Патент на изобретение №2393486

(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

(57) Реферат:

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам управления чувствительными элементами. Датчик угла чувствительного элемента возбуждают переменным синусоидальным напряжением, преобразуют постоянное напряжение в ток, протекающий через датчик момента чувствительного элемента, величину тока преобразуют в цифровой код, который является результатом измерения, введена последовательность действий, согласно которой выпрямляют, а затем усредняют напряжение возбуждения датчика угла, суммируют между собой переменные напряжения возбуждения датчика угла и выхода датчика угла, выпрямляют, а затем усредняют результат суммирования, который вычитают из усредненного напряжения возбуждения, результат вычитания интегрируют, образуя постоянное напряжение. Технический результат заключается в снижении погрешности измерения механической величины. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам управления чувствительными элементами (ЧЭ), содержащим датчик момента, датчик угла и обмотку возбуждения, которые используются для измерения механических величин, например ускорения или угловой скорости.

Известен способ управления ЧЭ, реализованный в устройстве (см. Д.А.Берендс и др. Приборы и системы автоматического управления с широтно-импульсной модуляцией. – Л.: Машиностроение, 1982, рис.62 и 151). Согласно данному способу возбуждают переменным синусоидальным напряжением с частотой Fв датчик угла ЧЭ, а выходное переменное напряжение датчика угла усиливают по амплитуде, затем подвергают фазовому выпрямлению и усредняют, в результате чего получают постояное напряжение, которое складывают с опорным напряжением Uo, результат сложения преобразуют в длительность импульса (ШИМ-преобразование), который имеет постоянный период повторения, после чего с помощью импульса переключают направление протекания стабилизированного тока в датчике момента ЧЭ, длительность импульса затем преобразуют в цифровой код, который является результатом измерения.

Недостатком такого способа является то, что нестабильность опорного сигнала Uo прямо влияет на точность измерения. Также наличие фазового выпрямления, при котором переключают с частотой Fв выходной сигнал датчика угла на входах усилителя таким образом, что на выходе усилителя образуют положительные волны синусоидального сигнала, возникает погрешность преобразования, связанная с нестабильностью фазы сигнала датчика угла и с неидеальностью процесса переключения.

Известен способ управления ЧЭ, реализованный в устройстве (см. там же, рис.67). Согласно этого способа возбуждают датчик угла переменным синусоидальным напряжением, выходное переменное напряжение датчика угла усиливают, затем складывают с постоянным напряжением Uo, после чего запоминают то значение суммарного напряжения, которое соответствует максимуму напряжения возбуждения, запомненное напряжение преобразуют затем в длительность импульса, который имеет постоянный период повторения, после чего с помощью импульса переключают направление протекания стабилизированного тока в датчике момента ЧЭ, длительность импульса также преобразуют затем в цифровой код, который является результатом измерения.

Недостатком данного способа является наличие большой погрешности измерения, связанной с нестабильностью напряжения Uo и с неточностью определения максимума в сигнале возбуждения.

Известен способ управления ЧЭ, реализованный в устройстве (см. там же, рис.79), в котором, в отличие от предыдущего способа, датчик угла возбуждают прямоугольными импульсами тока. При этом увеличивают рабочий диапазон измерения, однако при этом увеличивают коэффициент усиления прямой цепи измерения, что приводит к ее неустойчивости, которую исключают введением дополнительной обратной связи. Кроме того, выходной сигнал датчика угла при этом не имеет вид синусоиды (см. там же, рис.76), для формирования данного сигнала вводят дополнительные RC-элементы, вносящие нестабильность в форму сигнала и повышающие погрешность измерения.

Известен способ управления ЧЭ, взятый за прототип и реализованный в устройстве (см. там же, рис.150). Согласно данному способу возбуждают датчик угла ЧЭ переменным синусоидальным сигналом с периодом повторения Тв, а выходное переменное напряжение датчика угла усиливают по амплитуде, затем подвергают фазовому выпрямлению и усреднению, в результате чего получают постоянное напряжение, которое преобразуют в ток, протекающий через датчик момента ЧЭ, величину данного тока преобразуют в цифровой код, который является результатом измерения. При этом датчик момента создает в ЧЭ момент силы, который равен моменту силы, действующему на ЧЭ со стороны измеряемой величины.

