Измерительный преобразователь одиночных резисторов
MEASURING TRANSDUCER OF SINGLE RESISTORS

Изобретение относится к области измерительной техники и электроники и служит для многоканальных измерений различных физических величин при исследовании прочности и аэродинамики конструкций летательной техники и других изделий промышленности.
Известны измерительные преобразователи сопротивлений одиночных тензорезисторов в напряжение (см. «Аппаратура для измерения деформаций и температур. Труды ЦАГИ, 1974, вып. 1599; Информационно-измерительная система «Прочность». Труды ЦАГИ, вып. 2105, 1981 г.; Устройство для преобразования изменения сопротивления в напряжение». (Пат. RU 2366966 С1, МПК G01R 27/02, 10.09.2009 г.).
К недостаткам известных преобразователей следует отнести: использование трансформаторов в схемах компенсации погрешностей от неинформативных составляющих сигнала, вносящих погрешности в результат измерений; применение коммутирующих элементов во входных цепях многоканальных преобразователей, вносящих погрешности в результаты измерений и усложняющих построение многоканальных измерительных систем.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения, принятого за прототип, является «Измерительный преобразователь «одиночного» тензодатчика с компенсационным тензорезистором». Датчики и системы, №5, 2011 г.
Преобразователь содержит группу последовательно соединенных одиночных измерительных резисторов с одним общим компенсационным резистором и опорным резистором, источник стабилизированного тока питания группы резисторов, источник стабилизированного опорного напряжения, многоканальный измерительный преобразователь сопротивлений измерительных резисторов в напряжения, содержащий входные дифференциальные измерительные усилители и выходные измерительные усилители. Схема построения преобразователя обеспечивает компенсацию неинформативной постоянной составляющей падения напряжения на измерительных резисторах и дифференциальную термокомпенсацию показаний измерительных резисторов относительно показаний компенсационного резистора.
К недостаткам прототипа следует отнести:
- влияние термо-ЭДС в линиях связи измерительных резисторов с преобразователем,
- погрешность преобразования за счет изменения коэффициентов усиления дифференциальных измерительных усилителей преобразователя от изменения температуры окружающей среды,
- количество подключаемых измерительных резисторов к источнику стабилизированного тока ограничивается величиной номинальных значений сопротивлений применяемых резисторов,
- ограничено применение преобразователя с датчиками на основе одиночных резисторов для различных задач измерений.
Техническим результатом изобретения является:
- уменьшение погрешности от термо-ЭДС и других аддитивных погрешностей за счет питания группы последовательно включенных измерительных резисторов от программно-управляемого источника стабилизированного тока с автоматизированным изменением полярности,
- возможность автоматизированного управления величиной стабилизированного тока питания группы измерительных резисторов, в зависимости от номинальных значений и количества измерительных резисторов в измерительном преобразователе,
- уменьшение погрешности измерений и упрощение измерительной системы за счет исключения коммутирующих элементов в измерительных цепях многоканального измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения,
- схемная компенсация неинформативной постоянной составляющей падения напряжения на измерительных резисторах и дифференциальная термокомпенсация показаний группы измерительных резисторов относительно одного общего компенсационного резистора при изменяющихся полярности и уровне тока питания группы резисторов,
- компенсация температурной погрешности от изменения коэффициентов усиления измерительных усилителей преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения по результатам показаний датчика температуры,
- возможность применения многоканального измерительного преобразователя с датчиками на основе одиночных измерительных резисторов различных номиналов для решения задач измерений различных физических величин.
Технический результат достигается тем, что в измерительном преобразователе одиночных резисторов, содержащем группу последовательно включенных одиночных измерительных резисторов с одним общим компенсационным резистором и опорным резистором, источник стабилизированного тока питания группы измерительных резисторов, источник стабилизированного опорного напряжения, многоканальный измерительный преобразователь сопротивлений измерительных резисторов в напряжения, содержащий входные дифференциальные измерительные усилители и выходные измерительные усилители, источник стабилизированного тока питания группы измерительных резисторов выполнен программно-управляемым с изменяемой полярностью, источник стабилизированного опорного напряжения выполнен программно-управляемым с изменяемой полярностью, многоканальный измерительный преобразователь сопротивлений измерительных резисторов в напряжения выполнен программно-управляемым, а также преобразователь дополнительно содержит двухполярный программно-управляемый цифро-аналоговый преобразователь, многоканальный прецизионный аналого-цифровой преобразователь, датчик температуры многоканального программно-управляемого измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения, цифровое программируемое управляющее устройство. Выход программно-управляемого источника стабилизированного тока питания группы измерительных резисторов с изменяемой полярностью соединен с группой последовательно включенных резисторов. Выход программно-управляемого источника стабилизированного опорного напряжения с изменяемой полярностью соединен с опорными входами входных дифференциальных измерительных усилителей. Входы программно-управляемых источников стабилизированного тока питания группы измерительных резисторов и стабилизированного опорного напряжения соединены с выходом двухполярного программно-управляемого цифро-аналогового преобразователя. Вход двухполярного программно-управляемого цифро-аналогового преобразователя соединен с цифровым программируемым управляющим устройством. Входы программно-управляемых источников стабилизированного тока питания группы измерительных резисторов и стабилизированного опорного напряжения соединены также с управляющим выходом многоканального прецизионного аналого-цифрового преобразователя. Выходы входных дифференциальных измерительных усилителей соединены с неинвертирующими входами выходных измерительных усилителей многоканального программно-управляемого измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения. Инвертирующие входы выходных измерительных усилителей соединены между собой и с выходом дифференциального измерительного усилителя компенсационного резистора. Выходы выходных измерительных усилителей соединены с входами многоканального прецизионного аналого-цифрового преобразователя. Датчик температуры многоканального программно-управляемого измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения соединен с одним из входов многоканального прецизионного аналого-цифрового преобразователя. Выход опорного резистора, включенного в цепь питания, соединен с опорным входом многоканального прецизионного аналого-цифрового преобразователя. Последовательные выходы многоканального прецизионного аналого-цифрового преобразователя соединены с соответствующими входами цифрового программируемого управляющего устройства.
