Быстродействующий преобразователь изменения сопротивления датчиков в электрический сигнал
HIGH-SPEED CONVERTER OF CHANGING SENSOR RESISTANCE INTO ELECTRICAL SIGNAL

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения сигналов с различных первичных преобразователей, используемых для определения деформаций и напряжений при прочностных испытаниях объектов транспорта.
Известен измерительный преобразователь быстродействующей тензометрической системы, содержащий 1…n каналов, каждый из которых содержит измерительную цепь, состоящую из последовательно соединенных инструментального усилителя, основного усилителя, аналого-цифрового преобразователя, источник опорного напряжения, операционный усилитель источника тока, инвертирующий вход которого соединен с токозадающим эталонным резистором, второй конец которого соединен с общей шиной, устройство управления, тензодатчики и регистратор. Кроме того, в каждом канале он снабжен второй измерительной цепью, подключенной параллельно к основной измерительной цепи, причем каждая измерительная цепь дополнительно содержит цифроаналоговый преобразователь источника тока, фильтр, цифроаналоговый преобразователь номинального сопротивления тензодатчиков, а также - оперативное запоминающее устройство, цифровой сигнальный процессор, контактный датчик, причем первые входы цифроаналоговых преобразователей источника тока объединены и соединены с выходом источника опорного напряжения, вторые входы объединены и соединены с первым выходом устройства управления, а выходы цифроаналоговых преобразователей источника тока соединены с неинвертирующими входами операционных усилителей источника тока, выходы которых соединены с неинвертирующими входами инструментальных усилителей, двумя последовательно соединенными тензодатчиками каждой измерительной цепи, которые другим концом подключены к токозадающему эталонному резистору и инвертирующим входам операционного усилителя источника тока и инструментального усилителя, а второй выход устройства управления соединен с входами цифроаналоговых преобразователей номинального сопротивления тензодатчиков, выходы которых соединены с опорными входами инструментальных усилителей, а выходы инструментальных усилителей соединены с входами фильтров, выходы которых в измерительных цепях соединены с последовательно соединенными основным усилителем и аналого-цифровым преобразователем, а выходы аналого-цифровых преобразователей двунаправленной шиной соединены с первым входом оперативного запоминающего устройства, выход которого двунаправленной шиной соединен с цифровым сигнальным процессором, первый выход которого двунаправленной шиной соединен с входом устройства управления, второй выход двунаправленной шиной соединен через шину компьютера с первым входом центрального процессора, третий выход цифрового сигнального процессора соединен со вторым входом оперативного запоминающего устройства, а выход контактного датчика соединен со вторым входом центрального процессора, компьютера (патент РФ №2424533, МПК G01R 27/02, БИ №20, 2011), принятый за аналог.
Недостатком измерительного преобразователя быстродействующей тензометрической системы, принятого за аналог, является низкая точность и ограниченные функциональные возможности, поскольку проводят измерение только с использованием резистивных первичных преобразователей (тензодатчиков), подключаемых по полумостовой схеме. В данном устройстве невозможно проводить измерение по схемам «мост», «1/4 мост», «термопара», «разнообразные датчики с выходом по напряжению».
