УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ РЕЗИСТИВНОГО СЕНСОРА
DEVICE FOR REMOTE MEASUREMENT OF RESISTANCE OF RESISTIVE SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к преобразователям активного сопротивления резистивного сенсора в информационный сигнал, и может использоваться в системах дистанционного контроля физических величин, изменение которых однозначно отражается изменением сопротивления резистивного сенсора. Известны устройства для дистанционного измерения сопротивления активного сопротивления терморезистора, содержащие источник электрической энергии, образцовый резистор, измерители напряжения, соединительную линию, электромагнитное реле с обмоткой и замыкающим контактом, термозависимый резистор, блок управления, запоминающее устройство и вычислительный блок (см. авт. свид. №1138667, G01K 7/16, опубл. 07.02.1985 г.; патент РФ №2234065, МПК G01K 7/10, опубл. 2004 г.) [1, 2]. Прототипом выбрано устройство, описанное в патенте РФ №2234065.
Недостаток прототипа состоит в следующем. При выборе электромагнитного реле, обмотка которого включена последовательно с измеряемым резистором, возникают сложности согласования допустимого тока термозависимого резистора и тока срабатывания реле, так как электромагнитные реле допускают превышение номинального тока срабатывания для надежного действия, а терморезисторы не допускают превышение своего номинального тока из-за увеличивающийся погрешности. Это обстоятельство затрудняет подбор совпадающих по токовым характеристикам реле и термозависимых резисторов, что снижает технологичность устройства.
Известные устройства обладают недостаточной надежностью по отношению к обрыву проводов соединительной линии, так как обрыв любого провода соединительной линии делает устройство неработоспособным.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении надежности устройства и улучшению его технологичности. Это достигается тем, что в устройство для дистанционного измерения сопротивления резистивного сенсора, содержащее источник электрической энергии с первым и вторым полосами, образцовый резистор с входным и выходным зажимами, первый и второй измерители напряжения, первый, второй, и третий провода соединительной линии с входными и выходными зажимами, резистивный сенсор, электромагнитное реле с обмоткой и замыкающим контактом, блок управления, запоминающее устройство и вычислительный блок, резистивный сенсор подключен к выходным зажимам первого и второго провода, первый измеритель напряжения подключен к зажимам образцового резистора, первый полюс источника энергии соединен с общей точкой соединения образцового резистора и первого измерителя напряжения, один из выходов блока управления соединен с управляющим входом запоминающего устройства, выходы измерителей напряжения соединены с информационными входами запоминающего устройства, выход запоминающего устройства соединен с входом вычислительного блока, выход вычислительного блока является выходом устройства, зажимы замыкающего контакта реле подключены к зажимам сенсора и к выходным зажимам первого и второго проводов, дополнительно введены первый, второй, третий и четвертый управляемые ключи с входными и выходными зажимами и управляющими входами, первый и второй добавочные резисторы с входными и выходными зажимами, обмотка реле подключена к выходным зажимам первого и третьего проводов соединительной линии, первый ключ и первый добавочный резистор соединены между собой последовательно и включены между входным зажимом первого провода и выходным зажимом образцового резистора, входной зажим второго ключа соединен со вторым полюсом источника энергии, выходной зажим второго ключа соединен с входным зажимом второго провода, третий ключ входным зажимом подключен к входному зажиму первого ключа, выходной зажим третьего ключа соединен с входным зажимом второго добавочного резистора, выходной зажим второго добавочного резистора соединен с входным зажимом третьего провода, четвертый ключ входным зажимом соединен с входным зажимом второго ключа, выходные зажимы третьего и четвертого ключей соединены между собой, второй измеритель напряжения подключен к выходным зажимам первого и второго ключей, а управляющие входы ключей соединены с выходами блока управления.
