Устройство для линеаризации характеристик измерительных преобразователей

 

Устройство для линеаризации характеристик измерительных преобразователей относится к автоматике и вычислительной технике и может найти применение в многоканальных измерительных системах с различными типами нелинейных измерительных преобразователей. Устройство содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП), вход которого является информационным входом устройства, последовательно соединенные счетчик, блок памяти и коммутатор, шину ввода кода измерительного преобразователя, подключенную к старшим адресным входам блока памяти. Введение в устройство генератора тактовой частоты, блока вычитания и добавления импульсов, селектора длительности второго такта интегрирования АЦП, а также выполнение АЦП в виде АЦП двойного интегрирования позволяет обеспечить высокую точность измерения и стабильность параметров устройства без периодической калибровки. 1 ил.

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может найти применение в многоканальных измерительных системах с различными типами нелинейных измерительных преобразователей.

Известно устройство для коррекции нелинейности, содержащее время - импульсный преобразователь, блок коммутации, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), реверсивный счетчик, программный блок, блок задержки, элементы И, ИЛИ-НЕ, соединенные между собой определенным образом [1] Недостатком известного устройства является невысокое быстродействие, обусловленное тем, что линеаризация характеристики датчика производится после получения кода результата измерения на выходе АЦП.

Другой недостаток известного устройства заключается в его ограниченных эксплуатационных возможностях, поскольку устройство позволяет производить коррекцию нелинейности характеристики только одного типа датчиков. Это обусловлено тем, что используемая в устройстве схема формирования корректирующих импульсов выполнена на логических элементах, а так как смена типа датчика требует изменения программы коррекции, то это влечет за собой и изменение схемы. Кроме того, схема устройства сложна в реализации.

Наиболее близким к изобретению является устройство для линеаризации характеристик измерительных преобразователей, содержащее преобразователь аналог число импульсов, вход которого является информационным входом устройства, последовательно соединенные счетчик, блок памяти и коммутатор [2] В данном устройстве группа адресных входов блока памяти соединена с шиной ввода кода типа измерительного преобразователя.

Достоинством прототипа по отношению к аналогу является повышенное быстродействие, обусловленное тем, что линеаризация характеристики сигнала датчика производится в процессе измерения. Вторым достоинством является возможность измерения прогpaаммы линеаризации характеристики при смене типа датчика, т.к. в блоке памяти предусмотрен выбор поля с другой программой линеаризации путем изменения кода адреса.

Недостатком прототипа является то, что для обеспечения высокой точности измерения необходима периодическая калибровка устройства, обусловленная зависимостью параметров, в частности параметров АЦП, от климатических условий и стабильности параметров во времени.

При создании устройства стояла задача разработать такую схему, которая обеспечила бы ему быстродействие не хуже, чем у прототипа, но при этом имела бы высокую точность измерения и стабильность параметров устройства, и не требовала бы периодической калибровки.

Технический результат достигается благодаря тому, что устройство для линеаризации характеристик измерительных преобразователей, как и прототип, содержит аналого-цифровой преобразователь, вход которого является информационным входом устройства, последовательно соединенные счетчик, блок памяти и коммутатор, шину ввода кода типа измерительного преобразователя, подключенную к старшим адресным входам блока памяти, однако, в отличии от прототипа, устройство дополнительно содержит генератор тактовой частоты, блок вычитания и добавления импульсов, селектор длительности второго такта интегрирования АЦП, а АЦП в заявляемом устройстве выполнено как АЦП двойного интегрирования, при этом выход генератора тактовой частоты соединен с первым входом блока вычитания и добавления импульсов, второй вход которого соединен со вторым выходом блока памяти. Третий вход блока вычитания и добавления импульсов соединен с выходом коммутатора, второй вход которого соединен с младшими разрядами счетчика. Тактовый вход счетчика объединен с тактовым входом АЦП и соединен с выходом блока вычитания и добавления импульсов, а управляющие выходы АЦП соединены с выходами селектора длительности второго такта интегрирования АЦП, выход которого, в свою очередь, соединен с третьим входом коммутатора.

Именно введение в устройство генератора тактовой частоты, блока вычитания и добавления импульсов, селектора длительности второго такта интегрирования АЦП в сочетании с выполнением АЦП в виде АЦП двойного интегрирования и соответствующими связями между элементами позволило получить высокую точность и стабильность работы устройства при высоком его быстродействии.

На чертеже представлена структурная схема устройства.

Устройство содержит последовательно соединенные генератор 1 тактовой частоты, блок 2 вычитания и добавления импульсов и счетчик 3, выходы старших разрядов которого соединены с младшими разрядами адресных входов блока 4 памяти, старшие адресные входы которого соединены с шиной 5 ввода кода типа датчика, первый выход блока 4 памяти соединен с первым входом коммутатора 6, второй вход которого соединен с выходами младших разрядов счетчика 3, второй выход блока 4 памяти соединен со вторым входом устройства 2 вычитания и добавления импульсов, третий вход которого cоединен с выходом коммутатора 6, аналоговый вход 7 устройства является входом АЦП 8, тактовый вход которого соединен с выходом устройства 2 вычитания и добавления импульсов, управляющие выходы АЦП 8 соединены с входами селектора 9 длительности второго такта интегрирования АЦП, выход которого соединен с третьим входом коммутатора 6.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии частота с генератора 1 через блок 2 вычитания и добавления импульсов поступает на тактовый вход АЦП 8, коммутатор 6 закрыт сигналом с селектора 9 длительности второго такта интегрирования АЦП, импульсная последовательность с генератора 1 не корректируется.

