устройство для компенсации погрешностей измерительного канала

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КАНАЛА , содеpжащее датчик измеpяемой величины, подключенный выходом к пеpвому входу пеpвого сумматоpа, связанного выходом с входом измеpительного канала, подключенного выходом к входам пеpвого, втоpого и тpетьего фильтpов, пеpвый из котоpых соединен выходом с пеpвым входом втоpого сумматоpа и с пеpвым входом пеpвого блока вычитания, втоpой вход котоpого объединен с пеpвыми входами втоpого и тpетьего блоков вычитания, а выход пеpвого блока вычитания подключен к входу делимого блока деления, связанного входом делителя с выходом втоpого блока вычитания, а выходом - с пеpвым входом блока умножения, подключенного выходом к пеpвому входу тpетьего сумматоpа, соединенного выходом чеpез инвеpтоp с втоpым входом втоpого сумматоpа, а втоpым входом - с выходом тpетьего блока вычитания и с пеpвым входом четвеpтого блока вычитания, связанного втоpым входом с выходом пятого блока вычитания, а выходом - с втоpым входом блока умножения, задатчик напpяжений, блок вычисления сpеднего значения, выход втоpого сумматоpа является выходом устpойства, отличающееся тем, что в него введены фоpмиpователь сигналов калибpовочных напpяжений и упpавляемый фоpмиpователь гаpмонических сигналов калибpовочных амплитуд, подключенный инфоpмационным входом к выходу датчика измеpяемой величины, а пеpвым и втоpым выходами соответственно - к втоpому и тpетьему входам пеpвого сумматоpа, выход втоpого фильтpа подключен к втоpому входу пеpвого блока вычитания и к пеpвому входу блока вычисления сpеднего значения, связанного втоpым входом с выходом тpетьего фильтpа и с пеpвым входом пятого блока вычитания, а выходом - с инфоpмационным входом фоpмиpователя сигналов калибpовочных напpяжений, подключенного установочными входами к соответствующим выходам задатчика напpяжений, а пеpвым и втоpым выходами - к втоpым входам соответственно тpетьего и пятого блоков вычитания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к автоматике и контрольно-измерительной технике, в частности, может быть использовано для компенсации погрешностей, вносимых каналом передачи измерительной информации.

Известно устройство, содержащее генератор образцового синусоидального сигнала, который является датчиком нарушения целостности измерительных цепей, нагрузочная обмотка которого включена в общую цепь последовательно с опрашиваемым датчиком через коммутирующее устройство. Контроль целостности цепей измерительных датчиков основан на анализе искажения тест-сигнала постоянного тока высокого уровня, что вызывает нежелательные переходные процессы в измерительных цепях датчиков и линиях связи, которые приводят к погрешностям в результатах измерения. Поэтому проверочные операции с использованием названного тест-сигнала не могут осуществляться одновременно с процессом измерения и требуют дополнительного времени, обусловленного наличием переходных процессов.

Наиболее близким к изобретению, выбранным в качестве прототипа, является устройство для компенсации погрешностей измерительного канала, содержащее датчик измеряемой величины, первый и второй сумматоры, первый генератор образцового сигнала, первый и второй фильтры, первый блок вычисления среднего значения, блок деления, блок умножения, первый блок вычисления, первый блок формирования сигнала задания, блок инвертирования, второй генератор образцового сигнала, третий фильтр и второй блок вычисления среднего значения, второй, третий, четвертый и пятый блоки вычитания, второй блок формирования сигнала задания и третий сумматор, причем выход датчика измеряемой величины подключен к входу первого слагаемого первого сумматора, вход второго слагаемого которого подсоединен к выходу генератора образцового сигнала, подключенного выходом к входу измерительного канала, выход последнего соединен с выходами первого и второго фильтров, выход первого фильтра подключен к входу первого слагаемого второго сумматора, а выход второго фильтра - к входу первого блока вычисления среднего значения, выход которого подключен к входу уменьшаемого первого блока вычитания, вход вычитаемого которого соединен с выходом первого блока формирования сигнала задания, выход блока инвертирования соединен с входом второго слагаемого второго сумматора, выход блока деления соединен с первым входом блока умножения, выход третьего сумматора подключен к входу блока инвертирования, выход второго генератора образцового сигнала подключен к входу третьего слагаемого первого сумматора, выход измерительного канала соединен с входом третьего фильтра, выход которого подключен к входу второго блока вычисления среднего значения, выходом подключенного к входу вычитаемого второго блока вычитания и к выходам уменьшаемого третьего и четвертого блоков вычитания, выход первого фильтра подключен к входу уменьшаемого второго блока вычитания, а его выход - к входу делимого блока деления, выход первого блока вычисления среднего значения подключен к входу вычитаемого третьего блока вычитания, выход которого соединен с входом делителя блока деления, выход второго блока формирования сигнала соединен с входом вычитаемого четвертого блока вычитания, выход которого соединен с входом вычитаемого пятого блока вычитания и входом первого слагаемого третьего сумматора, выход первого блока вычитания соединен с входом уменьшаемого пятого блока вычитания, выходом связанного с вторым входом блока умножения, выход которого соединен с входом слагаемого третьего сумматора.

