RU2436048C1

RU2436048C1 - Method of measuring physical value

Info

Publication number: RU2436048C1
Application number: RU2010138050/28A
Authority: RU
Inventors: Сергей Егорович Володин (RU); Сергей Егорович Володин; Леонид Станиславович Каминский (RU); Леонид Станиславович Каминский; Семён Николаевич Неговелов (RU); Семён Николаевич Неговелов; Игорь Германович Фёдоров (RU); Игорь Германович Фёдоров
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "ЭГО"
Priority date: 2010-09-14
Filing date: 2010-09-14
Publication date: 2011-12-10

Abstract

FIELD: physics. ^ SUBSTANCE: physical value measurement method includes the value conversion to a digital signal with subsequent display of the measurement results or transmission to the information collection station via a wireless communication line. Conversion of the physical value to a digital signal is performed by way of determination of capacitor discharge time (serially, after two resistors wherefrom at least one changes its impedance as a result of the physical value variation), conversion of the time of discharge through the said resistors to corresponding intermediate digital signals and intermediate digital signals memorisation, comparison of intermediate digital signals and formation of an output digital signal following the result of the intermediate digital signals comparison. ^ EFFECT: improved accuracy of measurement. ^ 6 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в измерительных, сигнальных, регулирующих или управляющих системах, использующих в качестве чувствительных элементов датчиков физической величины резисторы, изменяющие свое активное сопротивление при изменении контролируемой физической величины, например в системах контроля, управления и безопасности грузоподъемных кранов.The invention relates to measuring equipment and can be used in measuring, signaling, regulating or controlling systems using resistors as sensing elements of sensors of a physical quantity that change their resistance when a controlled physical quantity changes, for example, in monitoring, control and safety systems of hoisting cranes.

Известен способ измерения физической величины, включающий преобразование ее в электрический аналоговый сигнал с помощью электрического моста, преобразование аналогового сигнала в цифровой сигнал и преобразование цифрового сигнала в последовательный код с передачей результатов измерения в регистрирующую аппаратуру по проводной линии связи (RU 53774 U1, 27.05.2006). Недостатком такого способа является сложность передачи сигналов в регистрирующую аппаратуру при установке датчиков, реализующих данный способ, на подвижных элементах конструкции, например на выдвижной секции стрелы грузоподъемного крана или на его поворотной платформе, так как при этом необходимо применение вращающихся токосъемных устройств и специальных кабелей.A known method of measuring a physical quantity, including converting it into an electrical analog signal using an electric bridge, converting an analog signal to a digital signal and converting a digital signal to a serial code with transmitting the measurement results to the recording equipment via a wired communication line (RU 53774 U1, 05.27.2006 ) The disadvantage of this method is the difficulty of transmitting signals to the recording equipment when installing sensors that implement this method on movable structural elements, for example, on a retractable boom section of a hoisting crane or on its rotary platform, since it is necessary to use rotating collectors and special cables.

Известны также способы измерения физической величины, включающие преобразование ее в электрический аналоговый сигнал, преобразование аналогового сигнала в цифровой сигнал и преобразование цифрового сигнала в последовательный код с передачей результатов измерения в пункт приема по проводной мультиплексной линии связи (RU 2232709 С2, 20.07.2004) или по беспроводной линии связи (RU 2251524 С2, 10.05.2005).Also known are methods of measuring a physical quantity, including converting it into an electrical analog signal, converting an analog signal to a digital signal, and converting a digital signal into a serial code with transmitting the measurement results to a receiving point via a wired multiplex communication line (RU 2232709 C2, July 20, 2004) or over a wireless communication line (RU 2251524 C2, 05/10/2005).

Однако данные способы измерения физической величины предусматривают передачу результатов измерений в пункт приема только по проводной или беспроводной линии связи, что ограничивает область их применения, так как протоколы передачи данных по проводным и по беспроводным линиям связи имеют совершенно разную структуру, кодировку и методы контроля правильности обмена информацией и способы обеспечения помехозащищенности, обусловленные именно особенностями среды передачи сигнала.However, these methods of measuring a physical quantity provide for the transfer of measurement results to a receiving point only via a wired or wireless communication line, which limits their scope, since the data transmission protocols for wired and wireless communication lines have completely different structures, coding, and methods for controlling the correctness of exchange information and methods for ensuring noise immunity, due precisely to the characteristics of the signal transmission medium.

Наиболее близким к заявленному способу измерения физической величины по совокупности существенных признаков является способ, включающий преобразование контролируемой физической величины в цифровой сигнал с последующей индикацией результатов измерения или передачей в пункт приема информации по беспроводной линии связи (RU 69990 U1, 10.01.2008). Данный способ, включающий в себя предварительное преобразование контролируемой физической величины, в частности усилия на грузозахватном органе грузоподъемного крана, в аналоговый сигнал с помощью электрического моста (моста Уитстона), обладает рядом недостатков, обусловленных особенностями моста Уитстона:Closest to the claimed method of measuring a physical quantity by the set of essential features is a method comprising converting a controlled physical quantity into a digital signal, followed by indication of the measurement results or transmitting information to the receiving point via a wireless communication line (RU 69990 U1, 01/10/2008). This method, which includes the preliminary conversion of a controlled physical quantity, in particular the effort on the load-gripping body of a crane, into an analog signal using an electric bridge (Wheatstone bridge), has several disadvantages due to the features of the Wheatstone bridge:

по причине очень малого изменения сопротивления тензорезисторов при нагружении датчика усилия, реализующего данный способ, и малого значения напряжения на выходе тензомоста, приблизительно 9-10 бит разрешения аналого-цифрового преобразователя (АЦП) теряются. Поэтому для получения на выходе датчика цифрового сигнала требуемой точности (0,1-0,5%) требуется использование высококачественного АЦП с разрешением не менее 21 бит и помехозащищенного инструментального усилителя с повышенными требованиями к топологии печатной платы, размещению и монтажу элементов на печатной плате. Но работать с сигналами в диапазоне нескольких десятков нановольт крайне трудно: на результат накладываются всевозможные посторонние электромагнитные излучения, колебания температуры, микровибрации датчиков, нелинейность шкалы тензорезисторов и помехи, возникающие на плате в моменты переключения окружающей логики. Кроме того, высокоточные АЦП очень нестабильны при высоких частотах преобразования (≈1 кГц и выше);due to a very small change in the resistance of the strain gages when loading the force sensor that implements this method, and a small voltage value at the output of the strain gage, approximately 9-10 bits of resolution of the analog-to-digital converter (ADC) are lost. Therefore, to obtain a digital signal of the required accuracy at the output of the sensor (0.1-0.5%), it is necessary to use a high-quality ADC with a resolution of at least 21 bits and an noise-protected instrument amplifier with increased requirements for the topology of the printed circuit board, the placement and installation of elements on the printed circuit board. But it is extremely difficult to work with signals in the range of several tens of nanovolts: all kinds of extraneous electromagnetic radiation, temperature fluctuations, microvibration of sensors, non-linearity of the strain gauge scale, and noise arising on the board during switching of the surrounding logic are superimposed on the result. In addition, high-precision ADCs are very unstable at high conversion frequencies (≈1 kHz and higher);

зависимостью точности измерений от точности поддержания уровня напряжения питания моста Уитстона. При использовании классического моста Уитстона существует прямая зависимость точности измерений от точности поддержания уровня напряжения питания моста. Для работы классического моста Уитстона необходим высокостабильный источник питания с заранее заданным и известным уровнем выходного напряжения и очень жесткими требованиями к точности поддержания уровня выходного напряжения. Напряжение автономного источника питания (батарейки) по мере его эксплуатации снижается. При снижении напряжения до значения ниже определенной величины стабилизатор напряжения питания моста не сможет обеспечить заданный уровень, поэтому выходной сигнал с моста будет содержать неконтролируемую и неисправимую ошибку. Кроме того, как показывают осциллограммы напряжений цепей питания датчика и его отдельных узлов, в моменты включения приемопередающего модуля датчика (радиомодема) в режим передачи происходит кратковременное, но резкое снижение напряжения питания не только автономного источника питания, но и вторичных цепей питания узлов датчика, в том числе и тензомоста. Результатом такого «провала» напряжения также является неконтролируемая и неисправимая ошибка выходного сигнала с тензомоста. Никакие разумные емкости и фильтры в цепях питания не позволяют избавиться от таких «провалов» в силу наличия внутреннего сопротивления источника питания;dependence of measurement accuracy on the accuracy of maintaining the voltage level of the Wheatstone bridge. When using the classic Wheatstone bridge, there is a direct dependence of the accuracy of measurements on the accuracy of maintaining the level of supply voltage of the bridge. For the operation of the Wheatstone classic bridge, a highly stable power source with a predetermined and known output voltage level and very stringent requirements for the accuracy of maintaining the output voltage level is required. The voltage of an autonomous power source (battery) decreases as it is used. If the voltage drops to a value below a certain value, the bridge voltage regulator will not be able to provide a given level, so the output signal from the bridge will contain an uncontrolled and unrecoverable error. In addition, as the waveforms of the voltage of the sensor’s power supply circuits and its individual nodes show, at the moment the transceiver module of the sensor (radio modem) is turned on in the transmission mode, there is a short-term, but sharp decrease in the power supply voltage of not only an autonomous power source, but also secondary power supply circuits of the sensor including the tensor bridge. The result of such a “voltage dip” is also an uncontrolled and unrecoverable error of the output signal from the strain gage. No reasonable capacities and filters in the power supply circuits allow to get rid of such “failures” due to the presence of internal resistance of the power supply;

зависимостью уровня выходного сигнала классического моста Уитстона от температуры, при которой происходит измерение. При изменении температуры происходит разбалансировка моста. Известны способы аппаратной температурной компенсации, но они в большинстве случаев не дают желаемого результата в широком диапазоне рабочих температур промышленного оборудования (от -40 до +55°С). При наличии в составе датчика микроконтроллера наилучшие результаты, в частности для цифрового датчика, дает определение и запоминание в памяти микроконтроллера поправочных температурных коэффициентов. Определение таких коэффициентов - длительная, трудоемкая и недешевая процедура, которая выполняется индивидуально для каждого экземпляра датчика;the dependence of the output signal level of the classic Wheatstone bridge on the temperature at which the measurement takes place. When the temperature changes, the bridge is unbalanced. Known methods of hardware temperature compensation, but in most cases they do not give the desired result in a wide range of operating temperatures of industrial equipment (from -40 to + 55 ° C). If there is a microcontroller in the sensor, the best results, in particular for a digital sensor, are determined and stored in the microcontroller's memory by correction temperature coefficients. The determination of such coefficients is a long, laborious, and expensive procedure that is performed individually for each sensor instance;

