Способ коррекции характеристик измерительных преобразователей



Способ коррекции характеристик измерительных преобразователей
Способ коррекции характеристик измерительных преобразователей

 


Владельцы патента RU 2503968:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" (RU)

Изобретение относится к измерительной технике. Способ заключается в выделении в преобразователе каналов измерения основной и дополнительной (влияющей) входных величин, градуировке каналов измерительного преобразователя при различных комбинациях значений его входных величин, формировании по результатам градуировки математической модели измерительного преобразователя в виде совокупности ее параметров, связывающей значения выходных величин со значениями входных величин, и определении значения основной входной величины по параметрам математической модели и текущим значениям выходных величин, причем при проведении градуировочного эксперимента стабилизируют основную входную величину в нескольких точках диапазона преобразования, в каждой точке стабилизации основной входной величины осуществляют ступенчатое изменение влияющей входной величины в пределах диапазона ее изменения с различными начальными значениями и различными по знаку и но амплитуде приращениями, фиксируют поведение во времени значений входных и выходных величин измерительных каналов основной и влияющей входных величин, организуют дополнительный виртуальный канал определения скорости изменения значений выходной величины канала измерения влияющей величины, после чего формируют математическую модель, связывающую выходные значения основного, дополнительного и виртуального каналов с входными величинами преобразователя, и, наконец, определяют текущее значение основной входной величины по параметрам математической модели и текущим значениям выходных величин основного, дополнительного и виртуального измерительных каналов. Технический результат заключается в повышении точности измерения. 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для коррекции характеристик измерительных преобразователей, которые производят измерения в условиях динамики влияющего фактора, в частности, при измерении давления в условиях резких изменений температуры.

При измерении физических параметров имеются величины, которые являются влияющими по отношению к основным измеряемым величинам. Очень часто влияющей величиной (помехой) является температура. Так, например, при измерении давления с помощью интегральных тензодатчиков температура является причиной возникновения дополнительной погрешности. Статическая составляющая этой погрешности приводит к изменению показаний канала измерения давления. Кроме статической составляющей температурной погрешности существует также динамическая составляющая, которая в чистом виде проявляется при постоянном давлении на входе преобразователя и резких температурных изменениях. При этом выходной сигнал датчика давления будет содержать дополнительную динамическую температурную погрешность, которая будет проявляться в виде всплесков сигнала давления в моменты резкого изменения температуры. Известные способы, направленные на коррекцию статических характеристик измерительных преобразователей, не учитывают динамическое влияние температуры на результат измерения [Ваганов В.И. Интегральные тензопреобразователи. М.: Энергоатомиздат, 1983, с 76-94; Емец С.В., Полищук И.Н. Способ градуировки измерительных преобразователей с интегрированным чувствительным элементом, Патент РФ №2223465, 2004].

Известны способы борьбы с динамическими температурными эффектами на этапе проектирования прибора [Джашитов В.Э., Панкратов В.М., Барулина М.А. Математическое моделирование датчика давления в условиях механических и тепловых ударов // Датчики и системы, 2009. №8. С.37-40; Мокров Е.А., Тихомиров Д.В., Трофимов А.А. Моделирование воздействия неоднородных нестационарных тепловых полей на датчики давления и перемещения // Известия ТРТУ, С.16-22]. Для этих способов характерно построение, аналитическое и компьютерное исследование математических моделей рассматриваемых датчиков, работающих в условиях воздействия нестационарных неоднородных температурных полей измеряемой и окружающей сред. Построенные и реализованные в программных комплексах алгоритмы, соотношения и формулы составляют основу математической модели тепловых процессов в сложных датчиках, приборах и устройствах, и позволяют рассчитывать и проводить анализ трехмерных неоднородных нестационарных температурных полей этих приборов и устройств в заданном числе расчетных точек. В конечном результате это позволяет решать задачи выбора оптимальных решений по конструкции датчика. При использовании математического моделирования становится возможным комбинирование различных начальных условий эксплуатации, материалов и временных характеристик воздействия возмущающих факторов. В этих способах производится разбивка модели датчика на элементарные элементы, которые имеют теплофизические и геометрические характеристики и тепловые связи, соответствующие реальной конструкции. Однако данные дискретные математические модели в полной мере не отражают физического процесса. К тому же конструктивные и технологические неоднородности, свойственные реальному датчику и полученные в процессе его изготовления, не позволяют достигнуть абсолютного приближения к математической модели. В результате динамическая составляющая температурной погрешности не может быть полностью скомпенсирована.