Недостатком прототипа является то, что компенсации подлежат только те погрешности, которые обусловлены изменениями функции преобразования измерительного канала при сохранении ее линейности. Вместе с тем существуют такие возмущающие и дестабилизирующие факторы, которые приводят к нелинейной функции преобразования измерительного канала. В этом случае точность компенсации погрешностей измерительного канала с использованием прототипа будет низкой.

Целью изобретения является повышение точности компенсации погрешностей измерительного канала.

Сравнительный анализ с пpототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием двух новых блоков: блока калибровочных сигналов и блока калибровочных напряжений и их связями с остальными блоками устройства. Таким образом, заявляемое устройство соответcтвует критерию изобретения "новизна".

Введение в предлагаемое устройство вышеназванных дополнительных блоков и связей приводит к новому техническому свойству, которое проявляется в способ- ности компенсировать погрешности, обусловленные нелинейностью функции преобразования измерительного канала. В итоге можно гарантировать более высокую по сравнению с прототипом точность компенсации погрешностей измерительного канала. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 и 3 приведены линейная и нелинейная функции преобразования измерительных каналов, погрешности которых компенсируются соответственно с помощью прототипа и предлагаемого устройства; на фиг. 2 - структурная схема предлагаемого устройства для компенсации погрешностей измерительного канала; на фиг. 4 - пример выполнения управляемого формирователя гармонических сигналов калибровочных амплитуд и формирователя сигналов калибровочных напряжений.

Устройство для компенсации погрешностей измерительного канала (фиг. 2) содержит датчик 1 измеряемой величины, управляемый формирователь 2 гармонических сигналов калибровочных амплитуд, первый 3, второй 4 и третий 5 сумматоры, измерительный канал 6, первый 7, второй 8 и третий 9 фильтры, второй 10, первый 11, третий 12, пятый 13 и четвертый 14 блоки вычитания, блок 15 вычисления среднего значения, задатчик 16 напряжений, формирователь 17 сигналов калибровочных напряжений, блок 18 деления, блок 19 умножения, инвертор 20.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал Х с выхода датчика 1 измеряемой величины поступает через первый сумматор 3 в измерительный канал 6. С целью компенсации возникающей в измерительном канале 6 погрешности у_х (фиг. 3) используются два калибровочных гармонических сигнала с амплитудами а и b, формируемых управляемым формирователем 2 гармонических сигналов калибровочных амплитуд и поступающих также через сумматор 3 в измерительный канал 6. Данные каналы имеют частоты выше частоты передаваемого сигнала Х, на ниже граничной частоты измерительного канала 6. Главной особенностью формирования калибровочных сигналов является то, что их амплитуды а и b задаются из сетки калибровочных уровней напряжения C_i, C_i - C_i-1 = = C = const, i = 1, N, где N - число калибровочных уровней напряжения. Формирователь 2 на основе анализа величины Х осуществляет выбор таких двух уровней C_i и C_i-1, C_i-1 < C_i, для которых выполняется условие C_i-1 < X C_i, при этом а = С_i, b = C_i-1. С выхода измерительного канала 6 сигнал поступает на входы первого 7, третьего 9 и второго 8 фильтров. Полосы пропускания фильтров 8 и 9 определяются соответственно частотами калибровочных сигналов b и а. Первый фильтр 7 представляет собой широкополостный фильтр, полосы пропускания которого ограничены частотами калибровочных сигналов. Из-за действия на измерительный канал различных возмущающих и дестабилизирующих факторов его реальная функция преобразования у_х = f(x) отличается от номинальной К_нХ, представляя в общем случае нелинейную зависимость. Численно данное отличие при конкретном значении Х характеризуется погрешностью y_x = y_x - K_нХ (фиг. 3). При этом компенсация погрешности измерительного канала заключается в определении значения К_нХ по известному значению у_х и найденному в процессе компенсации значению погрешности y_x, К_нХ = = у_х - у_х. Для определения погрешности у_х в предлагаемом устройстве заложена линейная интерполяция нелинейной функции преобразования у_х = f(x) на интервале (b, a) возможных значений х, b < x a, a = C_i, b = C_i-1. В этом случае компенсируется погрешность y_x^I, y_x^Iy_x. Выделенную по- грешность у_x^I в силу линейного приближения функции преобразования на интервале (b, a) находят по формуле