В этом способе отсутствует погрешность, связанная с нестабильностью опорного напряжения Uo, как это имеет место в описанных выше способах. Однако присутствуют значительные погрешности измерения, связанные с нестабильностью фазового выпрямления, которые обусловлены нестабильностью фазы сигнала датчика угла относительно периода Тв, утечками закрытых ключей, конечным сопротивлением открытых ключей, значительным временем открывания и закрывания ключей, которые используют для преобразования синусоидального сигнала датчика угла в положительные полуволны.

Заявленное изобретение решает задачу создания более точного способа управления чувствительным элементом.

Для решения поставленной задачи в способ управления ЧЭ, согласно которому возбуждают датчик угла ЧЭ переменным синусоидальным напряжением, преобразуют постоянное напряжение в ток, протекающий через датчик момента ЧЭ, величину данного тока преобразуют в цифровой код, который является результатом измерения, введена последовательность действий, согласно которой выпрямляют, а затем усредняют напряжение возбуждения датчика угла, суммируют между собой переменные напряжения возбуждения датчика угла и выхода датчика угла, выпрямляют и усредняют результат суммирования, который вычитают из усредненного напряжения возбуждения, результат вычитания интегрируют, образуя постоянное напряжение.

Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение погрешности измерения механической величины, которая при этом определяется в основном погрешностью ЧЭ.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где показана функциональная схема устройства, реализующего заявляемый способ.

Как показано на чертеже, устройство состоит из ЧЭ 1, в котором имеются датчик момента 2, обмотки возбуждения 3, датчик угла 4, из генератора возбуждения 5, сумматора 6, выпрямителей 7 и 8, интегратора 12, усреднителей 9 и 10, вычитателя 11, АЦП 13 и образцового резистора 14 (Ro). При этом выход генератора 5 подключен к входу сумматора 6, ко входу выпрямителя 8 и к обмотке возбуждения 3, выход датчика угла 4 соединен с другим входом сумматора 6, выход которого подключен через последовательно соединенные выпрямитель 7 и усреднитель 9 к отрицательному входу вычитателя 11, выход выпрямителя 8 через усреднитель 10 подключен к положительному входу сумматора 11, выход которого через последовательно соединенные интегратор 12 и датчик момента 2 подключен к резистору 14 и ко входу АЦП 13, выход которого является выходом устройства, а другой электрод резистора 14 соединен с общим проводом.

Работа происходит следующим образом. С помощью генератора 5 создают синусоидальное напряжение, которым возбуждают обмотку 3 ЧЭ 1. На выходе датчика угла 4 при этом появляется выходной переменный сигнал, амплитуда и фаза которого характеризуют величину и знак отклонения датчика угла из нулевого положения. В сумматоре 6 складывают выходные напряжения датчика угла 4 и генератора 5. Блоки 7 и 8 выпрямляют переменные напряжения, поступающие соответственно с выхода сумматора 6 и генератора 5, при этом на выходах выпрямителей появляются сигналы полусинусоид. Усреднители 9 и 10 сглаживают полусинусоиды, выделяя из них постоянную составляющую. Два сглаженных сигнала вычитают между собой с помощью блока 11, и результат вычитания интегрируют блоком 12. При постоянном сигнале на входе на выходе интегратора сигнал линейно растет. Напряжение с выхода блока 12 подают на вход обмотки датчика момента 2, через нее протекает ток, который далее через резистор Ro замыкается на общий провод. При этом на резисторе возникает напряжение:

U_Ro=IдмRо,

где Iдм – ток датчика момента.

Данное напряжение преобразуют с помощью АЦП 13 в цифровой код:

Qвых=КаRoIдм,

где Ка – коэффициент преобразования АЦП.

Блоки 6, 7, 8, 9, 10 и 11 реализуют простые операции, такие как суммирование, вычитание, выпрямление и усреднение. Точность этих операций не зависит от фазовых соотношений сигнала возбуждения и выходного сигнала датчика угла 4. Данные блоки не производят быстрых переключений отдельных временных отрезков в сигналах, как это необходимо для операций фазового выпрямления с помощью ключей в прототипе. Поэтому погрешности, вносимые в процесс измерения данными операциями, минимальны.