Предлагаемое устройство для дистанционного измерения сопротивления резистивного сенсора отличается от известного, принятого за прототип, тем что в него дополнительно введены первый, второй, третий и четвертый управляемые ключи с входными и выходными зажимами и управляющими входами, первый и второй добавочные резисторы с входными и выходными зажимами, обмотка реле подключена к выходным зажимам первого и третьего проводов соединительной линии, первый ключ и первый добавочный резистор соединены между собой последовательно и включены между входным зажимом первого провода и выходным зажимом образцового резистора, входной зажим второго ключа соединен со вторым полюсом источника энергии, выходной зажим второго ключа соединен с входным зажимом второго провода, третий ключ входным зажимом подключен к входному зажиму первого ключа, выходной зажим третьего ключа соединен с входным зажимом второго добавочного резистора, выходной зажим второго добавочного резистора соединен с входным зажимом третьего провода, четвертый ключ входным зажимом соединен с входным зажимом второго ключа, выходные зажимы третьего и четвертого ключей соединены между собой, второй измеритель напряжения подключен к выходным зажимам первого и второго ключей, а управляющие входы ключей соединены с выходами блока управления.
Сравнительный анализ заявляемого устройства с прототипом позволяет сделать вывод о соответствии его критерию изобретения «новизна».
Из патентной и научно-технической литературы не известны вышеуказанные отличительные признаки устройства в их совокупности. Таким образом заявляемое устройство удовлетворяет критерию изобретения «изобретательский уровень». Предлагаемое устройство может быть использовано в системах сбора и обработки информации, в частности в системах дистанционного контроля и управления микроклиматом в закрытых помещениях, для контроля наружных температур в удаленных от наблюдателя местах и т.п.
Устройство испытано в макетном исполнении в лаборатории, были подтверждены указанные выше преимущества по сравнению с аналогом. Был сделан вывод, что устройство удовлетворяет критерию изобретения «промышленная применимость».
Устройство поясняется чертежом (фиг.1), на котором изображена структурная схема устройства. На чертеже обозначены: 1 - источник электрической энергии - источник эдс со стабилизированным напряжением; 2 - образцовый резистор; 3 - первый измеритель напряжения; 4, 5, 6, 7 -соответственно первый, второй, третий и четвертый ключи с входными и выходными зажимами (обозначены точками) и управляющими входами (обозначены стрелками); 8 - второй измеритель напряжения; 9 - первый добавочный резистор; 10 - второй добавочный резистор; 11, 12, 13 - соответственно входные зажимы первого, второго и третьего проводов соединительной линии; 11', 12', 13' - соответственно выходные зажимы первого, второго и третьего проводов; 14, 15, 16 - соответственно сопротивления первого, второго и третьего проводов; 17 - резистивный сенсор; 18 - электромагнитное реле; 19 - обмотка реле; 20 - замыкающий контакт реле; 21 - блок управления; 22 - запоминающее устройство; 23 - вычислительный блок.
Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии все ключи разомкнуты, контакт 20 находится в разомкнутом состоянии. Процесс измерения начинается с выдачи команды блоком управления 21 на замыкание ключей 4 и 5. В электрической цепи 1-2-4-9-11-14-11'-17-12'-15-12-5-1'-1 возникает ток. Первый измеритель напряжения 3 измеряет падение напряжения на образцовом резисторе 2:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mn>01</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub><mo>*</mo><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub><mo>,</mo><mtext>                                                                               (1)</mtext></mrow>
1
0
где I- ток, создаваемый источником эдс в цепи резистора R;
01
U - падение напряжения на образцовом резисторе;
0
R - сопротивление образцового резистора; Второй измеритель напряжения 8 измеряет напряжение между выходными зажимами ключей 4 и 5:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mn>21</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mi>E</mi><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mn>01</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>R</mi><mi>t</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>п</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mtext>                                      (2)</mtext></mrow>
21
где U - величина напряжения, измеренного измерителем 8;
Е - величина напряжения на зажимах источника эдс;
t
R - искомое значение сопротивления резистивного сенсора 17;
11
11
лl
д1
R - суммарное сопротивление цепи первого провода, R=R+R,
л1
где R - сопротивление 14 первого провода;
д1
R - сопротивление первого добавочного резистора 9;
д2
R - сопротивление 15 второго провода соединительной линии;
01
21
Измеренные напряжения U и U запоминаются в запоминающем устройстве 22, а блок управления 21 дает команду на выключение ключа 5 и включение ключа 7, ключ 4 остается в замкнутом состоянии. Образуется цепь 1-2-4-9-11-14-11'-19-13'-16-13-10-7-1'-1, по которой будет протекать ток
<mrow><msub><mi>I</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mi>E</mi><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mi>к</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>33</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mtext>                                                      (3)</mtext></mrow>
2
где I - ток в цепи образцового резистора 2;
K
R - сопротивление обмотки 19 реле 18;
33
33
л3
д2
R - суммарное сопротивление цепи третьего провода, R=R+R,
л3
где R - сопротивление 16 третьего провода;
д2
R - сопротивление второго добавочного резистора 10.