повышенным энергопотреблением, вызванным в основном недопустимо большим (для автономных источников питания, таких как батарейки, аккумуляторы, солнечные элементы) расходом электроэнергии на питание моста Уитстона, что резко ограничивает и даже делает невозможным длительное (месяц, квартал, полугодие и т.д.) функционирование автономного устройства для осуществления данного способа (датчика физической величины). Сопротивление классического моста Уитстона при использовании распространенных тензорезисторов лежит в пределах 350-1000 Ом. Тензочувствительность большинства существующих тензометрических мостов лежит в пределах 1-2 мВ/В. Для получения приемлемых значений выходного сигнала тензомоста Уитстона (10-20 мВ) напряжение, подводимое к мосту, должно составлять не менее 10-15 В. При этом ток, потребляемый непосредственно мостом, будет лежать в пределах 10-60 мА. Марганцевощелочные АА-элементы имеют емкость около 3,2 А/ч. Если из восьми таких элементов собрать батарею напряжением 12 В, то только для питания моста ее емкости хватит не более чем на 90-300 часов непрерывной работы, т.е. на 3-12 суток. Но кроме моста необходимо питание электронных компонентов датчика (инструментального усилителя, микропроцессора и радиомодема), в результате чего время функционирования автономного датчика с одним комплектом батареек станет еще меньше. Это приводит к необходимости использования в датчике источника питания повышенной емкости для обеспечения необходимого ресурса без замены гальванических элементов, так как в ряде случаев их замена крайне сложна, в частности на грузоподъемных кранах с выдвигаемым или поворотным оборудованием. Увеличение емкости источника питания влечет за собой увеличение массы, габаритов и стоимости. Попытки снизить энергопотребление моста Уитстона путем подачи напряжения на диагональ питания периодически, кратковременными импульсами на короткое время измерения оказываются безуспешными, так как при подаче питания 10-12 В на тензорезисторы моста в течение некоторого времени (1-5 с) они разогреваются, а в процессе разогрева изменятся не только значения их сопротивлений, но и тензочувствительность. Проведение измерений в это время некорректно и приводит к дополнительным ошибкам. Уменьшить напряжение с целью уменьшения степени разогрева тензорезисторов при использовании классического способа и моста Уитстона нельзя, так как это приведет к уменьшению уровня выходного сигнала, который и без того очень маленький и имеет уровень в единицы милливольт;increased energy consumption, caused mainly by an unacceptably large (for autonomous power sources, such as batteries, batteries, solar cells) power consumption for powering the Wheatstone bridge, which severely limits and even makes it impossible for a long time (month, quarter, half year, etc.) the functioning of the stand-alone device for implementing this method (physical quantity sensor). The resistance of the classic Wheatstone bridge when using common strain gages lies in the range of 350-1000 Ohms. The strain sensitivity of most existing strain gauge bridges is within 1-2 mV / V. To obtain acceptable values of the output signal of the Wheatstone strain bridge (10-20 mV), the voltage supplied to the bridge must be at least 10-15 V. At the same time, the current consumed directly by the bridge will lie within 10-60 mA. Manganese alkaline AA cells have a capacity of about 3.2 A / h. If you assemble a battery of 12 V out of eight such elements, then only for powering the bridge its capacity will be enough for no more than 90-300 hours of continuous operation, i.e. for 3-12 days. But besides the bridge, it is necessary to power the electronic components of the sensor (instrumental amplifier, microprocessor and radio modem), as a result of which the operating time of an autonomous sensor with one set of batteries will become even less. This leads to the necessity of using an increased capacity power source in the sensor to provide the required resource without replacing the galvanic cells, since in some cases their replacement is extremely difficult, in particular on hoisting cranes with extendable or rotary equipment. An increase in the capacity of the power source entails an increase in mass, dimensions and cost. Attempts to reduce the energy consumption of the Wheatstone bridge by applying voltage to the diagonal of the power periodically, with short pulses for a short time, the measurements are unsuccessful, since when the power is supplied to the strain gages of the bridge for some time (1-5 s), they warm up, and in the process not only the values of their resistances will change, but also the strain sensitivity. Measurements at this time are incorrect and lead to additional errors. It is impossible to reduce the voltage in order to reduce the degree of heating of the strain gages when using the classical method and the Wheatstone bridge, since this will lead to a decrease in the level of the output signal, which is already very small and has a level of several millivolts;

в случае выхода моста Уитстона из строя необходимо переключение на резервный мост (если он есть), а это сама по себе непростая задача - коммутация очень слабых сигналов; кроме того, после такого переключения требуется калибровка датчика эталонными грузами.in case of failure of the Wheatstone bridge, it is necessary to switch to the backup bridge (if any), and this in itself is not an easy task - switching very weak signals; in addition, after such a switchover, calibration of the sensor with reference weights is required.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение точности измерений физической величины за счет:The problem to which the claimed invention is directed, is to increase the accuracy of measurements of physical quantities due to:

прямого преобразования времени разряда конденсатора через активное электрическое сопротивление чувствительного элемента (резистора) в цифровой сигнал;direct conversion of the discharge time of the capacitor through the active electrical resistance of the sensing element (resistor) into a digital signal;

статистической обработки результатов измерения;statistical processing of measurement results;

обеспечения независимости полученного результата измерений от напряжения источника электропитания;ensuring independence of the obtained measurement result from the voltage of the power supply;

снижения зависимости результатов измерения от температуры окружающей среды.reducing the dependence of measurement results on ambient temperature.

Еще одной задачей изобретения является уменьшение энергозатрат при передаче данных в пункт приема по беспроводной линии связи с использованием автономного источника электропитания.Another objective of the invention is to reduce energy consumption when transmitting data to a receiving point over a wireless communication line using an autonomous power source.

Дополнительные решаемые задачи и преимущества заявленного изобретения будут понятны из последующего описания.Additional tasks and advantages of the claimed invention will be clear from the following description.

Поставленные технические задачи решаются тем, что в способе измерения физической величины, включающем преобразование ее в цифровой сигнал с последующей индикацией результатов измерения или передачей в пункт приема информации по беспроводной линии связи, согласно изобретению преобразование физической величины в цифровой сигнал производят путем:The stated technical problems are solved by the fact that in the method of measuring a physical quantity, including converting it into a digital signal with subsequent indication of the measurement results or transmitting information to the receiving point via a wireless communication line, according to the invention, the conversion of the physical quantity into a digital signal is performed by

определения времен разряда конденсатора последовательно через два резистора, по крайней мере, один из которых изменяет свое сопротивление при изменении физической величины;determining the discharge times of the capacitor in series through two resistors, at least one of which changes its resistance when the physical quantity changes;

преобразования времен разряда через указанные резисторы в соответствующие промежуточные цифровые сигналы и запоминания промежуточных цифровых сигналов;converting the discharge times through these resistors to the corresponding intermediate digital signals and storing intermediate digital signals;

сравнения промежуточных цифровых сигналов;comparison of intermediate digital signals;

и формирования выходного цифрового сигнала по результату сравнения промежуточных цифровых сигналов.and generating an output digital signal based on a comparison of intermediate digital signals.

Достижению технического результата способствуют также частные существенные признаки изобретения.The achievement of the technical result is also promoted by the private essential features of the invention.

Определение времен разряда конденсатора последовательно через два резистора и преобразование времен разряда в соответствующие промежуточные цифровые сигналы с последующим их сравнением выполняют, по крайней мере, два раза, с запоминанием результатов сравнения, а формирование выходного цифрового сигнала выполняют с учетом всех запомненных результатов сравнения.The determination of the discharge times of the capacitor in series through two resistors and the conversion of the discharge times into the corresponding intermediate digital signals with their subsequent comparison is performed at least two times, with the results of the comparison being memorized, and the formation of the output digital signal is performed taking into account all the stored comparison results.

Предпочтительно определение времен разряда конденсатора последовательно через резисторы и преобразование времен разряда конденсатора в соответствующие промежуточные цифровые сигналы с последующим их сравнением выполняют последовательно через, по крайней мере, две пары резисторов, в каждой из которых, по крайней мере, один из резисторов изменяет сопротивление при изменении физической величины, с запоминанием результатов сравнения, а формирование выходного цифрового сигнала выполняют с учетом всех запомненных значений результатов сравнения.It is preferable to determine the discharge times of the capacitor in series through the resistors and convert the discharge times of the capacitor to the corresponding intermediate digital signals and then compare them sequentially through at least two pairs of resistors, in each of which at least one of the resistors changes the resistance when changing physical quantity, with storing the results of the comparison, and the formation of the output digital signal is performed taking into account all the stored values of the results with equalities.

Дополнительно измеряют температуру окружающей среды, значение которой используют для корректировки значения измеряемой физической величины.Additionally, the ambient temperature is measured, the value of which is used to adjust the value of the measured physical quantity.

До передачи выходного сигнала в пункт приема его дополнительно преобразуют в цифровой последовательный код проводной и/или беспроводной линии связи.Before transmitting the output signal to the receiving point, it is additionally converted into a digital serial code of a wired and / or wireless communication line.

До начала измерений задают с помощью компьютера либо другого внешнего устройства допустимую ошибку измерения и запоминают ее, в процессе измерения определяют фактическую ошибку измерения и рассогласование между фактической и допустимой ошибкой измерения по величине и знаку и определяют частоту передачи результатов измерения по беспроводной линии связи в зависимости от рассогласования между фактической и допустимой ошибкой измерения.Before the start of the measurements, the permissible measurement error is set using a computer or other external device and stored, during the measurement process, the actual measurement error and the mismatch between the actual and permissible measurement error in magnitude and sign are determined and the frequency of transmission of the measurement results over the wireless communication line is determined depending on discrepancies between the actual and permissible measurement error.

Сущность заявленного технического решения заключается в том, что вместо традиционных мостовых измерительных схем используется схема последовательного измерения времени разряда предварительно заряженного конденсатора через, по крайней мере, два резистора (сначала через первый резистор, потом через второй), по крайней мере, один из которых изменяет свое сопротивление при изменении значения физической величины. Времена разряда конденсатора через резисторы могут быть измерены с высокой точностью специализированным высокоточным микроконтроллером (разрешение цифрового сигнала, т.е. фактически значение младшего значащего бита, соответствует интервалу времени ≈14 пикосекунд (14·10^-12 с), таким образом, если считать, разрешение составляет половину младшего значащего разряда (МЗР), то это разрешение (r_МЗР) равно 7·10^-12 с). Один из резисторов, чувствительный к изменению физической величины, изменяет свое активное сопротивление.The essence of the claimed technical solution lies in the fact that instead of traditional bridge measuring circuits, a sequential measurement of the discharge time of a pre-charged capacitor is used through at least two resistors (first through the first resistor, then through the second), at least one of which changes its resistance when changing the value of a physical quantity. The discharge times of the capacitor through resistors can be measured with high accuracy by a specialized high-precision microcontroller (the resolution of a digital signal, i.e., in fact, the value of the least significant bit, corresponds to a time interval of ≈14 picoseconds (14 · 10 ^-12 s), thus, if we assume resolution is half the least significant digit (ML), then this resolution (r _ML ) is equal to 7 · 10 ^-12 s). One of the resistors, sensitive to a change in physical quantity, changes its active resistance.

В качестве другого резистора может быть использован либо высокостабильный резистор, не изменяющий свое сопротивление при изменении физической величины, либо резистор, изменяющий при изменении физической величины свое сопротивление в противоположном первому резистору направлении. Резисторы заранее подбираются таких номиналов, что при некотором начальном, среднем или номинальном значении физической величины значения сопротивлений двух резисторов равны.As another resistor, either a highly stable resistor that does not change its resistance when the physical quantity changes, or a resistor that changes its resistance when the physical quantity changes in the opposite direction to the first resistor, can be used. Resistors are pre-selected such values that for some initial, average or nominal value of a physical quantity, the resistance values of the two resistors are equal.

Конденсатор после заряда до напряжения, равного напряжению источника питания, разряжается до некоторого порогового значения. После достижения порогового значения напряжения на конденсаторе разряд прекращается и начинается заряд до напряжения источника питания. Интервал времени, в течение которого происходил разряд, измеряется специализированным микроконтроллером, приспособленным для высокоточного измерения (с ошибкой измерения не более 7 пикосекунд) временных интервалов. Значение этого интервала, сразу определенное в микроконтроллере в виде цифрового кода, запоминается во внутренней памяти микроконтроллера. Как известно, время разряда связано со значениями емкости конденсатора и сопротивления резистора соотношением:The capacitor after charging to a voltage equal to the voltage of the power source is discharged to a certain threshold value. After reaching the threshold value of the voltage across the capacitor, the discharge stops and the charge begins to the voltage of the power source. The time interval during which the discharge occurred is measured by a specialized microcontroller adapted for high-precision measurement (with a measurement error of not more than 7 picoseconds) of time intervals. The value of this interval, immediately determined in the microcontroller as a digital code, is stored in the internal memory of the microcontroller. As you know, the discharge time is associated with the values of the capacitance of the capacitor and the resistance of the resistor by the ratio:

T=R·C,T = R · C,

где Т - постоянная времени, с, это время разряда конденсатора до напряжения, равного 36,8% от начального значения;where T is the time constant, s, this is the discharge time of the capacitor to a voltage equal to 36.8% of the initial value;

R - сопротивление резистора, Ом;R is the resistance of the resistor, Ohm;

С - емкость конденсатора, Ф.C is the capacitance of the capacitor, F.

Практически чаще используется другая приближенная формула:Almost more often, another approximate formula is used:

τ=0,7·R·С,τ = 0.7 · R · C,

где τ - время разряда конденсатора до напряжения, равного ≈0,5 начального значения.where τ is the discharge time of the capacitor to a voltage equal to ≈0.5 of the initial value.