Наиболее близким аналогом является способ коррекции статических характеристик измерительных преобразователей [Емец С.В. Способ коррекции статических характеристик измерительных преобразователей, патент РФ №2130194, 1999], заключающийся в их балансировке, градуировке, уменьшении дрейфа нуля и изменении чувствительности от влияния дополнительного параметра. В этом способе значения выходных величин измерительного преобразователя измеряют при различных комбинациях его входных величин, одна из которых является измеряемой физической величиной, а другая - помехой по отношению к первой. По результатам измерений формируют математическую модель преобразователя в виде двух наборов коэффициентов, каждый из которых однозначно описывает поверхность передаточной функции своего измерительного канала. Входные величины каждого канала в условиях их взаимного влияния и нелинейности передаточных функций определяют вычислением координат точки пересечения проекций линий пересечения поверхностей передаточных функций с соответствующими плоскостями выходных величин каналов.

Данный способ позволяет скомпенсировать статическую составляющую погрешности, но не учитывает динамику влияющего фактора. Как правило, при быстрых изменениях влияющей величины в чувствительном элементе измерительного преобразователя возникают дополнительные, нежелательные градиенты, например, тепловые, механические и т.п., которые приводят к появлению дополнительного сигнала в канале измерения основной величины. В частном случае, при измерении давления при постоянной температуре мембрана с чувствительным элементом прогрета равномерно и воспринимает только деформацию, вызванную измеряемым давлением. При резких температурных изменениях мембрана испытывает дополнительные деформации, вызванные неоднородностью температурного поля как в плоскости, так и по толщине мембраны. Эти деформации вызывают на выходе дополнительный сигнал, неотличимый от полезного. Таким образом, динамика помехи оказывает влияние на измерения основной величины и искажает показания канала ее измерения.

Целью настоящего изобретения является повышение точности измерения за счет компенсации дополнительной динамической погрешности.

Поставленная цель достигается следующим образом. В преобразователе выделяют каналы измерения основной и дополнительной (влияющей) входных величин. Затем проводят градуировку каналов измерительного преобразователя, которая заключается в следующем. На вход преобразователя подают различные комбинации входных величин. Основную входную величину стабилизируют в нескольких точках диапазона преобразования. В каждой точке стабилизации основной входной величины осуществляют ступенчатое изменение влияющей входной величины в пределах ее диапазона изменения с различными начальными значениями и различными по знаку и по амплитуде приращениями. В процессе градуировочного эксперимента фиксируют поведение во времени значений входных и выходных величин измерительных каналов основной и влияющей входных величин. При обработке результатов измерения формируют дополнительный виртуальный канал путем вычисления скорости изменения значений выходной величины канала измерения влияющей величины. После этого формируют математическую модель, которая связывает выходные значения основного, дополнительного и виртуального каналов с входными величинами преобразователя. Текущее значение основной входной величины определяют по параметрам математической модели и текущим значениям выходных величин основного, дополнительного и виртуального измерительных каналов.

На фиг.1 изображено поведение канала давления при быстрых изменениях температуры в пределах рабочего диапазона температуры, на фиг.2 изображены результаты обработки экспериментальных данных.

Предложенный способ можно проиллюстрировать на примере измерения давления с помощью интегрального тензопреобразователя. Известно, что данный преобразователь подвержен температурному влиянию. Использование методов статической коррекции в соответствии с источником [Емец С.В. Способ коррекции статических характеристик измерительных преобразователей, патент РФ №2130194, 1999] позволяет уменьшить статическую температурную погрешность до уровня, соизмеримого с погрешностью образцового грузопоршневого манометра. Однако резкие изменения температуры приводят к появлению дополнительной динамической температурной погрешности измерения давления, значения которой могут быть существенными (по данным [Джашитов В.Э., Панкратов В.М., Барулина М.А. Математическое моделирование датчика давления в условиях механических и тепловых ударов // Датчики и системы, 2009. №8. С.37-40; Мокров Е.А., Тихомиров Д.В., Трофимов А.А. Моделирование воздействия неоднородных нестационарных тепловых полей на датчики давления и перемещения // Известия ТРТУ, С.16-22] динамическая температурная погрешность может достигать 30%).