0
2
Первый измеритель напряжения 3 измерит падение напряжения U2 от тока I на образцовом резисторе:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mn>02</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mn>2</mn></msub><mo>*</mo><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub><mtext>                                                                                 (4)</mtext></mrow>
2
11
2
Ток I, протекая через обмотку 19 реле 18, приводит к замыканию контакта 20, что дает возможность второму измерителю напряжения 8 измерить падение напряжение Un на суммарном сопротивлении R от протекания тока I:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mn>2</mn></msub><mo>*</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><mtext>                                                                                (5)</mtext></mrow>
02
11
Измеренные напряжения U и U запоминаются в запоминающем устройстве 22, после чего блок управления 21 выдает команду на отключение ключей 4 и 7 и включение ключей 5 и 6. Образуется новая замкнутая цепь 1-2-6-10-13-16-13'-19-17-12'-15-12-5-1'-1, в которой после срабатывания реле 18 и замыкания контакта 20 ток примет установившееся значение:
<mrow><msub><mi>I</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><mi>E</mi><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>33</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mi>к</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>л</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mtext>                                                      (6)</mtext></mrow>
Первый измеритель напряжения 3 измерит падение напряжения на образцовом резисторе 2:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mn>03</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mn>3</mn></msub><mo>*</mo><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub><mtext>                                                                                (7)</mtext></mrow>
3
Второй измеритель напряжения 8 измерит падение напряжения от тока I на сопротивлении 15 второго провода:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>л</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mn>3</mn></msub><mo>*</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>л</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mtext>                                                                                (8)</mtext></mrow>
03
л2
t
Измеренные напряжения U и U запоминаются в запоминающем устройстве 22, а вычислительный блок 23 вычисляет искомое значение R, используя запомненные значения измеренных напряжений и известные значения эдс источника и сопротивления образцового резистора 2.
t
Сопротивление R вычисляется по формуле:
<mrow><msub><mi>R</mi><mi>t</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>E</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mn>01</mn></mrow></msub><mo>−</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mn>02</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>E</mi><mo>−</mo><mn>2</mn><msub><mi>U</mi><mrow><mi>л</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mn>03</mn></mrow></msub><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>,</mo><mtext>                                </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>9</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
t
где R- сопротивление сенсора;
0
R - известное сопротивление образцового резистора 2;
01
02
03
U, U, U - запомненные значения падений напряжения на образцовом резисторе соответственно в первом, втором и третьем процессах измерений, вычисляемые по формулам (1), (4), (7);
Е - известное напряжение на выводах источника эдс постоянного тока;
л2
U - измеренное и запомненное значение падения напряжения на сопротивлении второй линии, вычисляемое по формуле (8).
11
л2
33
По полученным в процессе измерения значениям напряжений вычисляются и запоминаются значения сопротивлений R, R, R, по величине которых можно контролировать целостное состояние проводов, и с помощью управляемого переключения ключей обеспечить контроль состояния сенсора при обрыве одного из проводов, что повышает надежность устройства. Включение обмотки 19 реле 18 в отдельный (третий) провод, в цепи которого имеется добавочное сопротивление 10, позволяет использовать реле с током срабатывания, не зависящим от допустимого тока резисторного сенсора, что повышает технологичность устройства. Использование в качестве источника энергии источника эдс со стабильным уровнем выходного напряжения также способствует улучшению технологичности устройства по сравнению с прототипом, в котором используется регулируемый источник тока.
Источники информации:
1. Авторское свидетельство №1138667, М.кл. G01к 7/16, опубл. БИ №5, 07.02.85 г.
2. Патент РФ №2234065, опубл. бюл. №22, 10.08.2004.