y = (y_a - y_b) + y_b , где у_х, у_а, у_b - напряжения на выходе соответственно первого 7, третьего 9 и второго 8 фильтров;

у_а - искажение амплитуды калибровочного сигнала а при передаче через измерительный канал, у_а = у_а - К_на;

у_b - искажение амплитуды калибровочного сигнала b, у_b = y_b- K_нb.

Напряжения y_x и у_b с выходов фильтров 7 и 8 поступают на входы блока 11 вычитания, на выходе которого имеет место напряжение у_х - у_b. На входы блока 10 вычитания поступают напряжения у_а и у_b с выходов фильтров 9 и 8. Соответственно на выходе блока 10 имеет место напряжение у_а - у_b. С выходов блоков 11 и 10 напряжения подаются на соответствующие входы блока 18 деления, на выходе которого появляется напряжение (у_х - у_b)/(у_а - y_b). Для формирования напряжений, равных величинам у_а, у_bискажения амплитуд калибровочных сигналов а и b в измерительном канале, используется блок 15 вычисления среднего значения, формирователь 17 cигналов калибровочных напряжений и блоки 12, 13 вычитаний. На входы блока 15 подаются напряжения у_а и у_b с выходов фильтров 9 и 8. На выходе блока 15 будет напряжение (у_а + у_b)/2. Блок 15 вычисления среднего значения может быть реализован с помощью последовательно соединенных сумматора и делителя напряжения на два. Формирователь сигналов калибровочных напряжений на основе анализа величины напряжения (у_а + у_b)/2, подаваемого с блока 15, выбирает из напряжений К_нС_i, j = 1, N, действующих на выходах задатчика 16 напряжений такие два напряжения К_нС_jи K_нС_j-1, для которых выполняется условие

K_нC_j-1< K_нC_j .

Для обеспечения точной компенсации погрешностей измерительного канала должны выполняться равенства C_j-1 = b, C_j = a. Это возможно только тогда, когда степень нелинейности функции преобразования измерительного канала в пределах шкалы L_x измерения измеряемой величины Х такова, что для всех знаний j, имеющихся от 1 до N, выполняются условия

K_нC_j-1< <KC_j, где у_j = f(C_j).

На входы блоков 12 и 13 соответственно подаются напряжения у_b, K_нb и у_а, К_на, а на выходе имеют место напряжения у_b = (y_b - K_нb) и y_a = (y_a - K_на), которые поступают на входы блока 14 вычитания. На выходе блока 14 будет напряжение у_а - у_b, которое подается на второй на второй вход блока 19 умножения, на его первый вход подается напряжение (у_х - у_b)/(y_a - y_b) с выхода блока 18 деления. На выходе перемножителя будет напряжение

[(y_x - y_b)/(y_a - y_b)] ( y_a - y_b).