Затем осуществляется повторный заряд конденсатора до напряжения, равного напряжению источника питания, и последующий разряд конденсатора через второй резистор до того же порогового значения, последующее определение и запоминание в микроконтроллере интервала времени разряда конденсатора через второй резистор. Затем в микроконтроллере определяется разность между полученными временами, по ее величине и знаку определяется изменение значения физической величины и новое ее значение.Then, the capacitor is recharged to a voltage equal to the voltage of the power supply, and the subsequent discharge of the capacitor through the second resistor to the same threshold value, the subsequent determination and storing in the microcontroller of the interval of the discharge time of the capacitor through the second resistor. Then, the difference between the obtained times is determined in the microcontroller, the change in the value of the physical quantity and its new value are determined by its magnitude and sign.

Если при начальном значении физической величины сопротивления обоих резисторов равны, то равны и величины времен разряда конденсатора через резисторы, а их разность равна нулю, т.е. физическая величина имеет свое исходное начальное значение.If, at the initial value of the physical quantity, the resistances of both resistors are equal, then the values of the capacitor discharge times through the resistors are equal, and their difference is zero, i.e. physical quantity has its initial initial value.

Если же значение физической величины изменилось, то изменится время разряда конденсатора через резистор (резисторы), сопротивление которого (которых) также изменилось. При этом в микроконтроллере разность времен разрядов станет отличной от нуля. При этом в случае использования резисторов с обратными зависимостями их сопротивлений от изменения физической величины результирующий сигнал будет больше, чем в случае использования высокостабильного резистора в качестве второго резистора. Но в любом случае по ее величине и знаку определяется зависимое от ее значения изменение значения физической величины и новое ее значение.If the value of the physical quantity has changed, then the discharge time of the capacitor through the resistor (s) will change, the resistance of which (of which) has also changed. In this case, in the microcontroller, the difference in the discharge times will become nonzero. Moreover, in the case of using resistors with the inverse dependences of their resistances on changes in the physical quantity, the resulting signal will be larger than in the case of using a highly stable resistor as a second resistor. But in any case, by its magnitude and sign, a change in the value of the physical quantity and its new value is determined depending on its value.

Математически это описывается следующим образом. Например, для измерения деформаций металлических конструкций и силовых нагрузок на них широко используются проволочные тензорезисторы. Начальное значение сопротивления проволочного тензорезистора при отсутствии деформации материала, на который он наклеен, составляет, например, R₀=350 Ом. Сопротивление высокостабильного резистора остается всегда постоянным, равным R₀=350 Ом, кроме того, он может быть и вообще не наклеен на деформируемый материал. Максимальное изменение сопротивления тензорезистора ΔR при деформации материала составляет обычно не более 0,2% от его номинального значения, т.е. ΔR=2·10^-3·R₀=0,7 Ом. Сопротивление резистора при деформации материала R₁=R₀+ΔR=350,7 Ом. Время разряда конденсатора τ₀ через высокостабильный резистор равно τ₀=0,7·R₀·C, а время разряда конденсатора τ₁ через тензорезистор при деформации материала:Mathematically, this is described as follows. For example, wire strain gages are widely used to measure deformations of metal structures and force loads on them. The initial value of the resistance of the wire strain gauge in the absence of deformation of the material on which it is glued is, for example, R ₀ = 350 Ohms. The resistance of a highly stable resistor remains always constant, equal to R ₀ = 350 Ohms, in addition, it may not be glued to the deformable material at all. The maximum change in the resistance of the strain gage ΔR during deformation of the material is usually not more than 0.2% of its nominal value, i.e. ΔR = 2 · 10 ^-3 · R ₀ = 0.7 Ohms. The resistance of the resistor during deformation of the material R ₁ = R ₀ + ΔR = 350.7 Ohms. The discharge time of the capacitor τ ₀ through a highly stable resistor is τ ₀ = 0.7 · R ₀ · C, and the discharge time of the capacitor τ ₁ through a strain gauge during material deformation:

τ₁=0,7·R₁·C=0,7·(R₀+ΔR)·Cτ ₁ = 0.7 · R ₁ · C = 0.7 · (R ₀ + ΔR) · C

После вычитания первого уравнения из второго и преобразования результата получается формула:After subtracting the first equation from the second and converting the result, the formula is obtained:

δR=ΔR/R₀=(τ₁-τ₀)/(0,7·R₀·C),δR = ΔR / R ₀ = (τ ₁ -τ ₀ ) / (0,7 · R ₀ · C),

где δR - относительное изменение сопротивления тензорезистора при деформации материала.where δR is the relative change in resistance of the strain gauge during deformation of the material.

При максимальной относительной деформации материала δL_макс, составляющей обычно 10^-3, максимальное относительное изменение сопротивления тензорезистора δR_макс=(ΔR/R₀)_макс=2·10^-3, т.е. в пределах упругих деформаций можно считать, что относительная деформация равнаAt the maximum relative deformation of the material δL _max , usually 10 ^-3 , the maximum relative change in the resistance of the strain gauge δR _max = (ΔR / R ₀ ) _max = 2 · 10 ^-3 , i.e. within elastic deformations, we can assume that the relative deformation is equal to

δL=0,5·δR=0,5·(ΔR/R₀).δL = 0.5 · δR = 0.5 · (ΔR / R ₀ ).

А относительная деформация в свою очередь связана с величиной действующей силы (или давления) линейной зависимостью:And the relative deformation, in turn, is connected with the magnitude of the acting force (or pressure) by a linear dependence:

Р=K_δL·δL,P = K _δL · δL,

где K_δL - масштабный коэффициент, зависящий от деформируемого материала, его размеров и упругих свойств материала. На практике определяется опытным путем, хотя существуют расчетные формулы для тел простейшей формы.where K _δL is a scale factor depending on the deformable material, its size and the elastic properties of the material. In practice, it is determined empirically, although there are calculation formulas for bodies of the simplest form.

А так как δL линейно связана с Δτ=(τ₁-τ₀), то в итоге получается формула для расчета действующей силы:And since δL is linearly related to Δτ = (τ ₁ -τ ₀ ), the result is a formula for calculating the effective force:

Р=K·Δτ,P = K · Δτ,

где K - масштабный коэффициент.where K is the scale factor.

При максимальной относительной деформации материала δL_макс, составляющей обычно 10^-3, максимальное относительное изменение сопротивления тензорезистора δR_макс=(ΔR/R₀)_макс=2·10^-3, т.е. в пределах упругих деформаций можно считать, чтоAt the maximum relative deformation of the material δL _max , usually 10 ^-3 , the maximum relative change in the resistance of the strain gauge δR _max = (ΔR / R ₀ ) _max = 2 · 10 ^-3 , i.e. within elastic deformations, we can assume that

δL=0,5·δR=0,5·(ΔR/R₀).δL = 0.5 · δR = 0.5 · (ΔR / R ₀ ).

Пусть емкость разрядного конденсатора составляет 200 нФ, т.е. 200·10^-9 Ф. При максимальной деформации δR_макс=2·10^-3 разность времен Δτ_макс=(τ₁-τ₀)_макс или Δτ_макс=δR_макс·0,7·R₀·C=2·10^-3·0,7·350·200·10^-9≈10^-7 с.Let the capacitance of the discharge capacitor be 200 nF, i.e. 200 · 10 ^-9 F. At maximum deformation δR _max = 2 · 10 ^-3 time difference Δτ _max = (τ ₁ -τ ₀ ) _max or Δτ _max = δR _max · 0.7 · R ₀ · C = 2 · 10 ^-3 · 0.7 · 350 · 200 · 10 ^-9 ≈10 ^-7 s.

Учитывая, что разрешение составляет половину младшего значащего разряда двоичного числа, как было указано ранее, равно r_МЗР=7·10^-12 с, максимальное значение разности времен разряда Δτ_макс для данного примера составляет Δτ_макс≈10^-7 с или 10^-7/(2·7·10^-12)=7000 младших значащих разрядов, что эквивалентно ≈13-битному числу. При использовании в качестве второго резистора тензорезистора с обратным первому изменением сопротивления при деформации, как это делается в обычных тензомостах, значение Δτ_макс будет примерно в 2 раза больше и соответственно составит ≈14000 младших значащих разрядов, что эквивалентно уже ≈14-битному числу. Такова же будет и разрядность результата единичного измерения - деформации или силы, действующей на деформируемый материал при использовании предлагаемого способа. Этой точности в большинстве случаев тензоизмерений более чем достаточно для решения большинства практических прикладных задач. Надо отметить, что тензоизмерения являются одним из самых тяжелых видов измерений по причине очень малых изменений исходных значений сопротивлений (не более 0,2%). В других случаях можно ожидать более высокую точность результата измерения. Поэтому при дальнейшем описании изобретения будет рассматриваться в качестве примера измерение деформации (нагрузки) с помощью тензорезисторов.Considering that the resolution is half the least significant bit of the binary number, as indicated earlier, is r _MLR = 7 · 10 ^-12 s, the maximum value of the difference in the discharge time Δτ _max for this example is Δτ _max ≈10 ^-7 s or 10 ^-7 / (2 · 7 · 10 ^-12 ) = 7000 least significant digits, which is equivalent to ≈13-bit number. When a strain gage is used as the second resistor with the inverse first change in the resistance to deformation, as is done in conventional strain gages, the Δτ _max value will be approximately 2 times larger and accordingly will be ≈14000 least significant bits, which is equivalent to a ≈14-bit number. The same will be the bit depth of the result of a single measurement - deformation or force acting on the deformable material when using the proposed method. In most cases of strain gauge this accuracy is more than enough to solve most practical applied problems. It should be noted that strain gauges are one of the most difficult types of measurements due to very small changes in the initial resistance values (not more than 0.2%). In other cases, a higher accuracy of the measurement result can be expected. Therefore, in the further description of the invention, deformation (load) measurement using strain gauges will be considered as an example.

В этом и заключается сущность предлагаемого способа - замена существующего способа измерения очень слабого сигнала мостового преобразователя, требующего наличия высокостабильного источника напряжения питания моста и его последующего преобразования в цифровой сигнал дорогим, высокоточным, многоразрядным АЦП с очень низким уровнем шумов, измерением времен разряда конденсатора последовательно через два резистора, сопротивление, по крайней мере, одного из которых зависит от значения измеряемой физической величины, сравнением этих времен разряда и определением по результатам этого сравнения значения измеряемой физической величины. Для реализации предлагаемого способа не требуется прецизионный и высокостабильный источник питания, не требуется высокоточный многоразрядный АЦП и даже требуемое минимальное количество резисторов здесь в два раза меньше, чем при использовании известного способа. При всем этом точность получаемого результата оказывается выше, чем у известного способа.This is the essence of the proposed method — replacing the existing method of measuring a very weak bridge converter signal, requiring a highly stable bridge voltage source and then converting it to a digital signal with an expensive, high-precision, multi-bit ADC with a very low noise level, measuring the capacitor discharge times in series two resistors, the resistance of at least one of which depends on the value of the measured physical quantity, by comparing these times It can be determined by determining the value of the measured physical quantity from the results of this comparison. To implement the proposed method does not require a precision and highly stable power source, it does not require a high-precision multi-bit ADC and even the required minimum number of resistors is two times less than when using the known method. With all this, the accuracy of the result is higher than that of the known method.

Так как предлагаемый способ предусматривает заряд одного и того же конденсатора от источника питания, его последовательный разряд через два резистора и последующее сравнение времен разряда, то нет никакой необходимости иметь высокостабильный источник питания. Так как время разряда очень мало зависит от колебаний напряжения источника питания, а при использовании автономного источника питания оно вообще не зависит от этих колебаний, потому что процесс заряда конденсатора сглаживает кратковременные колебания напряжения, вызванные, например, кратковременным включением и выключением отдельных блоков устройства для реализации предлагаемого способа (датчика физической величины), в конце процесса заряда напряжение на конденсаторе практически не изменяется. А так как происходит сравнение времен разряда конденсатора от напряжения источника питания до одного и того же напряжения, составляющего, например, половину напряжения источника питания, то сами времена разряда и результат их сравнения совершенно не зависят от напряжения источника питания и его стабильности. Снижение напряжения автономного источника во времени протекает на много порядков медленнее процессов заряда и разряда и, благодаря операции сравнения времен разряда, никак не влияет на точность результата измерения. Более того, некоторое снижение напряжения автономного источника питания по мере его использования приводит к снижению уровня шумов результатов измерений и повышению точности. По этой же причине на точность измерения практически не оказывает никакого воздействия старение конденсатора и резисторов во времени и связанное с этим некоторое изменение их номиналов.Since the proposed method involves charging the same capacitor from a power source, its sequential discharge through two resistors and the subsequent comparison of discharge times, there is no need to have a highly stable power source. Since the discharge time depends very little on fluctuations in the voltage of the power source, and when using an autonomous power source, it does not depend on these fluctuations at all, because the capacitor charge process smooths out the short-term voltage fluctuations caused, for example, by briefly turning on and off individual units of the device to realize of the proposed method (physical quantity sensor), at the end of the charging process, the voltage across the capacitor remains almost unchanged. And since the discharge time of the capacitor is compared from the voltage of the power source to the same voltage, which is, for example, half the voltage of the power source, the discharge times themselves and the result of their comparison are completely independent of the voltage of the power source and its stability. Reducing the voltage of an autonomous source in time proceeds many orders of magnitude slower than the processes of charge and discharge and, thanks to the operation of comparing the discharge times, does not affect the accuracy of the measurement result. Moreover, a certain decrease in the voltage of the autonomous power source as it is used leads to a decrease in the noise level of the measurement results and to an increase in accuracy. For the same reason, the aging of the capacitor and resistors in time and the associated some change in their values have practically no effect on the measurement accuracy.

