УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ РАЗНОСТИ СОПРОТИВЛЕНИЙ ДВУХ РЕЗИСТОРОВ

Предлагаемая полезная модель относится к измерительной технике и может использоваться в системах сбора технологических данных, в том числе тензометрических, требующих высокой точности измерения приращений сопротивления резистивных датчиков.
Известно устройство [Леонов С.Д., Максимчук А.А., Троицкий Ю.В. ГОУ ВПО Смоленская государственная медицинская академия. Устройство для измерения разности температуры с терморезистивными датчиками. Патент №2405131. Опубл. 27.11.2010, бюл. №33], предназначенное для определения разности температур за счет измерения разности электрического сопротивления двух резистивных датчиков, к каждому из которых через переключатель подключен один из двух источников тока, к точкам соединения источников тока и резистивных датчиков подключены дифференциальные входы аналого-цифрового преобразователя (АЦП), опорное напряжение которого снимается с образцового резистора, подключенного ко вторым выводам резистивных датчиков.
Недостатками устройства являются усложнение схемы за счет введения дополнительных коммутирующих устройств и увеличение времени преобразования.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство [Троицкий Ю.В. Логометрические методы и схемы аналого-цифрового преобразования сигналов, снимаемых с тензорезистивных датчиков. // Компоненты и технологии №3, 2013], предназначенное для измерения приращения сопротивления резистора и содержащее источник возбуждения измерительной схемы, соединенный с одним выводом эталонного резистора, второй вывод которого соединен с измеряемым резистором, аналого-цифровой преобразователь с программно-перестраиваемым усилителем (PGA), дифференциальные входы которого подключены к выводам измеряемого резистора, а входы его опорного напряжения подключены к эталонному резистору.
Недостатком данного устройства являются низкая точность для определения приращений измеряемого сопротивления, поскольку сигнал на АЦП снимается с полного сопротивления резистора и, следовательно, основная часть диапазона преобразования определяется неинформационным номинальным значением сопротивления резистора.
Технический результат направлен на повышение точности измерения приращения измеряемого сопротивления при заданной разрядности преобразователя.
Технической задачей является увеличение количества разрядов аналого-цифрового преобразователя, используемых для измерения.
Эта задача достигается тем, что в известное устройство измерения разности сопротивлений двух резисторов содержащее источник возбуждения измерительной схемы, соединенный с одним выводом эталонного резистора, второй вывод которого соединен с измеряемым резистором, аналого-цифровой преобразователь с программно-перестраиваемым усилителем, выводы опорного напряжения которого подключены параллельно эталонному резистору, а вход соединен с точкой соединения эталонного и измеряемого резисторов, снабжено цифро-аналоговым преобразователем, выход которого подключен ко входу программно-перестраиваемого усилителя аналого-цифрового преобразователя, а входы его опорного напряжения соединены с выводами эталонного резистора.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена функциональная схема устройства.
Устройство содержит источник возбуждения измерительной схемы 1, соединенный с одним выводом эталонного резистора 2, второй вывод которого соединен с измеряемым резистором 3, цифро-аналоговый преобразователь 4 и аналого-цифровой преобразователь 5 с программно-перестраиваемым усилителем 6. Выход ЦАП подключен к входу программно-перестраиваемого усилителя вх1, второй вход программно-перестраиваемого усилителя соединен с точкой соединения эталонного и измеряемого резисторов. Входы опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя вх1, вх2 и цифро-аналогового преобразователя вх1, вх2 соединены с выводами эталонного резистора 2.
Устройство работает следующим образом.
IN
При выполнении источника возбуждения 1 в виде источника тока напряжение U на входе усилителя 6 будет равно, где
H
D
где R±ΔR - сопротивление измеряемого резистора, U - напряжение на выходе ЦАП.
REF
Опорное напряжение U, снимаемое с эталонного резистора 2:
REF
где R - сопротивление эталонного резистора.
Код N, снимаемый с выхода АЦП 5 определится как:
MAX
Y
где  - ступенька квантования АЦП, N - эффективная разрешающая способность АЦП, k - коэффициент усиления PGA.
Соответственно:
DMAX
D
где N - эффективная разрешающая способность ЦАП, N - код, загружаемый в ЦАП.
После преобразований получим значение кода на выходе:
REF
H
При выборе R=R получим:
где  - относительное приращение измеряемого сопротивления 3.
Полезный коэффициент использования шкалы преобразования γ измеряемой величины определяется вторым слагаемым выражения (7):
Y
Т.е. по сравнению со схемой прототипа этот коэффициент увеличивается в k раз.
MAX
Поскольку величина приращения δR является знаковой, то для однополярного АЦП необходимо осуществить сдвиг начального отсчета на величину β·N.
Величина коэффициента этого сдвига β определяется первым слагаемым выражения (7):
MAX
MAX
11
При биполярном значении измеряемого параметра максимальный коэффициент использования шкалы АЦП достигается при γ=β=0,5. При этом измерение величины δR будет происходить с разрешением . Так при требовании измерения приращения сопротивления резистора с точностью 0,1% в диапазоне δR=±0,1% в соответствии с (8) потребуется 11-ти разрядный АЦП (N≥2).
D
Поддержание требуемого начального значения кода АЦП задается загрузкой цифро-аналогового преобразователя 4 кодом N, определяемым в соответствии с выражением (9). Использование общего опорного напряжения для АЦП и ЦАП обеспечивает независимость от его нестабильности, как результатов аналого-цифрового преобразования, так и компенсирующего воздействия ЦАП.
Схема реализуется на базе микроконтроллеров со встроенным аналого-цифровым преобразователем с PGA и цифро-аналоговым преобразователем, что обеспечивает повышение коэффициента использования диапазона преобразования АЦП.
Использование полезной модели позволяет обеспечить высокую точность измерения приращения сопротивления резистора при снижении требований к эффективной разрешающей способности преобразователя.