Наиболее близким по технической сущности является быстродействующий преобразователь изменения сопротивления резистивных датчиков в электрический сигнал, содержащий резистивные датчики, источник тока питания датчиков, состоящий из операционного усилителя источника тока, инвертирующий вход которого соединен с токозадающим эталонным резистором, второй конец которого соединен с общей шиной, инструментального усилителя, инвертирующий и неинвертирующий входы которого подключены к резистивному датчику, аналого-цифровой преобразователь, устройство управления. Кроме того, он снабжен температурными датчиками, подключенными к центральному процессору через последовательно соединенные коммутатор, аналого-цифровой преобразователь температурного датчика и интерфейсное устройство, а также - с цифроаналоговым преобразователем источника тока, цифроаналоговым преобразователем номинала резистивного датчика, инструментальным усилителем разности, фильтром нижних частот, двумя цифровыми мультиплексорами, двумя оперативными запоминающими устройствами, цифровым сигнальным процессором, цифроаналоговым преобразователем подстройки нуля каналов, интерфейсным устройством, при этом неинвертирующий вход операционного усилителя источника тока соединен с выходом цифроаналогового преобразователя источника тока, выход операционного усилителя соединен с инвертирующим входом входного инструментального усилителя и резистивным датчиком, инвертирующий вход операционного усилителя источника тока соединен со вторым концом резистивного датчика, с неинвертирующим входом входного инструментального усилителя и входом цифроаналогового преобразователя номинала резистивного датчика, выход которого соединен с неинвертирующим входом инструментального усилителя разности, инвертирующий вход которого соединен с выходом входного инструментального усилителя, выход инструментального усилителя разности соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с первым цифровым мультиплексором, выходы которого двунаправленными шинами соединены с цифровыми входами первого и второго оперативных запоминающих устройств, управляющие входы которых объединены и соединены с первым выходом устройства управления блоком, выходы оперативных запоминающих устройств двунаправленными шинами соединены с входами второго цифрового мультиплексора, выход которого двунаправленной шиной соединен с первым входом устройства управления и шиной PCI, которая подключена к первому входу центрального процессора компьютера, второй вход устройства управления двунаправленной шиной соединен с цифровым сигнальным процессором, а второй и третий выходы устройства управления соединены с управляющими входами первого и второго цифровых мультиплексоров, четвертый выход устройства управления соединен с входами цифроаналоговых преобразователей подстройки нуля каналов, выход которого соединен с опорным входом инструментального усилителя разности, пятый выход устройства управления соединен со входами цифроаналоговых преобразователей номинала резистивного датчика, шестой выход устройства управления соединен с входами цифроаналоговых преобразователей источника тока, выход интерфейсного устройства подключен ко второму входу центрального процессора компьютера (патент РФ №2499237, МКИ G01L 5/20, БИ №32, 2013), принятый за прототип.
Недостатком быстродействующего преобразователя изменения сопротивления резистивных датчиков в электрический сигнал, принятого за прототип, является работа с ограниченным типом датчиков - только с одиночным резистивным датчиком (тензодатчиком). Это существенно ограничивает его функциональные возможности. Такой преобразователь не может использоваться при работе с мостом, полумостом, термопарой, с широким диапазоном датчиков с выходом по напряжению (акселерометры, динамометры, датчики перемещений, датчики скорости и т.д.). Для работы с широкой номенклатурой датчиков необходимы быстродействующие преобразователи, каждый из которых позволяет работать с широкой номенклатурой датчиков. Преобразователь, выбранный в качестве прототипа, позволяет работать только с определенным типом датчика. Для работы с другими типами датчиков необходимо изменять его схему и программное обеспечение. Это существенно снижает скорость обслуживания датчиков, повышает стоимость быстродействующих преобразователей, увеличивает их массогабаритные характеристики, повышает уровень потребляемой энергии.
При разработке быстродействующего преобразователя изменения сопротивления датчиков в электрический сигнал была поставлена задача расширения функциональных возможностей преобразователя, повышения его универсальности и возможности работы с разными типами первичных преобразователей (датчиков) при сохранении точности и быстродействия. Это требование особенно важно для быстродействующих преобразователей, работающих в системах неразрушающего контроля.