Операции последовательного заряда и разряда конденсатора через резисторы по сравнению с известным способом приводят к еще одному очень неожиданному, но важному результату. Помимо того что мостовая схема требует для своего питания высокостабильный и прецизионный источник питания с напряжением не менее 10-15 В, ток, потребляемый мостовой схемой, обычно составляет 10-60 мА. При питании датчика от сети или вторичного источника питания это не вызывает никаких проблем. Проблемы начинаются при использовании автономного источника питания. Это и величина напряжения питания, потому что приходится собирать батарею из отдельных элементов, при этом растет внутреннее сопротивление источника питания и, что более важно для автономного источника, потеря энергии на нем. Но самое неприятное - это ток, потребляемый таким датчиком. При таком токе потребления емкости около 3,2 А/ч марганцевощелочного АА-элемента хватит не больше чем на 3-12 суток. Для автономного датчика это недопустимо маленький срок.The operation of sequential charge and discharge of the capacitor through the resistors in comparison with the known method leads to another very unexpected, but important result. In addition to the fact that the bridge circuit requires a highly stable and precision power supply with a voltage of at least 10-15 V for its power supply, the current consumed by the bridge circuit is usually 10-60 mA. When powering the sensor from the mains or secondary power supply, this does not cause any problems. Problems begin when using an autonomous power source. This is the magnitude of the supply voltage, because it is necessary to assemble the battery from individual elements, while the internal resistance of the power source is growing and, more importantly for an autonomous source, the energy loss on it. But the most unpleasant thing is the current consumed by such a sensor. With such a current of capacity consumption of about 3.2 A / h, the manganese alkaline AA element will last no more than 3-12 days. For an autonomous sensor, this is an unacceptably short time.

При использовании предлагаемого способа, во-первых, нет необходимости иметь источник такого высокого напряжения, достаточно напряжения 3,6 В, которое дают выпускаемые в настоящее время литиевые батарейки. Измерительная схема сохраняет свою работоспособность при снижении напряжения питания до ≈2 В, и то в основном потому, что это нижний предел питания для других электронных компонентов (микроконтроллеры, компараторы и т.д.). Этого напряжения (2-3,6 В) достаточно и для питания всей электронной части датчика. Во-вторых, ток, потребляемый конденсатором при зарядке, очень мал и составляет в среднем 300 мкА. Учитывая, что разряд конденсатора продолжается дольше, чем заряд, так как конденсатор разряжается через резисторы номиналом 350-1000 Ом, а заряд идет практически напрямую от источника, внутреннее сопротивление которого в десятки и сотни раз меньше, а также то, что конденсатор разряжается не до конца, интегрально ток, потребляемый измерительной зарядно-разрядной цепью, не превышает 50-100 мкА. Это в сотни раз меньше, чем в известном способе. Электронная схема обработки сигналов потребляет в известном способе от 1 до 10 мА в зависимости от режима работы. Так как в предлагаемом способе заряды и разряды чередуются и электроника тоже работает активно не все время, а в основном обработка полученных времен разряда идет во время заряда конденсатора, то потребление при непрерывной работе электроники составит 300-1000 мкА. Такой потребляемый ток позволяет использовать малогабаритные литиевые батарейки в качестве автономного источника питания со сроком службы без замены (при непрерывной работе) в течение не менее чем 120-180 дней. Такой срок для автономного датчика может считаться вполне достаточным. Т.е. использование предлагаемого способа позволяет создавать автономные датчики с достаточным временем автономной работы без замены источника питания.When using the proposed method, firstly, there is no need to have a source of such a high voltage, a voltage of 3.6 V, which is produced by lithium batteries currently produced, is sufficient. The measuring circuit maintains its operability by reducing the supply voltage to ≈2 V, and this is mainly because this is the lower limit of the power supply for other electronic components (microcontrollers, comparators, etc.). This voltage (2-3.6 V) is enough to power the entire electronic part of the sensor. Secondly, the current consumed by the capacitor during charging is very small and averages 300 μA. Given that the discharge of the capacitor lasts longer than the charge, since the capacitor is discharged through resistors with a nominal value of 350-1000 Ohms, and the charge goes almost directly from the source, whose internal resistance is tens and hundreds of times less, and also that the capacitor is not discharged to end, integrally, the current consumed by the measuring charge-discharge circuit does not exceed 50-100 μA. This is hundreds of times less than in the known method. The electronic signal processing circuit consumes in the known method from 1 to 10 mA, depending on the mode of operation. Since in the proposed method the charges and discharges alternate and the electronics also do not actively work all the time, and basically the processing of the obtained discharge times occurs during the charge of the capacitor, the consumption during continuous operation of the electronics will be 300-1000 μA. Such current consumption allows the use of small lithium batteries as an autonomous power source with a service life without replacement (during continuous operation) for at least 120-180 days. Such a period for an autonomous sensor can be considered quite sufficient. Those. the use of the proposed method allows you to create autonomous sensors with sufficient battery life without replacing the power source.

Сопротивление практически всех существующих резисторов, в том числе используемых для измерения физических величин, как правило, заметно зависит от температуры резистора, т.е. фактически от температуры окружающей среды, в которой выполняются измерения. Поэтому практически все измерительные цепи, использующие резисторы в качестве чувствительных элементов, имеют в своем составе цепи термокомпенсации. Конечно, температура среды не меняется так быстро, как измеряемая величина, и, как правило, ее влияние на изменение сопротивления меньше, чем измеряемой физической величины, поэтому измерять ее достаточно только в отдельные моменты времени и считать, что между измерениями она остается постоянной. Но если в известном способе изменение температуры всегда приводило к дополнительной разбалансировке измерительного моста и изменению выходного напряжения даже для совершенно идентичных идеальных резисторов, то при использовании предлагаемого способа и двух чувствительных к изменению физической величины резисторов, разность времен разряда через эти резисторы зависит от изменения температуры значительно (на несколько порядков) в меньшей степени, и эта зависимость в основном обусловлена лишь небольшими различиями температурных коэффициентов сопротивления двух резисторов, обусловленными технологическими особенностями их изготовления, например тем, что используются резисторы из разных партий поставки. Для большинства практических задач влиянием этого фактора можно пренебречь. А если его все-таки надо учитывать, то его учет в силу его малости представляет гораздо меньшие трудности как в аппаратном решении с помощью дополнительных резисторов в измерительной цепи датчика, так и в программном с использованием микроконтроллера блока обработки сигналов.The resistance of almost all existing resistors, including those used to measure physical quantities, as a rule, significantly depends on the temperature of the resistor, i.e. actually from the temperature of the environment in which the measurements are made. Therefore, almost all measuring circuits using resistors as sensitive elements include thermal compensation circuits. Of course, the temperature of the medium does not change as quickly as the measured quantity, and, as a rule, its influence on the change in resistance is less than that of the measured physical quantity; therefore, it is sufficient to measure it only at certain points in time and assume that it remains constant between measurements. But if, in the known method, a change in temperature always led to an additional unbalance of the measuring bridge and a change in the output voltage even for completely identical ideal resistors, then when using the proposed method and two resistors sensitive to changes in the physical quantity, the difference in the discharge times through these resistors significantly depends on the temperature change (by several orders of magnitude) to a lesser extent, and this dependence is mainly due to only small differences in temperature coefficients itsientov two resistors of resistance caused by the technological features of their manufacture, such as those used resistors of different delivery parts. For most practical tasks, the influence of this factor can be neglected. And if it still needs to be taken into account, then taking it into account, due to its smallness, presents much less difficulties both in the hardware solution with the help of additional resistors in the measuring circuit of the sensor, and in the software using the microcontroller of the signal processing unit.

Поскольку предлагаемый способ использует для измерения определение времен разряда конденсатора через резисторы, то процесс измерения протекает достаточно быстро. Так, например, если при тензоизмерениях и номиналах резисторов 350÷1000 Ом и емкости конденсатора в диапазоне 30÷300 нФ ((30-300)·10^-9 Ф) время разряда через один резистор составляет ≈8-75 мкс, через оба резистора - ≈16-150 мкс, то с учетом времени, необходимого для зарядки конденсатора, за 1 с может быть выполнено от ≈5000 до ≈50000 измерений. Т.е. время одиночного измерения Т_еи может составлять ≈20-200 мкс. Такая частота измерений явно избыточна для большинства практических задач, так как обычные скорости измерения большинства физических величин с помощью резисторов гораздо меньше и их измерения достаточно делать от 2 до 10 раз в секунду. При этом появляется реальная возможность использовать избыточность измерений для дополнительного повышения точности, т.е. проводить не один замер, а много, запоминать все промежуточные результаты, а затем методами математической статистики определять среднее значение (математическое ожидание) и дисперсию или среднеквадратическое отклонение результата от его математического ожидания. Кроме того, выполнение операции определения времен разряда конденсатора последовательно через два резистора и преобразования времен разряда в соответствующие промежуточные цифровые сигналы с последующим их сравнением, по крайней мере, два раза, с запоминанием результатов сравнения и формированием выходного цифрового сигнала с учетом всех запомненных результатов сравнения реально позволяет снизить влияние случайных шумов на результат измерения и значительно повысить точность. Так, при наличии в микроконтроллере блока обработки сигналов 12-разрядного счетчика числа измерений можно выполнять 4096 измерений с последующим осреднением их результатов. При этом по сравнению с одиночным измерением среднеквадратическое значение ошибки измерения с осреднением может быть уменьшено в √4096=64 раза, что эквивалентно увеличению разрешения результата на 6 разрядов. Т. е. разрешение результата составляет при этом уже не 12-13 разрядов, а практически 14-17 разрядов, что позволяет создавать измерительную систему с не менее чем 10000-100000 делений, не добавляя к ее аппаратному решению никаких высокоточных прецизионных элементов. При использовании известного способа для статистической обработки множества измерений необходимо квантование аналогового выходного сигнала тензомоста и его последующее высокочастотное аналого-цифровое преобразование, недостатки которого были описаны выше. Кроме того, для большинства известных АЦП при высоких частотах преобразования характерны провалы в разрешении при высоких частотах преобразования.Since the proposed method uses for measuring the determination of the discharge times of the capacitor through resistors, the measurement process proceeds quite quickly. So, for example, if with strain gauges and resistor ratings 350 ÷ 1000 Ohm and capacitor capacitance in the range 30 ÷ 300 nF ((30-300) · 10 ^-9 F), the discharge time through one resistor is ≈8-75 μs, through both resistors - ≈16-150 μs, then taking into account the time required to charge the capacitor, from ≈5000 to ≈50000 measurements can be performed in 1 s. Those. the time of a single measurement of T _ei can be ≈20-200 μs. This measurement frequency is clearly redundant for most practical tasks, since the usual measurement rates of most physical quantities with resistors are much lower and it is enough to measure them from 2 to 10 times per second. At the same time, there is a real opportunity to use measurement redundancy to further increase accuracy, i.e. to carry out not one measurement, but a lot, to remember all the intermediate results, and then using the methods of mathematical statistics to determine the average value (mathematical expectation) and the variance or standard deviation of the result from its mathematical expectation. In addition, the operation of determining the discharge times of the capacitor sequentially through two resistors and converting the discharge times into the corresponding intermediate digital signals with their subsequent comparison, at least two times, with storing the results of the comparison and the formation of the output digital signal taking into account all the stored comparison results is real reduces the effect of random noise on the measurement result and significantly improves accuracy. So, if there is a number of measurements in the microcontroller of the signal processing unit of the 12-bit counter, 4096 measurements can be performed with subsequent averaging of their results. Moreover, in comparison with a single measurement, the rms value of the measurement error with averaging can be reduced by √4096 = 64 times, which is equivalent to an increase in the resolution of the result by 6 digits. That is, the resolution of the result is no longer 12-13 digits, but almost 14-17 digits, which allows you to create a measuring system with no less than 10000-100000 divisions, without adding any high-precision precision elements to its hardware solution. When using the known method for the statistical processing of many measurements, it is necessary to quantize the analog output signal of the strain gage and its subsequent high-frequency analog-to-digital conversion, the disadvantages of which were described above. In addition, most known ADCs at high conversion frequencies are characterized by resolution dips at high conversion frequencies.