С помощью сумматора 5 получается напряжение y_x^I = [(y_x - y_b)/(y_a - y_b)] ( y_a - y_b) + y_b. На выходе инвертора 20 напряжение y_x^I меняет знак на противоположный. Полученное таким образом напряжение y_x^I складывается с напряжением у_х и в результате на выходе сумматора 5 получается напряжение у_х - у_x^I = К_нх.

На фиг. 4 для случая трех уровней калибровочных напряжений (N = 3) показан пример выполнения управляющего формирователя 2 гармонических сигналов калибровочных амплитуд и формирователь 17 сигналов калибровочных напряжений. Формирователь 2 состоит из последовательно соединенных генератора 39 образцового напряжения, делителя 38 напряжения, формирователя 17 калибровочных напряжений, к выходам которого подключены два генератора 36 и 37 синусоидальных сигналов, управляемых по амплитуде. Формирователь 17 сигналов калибровочных напряжений состоит их трех блоков 21-23 вычитания двухуровневых компараторов 24-29 и шести ключей 30-35.

В исходном состоянии генератор 39 образцового напряжения вырабатывает стабилизированное постоянное напряжение, которое поступает на делитель 38 напряжения. Делитель, например, резисторный, формирует сетку C_i, i = 1,3 эталонных напряжений, из которых формирователь 17 сигналов калибровочных напряжений формирует калибровочные напряжения а и b. Происходит это следующим образом.

Пусть с выходов делителя 38 эталонное напряжение C₁ поступает на блок 21 вычитания, напряжение С₂ - на блок 22 вычитания, а С₃ - на блок 23 вычитания. Разностные сигналы х - С_i с выходов блоков вычитания подаются на входы двухуровневых компараторов. Причем компараторы 24, 26 и 28 настроены на диапазон О - С, а компараторы 25, 27 и 29 настроены на диапазон - С - О, С = С_i - C_i-1. Двухуровневый компаратор может быть реализован двумя способами. В первом способе двухуровневый компаpатор (фиг. 5) содержит два одноуровневых компаратора 40, 41, инвертор 42, схему И 43. Реализация диапазона О - С компараторов 24, 26, 28 осуществляется следующим образом.

Компаратор 41 настроен на уровень "0", а компаратор 40 - на уровень + С. В исходном состоянии, когда сигнал на входе двухуровневого компаратора отсутствует (х = 0, на входах напряжения вычитателей: -C₁ или -С₂, или -С₃), на выходах компараторов 40, 41 имеет место нулевое напряжение, одно из них с выхода компаратора 41 приложено к первому входу схемы И, а другое через инвертор 42 в виде высокого уровня "1" -к второму входу схемы И. С выхода схемы И снимается низкое нулевое напряжение. По достижении на входе двухуровневого компаратора напряжения, равного нулю, срабатывает компаратор 41 и на выходе схемы И 43 появляется единичное управляющее напряжение. При превышении напряжения на входе уровня + С срабатывает компаратор 40, к второму входу схемы И поступает нулевое низкое напряжение и на выходе схемы И появляется низкое нулевое напряжение. Аналогично реализуется диапазон - С - О инверторов 25, 27, 29, с той лишь разницей, что компаратор 41 настроен на уровень - С, а компаратор 40 - на нулевой уровень.

Описание второго способа реализации двухуровневого компаратора находится в журнале Радио, N 7, 1985, с. 58.

Допустим измеряемый сигнал принимает значение Х, при этом С₂ < X < C₃. В этом случае срабатывают компараторы 26 и 29, т. е. на их выходах появляются напряжения, открывающие соответственно ключи 32 и 35. Это позволит пройти напряжению С₂ на управляющий вход генератора 36, формирующего калибровочный сигнал b, а напряжению С₃ на вход генератора 37, формирующего калибровочный сигнал а.

Таким образом, погрешность, вносимая измерительным каналом при нелинейной функции преобразования, скомпенсирована более точно, чем в прототипе.

Предлагаемое устройство не создает экономии. Техническое преимущество его перед прототипом заключается в том, что оно позволяет повысить точность компенсации погрешностей измерительного канала при нелинейной функции преобразования. (56) Авторское свидетельство СССР N 1543386, кл. G 05 B 23/02, 1987.