Ток датчика момента 2 создает внутри ЧЭ 1 момент силы, направленный навстречу моменту силы, который возник при действии измеряемой величины (ускорения) на ЧЭ. Под действием разницы указанных моментов датчик угла 4 отклоняется в сторону нулевого положения, уменьшается выходной сигнал датчика угла 4, уменьшается выходной сигнал вычитателя 11 и уменьшается рост сигнала на выходе интегратора 12. Когда моменты сил станут равны друг другу, датчик угла 4 будет находиться в нулевом положении, его выходной сигнал будет равен нулю, на входах выпрямителей 7 и 8 будут сигналы с одинаковыми амплитудами. На выходе вычитателя 11 появляется нулевой сигнал, на выходе интегратора 12 имеет место постоянное напряжение, создающее постоянный ток датчика момента, величина которого с большей точностью пропорциональна измеряемой величине:

Iдм=КчэА,

где Кчэ – постоянный коэффициент, характеризующий ЧЭ,

А – величина измеряемого ускорения.

Откуда величина выходного кода равна:

Qвых=А·Кчэ·Ka·Ro.

Погрешность измерения ускорения при этом составляет:

_Q=чэ+ка+_Ro+o,

где чэ – относительная погрешность преобразования ЧЭ,

ка – относительная погрешность АЦП,

_Rо – относительная нестабильность резистора Ro,

о – относительное смещение «0» на входе интегратора 12 при нулевом положении датчика угла 4.

Современные АЦП, имеющие число разрядов 22, характеризуются нелинейностью относительно максимального выходного кода порядка 1·10^-6, а их температурная нестабильность составляет 2·10^-6 1/°С. Относительная температурная нестабильность образцового резистора Ro может быть на уровне 5·10^-6 1/°С. Интегратор 12, выпрямители 7 и 8, сумматор 6 и вычитатель 11 собраны на основе прецизионных усилителей, имеющих смещение «0» на уровне 10^-6 В/°С. Усреднители 9 и 10 собраны на основе RC-цепей и не вносят дополнительной погрешности в преобразование постоянного напряжения. Поэтому суммарное смещение нуля на входе интегратора может составлять: Uсм₀=5·10^-61/°С. При измерении ускорения 1g на выходе интегратора 12 образуется напряжение Ug=10 В, поэтому относительное смещение «0» на входе интегратора составляет:

где К_и – коэффициент передачи интегратора,

К_раз – общий коэффициент передачи по всей разомкнутой цепи обратной связи системы управления ЧЭ, включающий в себя коэффициент К_и.

Обычно:

Откуда

Поэтому относительная погрешность измерения ускорения 1g равна:

g=чэ+10^-6+2·10^-61/°С+5·10^-61/°С+5·10^-81/°С.

При стабилизации температуры на уровне 10^-1°С данная погрешность в основном определяется только погрешностью ЧЭ:

g=чэ+10^-6+7,05·10^-7чэ10^-5.

Погрешность ЧЭ в заявляемом способе снижается также за счет применения операции интегрирования, когда при любом измеряемом ускорении датчик угла находится в нулевом положении, исключая нелинейности датчика угла. Поэтому погрешность измерения реально составляет:

g=чэ=10^-5.

Дальнейшее увеличение точности возможно за счет совершенствования свойств ЧЭ.

Формула изобретения

Способ управления чувствительным элементом для измерения механических величин, согласно которому возбуждают датчик угла чувствительного элемента переменным синусоидальным напряжением, преобразуют постоянное напряжение в ток, протекающий через датчик момента чувствительного элемента, величину тока преобразуют в цифровой код, который является результатом измерения, отличающийся тем, что выпрямляют, а затем усредняют напряжение возбуждения датчика угла, суммируют между собой переменные напряжения возбуждения датчика угла и выхода датчика угла, выпрямляют, а затем усредняют результат суммирования, который вычитают из усредненного напряжения возбуждения, результат вычитания интегрируют, образуя постоянное напряжение.

РИСУНКИ