цифрового фильтра нижних частот, выход которого соединен с входом регистра данных, выход которого соединен с входом дешифратора команд системной магистрали, выход источника опорного эталонного напряжения соединен с входом опорного напряжения преобразователя с уравновешиванием заряда и аналоговым входом источника питания тензомоста, выходы регистра управления соединены с входами управления коммутатора выбора режима работы преобразователя, устройства выборки и хранения входного сигнала, преобразователя с уравновешиванием заряда и цифрового фильтра нижних частот, а входы регистра управления и цифровой вход источника питания тензомоста с переключаемой полярностью соединены с выходом дешифратора команд системной магистрали.