Для оценки этого эффекта был проведен эксперимент, в котором осуществлялись ступенчатые изменения температуры путем быстрого переноса преобразователя из одного термостата в другой. Закон изменения внешней температуры представлен графиком 1 на фиг.1. Данные эксперимента обработаны по способу-прототипу [Емец С.В. Способ коррекции статических характеристик измерительных преобразователей, патент РФ №2130194, 1999] и представлены на фиг.1 графиком 3 (расчетные значения давления) и графиком 2 (расчетные значения температуры чувствительного элемента датчика давления), где видно, что «всплески» показаний канала давления, возникающие в моменты резкого повышения или понижения температуры, соизмеримы или даже больше основной погрешности преобразователя. По графику изменения давления видно, что статическая коррекция не справляется с обработкой такого эксперимента, и появляется динамическая составляющая температурной погрешности в моменты резкого изменения температуры. В периоды стабилизации температуры чувствительного элемента датчика давления (фиг.1, график 2) показания канала измерения давления (фиг.1, график 3) выходят на статический уровень, который содержит только статическую погрешность.

Совместный анализ поведения каналов давления и температуры чувствительного элемента датчика давления (фиг.1, графики 3 и 2 соответственно) позволил установить, что данный динамический эффект обусловлен скоростью изменения температуры в чувствительном элементе, а амплитуда динамической составляющей погрешности зависит от скорости изменения температуры датчика давления, которая, в свою очередь, определяется амплитудой ступенчатого воздействия температуры. Указанный эффект характерен для всех интегральных тензопреобразователей давления, в частности, для преобразователей избыточного давления типа D и MD производства ЗАО «Орлекс» и ООО «ПромА», г. Орел; типа Д производства НПК «ВИЛ», г. Екатеринбург; для преобразователей абсолютного давления типа РА-8 производства фирмы Keller, Швейцария. Данные, представленные на фиг.1 были получены для измерительного преобразователя давления ПДИ-01 с чувствительным элементом типа РА-8 производства фирмы Keller. По паспортным данным полная приведенная погрешность (основная плюс дополнительная статическая температурная) используемого датчика составляет ±0,1%, что в абсолютном выражении равно ±0,6 кгс/см2 при пределе измерения 600 кгс/см2. Значение полной погрешности не учитывает наличие динамической составляющей температурной погрешности. В то же время, эта погрешность существенна. В проведенном эксперименте она составила 0,35 кгс/см2 (0,058%), что оказалось соизмеримым с полной погрешностью.

Для обработки данных эксперимента был сформирован виртуальный канал определения скорости изменения выходной величины дополнительного канала (канала температуры) и вычислен массив значений скорости изменения температуры чувствительного элемента датчика давления, синхронный со значениями массивов выходных величин других каналов. После обработки экспериментальных данных была получена математическая модель канала давления следующего вида:

где Р - значения выходного сигнала основного канала (канала измерения давления); Т - значения выходного сигнала дополнительного канала (канала измерения температуры); Vt - значения выходного сигнала виртуального канала (канала определения скорости изменения температуры); ajik - массив параметров математической модели преобразователя; n, m, l - порядок математической модели.

В соответствии с предложенной математической моделью получены следующие результаты обработки экспериментальных данных. Они приведены на фиг.2, где показаны результаты обработки способом-прототипом (график 1) и предложенным способом (график 2).

Как видно на фиг.2, предложенный способ, кроме статической коррекции (область В), устраняет всплески значений в канале давления, вызванные динамикой температуры (область А).

Поставленная цель изобретения - повышение точности измерений достигается следующим образом. Стабилизация основного параметра и ступенчатое изменение влияющего параметра позволяют получить различные значения скорости изменения влияющего параметра внутри чувствительного элемента измерительного преобразователя. Выделение виртуального канала позволяет сформировать дополнительный массив данных, содержащий сведения о скорости изменения влияющей величины в чувствительном элементе датчика, тем самым, характеризуя динамику помехи. Формирование математической модели путем нахождения аналитической взаимосвязи выходных значений основного, дополнительного и виртуального каналов с входными величинами преобразователя позволяет учесть в модели как статическую, так и динамическую коррекцию. Причем, при отсутствии динамики влияющего фактора будет действовать только статическая коррекция. При определении основной входной величины по параметрам полученной математической модели учитываются и статическая, и динамическая составляющие погрешности, и, тем самым, повышается точность измерения.

Таким образом, предложенный способ позволяет повысить точность измерений за счет устранения дополнительной динамической температурной погрешности. Предлагаемое изобретение может быть использовано в различных отраслях промышленности, где измерения производятся в условиях действия нестационарных помех.