По началу второго такта интегрирования, счетчик 3 устанавливается в исходное состояние (связи, предназначенные для установки счетчика 3 в исходное состояние, на чертеже не показаны) и сигнал с селектора 9 длительности второго такта интегрирования АЦП разрешает прохождение корректирующих импульсов через коммутатор 6. Количество корректирующих импульсов на участок линеаризации задается кодом с блока 4 памяти, с него же на блок 2 вычитания и добавления импульсов поступает сигнал, определяющий режим вычитания или добавления импульсов.

В течение времени второго такта интегрирования на вход АЦП 8 поступает скорректированная импульсная последовательность и на кодовом выходе АЦП 8 формируется результат измерения в единицах контролируемого датчиком параметра. В зависимости от количества типов датчиков, задаваемых в коде по линиям шины 5, выбирается объем блока 4 памяти, в которую заносятся программы линеаризации характеристик соответствующего датчика. Если измеряемая величина может быть как положительный, так и отрицательной, то сигнал знака с выхода АЦП 8 должен быть подан на один из адресных входов блока 4 памяти. Оcновные характеристики устройства не зависят от рабочих условий применения, в частности от изменения температуры окружающей среды,что подтверждается следующими аргументами.

Изменение температуры влияет только на параметры генератора 1, т.е. на его тактовую частоту f_т и на АЦП 8, в частности на результат преобразования и на постоянную времени интегрирования.

Блок 2 вычитания и добавления импульсов, счетчик 3, блок 4 памяти, коммутатор 6, селектор 9 длительности второго такта интегрирования АЦП выполняются на цифровых логических элементах, поэтому их параметры не зависят от изменения температуры окружающей среды и не влияют на погрешность устройства в целом.

По принципу двухтактного интегрирования (Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л. Энергоатомиздат, 10.1; 10.2), выходной код АЦП равен: где f_т частота тактовых импульсов; Т₂ длительность второго такта интегрирования; T₁ длительность первого такта интегрирования; N₁ число импульсов, определяющее первый такт интегрирования; U_оп опорное напряжение; U_вх входное напряжение.

Как видно из формулы частота тактовых импульсов не влияет на результат преобразования АЦП, необходимо только обеспечить постоянство этой частоты в течение цикла измерения как при задании длительности первого такта интегрирования, так и при измерении длительности второго такта интегрирования. Это постоянство обеспечивается за счет высокого быстродействия, т.е. за время первого и второго тактов одного цикла измерения тактовая частота практически не меняется.

Исходя из вышеуказанной формулы и соблюдая условия, определенные в названной кн. В.С.Гутникова (стр.260), можно считать, что постоянная времени АЦП 8 в первом приближении не влияет на результат преобразования.

Предлагаемое устройство может быть использовано в приборах, предназначенных для измерения неэлектрических величин, например, для измерения температуры в различных средах, давления, влажности и т.д. в зависимости от типа датчика.

Аналого-цифровой преобразователь АЦП 8 выполнен на микросхеме КР572ПВ2 бКО. 348.432-04ТУ с внешним заданием тактовой частоты. Генератор тактовой частоты выполнен по схеме, представленной на рис. 3.12 в кн. Гутникова В.С.

Блок 2 вычитания и добавления импульсов выполнен по авт.св. N 1568222.

Счетчик 3 выполнен на микросхемах К561ИЕ10 (серии К561 бКО.348.457 ТУ).

Коммутатор 6 выполнен на логических элементах И-НЕ К561ЛА7.

Селектор 9 длительности второго такта интегрирования АЦП выполнен на логических элементах ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ К561ЛП2 и компараторах К554СА3.

Блок 4 памяти выполнен на микросхеме КР556РТ5 бКО.348.322-05ТУ.

Независимость основных характеристик устройства, а именно таких, как точность и стабильность от рабочих условий его применения позволяет использовать это устройство в полевых условиях различных климатических зон.

Кроме того одним из главных преимуществ устройства является высокая временная стабильность, что дает возможность в эксплуатации исключить калибровку устройства, а периодичность метрологической поверки его может быть увеличена.

Простота реализации устройства позволила в короткие сроки создать цифровой многоканальный измеритель ЦР2182, работающий с различными датчиками температуры и используемый в автомобильных кислородоазотдобывающих станциях.

Формула изобретения

Устройство для линеаризации характеристик измерительных преобразователей, содержащее аналого-цифровой преобразователь (АЦП), вход которого является информационным входом устройства, последовательно соединенные счетчик, блок памяти и коммутатор, шину ввода кода измерительного преобразователя, подключенную к старшим адресным входам блока памяти, отличающееся тем, что АЦП выполнен в виде АЦП двойного интегрирования, а в устройство введены генератор тактовой частоты, блок вычитания и добавления импульсов и селектор длительности второго такта интегрирования АЦП, при этом выход генератора тактовой частоты соединен с первым входом блока вычитания и добавления импульсов, второй вход которого соединен с вторым выходом блока памяти, третий вход блока вычитания и добавления импульсов соединен с выходом коммутатора, второй вход которого соединен с выходами младших разрядов счетчика, тактовый вход которого объединен с тактовым входом АЦП и соединен с выходом блока вычитания и добавления импульсов, управляющие выходы АЦП соединены с входами селектора длительности второго такта интегрирования АЦП, выход которого соединен с третьим входом коммутатора, разрядный выход АЦП является выходом устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1