УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
DEVICE FOR REMOTE ELECTRICAL RESISTANCE MEASURING

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах дистанционного контроля различных физических величин посредством резистивных датчиков.
Известны устройства для измерения электрического сопротивления, в которых для уменьшения погрешности измерения, обусловленной влиянием проводов линии связи, применено трех-, четырех-, пяти- или шестипроводное подключение измеряемого сопротивления к преобразователю сопротивления в напряжение (см., например, Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергия, 1980, с. 117-128, рис. 5-9, 5-10, 5-11, 5-12, 5-13, 5-14).
Недостаток этих аналогов - многопроводность линии связи, что усложняет их конструкцию.
Более простую конструкцию имеют устройства для дистанционного измерения электрического сопротивления, содержащие двухпроводную линию связи.
Известно устройство для дистанционного измерения сопротивления (А.с. СССР №968771 от 06.04.1981, опубл. в БИ №39, 1982, МПК G01R 27/00), содержащее источник тока, коммутатор, образцовый резистор, первый выход источника тока соединен через коммутатор с первым выводом конденсатора и с первой клеммой для подключения измеряемого резистора, второй выход источника тока соединен с первым выводом образцового резистора, с вторым выводом конденсатора и с второй клеммой для подключения измеряемого резистора, измеритель отношения напряжений и блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами коммутатора и измерителя отношения напряжений, второй вывод образцового резистора соединен с первым входом измерителя отношения напряжений и с одним из неподвижных контактов коммутатора, второй неподвижный контакт которого соединен с вторым входом измерителя отношения напряжений и с первым выводом конденсатора.
В качестве измерителя отношения напряжений в этом аналоге использован второй коммутатор и указатель равновесия, один зажим которого соединен с подвижным контактом второго коммутатора, второй зажим - с первым неподвижным контактом второго коммутатора и с вторым входом измерителя отношения напряжений, первый вход которого соединен с вторым неподвижным контактом второго коммутатора.
При соответствующем положении подвижного контакта коммутатора через измеряемый резистор протекает ток от источника тока, который заряжает конденсатор, подключенный параллельно измеряемому резистору. По сигналу блока управления через определенный промежуток времени подвижный контакт коммутатора соединяется с контактом, к которому подключен образцовый резистор. Измеритель отношения напряжений сравнивает отношение напряжений на измеряемом и образцовом резисторах. По величине этого отношения определяют сопротивление измеряемого резистора.
Недостатком аналога является сравнительно низкая точность измерения сопротивления, так как в момент измерения отношения напряжений на измеряемом и образцовом резисторах напряжение на измеряемом резисторе не стабильно, поскольку через него разряжается конденсатор. Конструкция аналога достаточно сложна, так как содержит два коммутатора, для функционирования которых необходим блок управления, кроме того, в состав аналога входит образцовый резистор, что также усложняет конструкцию аналога.
В качестве прототипа выбрано устройство для дистанционного измерения электрического сопротивления (Елизаров Л. Дистанционное измерение электрического сопротивления. - Радио, 2015, №11, с. 19, 20, рис. 2), содержащее двухпроводную линию связи, первый и второй диоды, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой электронные ключи, первый и второй накопительные конденсаторы, источник постоянного напряжения, стабилизатор тока, генератор импульсного напряжения прямоугольной формы, первую и вторую цепи задержки, измеритель разности напряжений, при этом первый и второй диоды соединены между собой анодом и катодом соответственно, к катоду первого и к аноду второго диодов подключено измеряемое сопротивление, второй диод подключен катодом и анодом соответственно к первому концу первого и к первому концу второго проводов линии связи, положительный и отрицательный электроды источника постоянного напряжения подключены соответственно к первому электроду стабилизатора тока и к шине нулевого потенциала, первые электроды первого и второго накопительных конденсаторов соединены с шиной нулевого потенциала, второй электрод первого и второй электрод второго конденсаторов подключены соответственно к выходу первого и к выходу второго электронных ключей, а также к первому и ко второму входам измерителя разности напряжений, вход первого электронного ключа соединен с выходом стабилизатора тока, с выходом четвертого ключа и с выходом шестого ключа, вход третьего и вход четвертого электронных ключей соединены со вторым концом первого провода линии связи, вход второго, вход пятого и вход шестого электронных ключей соединены со вторым концом второго провода линии связи, выход третьего и выход пятого электронных ключей соединены с шиной нулевого потенциала, первый выход генератора импульсного напряжения прямоугольной формы подключен к управляющему входу четвертого, к управляющему входу пятого электронных ключей и к входу первой цепи задержки, выход которой соединен с управляющим входом первого электронного ключа, второй выход генератора импульсного напряжения прямоугольной формы соединен с управляющим входом третьего, с управляющим входом шестого электронных ключей и с входом второй цепи задержки, выход которой соединен с управляющим входом второго электронного ключа.