Поставленная задача решается за счет того, что быстродействующий преобразователь изменения сопротивления датчиков в электрический сигнал, содержащий резистивные датчики, источник тока питания датчиков, аналого-цифровой преобразователь, цифроаналоговый преобразователь, инструментальные усилители, устройство управления, центральный процессор, снабжен основным и дополнительным источниками опорного напряжения, ключом для переключения питания датчиков, подключенным к дополнительному источнику опорного напряжения, двухпозиционными ключами для переключения режима измерения, подсоединенными к основному источнику опорного напряжения и инструментальным усилителям, программируемыми делителями напряжения потенциальных линий датчиков, ключом для переключения диапазона измерения аналого-цифрового преобразователя, подключенному к устройству управления, при этом выход основного источника опорного напряжения соединен с первым входом цифроаналогового преобразователя номинального значения, второй вход которого соединен с первым выходом устройства управления, а выход цифроаналогового преобразователя соединен со вторым входом первого и первым входом четвертого ключей двухпозиционного переключателя режима измерения, выход основного источника опорного напряжения соединен с первым входом первого ключа и с вторым входом второго ключа, а первый вход второго ключа соединен с общим проводом, управляющие входы четырех ключей объединены и соединены с вторым выходом устройства управления, выход первого ключа соединен с опорным входом второго инструментального усилителя, а опорный вход первого инструментального усилителя соединен с выходом второго ключа, неинвертирующий вход первого инструментального усилителя соединен с выходом первого программируемого делителя напряжения и вторым входом третьего ключа, выход второго программируемого делителя напряжения соединен с инвертирующим входом первого инструментального усилителя и вторым входом четвертого ключа, выход которого соединен с инвертирующим входом второго инструментального усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с выходом третьего ключа, а первый вход первого программируемого делителя напряжения соединен с первой потенциальной линией, второй вход соединен с третьим выходом устройства управления, первый вход второго программируемого делителя напряжения соединен со второй потенциальной линией, а обе потенциальные линии соединены с выходной диагональю моста, с потенциальными выводами одиночного резистивного датчика, термопарой и с датчиком с электрическим выходом, а выход дополнительного источника опорного напряжения последовательно соединен с первым входом второго цифроаналогового преобразователя, второй вход которого соединен с четвертым выходом устройства управления, выход второго цифроаналогового преобразователя соединен со входом источника тока, выход которого через второй вход ключа для переключения питания датчиков соединен с первой токовой линией и пятым выходом устройства управления, а первый вход ключа для переключения питания датчиков соединен с источником напряжения питания, вторая токовая линия соединена с общим проводом, а обе токовые линии соединены с диагональю питания моста и с токовыми выходами резистивного датчика, выход первого инструментального усилителя соединен с входом ключа для переключения диапазона измерения аналого-цифрового преобразователя и с первым входом третьего двухпозиционного ключа, второй вход ключа для переключения диапазона измерения аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом второго инструментального усилителя, управляющий вход ключа соединен с шестым выходом устройства управления, выход ключа соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя, второй вход которого соединен с выходом устройства управления, цифровой выход аналого-цифрового преобразователя через цифровую шину данных соединен с центральным процессором, а шина управления соединена с центральным процессором и цифровым входом устройства управления.
Предлагаемый быстродействующий преобразователь изменения сопротивления датчиков в электрический сигнал позволяет расширить функциональные возможности преобразователя, повысить его универсальность и возможности работы с разными типами первичных преобразователей (датчиков).
На чертеже приведена функциональная схема быстродействующего преобразователя изменения сопротивления датчиков в электрический сигнал.
Быстродействующий преобразователь изменения сопротивления датчиков в электрический сигнал (см. чертеж) содержит:
1 - датчик, включенный по схеме «мост»;
2 - датчик, включенный по схеме «1/4 мост» (одиночный тензодатчик);
3 - «термопара»;
4 - датчик с выходом по напряжению;
5 - источник тока;
6 - аналого-цифровой преобразователь;
7 - цифроаналоговый преобразователь номинального значения;
8 - первый инструментальный усилитель;
9 - второй инструментальный усилитель;
10 - цифровое устройство управления измерительным каналом;
11 - центральный процессор компьютера;
12 - основной источник опорного напряжения;
13 - дополнительный источник опорного напряжения для источника тока;
14 - ключ переключения питания датчиков;
пит
15 - источник питания + U;
16 - двухпозиционные ключи переключения режима измерения;
17, 18 - программируемые делители напряжения потенциальных линий датчиков;
19 - ключ переключения диапазона измерения аналого-цифрового преобразователя;
20 - общий провод (земля);
21 - цифроаналоговый преобразователь для источника тока;
22 - цифровая шина данных;
23 - цифровая шина управления;
Практическая реализация предлагаемого устройства выполняется по известным схемам с использованием следующих компонентов:
1. Источник опорного напряжения 12 собран на микросхеме ADR420.
2. Цифроаналоговый преобразователь 7 собран на микросхеме AD5512AACPZ.
3. Программируемые делители напряжения 17, 18 реализованы на микросхеме MAX5430CEKA.
4. Источник опорного напряжения для источника тока 13, цифроаналоговый преобразователь источника тока 21 и источник тока 5 собраны на одной микросхеме AD5410ACPZ.