Ранее отмечалось, что для использования известного способа необходимо иметь четыре резистора, соединенные в мост Уитстона. При использовании предлагаемого способа достаточно двух резисторов, которые можно назвать полумостом. Однако в данном способе можно также использовать четыре резистора, образующие две пары. Конденсатор при этом будет последовательно заряжаться и разряжаться через эти две пары резисторов и времена разряда будут сравниваться для каждой пары, затем по результатам сравнения определяется результат или результаты измерения. Это может быть результат осреднения измерений по временам разряда через все четыре резистора, если они установлены в одной точке или рядом, по крайней мере, в окрестности, в которой физическая величина имеет одно конкретное значение. Это могут быть два результата, каждый для своего места установки чувствительных резисторов, т.е. при этом получают два значения физической величины в разных разнесенных точках среды. Предлагаемый способ в этом случае позволяет использовать во второй паре резисторы с отличным от первой пары номиналом независимо от взаимного их расположения.It was previously noted that in order to use the known method, it is necessary to have four resistors connected to the Wheatstone bridge. When using the proposed method, two resistors are enough, which can be called a half-bridge. However, in this method, four resistors forming two pairs can also be used. The capacitor will be sequentially charged and discharged through these two pairs of resistors and the discharge times will be compared for each pair, then the result or results of the measurement are determined by the comparison results. This may be the result of averaging the measurements over the discharge times through all four resistors, if they are installed at one point or nearby, at least in a neighborhood in which the physical quantity has one specific value. These can be two results, each for its place of installation of sensitive resistors, i.e. this gives two values of a physical quantity at different spaced points of the medium. The proposed method in this case allows the use in the second pair of resistors with a different nominal value from the first pair, regardless of their relative position.

Все перечисленные варианты допускают также многократные измерения с последующей статистической их обработкой, как это было описано ранее. Это также приводит к дополнительному повышению точности измерений в √2≈1,41 раз увеличению разрешения или дает ≈1 дополнительный разряд в разрешении.All of these options also allow multiple measurements with subsequent statistical processing, as described previously. This also leads to an additional increase in the measurement accuracy by a √2≈1.41 times increase in resolution or gives ≈1 additional discharge in resolution.

Использование двух пар резисторов имеет еще одно дополнительное преимущество по сравнению с известным способом. Это повышение надежности за счет резервирования. Вторая пара резисторов может быть использована при выходе первой пары из строя, т.е. выполнять функции «горячего» резерва, переход на измерения с ее использованием может быть осуществлен практически мгновенно при получении информации микроконтроллером о неисправности или выходе из строя первой пары резисторов. При этом не требуется калибровка этой второй пары, так как она может быть выполнена при изготовлении датчика.The use of two pairs of resistors has another additional advantage compared to the known method. This increases reliability through redundancy. The second pair of resistors can be used when the first pair fails, i.e. perform the functions of a “hot” reserve, the transition to measurements with its use can be carried out almost instantly upon receipt of information by the microcontroller about a malfunction or failure of the first pair of resistors. This does not require calibration of this second pair, since it can be performed in the manufacture of the sensor.

Таким же образом можно использовать не только две, а и большее количество, например четыре пары, резисторов. Количество определяется только возможностями микроконтроллера блока обработки сигналов. Установка дополнительных пар резисторов приводит к дополнительному повышению точности и/или надежности, хотя при этом несколько возрастает время одного измерения Т_и.In the same way, you can use not only two, but also a larger number, for example four pairs, of resistors. The quantity is determined only by the capabilities of the microcontroller of the signal processing unit. The installation of additional pairs of resistors leads to an additional increase in accuracy and / or reliability, although this also slightly increases the time of one measurement of T _and .

Измерение дополнительной физической величины (температуры окружающей среды, значение которой используют для корректировки значения измеряемой физической величины) позволяет повысить точность измерения основной физической величины. Несмотря на то что предлагаемый способ позволяет получать результаты, в очень малой степени зависящие от температуры, при которой производится измерение, благодаря последовательному разряду конденсатора через резисторы с практически одинаковой температурой, некоторая зависимость результата от температуры имеет место. В силу малости этой зависимости ее учет в микроконтроллере блока обработки сигнала не представляет трудностей. Однако для того чтобы в случае необходимости учесть температуру, необходимо ее знать или измерять в месте установки датчика. Предлагаемый способ позволяет легко это сделать, используя тот же самый принцип, лежащий в основе способа, а именно последовательный заряд и разряд конденсатора сначала через терморезистор, например с положительным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), а затем через резистор с отрицательным ТКС. В качестве второго резистора может быть также использован высокостабильный резистор, сопротивление которого не зависит от температуры. Т.е. в данном случае температура среды и является тем самым измеряемым значением физической величины. Только эта величина в данном способе является дополнительной, которая измеряется для того, чтобы учесть влияние ее на результат измерения другой, основной, физической величины. На самом деле этот способ может быть использован для измерения именно температуры как основной измеряемой физической величины.Measurement of an additional physical quantity (ambient temperature, the value of which is used to adjust the value of the measured physical quantity) allows to increase the accuracy of measuring the main physical quantity. Despite the fact that the proposed method allows to obtain results that are very slightly dependent on the temperature at which the measurement is made, due to the sequential discharge of the capacitor through resistors with almost the same temperature, some temperature dependence of the result takes place. Due to the smallness of this dependence, its consideration in the microcontroller of the signal processing unit is not difficult. However, in order to take the temperature into account, if necessary, it must be known or measured at the place of installation of the sensor. The proposed method makes it easy to do this using the same principle underlying the method, namely the sequential charge and discharge of the capacitor first through a thermistor, for example with a positive temperature coefficient of resistance (TCR), and then through a resistor with a negative TCR. As a second resistor, a highly stable resistor can also be used, the resistance of which is independent of temperature. Those. in this case, the temperature of the medium is the measured value of the physical quantity. Only this quantity in this method is additional, which is measured in order to take into account its influence on the measurement result of another, basic, physical quantity. In fact, this method can be used to measure precisely temperature as the main measurable physical quantity.

Преобразование выходного сигнала (до передачи в пункт приема) в цифровой последовательный код проводной и/или беспроводной линии связи позволяет использовать заявленный способ при разработке цифровых датчиков, использующих как нестандартный протокол обмена данными, так и стандартные, широко распространенные протоколы, например RS232, RS422, RS485 и др. При этом данные цифровые датчики остаются универсальными и допускают использование их без каких-либо конструктивных доработок в системах контроля, управления и безопасности грузоподъемных кранов как с кабельными линиями связи между элементами данной системы, так и с беспроводными или комбинированными линиями связи.Converting the output signal (before transmission to the receiving point) into a digital serial code of a wired and / or wireless communication line allows you to use the claimed method in the development of digital sensors using both a non-standard communication protocol and standard, widespread protocols, for example RS232, RS422, RS485 and others. At the same time, these digital sensors remain universal and can be used without any structural modifications in the monitoring, control and safety systems of lifting equipment It is new both with cable communication lines between elements of this system, and with wireless or combined communication lines.

Определение в процессе измерения фактической ошибки измерения и рассогласования между фактической и заранее заданной допустимой ошибкой измерения по величине и знаку позволяет установить частоту передачи результатов измерения по беспроводной линии связи в зависимости от рассогласования между фактической и допустимой ошибкой измерения, т.е. фактически определять частоту включения приемопередатчика в режим передачи, и совсем отключать режим передачи (переводить приемопередатчик в «спящий» режим), когда сигналы от измерительного преобразователя не изменяются или изменяются в пределах требуемых ошибок измерения, тем самым исключая излишнее чрезмерное и ненужное энергопотребление от автономного источника питания и увеличивая срок его службы без замены. Процедура, связанная с определением рассогласования между фактической и допустимой ошибкой измерения, в настоящее время не представляет трудностей. Допустимая ошибка измерения каждого параметра крана может быть задана заранее, до начала измерений, т.е. перед первым включением системы контроля, управления и безопасности грузоподъемного крана, на основе требований к точности работы данной системы и алгоритма решения системой задачи обеспечения безопасной и безаварийной работы крана. Допустимая ошибка измерения может быть задана как статистическая, например среднеквадратическое отклонение ошибки оценки значения измеряемого параметра, так и как предельно допустимое значение ошибки измерения какого-либо параметра крана. При этом ошибка может быть задана не только как значение измеряемого параметра, а и как минимально допустимое число значащих разрядов результата, которые обеспечивают требуемую точность работы данной системы. Такой подход часто используется в цифровых системах на основе микроконтроллеров. При работе крана фактическая ошибка измерения может быть вызвана характером и скоростью изменения измеряемого параметра работы крана, алгоритмом измерительного процесса, качеством работы электронной аппаратуры датчика и т.д. Если при работе крана измеряемый параметр изменяется медленно или остается неизменным, то ошибка его определения остается неизменной или уменьшается. Если же параметр меняется быстро, то ошибка его определения увеличивается. Соответственно изменяется и разность между указанными ошибками. Если фактическая ошибка измерения выше допустимой, то частота включения режима передачи увеличивается, а интервал между двумя соседними включениями уменьшается, и наоборот. При отсутствии груза или изменения его веса фактическая ошибка измерения резко уменьшается, и включение передатчика может осуществляться с большими интервалами, например одна минута и более. Такой подход исключает излишние включения передачи сигнала по беспроводной линии связи и позволяет свести к минимуму энергопотребление приемопередатчика и измерительного преобразователя. Кроме того, при этом может быть снижена частота работы измерительного преобразователя, что также сказывается благоприятно на экономии ресурса батареи.The determination during the measurement of the actual measurement error and the mismatch between the actual and predetermined allowable measurement error in magnitude and sign allows you to set the frequency of transmission of the measurement results over the wireless communication line depending on the mismatch between the actual and permissible measurement error, i.e. in fact, determine the frequency when the transceiver is turned on in transmission mode, and completely disable the transmission mode (put the transceiver in sleep mode) when the signals from the transmitter do not change or change within the limits of the required measurement errors, thereby eliminating unnecessary excessive and unnecessary power consumption from an autonomous source power supply and increasing its service life without replacement. The procedure for determining the mismatch between the actual and the permissible measurement error is not currently difficult. The permissible measurement error of each valve parameter can be set in advance, before the start of measurements, i.e. before the first inclusion of the monitoring, control and safety system of the crane, based on the requirements for the accuracy of the system and the algorithm for solving the problem of ensuring safe and trouble-free operation of the crane by the system. The permissible measurement error can be set as statistical, for example, the standard deviation of the error in estimating the value of the measured parameter, or as the maximum permissible error in the measurement of any parameter of the crane. In this case, the error can be set not only as the value of the measured parameter, but also as the minimum allowable number of significant bits of the result, which provide the required accuracy of the given system. This approach is often used in digital systems based on microcontrollers. When the crane is operating, the actual measurement error can be caused by the nature and rate of change of the measured parameter of the crane operation, the algorithm of the measuring process, the quality of the electronic equipment of the sensor, etc. If during operation of the crane the measured parameter changes slowly or remains unchanged, then the error in its determination remains unchanged or decreases. If the parameter changes quickly, then the error of its determination increases. Accordingly, the difference between the indicated errors also changes. If the actual measurement error is higher than permissible, then the frequency of switching on the transmission mode increases, and the interval between two adjacent inclusions decreases, and vice versa. In the absence of a load or a change in its weight, the actual measurement error decreases sharply, and the transmitter can be turned on at large intervals, for example, one minute or more. This approach eliminates unnecessary signal transmission over the wireless communication line and minimizes the power consumption of the transceiver and transmitter. In addition, the frequency of the transmitter can be reduced, which also has a beneficial effect on saving battery life.