Способ коррекции характеристик измерительных преобразователей, включающий выделение в преобразователе каналов измерения основной и дополнительной входных величин, градуировку каналов измерительного преобразователя при различных комбинациях значений его входных величин, формирование по результатам градуировки математической модели измерительного преобразователя в виде совокупности ее параметров, связывающей значения выходных величин со значениями входных величин, и определение значения основной входной величины по параметрам математической модели и текущим значениям выходных величин, отличающийся тем, что сначала проводят градуировочный эксперимент, в процессе которого стабилизируют основную входную величину в нескольких точках диапазона преобразования, в каждой точке стабилизации основной входной величины осуществляют ступенчатое изменение влияющей входной величины в пределах диапазона ее изменения с различными начальными значениями и различными по знаку и по амплитуде приращениями, фиксируют поведение во времени значений входных и выходных величин измерительных каналов основной и влияющей входных величин, организуют дополнительный виртуальный канал определения скорости изменения значений выходной величины канала измерения влияющей величины, после чего формируют математическую модель, связывающую выходные значения основного, дополнительного и виртуального каналов с входными величинами преобразователя, и, наконец, определяют текущее значение основной входной величины по параметрам математической модели и текущим значениям выходных величин основного, дополнительного и виртуального измерительных каналов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для автоматизации поверки стрелочных измерительных приборов. Техническим результатом устройства является сокращение времени поверки стрелочных измерительных приборов.

Использование: для калибровки оптической измерительной аппаратуры при оценке среднего диаметра дисперсных частиц. Сущность: заключается в том, что проводят измерения характеристик дисперсной системы калибруемой аппаратурой и фоторегистрирующим прибором с последующим определением зависимости сигнала калибруемой аппаратуры от среднего диаметра частиц, определенного визуально, при этом воздействуют ультразвуком на жидкость, создавая дисперсную систему, освещают ее периодическими импульсами света длительностью Ти≤0,1Туз (где Туз - период ультразвуковых колебаний), синхронизованными с ультразвуковыми колебаниями, во время импульсов света измеряют калибруемой аппаратурой и определяют по результатам фоторегистрации средний диаметр дисперсных частиц (dср.а и dср.ф соответственно), изменяют сдвиг фаз между световыми импульсами и ультразвуковыми колебаниями, а также мощность ультразвука, после чего измерения и фоторегистрацию повторяют до получения требуемого количества калибровочных уровней, определяют калибровочную характеристику как зависимость величины dср.а от dср.ф.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения фазовых погрешностей масштабных преобразователей, предназначенных для работы в широком частотном и динамическом диапазонах входных сигналов.

Изобретение относится к области магнитных измерений, в частности к измерениям компонент и полного вектора индукции магнитного поля Земли (МПЗ), а также к средствам калибровки магнитометров.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для автоматической коррекции погрешностей измерительных устройств. .

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения неэлектрических величин при помощи тензометрических мостовых датчиков с инструментальными усилителями, запитанных постоянным током.

Изобретение относится к устройствам для испытания и калибровки приборов, в частности электромагнитных реле с контактами, поочередно размыкающимися и замыкающимися при последовательных включениях и отключениях электромагнита.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для линеаризации градуировочных характеристик измерительных преобразователей, у которых градуировочная характеристика аппроксимируется полиномом второго порядка.

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при оперативном контроле технического состояния электрических оребренных машин. .

Изобретение относится к области приборостроения и предназначено для измерения коэффициентов преобразования составных емкостных делителей напряжения. .

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно - к фотоэлектрическим устройствам, предназначенным для исследования дисперсных систем. Устройство предназначено для калибровки оптической аппаратуры, измеряющей средний диаметр дисперсных частиц, и содержит кювету с прозрачной жидкостью, измерительный канал, состоящий из микроскопа и фоторегистратора, и осветительный канал, содержащий два источника света с различными длинами волн. Дополнительно введены ультразвуковой генератор, ультразвуковой излучатель, импульсный блок питания источников света, синхронизатор и калибруемая аппаратура, при этом направления оптических осей измерительного канала и калибруемой аппаратуры пересекаются в освещенной зоне кюветы, один источник света установлен на оптической оси измерительного канала, а второй источник имеет оптическую ось, согласованную с оптической осью калибруемой аппаратуры, выход ультразвукового генератора подключен ко входу ультразвукового излучателя, а последний помещен в кювету с жидкостью и закреплен в непосредственной близости от освещенной зоны, к выходу импульсного блока питания подключены источники света, вход синхронизатора соединен с выходом ультразвукового генератора, а выходы синхронизатора соединены с управляющими входами регистратора калибруемой аппаратуры, фоторегистратора и импульсного блока питания источников света. При этом кавитационные пузыри в кювете, получаемые в результате действия ультразвукового генератора, выполняют функцию дисперсных частиц для калибровки. Устройство может иметь следующие варианты конструкции: оптическая ось второго источника света совпадает с оптической осью калибруемой аппаратуры; калибруемая аппаратура и второй источник света закреплены с возможностью раздельного перемещения в плоскости, перпендикулярной оптической оси измерительного канала. Результатом применения изобретения является упрощение калибровки измерительных систем за счет замены образцовых суспензий дисперсной системой с регулируемым средним диаметром частиц и синхронизации процессов управления и измерения. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и применяется для определения ориентации подключения электронного калибратора к измерительным портам векторного анализатора цепей при измерениях однопортовых и двухпортовых устройств, применяемых в радиоэлектронике, связи, радиолокации. Техническим результатом заявленного изобретения является автоматическое определение подключения порта электронного калибратора. Технический результат достигается благодаря тому, что способ основан на измерении двух наиболее различающихся по коэффициенту отражения нагрузок для каждого измерительного порта, затем осуществляется вычисление разности коэффициентов отражения, на основе полученных данных принимается решение о том, какой из портов ЭК подключен к измерительному порту ВАЦ. 2 ил.