5. Ключи 16, 14, 19 собраны на элементах ADG333ABRS.
6. Инструментальный усилитель 8 собран на микросхеме AD8250ARMZ.
7. Инструментальный усилитель 9 собран на микросхеме AD8253ARMZ.
8. Аналого-цифровой преобразователь 6 реализован на микросхеме AD7894AR-2.
9. Цифровое устройство управления измерительным каналом 10 выполнены на программируемых логических интегральных схемах ПЛИС фирмы «Altera» EPF10K20TC.
Информация о микросхемах находится на официальных сайтах фирм Analog Devices, Motorolla, Altera, (Motorolla - www.moto.com; фирмы ALTERA - www.altera.com; фирмы Analog Devices - www.ad.com, фирмы Burr-Brown Corporation - www.burr-brown.com).
Быстродействующий преобразователь изменения сопротивления датчиков в электрический сигнал содержит резистивные датчики (1-4), источник тока питания датчиков 5, аналого-цифровой преобразователь 6, цифроаналоговый преобразователь 7, инструментальные усилители 8, 9, устройство управления 10, центральный процессор 11, основной 12 и дополнительный 13 источники опорного напряжения, ключ для переключения питания датчиков 14, подключенный к источнику питания 15, двухпозиционные ключи для переключения режима измерения 16, подсоединенные к основному источнику опорного напряжения 12 и инструментальным усилителям 8, 9, программируемые делители напряжения потенциальных линий датчиков 17, 18, ключ 19 для переключения диапазона измерения аналого-цифрового преобразователя 6, подключенный к устройству управления 10, при этом выход основного источника опорного напряжения 12 соединен с первым входом цифроаналогового преобразователя номинального значения 7, второй вход которого соединен с первым выходом устройства управления 10, а выход цифроаналогового преобразователя 7 соединен со вторым входом первого и первым входом четвертого двухпозиционного ключа 16, выход основного источника опорного напряжения 12 соединен с первым входом первого ключа и с вторым входом второго ключа 16, а первый вход второго ключа соединен с общим проводом 20, управляющие входы четырех ключей 16 объединены и соединены с вторым выходом устройства управления 10, выход первого ключа 16 соединен с опорным входом инструментального усилителя 9, а опорный вход инструментального усилителя 8 соединен с выходом второго ключа 16, неинвертирующий вход инструментального усилителя 8 соединен с выходом первого программируемого делителя напряжения 17 и вторым входом третьего ключа 16, выход второго программируемого делителя напряжения 18 соединен с инвертирующим входом инструментального усилителя 8 и вторым входом четвертого ключа 16, выход которого соединен с инвертирующим входом инструментального усилителя 9, неинвертирующий вход которого соединен с выходом третьего ключа 16, а первый вход первого программируемого делителя напряжения 17 соединен с первой потенциальной линией, второй вход соединен с третьим выходом устройства управления 10, первый вход второго программируемого делителя напряжения 18 соединен со второй потенциальной линией, а обе потенциальные линии соединены с выходной диагональю моста 1, с потенциальными выводами одиночного резистивного датчика 2, термопарой 3 и с датчиком с электрическим выходом 4, а выход дополнительного источника опорного напряжения 13 последовательно соединен с первым входом второго цифроаналогового преобразователя 21 для источника тока, второй вход которого соединен с четвертым выходом устройства управления 10, выход второго цифроаналогового преобразователя 21 соединен со входом источника тока 5, выход которого через второй вход ключа для переключения питания датчиков 14 соединен с первой токовой линией и пятым выходом устройства управления 10, а первый вход ключа для переключения питания датчиков 14 соединен с источником напряжения питания 15, вторая токовая линия соединена с общим проводом 20, а обе токовые линии соединены с диагональю питания моста 1 и с токовыми выходами резистивного датчика 2, выход инструментального усилителя 8 соединен с входом ключа 19 для переклюючения диапазона измерения аналого-цифрового преобразователя 6 и с первым входом третьего двухпозиционного ключа 16, второй вход ключа 19 для переключения диапазона измерения аналого-цифрового преобразователя 6 соединен с выходом инструментального усилителя 9, управляющий вход ключа соединен с шестым выходом устройства управления 10, выход ключа 19 соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя 6, второй вход которого соединен с выходом устройства управления 10, цифровой выход аналого-цифрового преобразователя 6 через цифровую шину данных 22 соединен с центральным процессором 11, а шина управления 23 соединена с центральным процессором 11 и цифровым входом устройства управления 10.