На фиг.1 и 2 схематически показан датчик усилия балочного типа с наклеенными двумя тензорезисторами без нагрузки и с нагрузкой Р; на фиг.3 приведена диаграмма, поясняющая процесс заряда и разряда конденсатора через резисторы в соответствии с предлагаемым способом; на фиг.4 показана функциональная схема, реализующая процессы заряда и разряда конденсатора последовательно через два резистора; на фиг.5 показана схема предварительного подсчета импульсов при разряде конденсатора; на фиг.6 показан процесс многократных зарядов и разрядов конденсатора через две пары резисторов с последующей статистической обработкой результатов отдельных измерений за период измерений Т_и; на фиг.7 показан в растянутом масштабе процесс заряда и последующего разряда в течение времени Т_еи, принятого за время единичного измерения.Figures 1 and 2 schematically show a beam-type force sensor with two strain gauges glued without load and with load P; figure 3 is a diagram explaining the process of charging and discharging a capacitor through resistors in accordance with the proposed method; figure 4 shows a functional diagram that implements the processes of charging and discharging a capacitor in series through two resistors; figure 5 shows a diagram of the preliminary calculation of pulses during the discharge of the capacitor; figure 6 shows the process of multiple charges and discharges of a capacitor through two pairs of resistors with subsequent statistical processing of the results of individual measurements for the measurement period T _and ; Fig. 7 shows on an enlarged scale the process of charge and subsequent discharge during the time T _ei taken as the time of a single measurement.

Способ измерения физической величины, например усилия на грузозахватном органе грузоподъемного крана, осуществляется следующим образом.A method of measuring a physical quantity, for example, a force on a load-gripping body of a crane, is as follows.

Под действием нагрузки Р упругий элемент 1 датчика усилия деформируется, вместе с ним происходит деформация наклеенных на него тензорезисторов 2 и 3. Тензорезистор 2 сопротивлением R2, равным, например, 350 Ом, наклеен на поверхность упругого элемента, которая при нагружении растягивается, и его сопротивление при этом увеличивается на величину ΔR2. Тензорезистор 3 сопротивлением R3, равным, например, 350 Ом, наклеен на поверхность упругого элемента, которая при нагружении сжимается, и его сопротивление при этом уменьшается при максимальном нагружении на величину ΔR3=ΔR2=ΔR=0,7 Ом. Это идеальный вариант полумоста из тензорезисторов, при котором выходной сигнал тензометрического преобразователя максимальный. Практические конструкции упругих элементов не всегда предполагают равенство деформаций растяжения и сжатия и, следовательно, равенство по величине изменений сопротивлений обоих тензорезисторов, т.е. реальна ситуация, при которой ΔR2≠ΔR3. Более того, возможна измерительная цепь, состоящая из одного тензорезистора, например 2, и обычного высококачественного и высокостабильного резистора 3, который никуда не наклеен и не изменяет своего сопротивления при нагружении упругого элемента, т.е. ΔR3=0. Эти ситуации не меняют сути рассматриваемого вопроса, они лишь приводят к уменьшению выходного сигнала с полумоста и к снижению точности и разрешающей способности тензодатчика.Under the action of load P, the elastic element 1 of the force sensor is deformed, along with it, the strain gauges 2 and 3 are glued onto it. The strain gauge 2 with a resistance R2, equal to, for example, 350 Ohms, is glued to the surface of the elastic element, which stretches when loaded, and its resistance it increases by ΔR2. The strain gauge 3 with a resistance R3, equal, for example, 350 Ohms, is glued to the surface of the elastic element, which is compressed during loading, and its resistance decreases at maximum loading by ΔR3 = ΔR2 = ΔR = 0.7 Ohms. This is an ideal version of a half-bridge of strain gauges, in which the output signal of the strain gauge converter is maximum. Practical constructions of elastic elements do not always imply equality of tensile and compression strains and, therefore, equality in magnitude of changes in the resistances of both strain gages, i.e. a real situation in which ΔR2 ≠ ΔR3. Moreover, a measuring circuit is possible, consisting of one strain gauge, for example 2, and the usual high-quality and highly stable resistor 3, which is not glued anywhere and does not change its resistance when loading an elastic element, i.e. ΔR3 = 0. These situations do not change the essence of the issue under consideration, they only lead to a decrease in the output signal from the half-bridge and to a decrease in the accuracy and resolution of the load cell.

В ненагруженном состоянии упругого элемента R2=R3=350 Ом. Подобрать изначально сопротивления резисторов 2 и 3 абсолютно равными практически никогда не удается, но существуют операции и процедуры балансировки, многократно и подробно описанные в технической литературе и патентах (см., например: Г.Виглеб. Датчики. Устройство и применение, М.: Мир, 1989, с.62-76; Контрольно-измерительные приборы и инструменты: Учебник / С.А.Зайцев и др., М.: ИЦ «Академия», 2008; Методы практического конструирования при нормировании сигналов с датчиков: по материалам семинара «Practical design techniques for sensor signal conditioning» / М., Автекс, 1999, с.2-1-3-45), поэтому здесь не рассматриваются.In the unloaded state of the elastic element R2 = R3 = 350 Ohms. It is almost never possible to find the initial resistances of resistors 2 and 3 completely equal, but there are balancing operations and procedures described many times and in detail in the technical literature and patents (see, for example: G. Wigleb. Sensors. Device and application, M .: Mir , 1989, p. 62-76; Instrumentation and tools: Textbook / S.A. Zaitsev et al., Moscow: Academician Research Center, 2008; Practical Design Methods for Normalizing Signals from Sensors: based on the materials of the workshop “ Practical design techniques for sensor signal conditioning ”/ M., Avteks, 1999, p.2-1-3-4 5), therefore, are not considered here.

Для реализации предлагаемого способа необходимо последовательно переключать конденсатор 4 вначале в режим заряда (кривая 7) от источника питания 5, затем в режим разряда (кривая 8) через тензорезистор 2, после этого снова в режим заряда (кривая 7) от источника питания 5, после чего в режим разряда (кривая 9) через тензорезистор 3. Эта перекоммутация может осуществляться с помощью переключателей 6, в роли которых могут быть использованы электронные ключи, например, как входящие в состав специализированного микроконтроллера (на чертеже не показан), приспособленного для определения разности времен разряда конденсатора 4 через резисторы 2 и 3, так и внешние электронные ключи. Срабатывание переключателей 6 организовано внутренними и/или внешними командами микроконтроллера, а, например, управление моментом отключения процесса разряда может быть выполнено с использованием различных делителей напряжения и пороговых устройств, наиболее известным из которых является компаратор.To implement the proposed method, it is necessary to sequentially switch the capacitor 4 first to the charge mode (curve 7) from the power source 5, then to the discharge mode (curve 8) through the strain gauge 2, then again to the charge mode (curve 7) from the power source 5, after bringing it into discharge mode (curve 9) through a strain gauge 3. This switching can be carried out using switches 6, which can be used electronic keys, for example, as part of a specialized microcontroller (not shown in the drawing), adapted to determine the difference in discharge times of the capacitor 4 through resistors 2 and 3, and external electronic switches. The operation of the switches 6 is organized by internal and / or external commands of the microcontroller, and, for example, control of the moment of shutdown of the discharge process can be performed using various voltage dividers and threshold devices, the most famous of which is the comparator.

Для реализации предлагаемого способа в качестве резисторов могут быть использованы тензорезисторы фирмы "ZEMIC" (КНР) или другие тензорезисторы подобного типа, например тензорезисторы ЗАО "Весоизмерительная компания "Тензо-М".To implement the proposed method as resistors can be used strain gauges company "ZEMIC" (China) or other strain gages of this type, for example strain gages CJSC "Weighting company" Tenzo-M ".

В качестве конденсатора может быть использован поливинилсульфидный конденсатор, характеризующийся стабильностью и малыми потерями.As a capacitor, a polyvinyl sulfide capacitor can be used, characterized by stability and low losses.

В качестве специализированного микроконтроллера могут быть использованы выпускаемые в настоящее время так называемые время-цифровые преобразователи (ВЦП). Используя современные технологии CMOS по скорости прохождения сигнала, разработаны и производятся ВЦП и микроконтроллеры, содержащие ВЦП с использованием линий задержки. Это, например, специализированные микроконтроллеры, такие, например, как TDC-F1, TDC-GPX, TDC-GP2 и другие фирмы Асаm (Германия), содержащие ВЦП. Комбинация линий задержки, синхронизирующей и вычислительной части этих микроконтроллеров позволила создать недорогие, компактные ВЦП с разрешением в пикосекундном диапазоне. В основе принципа измерения ВЦП лежит подсчет абсолютного числа прохождений фронтов импульсов 9 измеряемого сигнала через линии задержки.As a specialized microcontroller, the so-called time-to-digital converters (VCPs) currently available are used. Using modern CMOS technologies for signal transmission speed, digital-to-digital converters and microcontrollers containing digital-to-analog converters using delay lines are designed and manufactured. These are, for example, specialized microcontrollers, such as, for example, TDC-F1, TDC-GPX, TDC-GP2 and other Asam companies (Germany), containing a digital-circuit converter. The combination of delay lines, synchronizing and computing parts of these microcontrollers made it possible to create inexpensive, compact digital-to-digital converters with a resolution in the picosecond range. The basis of the principle of measuring the VCP is the calculation of the absolute number of passes of the edges of the pulses 9 of the measured signal through the delay line.

В качестве компаратора может быть использована микросхема 74HC1G14 фирмы Philips Semiconductors с низким уровнем шумов. Компаратор может быть также собран по дифференциальной схеме с высоким коэффициентом подавления помех источника питания на биполярных транзисторах типа 2N5087. Многие микроконтроллеры содержат встроенные компараторы, но, к сожалению, эти встроенные компараторы предназначены для других задач (контроль напряжения источника питания) и поэтому их точность для решения задачи измерения явно недостаточна.As a comparator can be used chip 74HC1G14 company Philips Semiconductors with low noise. The comparator can also be assembled according to a differential circuit with a high noise suppression coefficient of the power supply on bipolar transistors of type 2N5087. Many microcontrollers contain built-in comparators, but, unfortunately, these built-in comparators are designed for other tasks (monitoring the voltage of the power supply) and therefore their accuracy for solving the measurement problem is clearly insufficient.

В качестве дополнительного микроконтроллера управления (на чертеже не показан) при передаче информации внешним потребителям по проводной или беспроводной линии связи может использоваться простейший микроконтроллер, например MSP430F149 фирмы "Texas Instruments" (США). Его задачи: управление распределением электроэнергии между потребителями в зависимости от требуемой частоты обновления информации, преобразование выходного сигнала в цифровой последовательный код проводной и/или беспроводной линии связи и контроль уровня напряжения автономного источника питания.As an additional control microcontroller (not shown) when transmitting information to external consumers via a wired or wireless communication line, a simple microcontroller can be used, for example, MSP430F149 from Texas Instruments (USA). Its tasks: controlling the distribution of electricity between consumers depending on the required frequency of updating information, converting the output signal into a digital serial code of a wired and / or wireless communication line and controlling the voltage level of an autonomous power source.

Для реализации системы беспроводной передачи данных можно использовать радиомодули компании Chipcon. Для питания элементов устройства, реализующего данный способ, может быть использован, например, литиевый гальванический элемент или аккумулятор в сочетании с солнечным элементом для его подзарядки или с периодической подзарядкой от внешнего источника питания.To implement a wireless data transmission system, you can use Chipcon radio modules. For powering the elements of a device that implements this method, for example, a lithium galvanic cell or a battery can be used in combination with a solar cell to recharge it or periodically recharge from an external power source.

Единичный цикл измерения состоит из следующих этапов.A single measurement cycle consists of the following steps.

А. Измерение нагрузки (силы, давления)A. Measurement of load (force, pressure)

1. Заряд (кривая 7) конденсатора 4 емкостью С, равной, например, 200 нФ, от источника 5 питания до напряжения источника питания U_пит, равного 3,0 В.1. The charge (curve 7) of the capacitor 4 with a capacitance C equal to, for example, 200 nF, from the power supply 5 to the voltage of the power supply U _pit equal to 3.0 V.