В прототипе при появлении на первом выходе генератора импульсного напряжения прямоугольной формы высокого логического уровня ток, протекающий от положительного электрода источника постоянного напряжения, проходит через стабилизатор тока, замкнутый четвертый электронный ключ, первый провод линии связи, первый диод, измеряемое сопротивление, второй провод линии связи и замкнутый пятый электронный ключ на шину нулевого потенциала. Падение напряжения на этой цепи через замкнутый первый электронный ключ приложено к первому накопительному конденсатору.
В следующем полупериоде колебаний генератора импульсного напряжения прямоугольной формы ток, протекающий от положительного электрода источника постоянного напряжения, проходит через стабилизатор тока, замкнутый шестой электронный ключ, второй провод линии связи, второй диод, первый провод линии связи и замкнутый третий электронный ключ на шину нулевого потенциала. Падение напряжения на этой цепи через замкнутый второй электронный ключ приложено ко второму накопительному конденсатору.
Первая и вторая цепи задержки задерживают моменты замыкания соответственно первого и второго электронных ключей на время, необходимое для затухания переходных процессов в линии связи. Измеритель разности напряжений измеряет разность напряжений на первом и на втором накопительных конденсаторах. Если ток, протекающий по линии связи, равен 1 мА, то показания измерителя разности напряжений в вольтах численно равны измеряемому сопротивлению в килоомах.
Недостатком прототипа является относительно низкая точность измерения электрического сопротивления, обусловленная нестабильностью напряжений на первом и на втором входах измерителя разности напряжений вследствие наличия в линии связи интенсивных и продолжительных переходных процессов при ступенчатом воздействии на нее измерительного тока. Устранение влияния переходных процессов на точность измерения электрического сопротивления увеличением периода колебаний генератора импульсного напряжения прямоугольной формы и повышением постоянных времени цепей задержек уменьшает скорость измерения, а наличие двух цепей задержек усложняет конструкцию прототипа. Кроме того, в прототипе относительно низкая точность измерения электрического сопротивления обусловлена наличием разброса сопротивлений замкнутых электронных ключей, включенных последовательно с проводами линии связи, при этом для функционирования прототипа необходимо шесть электронных ключей, что усложняет его конструкцию. Кроме того, для управления работой электронных ключей необходим генератор импульсного напряжения прямоугольной формы с двумя противофазными выходами, что также усложняет конструкцию прототипа.
В прототипе при периодическом изменении направления протекания измерительного тока по линии связи, конструктивно выполненной в виде витой пары, меняется также и провод, находящийся в данный момент времени под нулевым потенциалом. Это ограничивает область использования прототипа при наличии требования постоянного заземления измеряемого сопротивления. Кроме того, по сравнению с линией связи, у которой один из проводов, находящийся под нулевым потенциалом, используется в качестве экранирующей оплеткой другого провода, у прототипа защищенность линии связи от воздействия внешних наводок невысока, что является дополнительным фактором, увеличивающим погрешность измерения электрического сопротивления.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности измерения электрического сопротивления и упрощение конструкции устройства для дистанционного измерения электрического сопротивления.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для дистанционного измерения электрического сопротивления, содержащем двухпроводную линию связи, первый и второй диоды, соединенные между собой анодом и катодом соответственно, к катоду первого и к аноду второго диодов подключено измеряемое сопротивление, второй диод соединен катодом и анодом соответственно с первым концом первого и с первым концом второго проводов линии связи, генератор импульсного напряжения, первый источник постоянного напряжения, положительный и отрицательный электроды которого подключены соответственно к первому электроду стабилизатора тока и к шине нулевого потенциала, первый и второй накопительные конденсаторы, первые электроды которых соединены с шиной нулевого потенциала, второй электрод первого и второй электрод второго накопительных конденсаторов подключены соответственно к выходу первого и к выходу второго электронных ключей, а также к первому и ко второму входам измерителя разности напряжений, вход первого электронного ключа соединен с выходом стабилизатора тока, предусмотрены следующие отличия: в него введен второй источник постоянного напряжения, положительный электрод которого подключен к шине нулевого потенциала, а отрицательный электрод соединен со вторым электродом стабилизатора тока, выход генератора импульсного напряжения соединен с управляющим входом стабилизатора тока, выход которого подключен к входу второго электронного ключа и ко второму концу первого провода линии связи, второй конец второго провода линии связи соединен с шиной нулевого потенциала.