Устройство в режиме «мост» работает следующим образом.
2
6
1
4
Перед началом измерения по цифровой шине управления 23 выставляется код, соответствующий необходимому режиму измерения, определяемому подключенным датчиком. Этому коду соответствует логический уровень управляющих сигналов «у-у». Затем по шине управления 23 последовательно подаются команды установки кодов цифроаналоговых преобразователей (7, 17, 18, 21), которые формируют последовательные посылки данных по управляющим входам «у-у». После установки требуемого режима измерения по цифровой шине управления 23 подается команда измерения и аналого-цифровой преобразователь 6 выставляет данные результата измерения на цифровую шину данных 22.
2
5
4
3
1
6
На управляющем выходе «у» цифрового устройства управления каналом 10 устанавливается высокий логический уровень, переключающий ключи 16. При этом к входам инструментального усилителя 9 подключаются выходы программируемых делителей напряжения потенциальных линий 17, 18. На управляющем выходе «у» цифрового устройства управления каналом 10 в этом режиме устанавливается низкий логический уровень и ключ переключения питания датчиков 15 подключает выход источника тока 5 к токовой линии «тл1» датчика 1. При этом вторая токовая линия «тл2» подключена к общему проводу 20. Таким образом осуществляется питание «моста» постоянным током. Величина силы тока питания датчиков регулируется цифроаналоговым преобразователем источника тока 21, управляемым последовательной кодовой посылкой по управляющему выходу «у» цифрового устройства управления каналом 10. Опорное напряжение для цифроаналогового преобразователя 21 формирует источник опорного напряжения 13. Напряжение разбаланса «моста» на потенциальных линиях «пл1» и «пл2» поступает на входы программируемых делителей напряжения 17, 18. В этом режиме коэффициент деления программируемых делителей 17, 18 устанавливается равным 1, подачей управляющего сигнала «у» цифрового устройства управления каналом 10. На опорный вход «1» инструментального усилителя 9 через ключ режима измерения 16 подается номинальное напряжение, формируемое цифроаналоговым преобразователем 7, опорное напряжение для которого формирует источник опорного напряжения 12. Значение номинального напряжения устанавливается последовательной кодовой посылкой по управляющему выходу «у» цифрового устройства управления каналом 10. Таким образом, на выходе инструментального усилителя 9 формируется усиленное напряжение разбаланса «моста». Для использования всего динамического диапазона аналого-цифрового преобразователя 6 значение номинального напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя 7 выбирается равным середине диапазона измерения аналого-цифрового преобразователя 6. На управляющем выходе «у» цифрового устройства управления каналом 10 устанавливается высокий логический уровень, переключающий ключ диапазона измерения 19 аналого-цифрового преобразователя 6. При этом выход инструментального усилителя 9 подключается к входу аналого-цифрового преобразователя 6. По цифровой шине управления 23 посылается команда измерения и цифровое устройство управления каналом 10 формирует сигнал запуска аналого-цифрового преобразователя 6. Результат измерения аналого-цифровым преобразователем 6 по цифровой шине данных 22 поступает на центральный процессор 11.
Работа быстродействующего преобразователя в режиме «термопара» аналогична работе в режиме «мост». При этом термопара 3 подключается к потенциальным линиям «пл1» и «пл2».
5
6
3
Работа быстродействующего преобразователя в режиме «первичный преобразователь 4 с выходом по напряжению» аналогична работе в режиме «термопара». Для питания подобных преобразователей на управляющем выходе «у» цифрового устройства управления каналом 10 в этом режиме устанавливается низкий логический уровень и ключ питания первичного преобразователя 15 подключает напряжение питания преобразователя к токовой линии «тл1». Для расширения диапазона измерения напряжений в этом режиме на управляющем выходе «у» цифрового устройства управления каналом 10 устанавливается низкий логический уровень, переключающий ключ диапазона измерения 19 аналого-цифрового преобразователя 6. При этом выход инструментального усилителя 8 подключается к входу аналого-цифрового преобразователя 6. Инструментальный усилитель 8 обладает коэффициентом усиления, равным 1, а инструментальный усилитель 9 - коэффициентом усиления, изменяющимся от 10 до 1000. Изменение коэффициентов деления программируемых делителей напряжения 17, 18 осуществляется подачей управляющего сигнала «у» цифрового устройства управления каналом 10. Коэффициенты деления составляют 1 и 0,5.