2. Разряд (кривая 8) конденсатора 4 через тензорезистор 2 от напряжения U_пит до напряжения U_paзp=0,5·U_пит, при котором переключатель 6 разрывает цепь разряда, передача N2 импульсов 10, сформированных за интервал времени разряда Т3 конденсатора 4 через тензорезистор 2, в ВЦП, расчет в ВЦП в цифровом виде времени разряда Т2 конденсатора 4 через тензорезистор 2. Тактовые импульсы могут формироваться тактовым генератором микроконтроллера, содержащего ВЦП, или внешним кварцевым генератором, подключенным к этому микроконтроллеру. Лучше использовать внешний кварцевый генератор, так как встроенные генераторы имеют, как правило, более высокий уровень шумов.2. The discharge (curve 8) of the capacitor 4 through the strain gauge 2 from the voltage U _pit to the voltage U _pp = 0.5 · U _pit , in which the switch 6 breaks the discharge circuit, the transmission of N2 pulses 10 generated during the discharge time interval T3 of the capacitor 4 through strain gauge 2, in the digital converter, digital calculation of the discharge time T2 of the capacitor 4 through the strain gauge 2 in digital form. Clock pulses can be generated by the clock of the microcontroller containing the digital converter, or by an external crystal oscillator connected to this microcontroller. It is better to use an external crystal oscillator, since the built-in oscillators usually have a higher noise level.

3. Заряд (кривая 7) конденсатора 4 от источника 5 питания до напряжения U_пит.3. The charge (curve 7) of the capacitor 4 from the power source 5 to the voltage U _pit .

4. Разряд (кривая 9) конденсатора 4 через тензорезистор 3 от напряжения U_пит до напряжения U_paзp=0,5·U_пит, при котором переключатель 6 разрывает цепь разряда, передача N3 импульсов 10, сформированных генератором тактовых импульсов за интервал времени Т3 разряда конденсатора 4 через тензорезистор 3, в ВЦП, расчет в ВЦП в цифровом виде времени разряда Т3 конденсатора 4 через тензорезистор 3.4. The discharge (curve 9) of the capacitor 4 through the strain gauge 3 from the voltage U _pit to the voltage U _pp = 0.5 · U _pit , in which the switch 6 breaks the discharge circuit, transmission of N3 pulses 10 generated by the clock pulse generator for the T3 discharge time interval the capacitor 4 through the strain gauge 3, in the VCP, the calculation in the digital converter of the digital form of the discharge time T3 of the capacitor 4 through the strain gauge 3.

5. Вычисление разности времен разряда конденсатора 4 через резисторы 2 и 3: ΔТ=Т2-Т3, и запоминание в памяти микроконтроллера, содержащего ВЦП.5. Calculation of the difference in the discharge times of the capacitor 4 through resistors 2 and 3: ΔТ = T2-T3, and storing in the memory of the microcontroller containing the VCP.

6. Вычисление в микроконтроллере, содержащем ВЦП, действующей на упругий элемент датчика силы Р (или давления) по формуле:6. Calculation in the microcontroller containing the VCP acting on the elastic element of the force sensor P (or pressure) according to the formula:

Р=K·ΔТ,P = K · ΔT,

где K - масштабный коэффициент пересчета разности времен ΔТ в значение нагрузки (силы, давления) Р.where K is the scale factor for converting the time difference ΔТ into the value of the load (force, pressure) R.

Б. Осреднение результата по нескольким замерамB. Averaging the result of several measurements

Несмотря на высокое разрешение результата измерения физической величины (силы Р в данном примере) при использовании предлагаемого способа, сам результат может содержать случайную шумовую составляющую, вызванную тепловыми шумами, внутренними шумами электронной схемы, шумами источника питания и т.д. Часть этой ошибки может быть частично устранена дополнительными калибровками аппаратуры. Однако полностью избавиться от этих шумов не удается. Гораздо больший эффект дает осреднение результата по нескольким замерам. При этом сначала выполняются несколько последовательных М циклов заряда и разряда конденсатора 4 через резисторы 2 и 3 с запоминанием промежуточных значений ΔT_i (I=1÷М). Количество М этих циклов ограничено только требованиями к быстродействию процесса измерения и обновления результатов, объемом памяти микроконтроллера и разрядностью адресов. Так, при 12-разрядной шкале возможно получить М=2¹²=4096 единичных измерений и затем определять среднее значение ΔТ_ср какDespite the high resolution of the measurement result of the physical quantity (force P in this example) when using the proposed method, the result itself may contain a random noise component caused by thermal noise, internal noise of the electronic circuit, noise of the power source, etc. Part of this error can be partially eliminated by additional hardware calibrations. However, it is not possible to completely get rid of these noises. A much greater effect is obtained by averaging the result over several measurements. In this case, first, several consecutive M cycles of charge and discharge of the capacitor 4 are performed through resistors 2 and 3 with storing the intermediate values ΔT _i (I = 1 ÷ M). The number M of these cycles is limited only by the requirements for the speed of the process of measuring and updating the results, the memory capacity of the microcontroller, and the resolution of the addresses. So, with a 12-bit scale, it is possible to obtain M = 2 ¹² = 4096 unit measurements and then determine the average value ΔТ _cf as

ΔT_сp=(ΣΔT_i)/M,ΔT _cp = (ΣΔT _i ) / M,

а затем определить силу Р по формуле Р=К·ΔТ_ср.and then determine the force P by the formula P = K · ΔT _cf.

При этом среднеквадратическое отклонение ошибки определения силы Р от ее среднего значения уменьшится в √4096=64 раза. Соответственно разрешение результата увеличится на 6 разрядов. Это очень высокий показатель, особенно учитывая, что он получен без усложнения схемы и введения в нее дополнительных высокоточных и дорогих компонентов. На самом деле для большинства практических задач такое количество единичных замеров для осреднения избыточно. Как правило, с использованием предлагаемого способа для многих практических задач может оказаться достаточным проведение четырех измерений (четыре разряда конденсатора через резистор 2 и четыре разряда - через резистор 3). Уже при таком их числе удается снизить шум измерений в 2 раза. Поэтому при решении практических задач удобнее считать единичным измерением проведение четырех измерений с последующим их осреднением и время этого измерения Т_еи, равноеIn this case, the standard deviation of the error in determining the force P from its average value will decrease by √4096 = 64 times. Accordingly, the resolution of the result will increase by 6 digits. This is a very high indicator, especially considering that it was obtained without complicating the circuit and introducing additional high-precision and expensive components into it. In fact, for most practical tasks, such a number of single measurements for averaging is excessive. As a rule, using the proposed method for many practical problems, it may be sufficient to perform four measurements (four discharges of the capacitor through resistor 2 and four discharges through resistor 3). Even with such a number, it is possible to reduce the measurement noise by a factor of 2. Therefore, when solving practical problems it is more convenient to consider a single measurement to carry out four measurements with their subsequent averaging and the time of this measurement, T _ei , equal to

Т_еи=8·Т_ЗАР+4·Т2+4·Т3,T _ei = 8 · T _ZAR + 4 · T2 + 4 · T3,

считать единичным измерением. В последней формуле Т_ЗАР - время заряда конденсатора. На практике оно составляет ≈30% от времени разряда.considered a single measurement. In the last formula, T _ZAR is the capacitor charge time. In practice, it amounts to ≈30% of the discharge time.

При необходимости дальнейшего повышения точности результата можно проводить дополнительное осреднение, считая эти четыре измерения единичным измерением, повторяя его L раз, и тогда общее время измерения Т_и будет равноIf necessary, to further enhance accuracy of the result can be carried out further averaging, considering these four measurements of a single measurement, it repeating L times, and then the total measuring time T _and is equal to

Т_и=L·Т_еи T _and = L · T _ei

В. Осреднение результата по замерам разрядов конденсатора через две и более пары резисторовB. Averaging the result of measuring capacitor discharges through two or more pairs of resistors

В этом случае осреднение может проводиться по результатам замеров последовательных разрядов конденсатора через несколько пар резисторов, например через две или через четыре, при этом в каждую пару должен входить, по крайней мере, один резистор, чувствительный к изменению физической величины. Эта операция приводит к тем же результатам, что и описанное в предыдущем пункте осреднение по нескольким замерам времен разряда с одной пары резисторов, т.е. фактическая избыточность измерений приводит к повышению точности результата. Однако использование нескольких пар резисторов дает некоторые дополнительные преимущества. Во-первых, резервирование измерительных цепей. В случае выхода из строя одного или двух резисторов одной измерительной цепи и обнаружения этой неисправности микроконтроллером есть возможность «горячего» (без выключения) отключения неисправной пары и перехода на вторую пару резисторов. Наличие четырех измерительных пар позволяет в этом случае создать очень высоконадежный датчик с трехкратным резервированием измерительной цепи. Во-вторых, при таком переходе не требуется никакой дополнительной калибровки измерительного устройства. В-третьих, появляется возможность использовать в разных измерительных парах резисторы с разными номиналами, что также может быть очень полезно при использовании резисторов различных производителей и может благотворно сказаться на точности измерения быстротекущих процессов.In this case, averaging can be carried out according to the results of measurements of successive discharges of the capacitor through several pairs of resistors, for example, through two or four, and each pair must include at least one resistor sensitive to a change in the physical quantity. This operation leads to the same results as the averaging over several measurements of discharge times from one pair of resistors described in the previous paragraph, i.e. actual redundancy of measurements leads to an increase in the accuracy of the result. However, using multiple pairs of resistors provides some additional benefits. Firstly, redundancy of the measuring circuits. In the event of failure of one or two resistors of one measuring circuit and the detection of this malfunction by the microcontroller, there is the possibility of "hot" (without turning off) disconnecting the faulty pair and switching to the second pair of resistors. The presence of four measuring pairs allows in this case to create a very highly reliable sensor with threefold redundancy of the measuring circuit. Secondly, with such a transition, no additional calibration of the measuring device is required. Thirdly, it becomes possible to use resistors with different ratings in different measuring pairs, which can also be very useful when using resistors of various manufacturers and can have a beneficial effect on the accuracy of measuring fast-moving processes.

Г. Измерение температуры окружающей среды в месте проведения измеренийD. Measurement of the ambient temperature at the place of measurement

Хотя предлагаемый способ позволяет частично устранить влияние изменения температуры среды на результат измерения, в ряде случаев для повышения точности учет температуры оказывается необходим. Но температура сама по себе является физической величиной, от величины которой зависит сопротивление большинства резисторов. И существуют специальные резисторы, у которых эта зависимость имеет ярко выраженный и стабильный характер. Это терморезисторы. Они выпускаются разных типов, как с положительным ТКС, так и с отрицательным ТКС. Выпускаются также термостабильные резисторы, сопротивление которых не изменяется в широком диапазоне температур. Предлагаемый способ предназначен как раз для измерения таких величин, для которых существуют резисторы, чувствительные к их изменению. Конечно, полученная и использованием данного способа точность определения температуры явно избыточна, поэтому никакого осреднения в данном случае проводить не нужно, достаточно единичное измерение, причем это измерение можно проводить для уменьшения общего энергопотребления достаточно редко, например один раз в 5-10 секунд, а в ряде случаев и еще реже. Для измерения нужна также измерительная цепь, состоящая также из двух резисторов 2 и 3 и конденсатора 4, но в качестве резистора 2 используется терморезистор с положительным ТКС номиналом R2=500 Ом, а в качестве резистора 3 используется или высокостабильный резистор или резистор с отрицательным ТКС с тем же номиналом R3=500 Ом.Although the proposed method allows to partially eliminate the influence of changes in the temperature of the medium on the measurement result, in some cases, to increase the accuracy, it is necessary to take into account the temperature. But the temperature itself is a physical quantity, on the value of which the resistance of most resistors depends. And there are special resistors in which this dependence has a pronounced and stable character. These are thermistors. They are available in different types, both with positive TKS and with negative TKS. Thermostable resistors are also available, the resistance of which does not change over a wide temperature range. The proposed method is intended just for measuring such quantities for which there are resistors that are sensitive to their change. Of course, the accuracy of determining the temperature obtained using this method is clearly excessive, so no averaging is necessary in this case, a single measurement is sufficient, and this measurement can be performed to reduce the total energy consumption quite rarely, for example, once every 5-10 seconds, and a number of cases and even less. For measurement, we also need a measuring circuit, which also consists of two resistors 2 and 3 and a capacitor 4, but as a resistor 2 we use a thermistor with a positive TCS with a nominal value of R2 = 500 Ohms, and as a resistor 3 we use either a highly stable resistor or a resistor with a negative TCS with the same rating R3 = 500 Ohms.