Кроме того, предложенное устройство для дистанционного измерения электрического сопротивления отличается тем, что генератор импульсного напряжения представляет собой генератор напряжения треугольной формы.
И, кроме того, предложенное устройство для дистанционного измерения электрического сопротивления отличается тем, что первый и второй электронные ключи представляют собой противофазные однополупериодные выпрямители напряжения.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно: по сравнению с прототипом повышается точность измерения электрического сопротивления и упрощается конструкция устройства для дистанционного измерения электрического сопротивления.
Изобретение поясняется чертежом.
На чертеже изображены: двухпроводная линия связи 1, содержащая первый 2 и второй 3 провода; первый 4 и второй 5 диоды; генератор импульсного напряжения треугольной формы 5; первый источник постоянного напряжения 6; второй источник постоянного напряжения 7; стабилизатор тока 8; первый накопительный конденсатор 9; второй накопительный конденсатор 10; первый электронный ключ 11; второй электронный ключ 12; измеритель разности напряжений 13; шина нулевого потенциала 14; первый 15 и второй 16 концы первого провода 2 линии связи 1; первый 17 и второй 18 концы второго провода 3 линии связи 1; измеряемое сопротивление 19.
Первый 4 и второй 5 диоды соединены между собой анодом и катодом соответственно. К катоду первого 4 и к аноду второго 5 диодов подключено измеряемое сопротивление 19. Второй диод 5 соединен катодом и анодом соответственно с первым концом 15 первого 2 и с первым концом 17 второго 3 проводов линии связи 1. Положительный и отрицательный электроды первого источника постоянного напряжения 6 подключены соответственно к первому электроду стабилизатора тока 8 и к шине нулевого потенциала 14. Положительный и отрицательный электроды второго источника постоянного напряжения 7 подключены соответственно к шине нулевого потенциала 14 и ко второму электроду стабилизатора тока 8. Выход генератора импульсного напряжения 5 треугольной формы соединен с управляющим входом стабилизатора тока 8. Первый электрод первого 9 и первый электрод второго 10 накопительных конденсаторов соединены с шиной нулевого потенциала 14. Второй электрод первого 9 и второй электрод второго 10 накопительных конденсаторов подключены соответственно к выходу первого 11 и к выходу второго 12 электронных ключей, а также к первому и ко второму входам измерителя разности напряжений 13. Вход первого электронного ключа 11 соединен с выходом стабилизатора тока 8. Выход стабилизатора тока 8 подключен к входу второго электронного ключа 12 и ко второму концу 16 первого провода 2 линии связи 1. Второй конец 18 второго провода 3 линии связи 1 соединен с шиной нулевого потенциала 14.
Первый 11 и второй 12 электронные ключи представляют собой устройства, в которых при одной полярности входного напряжения оно поступает на выход соответствующего ключа, а при другой полярности выходное напряжение этого ключа равно нулю. Первый 11 и второй 12 электронные ключи выполнены в виде противофазных однополупериодных выпрямителей напряжения, например, на основе операционного усилителя, между инвертирующим входом и выходом которого включен диод в соответствующей полярности, при этом входом выпрямителя является неинвертирующий вход операционного усилителя, а выходом - его инвертирующий вход.
Устройство дистанционного измерения электрического сопротивления работает следующим образом.
max
Под воздействием выходного сигнала генератора импульсного напряжения треугольной формы 5, поступающего на управляющий вход стабилизатора тока 8, стабилизатор тока 8 преобразует напряжение первого 6 и второго 7 источников постоянного напряжения в периодические импульсы тока, величина и направление протекания которого на выходе стабилизатора тока 8 изменяются по треугольному закону с амплитудным значением ±I.
Ток прямого направления +I протекает от положительного электрода первого источника постоянного напряжения 6, проходит через первый электрод и выход стабилизатора тока 8, первый провод 2 линии связи 1, первый диод 4, измеряемое сопротивление 19, второй провод 3 линии связи 1 к отрицательному электроду первого источника постоянного напряжения 6.
Ток обратного направления -I протекает от положительного электрода второго источника постоянного напряжения 7, проходит через второй провод 3 линии связи 1, второй диод 5, первый провод 2 линии связи 1, выход и второй электрод стабилизатора тока 8 к отрицательному электроду второго источника постоянного напряжения 7.