Работа быстродействующей тензометрической системы в режиме «1/4 мост» (одиночный тензодатчик).
2
1
5
На управляющем выходе «у» цифрового устройства управления каналом 10 устанавливается низкий логический уровень, который переключает ключ режима измерения 16. При этом к неинвертирующему входу инструментального усилителя 9 подключается выход инструментального усилителя 8. На инвертирующий вход инструментального усилителя 9 подается номинальное напряжение, формируемое цифроаналоговым преобразователем номинального значения 7, опорное напряжение которого формирует источник опорного напряжения 12. Значение номинального напряжения устанавливается последовательной кодовой посылкой по управляющему выходу «у» цифрового устройства управления каналом 10. На опорный вход «1» инструментального усилителя 9 через ключ режима измерения 16 подается опорное напряжение с источника опорного напряжения 12. При этом опорный вход «1» инструментального усилителя 8 через ключ режима измерения 16 подключен к общему проводу 20. На управляющем выходе «у» цифрового устройства управления каналом 10 в этом режиме устанавливается низкий логический уровень и ключ 14 подключает выход источника тока 5 к токовой линии «тл1» тензодатчика 2. При этом токовая линия «тл2» подключена к общему проводу 20. Таким образом осуществляется питание тензодатчика 2 постоянным током.
3
1
6
Напряжение на тензодатчике 2 через потенциальные линии «пл1» и «пл2» поступает на входы программируемых делителей напряжения 17, 18. В этом режиме коэффициент деления делителей устанавливается равным 1 подачей управляющего сигнала «у» цифрового устройства управления каналом 10. Значение номинального напряжения устанавливается последовательной кодовой посылкой по его управляющему выходу «у». Номинальное напряжение на выходе цифроаналогового преобразователя 7 устанавливается равным напряжению на тензодатчике 2. Таким образом осуществляется балансировка быстродействующего преобразователя на номинальное значение сопротивления тензодатчика 2. Опорное напряжение источника опорного напряжения 12 равно середине диапазона измерения аналого-цифрового преобразователя 6. При изменении сопротивления тензодатчика 2 изменяется напряжение на потенциальных линиях «пл1» и «пл2». Напряжение на выходе инструментального усилителя 8 равно напряжению на тензодатчике 2, а на выходе инструментального усилителя 9 формируется усиленное напряжение, пропорциональное отклонению сопротивления тензодатчика 2 от номинального сопротивления. На управляющем выходе «у» цифрового устройства управления каналом 10 устанавливается высокий логический уровень, переключающий ключ диапазона измерения 19 аналого-цифрового преобразователя 6. При этом выход инструментального усилителя 9 подключается к входу аналого-цифрового преобразователя 6. По цифровой шине управления 23 посылается команда измерения и цифровое устройство управления каналом 10 формирует сигнал запуска аналого-цифрового преобразователя 6. Результат измерения по цифровой шине данных 22 поступает на центральный процессор компьютера 11.
Предлагаемый быстродействующий преобразователь является универсальным, более дешевым и простым в обслуживании и работает с широкой номенклатурой разнообразных датчиков. Его метрологические характеристики не уступают метрологическим характеристикам быстродействующего преобразователя, принятого за прототип (см. Серьезнов А.Н., Степанова Л.Н., Кабанов С.И. и др. Тензометрия в транспортном машиностроении. - Новосибирск: Наука, 2014. - 272 с.).
Предлагаемый быстродействующий преобразователь, кроме универсальности при работе с различными первичными преобразователями, имеет больше диапазонов измерения, так как программируются не только источник тока и источник номинального напряжения, но делители напряжения, а также используемые инструментальные усилители имеют набор коэффициентов усиления. В предлагаемом устройстве имеется возможность изменять диапазон измерения в 64 раза.