Изобретение поясняется фигурой 1.
T1
Tn
Тк
o
Предлагаемый многоканальный измерительный преобразователь одиночных резисторов включает группу 1 последовательно включенных измерительных резисторов (R…R) с общим компенсационным резистором (R) и опорным резистором (R), программно-управляемый источник стабилизированного тока питания группы измерительных резисторов с изменяемой полярностью 2, программно-управляемый источник стабилизированного опорного напряжения с изменяемой полярностью 3, двухполярный программно-управляемый цифро-аналоговый преобразователь 4, многоканальный программно-управляемый измерительный преобразователь сопротивлений измерительных резисторов в напряжения 5, содержащий входные дифференциальные измерительные усилители 6, выходные измерительные усилители 7, датчик температуры 8 многоканального программно-управляемого измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения, многоканальный прецизионный аналого-цифровой преобразователь 9, цифровое программируемое управляющее устройство 10.
Работа предлагаемого многоканального измерительного преобразователя одиночных резисторов осуществляется под управлением цифрового программируемого управляющего устройства 10.
Изменение полярности программно-управляемого источника стабилизированного тока 2 питания группы измерительных резисторов 1 и полярности программно-управляемого источника стабилизированного опорного напряжения 3 многоканального программно-управляемого измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжение 5 осуществляется с помощью сигналов управления (АСХ и nACX) многоканального прецизионного аналого-цифрового преобразователя 9.
Изменение уровня тока питания группы измерительных резисторов 1 и уровня опорного напряжения многоканального программно-управляемого измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения 5 осуществляется с помощью двухполярного программно-управляемого цифро-аналогового преобразователя 4 от цифрового программируемого управляющего устройства 10. Для синхронизации процессов преобразования напряжение двухполярного программно-управляемого цифро-аналогового преобразователя 4 одновременно подается на входы программно-управляемого источника стабилизированного тока питания группы измерительных резисторов с изменяемой полярностью 2 и программно-управляемого источника стабилизированного опорного напряжения с изменяемой полярностью 3. Опорное напряжение подается на объединенные опорные входы (REF) входных дифференциальных измерительных усилителей 6 многоканального программно-управляемого измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения 5. В результате осуществляется компенсация неинформативной постоянной составляющей падения напряжения на измерительных резисторах, улучшающая точность преобразования изменяющихся сопротивлений измерительных резисторов.
T1
Tn
Тк
Тк
В многоканальном программно-управляемом измерительном преобразователе сопротивлений измерительных резисторов в напряжения 5 осуществляется схемная дифференциальная термокомпенсация показаний измерительных резисторов (R…R) относительно показаний одного компенсационного резистора (R) следующим образом: выходы входных дифференциальных измерительных усилителей 6 соединены с неинвертирующими входами выходных измерительных усилителей 7, при этом инвертирующие входы выходных измерительных усилителей 7 объединены между собой и с выходом измерительного усилителя 6 канала компенсационного резистора (R). Схемная компенсация неинформативной постоянной составляющей падения напряжения на измерительных резисторах и дифференциальная термокомпенсация показаний измерительных резисторов уменьшают погрешности от внешних влияющих факторов.
o
Напряжение на опорном резисторе R, включенном в цепь питания резисторов, используется в качестве опорного напряжения (REF1) многоканального прецизионного аналого-цифрового преобразователя 9 для повышения точности измерения многоканального программно-управляемого измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения.
Скомпенсированные выходные сигналы многоканального программно-управляемого измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения 5 и датчика температуры 8 оцифровываются многоканальным прецизионным аналого-цифровым преобразователем 9.
Синхронизация работы элементов многоканального программно-управляемого измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения 5 при изменении полярности и уровня тока питания группы измерительных резисторов 1 осуществляется программно с помощью цифрового программируемого управляющего устройства 10.
Оцифрованные в многоканальном прецизионном аналого-цифровом преобразователе 9 сигналы многоканального программно-управляемого измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения 5 регистрируются в цифровом программируемом управляющем устройстве 10. Цифровые сигналы передаются по последовательному интерфейсу многоканального прецизионного аналого-цифрового преобразователя 9.
Благодаря наличию указанных отличительных признаков в совокупности (с указанными в ограничительной части формулы) достигается следующий технический результат:
- уменьшение погрешности от термо-ЭДС и других аддитивных погрешностей за счет питания группы последовательно включенных измерительных резисторов от программно-управляемого источника стабилизированного тока с автоматизированным изменением полярности,
- возможность автоматизированного управления величиной стабилизированного тока питания группы измерительных резисторов, в зависимости от номинальных значений и количества измерительных резисторов в измерительном преобразователе,
- уменьшение погрешности измерений и упрощение измерительной системы за счет исключения коммутирующих элементов в измерительных цепях многоканального измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения,
- схемная компенсация неинформативной постоянной составляющей падения напряжения на измерительных резисторах и дифференциальная термокомпенсация показаний группы измерительных резисторов относительно одного общего компенсационного резистора при изменяющихся полярности и уровне тока питания группы резисторов,
- компенсация температурной погрешности от изменения коэффициентов усиления измерительных усилителей преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения по результатам показаний датчика температуры,
- возможность применения многоканального измерительного преобразователя с датчиками на основе одиночных измерительных резисторов различных номиналов для решения задач измерений различных физических величин.