Последовательность операций при измерении температуры t следующая.The sequence of operations when measuring temperature t is as follows.

1. Заряд 7 конденсатора 4 емкостью С, равной, например, 10 нФ, от источника 5 питания до напряжения U_пит.1. The charge 7 of the capacitor 4 with a capacitance C equal to, for example, 10 nF, from the power supply 5 to the voltage U _pit .

2. Разряд 8 конденсатора 4 через терморезистор 2 от напряжения U_пит до напряжения U_разр=0,5·U_пит, при котором переключатель 6 разрывает цепь разряда, передача N2 импульсов 10 за интервал времени разряда Т3 конденсатора 4 через терморезистор 2 в ВЦП, расчет в ВЦП в цифровом виде времени разряда Т2 конденсатора 4 через терморезистор 2.2. The discharge 8 of the capacitor 4 through the thermistor 2 from the voltage U _pit to the voltage U _bit = 0.5 · U _pit , in which the switch 6 breaks the discharge circuit, the transmission of N2 pulses 10 for the discharge time interval T3 of the capacitor 4 through the thermistor 2 in the VCP, Calculation in the digital converter of the digital form of the discharge time T2 of the capacitor 4 through the thermistor 2.

3. Заряд 7 конденсатора 4 от источника питания до напряжения U_пит.3. The charge 7 of the capacitor 4 from the power source to the voltage U _pit .

4. Разряд 10 конденсатора 4 через высокостабильный резистор или терморезистор 3 от напряжения U_пит до напряжения U_paзp=0,5·U_пит, при котором переключатель 6 разрывает цепь разряда, передача N3 импульсов 10 за интервал времени Т3 разряда конденсатора 4 через высокостабильный резистор или терморезистор 3 в ВЦП, расчет в ВЦП в цифровом виде времени разряда Т3 конденсатора 4 через высокостабильный резистор или терморезистор 3.4. Discharge 10 of capacitor 4 through a highly stable resistor or thermistor 3 from voltage U _pit to voltage U _razp = 0.5 · U _pit , in which switch 6 breaks the discharge circuit, transmission of N3 pulses 10 for the time interval T3 of discharge of capacitor 4 through highly stable resistor or a thermistor 3 in the digital converter, the calculation in the digital converter in digital form of the discharge time T3 of the capacitor 4 through a highly stable resistor or thermistor 3.

5. Вычисление разности времен разряда конденсатора 4 через резисторы 2 и 3: ΔT=Т2-Т3, и запоминание в памяти микроконтроллера, содержащего ВЦП.5. Calculation of the difference in the discharge times of the capacitor 4 through resistors 2 and 3: ΔT = T2-T3, and storing in the memory of the microcontroller containing the VCP.

6. Вычисление в микроконтроллере, содержащем ВЦП, температуры t окружающей среды по формуле:6. Calculation in the microcontroller containing the IDC, the temperature t of the environment according to the formula:

t=t₀+K_t·ΔT,t = t ₀ + K _t · ΔT,

где K - масштабный коэффициент пересчета разности времен ΔT в изменение значения температуры t;where K is the scale factor for converting the time difference ΔT into a change in temperature t;

t₀ - значение температуры, при которой R2=R3.t ₀ is the temperature at which R2 = R3.

Затем производится коррекция измеренного значения физической величины, в данном случае силы Р, с учетом фактического значения температуры. Способы температурной коррекции тензоизмерений хорошо известны и описаны в патентной и технической литературе, поэтому здесь не излагаются.Then, the measured value of the physical quantity is corrected, in this case, the force P, taking into account the actual temperature value. Methods of temperature correction of strain gauges are well known and described in the patent and technical literature, therefore, are not described here.

Д. Преобразование выходного сигнала (до передачи в пункт приема) в цифровой последовательный код проводной и/или беспроводной линии связиE. Converting the output signal (before transmission to the receiving point) into a digital serial code of a wired and / or wireless communication line

Полученное в результате измерения значение нагрузки Р далее преобразуется дополнительным микроконтроллером в последовательный код для передачи внешним потребителям. Это может быть код в соответствии с интерфейсами UART или SPY, если аппаратная реализация предусматривает дальнейшую обработку сигнала другим микроконтроллером. Потребность в другом микроконтроллере может возникнуть, если необходимо управлять режимами работы датчика, такими как режим передачи сигнала внешним потребителям с использованием проводной или беспроводной линии связи. Для этого дополнительный микроконтроллер преобразует полученный код в последовательный интерфейс для конкретного режима, например в RS232, RS422, RS485, CAN и др., при передаче информации по кабелю на внешнее удаленное устройство, в последовательный код для передачи по радиоканалу или в интерфейс I_2c при передаче сигнала на свой собственный индикатор.The resulting load value P is further converted by an additional microcontroller into a serial code for transmission to external consumers. This can be a code in accordance with the UART or SPY interfaces, if the hardware implementation provides for further processing of the signal by another microcontroller. A need for another microcontroller may arise if it is necessary to control the operating modes of the sensor, such as the transmission mode of the signal to external consumers using a wired or wireless communication line. For this, an additional microcontroller converts the received code into a serial interface for a specific mode, for example, in RS232, RS422, RS485, CAN, etc., when transmitting information via cable to an external remote device, into a serial code for transmission over the air or in I _2c interface transmitting a signal to your own indicator.

Преобразование выходного сигнала (до передачи в пункт приема) в цифровой последовательный код проводной и/или беспроводной линии связи позволяет использовать заявленный способ при разработке цифровых датчиков, использующих как нестандартный протокол обмена данными, так и стандартные, широко распространенные протоколы, например RS232, RS422, RS485, CAN и др. При этом данные цифровые датчики остаются универсальными и допускают использование их без каких-либо конструктивных доработок в системах контроля, управления и безопасности грузоподъемных кранов как с кабельными линиями связи между элементами данной системы, так и с беспроводными или комбинированными линиями связи.Converting the output signal (before transmission to the receiving point) into a digital serial code of a wired and / or wireless communication line allows you to use the claimed method in the development of digital sensors using both a non-standard communication protocol and standard, widespread protocols, for example RS232, RS422, RS485, CAN, etc. At the same time, these digital sensors remain universal and allow their use without any structural modifications in the monitoring, control and safety systems of load-lifting It runs as a cable connection lines between elements of the system, and wireless communication links or a combination thereof.

Это управление может также задавать частоту передачи сигнала внешним потребителям, а при использовании автономного источника питания это управление задает режимы работы датчика (например, рабочий, ждущий или спящий) в зависимости от режима работы внешнего управляющего устройства для обеспечения энергосбережения и увеличения срока службы автономного источника питания.This control can also set the frequency of signal transmission to external consumers, and when using an autonomous power supply, this control sets the operation modes of the sensor (for example, working, standby or sleep) depending on the operation mode of the external control device to ensure energy saving and increase the service life of the autonomous power source .

Использование предлагаемого способа позволяет, как было описано ранее, определять не только значение измеряемой величины (в нашем примере силы Р), но и среднеквадратическое отклонение отклонения этого значения от его математического ожидания, т.е. фактическую ошибку измерения. Это значение может оказаться очень важным при определении частоты обновления и передачи информации внешним потребителям. Можно до начала измерений, например при настройке датчика или системы безопасности крана, задать дополнительному микроконтроллеру допустимое значение ошибки измерения. Допустимая ошибка измерения каждого измеряемого параметра работы крана, в том числе и силы Р, может быть задана заранее на основе требований к точности работы системы и алгоритма решения системой задачи обеспечения безопасной и безаварийной работы крана. Эта ошибка может быть задана как статистическая, например среднеквадратическая ошибка оценки значения измеряемого параметра. В процессе измерений также вычисляется разность между фактической ошибкой измерений и допустимой. Если при работе крана сила Р изменяется медленно или остается неизменной, то ошибка ее определения остается неизменной или уменьшается. Если же параметр меняется быстро, то точность его определения снижается. Соответственно изменяется и разность между ошибками. Эта разность определяется дополнительным микроконтроллером, в котором также производится определение требуемой частоты включения приемопередатчика в режим передачи. Если фактическая ошибка измерения ниже допустимой, то частота включения режима передачи уменьшается, а интервал между двумя соседними включениями увеличивается, и наоборот. При отсутствии груза или изменения его веса фактическая ошибка измерения резко уменьшается, и включение передатчика может осуществляться с большими интервалами, например одна минута и более. Такой подход исключает излишние включения передачи сигнала по радиоканалу и позволяет свести к минимуму энергопотребление приемопередатчика и всего модуля. Кроме того, при этом может быть снижена частота измерения, что также сказывается благоприятно на экономии ресурса батареи.Using the proposed method allows, as described previously, to determine not only the value of the measured quantity (in our example, the force P), but also the standard deviation of the deviation of this value from its mathematical expectation, i.e. actual measurement error. This value can be very important in determining the frequency of updating and transferring information to external consumers. Before starting the measurement, for example, when setting up the sensor or the crane safety system, you can set the additional microcontroller the permissible value of the measurement error. The permissible measurement error of each measured parameter of the crane operation, including the force P, can be set in advance based on the requirements for the accuracy of the system and the algorithm for solving the problem of ensuring safe and trouble-free operation of the crane by the system. This error can be defined as statistical, for example, the standard error of the estimate of the value of the measured parameter. The measurement process also calculates the difference between the actual measurement error and the allowable. If during the operation of the crane the force P changes slowly or remains unchanged, then the error of its determination remains unchanged or decreases. If the parameter changes quickly, then the accuracy of its determination is reduced. The difference between the errors also changes accordingly. This difference is determined by an additional microcontroller, in which the required frequency of turning on the transceiver in the transmission mode is also determined. If the actual measurement error is lower than the permissible, then the frequency of switching on the transmission mode is reduced, and the interval between two adjacent inclusions is increased, and vice versa. In the absence of a load or a change in its weight, the actual measurement error decreases sharply, and the transmitter can be turned on at large intervals, for example, one minute or more. This approach eliminates unnecessary signal transmission over the radio channel and minimizes the power consumption of the transceiver and the entire module. In addition, the measurement frequency can be reduced, which also has a beneficial effect on saving battery life.

Предлагаемый способ может быть реализован промышленным способом с использованием современных электронных компонентов и технологий.The proposed method can be implemented industrially using modern electronic components and technologies.

Claims

1. A method of measuring a physical quantity, including converting it into a digital signal with subsequent indication of the measurement results or transmitting information to the receiving point via a wireless communication line, characterized in that the conversion of the physical quantity into a digital signal is performed by determining the discharge times of the capacitor in series through two resistors, at least one of which changes its resistance when the physical quantity changes, converting the discharge times through these resistors to uyuschie intermediate digital signals and storing intermediate digital signals, comparing digital intermediate signal and generating a digital output signal according to the result of comparison of intermediate digital signals.

2. The method according to claim 1, characterized in that the determination of the discharge times of the capacitor in series through two resistors and the conversion of the discharge times into the corresponding intermediate digital signals with their subsequent comparison is performed at least two times, with the results of the comparison being memorized, and the formation of the output a digital signal is performed taking into account all the stored comparison results.

3. The method according to claim 1, characterized in that the determination of the discharge times of the capacitor in series through the resistors and the conversion of the discharge times of the capacitor into the corresponding intermediate digital signals, followed by their comparison, are performed sequentially through at least two pairs of resistors, in each of which at least one of the resistors changes the resistance when the physical quantity changes, with the results of comparison being memorized, and the formation of the output digital signal is performed taking into account all the stored values values of the comparison results.

4. The method according to claim 1, characterized in that it further measures the ambient temperature, the value of which is used to adjust the value of the measured physical quantity.

5. The method according to claim 1, characterized in that prior to transmitting the output signal to the receiving point, it is further converted into a digital serial code of a wired and / or wireless communication line.

6. The method according to claim 1, characterized in that before the start of the measurements, the permissible measurement error is set and stored by a computer or other external device, the actual measurement error and the mismatch between the actual and allowable measurement error in magnitude and sign are determined during the measurement, and determine the frequency of transmission of the measurement results over the wireless communication line depending on the mismatch between the actual and permissible measurement error.