1
При прямом протекании тока +I по линии связи 1 абсолютная величина падения напряжения U между ее концами 16, 18 равна:
VD4
где U - прямое падение напряжения на первом диоде 4;
I - абсолютная величина тока, протекающего по линии связи 1;
п
R - суммарное сопротивление проводов 2 и 3 линии связи 1;
x
R - измеряемое сопротивление.
2
При обратном протекании тока -I по линии связи 1 абсолютная величина падения напряжения U между ее концами 16, 18 равна:
VD5
где U - прямое падение напряжения на втором диоде 5;
I - абсолютная величина тока, протекающего по линии связи 1;
п
R - суммарное сопротивление проводов 2 и 3 линии связи 1.
При прямом протекании тока +I по линии связи 1 к входу первого 11 и к входу второго 12 электронных ключей относительно шины нулевого потенциала 14 приложено напряжение положительной полярности, поэтому при прямом протекании тока +I по линии связи 1 первый электронный ключ 11 открыт, а второй электронный ключ 12 закрыт. При обратном протекании тока -I по линии связи 1 к входу первого 11 и к входу второго 12 электронных ключей относительно шины нулевого потенциала 14 приложено напряжение отрицательной полярности, поэтому при обратном протекании тока -I по линии связи 1 первый электронный ключ 11 закрыт, а второй электронный ключ 12 открыт.
1
2
1
2
1
2
Когда открыт первый электронный ключ 11, первый накопительный конденсатор 9 заряжается до амплитудного значения напряжения U, а когда открыт второй электронный ключ 12, второй накопительный конденсатор 10 заряжается до амплитудного значения напряжения U. Когда напряжения U и U становятся меньше, чем их амплитудные значения, соответствующие электронные ключи 11 и 12 закрываются, при этом на первом 9 и втором 10 накопительных конденсаторах сохраняются амплитудные значения напряжений U и U.
1
2
1max
2max
max
Напряжения U, U достигают своих амплитудных значений U,, U. соответственно в момент изменения направления протекания тока треугольной формы по линии связи 1, то есть в момент, когда ток достигает по абсолютной величине своего амплитудного значения I. Если первый 4 и второй 5 диоды идентичны, то
тогда из (1) и (2) следует, что
x
где R - измеряемое сопротивление;
1max
U - абсолютная величина амплитудного значения напряжения на первом накопительном конденсаторе 9;
2max
U - абсолютная величина амплитудного значения напряжения на втором накопительном конденсаторе 10;
max
I - абсолютная величина амплитудного значения тока, протекающего по линии связи 1.
1max
2max
max
Измеритель разности напряжений 13 измеряет разницу абсолютных значений напряжений U, U и выводит результат измерения на свой индикатор. Если I равно 1 мА, то показания измерителя разности напряжений 13 в вольтах численно равны измеряемому сопротивлению в килоомах.
1max
2max
Поскольку в предлагаемом устройстве скорость нарастания и спада тока, протекающего по линии связи 1, относительно невелика по сравнению со скоростью нарастания и спада тока, изменяющегося ступенчато, существенно уменьшается интенсивность и длительность переходных процессов в линии связи 1. Это повышает стабильность напряжений U, U на первом и втором входах измерителя разности напряжений 13, что, в свою очередь, повышает точность измерения электрического сопротивления.
В предлагаемом устройстве второй провод 3 линии связи 1 вне зависимости от направления протекания по ней измерительного тока постоянно находится под нулевым потенциалом, поэтому он может быть использован в качестве экранирующей оплетки первого провода 2 линии связи 1, что улучшает ее защищенность от воздействия внешних наводок, вследствие чего повышается точность измерения электрического сопротивления. Кроме того, это позволяет заземлять измеряемое сопротивление 19.
Таким образом, предлагаемое устройство для дистанционного измерения электрического сопротивления выгодно отличается от прототипа, поскольку имеет более высокую точность измерения электрического сопротивления и более простую конструкцию, что достигнуто за счет уменьшения интенсивности и длительности переходных процессов в линии связи, повышения ее защищенности от внешних наводок, исключения из состава устройства четырех электронных ключей, соединенных последовательно с проводами линии связи и вносящих существенную погрешность в результат измерений, исключения двух устройств задержки, а также за счет упрощения процесса управления коммутацией электронными ключами.
Применение предлагаемого устройства дистанционного измерения электрического сопротивления в системах дистанционного контроля различных физических величин посредством резистивных датчиков позволит повысить их эффективность путем улучшения метрологических характеристик и упрощения конструкции.