Изобретение относится к способам и устройствам для считывания положения зонда в теле. Способ заключается в установке в теле зонда с электродом на внешней поверхности, установке множества контактных накладных электродов на поверхности тела, измерении картирующих электрических токов, протекающих между электродом на внешней поверхности зонда и множеством контактных накладных электродов на поверхности тела посредством измерительных схем контактных накладных электродов, калибровке измерения посредством компенсации токов утечки, протекающих по пути, продолжающемся от электрода на внешней поверхности зонда через аблятор и контактный накладной электрод аблятора к множеству контактных накладных электродов, и вычислении положения зонда в теле на основании картирующих токов с использованием калиброванных измерений. Устройство выполнено с возможностью осуществления этапов способа. Использование изобретения обеспечивает точное определение местоположения объекта в теле пациента. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к электрическим измерениям и может быть использовано в качестве рабочего эталона при калибровке и поверке рабочих средств измерений переменного электрического поля. Устройство выполнено на основе окружающего рабочую зону 1 конденсатора в виде набора из соосно расположенных пяти тонкостенных, металлических пластинчатых колец 2, закрепленных на диэлектрических стойках. Кольца 2 имеют одинаковую высоту H и расположены на равных расстояниях h (по высоте) друг от друга. Каждое кольцо 2 разрезано на четыре равные части, отстоящие друг от друга по окружности на равные промежутки L. Части колец расположены друг над другом симметрично относительно соответствующих частей других колец. Каждые две части соседних колец образуют отрезок двухпроводной линии передачи, на концах которого включены согласованные нагрузки 3. Входами 4 высокочастотного напряжения являются зазоры между соответствующими частями соседних колец (посередине этих частей). У каждого входа предусмотрен согласующий переход 5 в зазоре между кольцевыми элементами. Технический эффект заключается в увеличении объема рабочей зоны и повышении верхней граничной частоты воспроизведения однородного электрического поля при сохранении относительно небольших габаритных размеров устройства. 3 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования при реализации контроля высоких и сверхвысоких напряжений. Сущность: определяют показания измерительного устройства по значениям пробивного напряжения эталонного разрядного прибора, в качестве которого используют помещенный в вакуум между двумя электродами диэлектрик для различных расстояний между электродами. Один из электродов выполнен неподвижным и к нему механически прикрепляют один торец диэлектрика. Второй электрод, выполненный из эластичного проводящего материала и снабженный устройством перемещения, перемещают вдоль поверхности диэлектрика на некоторое расстояние от неподвижного электрода. Измеряют расстояние. Подают на электроды импульсы высокого напряжения. Увеличивают амплитуду каждого последующего импульса до тех пор, пока не произойдет пробой вдоль поверхности диэлектрика. При пробое регистрируют показание измерительного прибора. Затем второй электрод вновь перемещают вдоль поверхности диэлектрика на другое расстояние от неподвижного электрода. Вновь измеряют расстояние и подают на электроды импульсы высокого напряжения, увеличивая амплитуду каждого последующего импульса до тех пор, пока не произойдет разряд вдоль поверхности диэлектрика. При разряде вновь регистрируют показания измерительного прибора. Аналогичную процедуру повторяют не менее чем 5-7 раз, после чего по показаниям измерительного прибора строят градуировочный график. Технический результат: упрощение реализации, снижение трудоемкости. 2 ил.
Наверх