МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПРИРАЩЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ РЕЗИСТИВНЫХ ДАТЧИКОВ В НАПРЯЖЕНИЕ
MULTI-CHANNEL CONVERTER OF RESISTANCE OF RESISTIVE SENSORS INTO VOLTAGE

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть, в частности, использовано для измерения приращения сопротивлений удаленных тензорезисторов или терморезисторов в многоканальных измерительных системах, предназначенных для анализа напряженно-деформированного состояния конструкций.
Известна многоканальная измерительная система К742. Система разработана ВНИИЭП и выпускалась серийно на Омском заводе «Электроточприбор».
Система измерительная информационная К742.
Техническое описание и инструкция по эксплуатации ЗПИ.487.059 ТО 1983 г. ВНИИЭП.
М.Л. Дайчик, Н.И. Пригоровский, Г.Х. Хуршудов Методы и средства натурной тензометрии. Справочник. - М.: Машиностроение. - 1989 г., - с. 64-65.
В системе К742 в режиме работы с одиночными тензорезисторами они подключаются к коммутатору измерительной части по четырехпроводной схеме. В системе измеряют отклонение сопротивления каждого тензорезистора относительно величины сопротивления опорного резистора, при этом измерительная схема построена таким образом, что тензорезистор включается последовательно с опорным резистором в ветвь, питаемую током. Другая ветвь, состоящая из двух последовательно включенных постоянных резисторов, питается напряжением. Выходной сигнал снимается со средних точек ветвей. Измерительная схема не симметрична к действию помех, поэтому имеет низкую помехозащищенность.
Известен преобразователь сигналов одиночных тензорезисторов. Патент РФ №2379695, G01R 17/02. Преобразователь используется для преобразования сигналов удаленных одиночных тензорезисторов с различными номинальными сопротивлениями в многоточечных измерительных системах. Он содержит источник опорного напряжения, набор опорных резисторов, коммутатор и два операционных усилителя, один из которых имеет взвешенный источник питания, изолированный от общей шины преобразователя. Тензорезисторы подключаются к измерительной схеме преобразователя по четырехпроводной схеме. Использование источника питания, изолированного от общей шины преобразователя, нарушает симметрию измерительной схемы, поэтому преобразователь имеет низкую помехозащищенность.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является линейный преобразователь сопротивления резистивного датчика в напряжение А.С. №892349, G01R 27/16.
Преобразователь предназначен для работы с удаленными резистивными датчиками и может быть использован в многоточечных тензорезисторных измерительных устройствах. Он содержит два операционных усилителя, дифференциальный усилитель, образцовый (опорный) резистор и источник опорного напряжения. Все они питаются от источника питания, связанного с общей шиной преобразователя. Датчики подключаются по четырехпроводной схеме, при этом в каждый провод могут быть включены ключевые элементы. Первый операционный усилитель работает в режиме повторителя напряжения, в цепь обратной связи которого включены первый и второй провода, подключенные к одному выводу датчика. Повторитель напряжения передает потенциал общей шины на первый вывод резистивного датчика. В токовый провод повторителя напряжения включен образцовый резистор. Ток через него равен току, протекающему через резистивный датчик, и поддерживается постоянным в результате действия общей отрицательной обратной связи по току. Выход второго операционного усилителя третьим проводом соединен со вторым выводом резистивного датчика. Выходное напряжение преобразователя снимается со второго вывода резистивного датчика четвертым проводом, при этом для устранения погрешности измерения входное сопротивление измерителя выходного напряжения преобразователя должно быть много больше сопротивления четвертого провода и включенного в него ключевого элемента. Измерительная схема преобразователя не симметрична по отношению к действию помех и имеет низкую помехозащищенность. Преобразователь измеряет только величину сопротивления резистивного датчика и не измеряет его приращение.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение помехозащищенности многоканального преобразователя и преобразование приращения сопротивления резистивных датчиков в напряжение.
Технический результат достигается тем, что в многоканальный преобразователь приращения сопротивления резистивных датчиков в напряжение, содержащий «n» резистивных датчиков, «n» первых, «n» вторых, «n» третьих и «n» четвертых проводов, источник опорного напряжения, первый вывод которого соединен с общей шиной преобразователя, первый операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с общей точкой соединения входов «n» ключевых элементов первой группы, «n» выходов которых соответственно через «n» первых проводов соединены с «n» первыми выводами «n» резистивных датчиков, соединенными через «n» вторых проводов с «n» выходами ключевых элементов второй группы, общая точка соединения входов которых подключена к первому выводу первого опорного резистора, у которого второй вывод соединен с выходом первого операционного усилителя, второй операционный усилитель, введены сумматор, второй опорный резистор, третья и четвертая группы «n» ключевых элементов, третий операционный усилитель, у которого инвертирующий вход соединен с общей точкой соединения входов «n» ключевых элементов третьей группы, «n» выходов которых соответственно через «n» третьих проводов соединены с «n» вторыми выводами «n» резистивных датчиков, соединенными через «n» четвертых проводов с выходами «n» ключевых элементов четвертой группы, общая точка соединения «n» входов которых подключена к первому выводу второго опорного резистора, у которого второй вывод соединен с выходом третьего операционного усилителя, при этом неинвертирующий вход первого операционного усилителя соединен со вторым выводом источника опорного напряжения, выход второго операционного усилителя соединен с выходом преобразователя и неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, неинвертирующий вход второго операционного усилителя подключен к общей шине преобразователя, а его инвертирующий вход подключен к выходу сумматора, у которого первый, инвертирующий, вход соединен с общей точкой соединения входов «n» ключевых элементов второй группы и первого вывода первого опорного резистора, второй, инвертирующий, вход соединен с выходом третьего операционного усилителя и вторым выводом второго опорного резистора, третий, инвертирующий, вход соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя и вторым выводом источника опорного напряжения, четвертый, неинвертирующий, вход подключен к выходу первого операционного усилителя и второму выводу первого опорного резистора, а пятый, неинвертирующий, вход соединен с общей точкой соединения «n» входов ключевых элементов четвертой группы и первого вывода второго опорного резистора.
Д1
Дn
На фигуре приведена блок-схема многоканального преобразователя приращения сопротивления резистивных датчиков в напряжение. Преобразователь содержит «n» резистивных датчиков (R…R) в группе 1 датчиков, имеющих «n» первых выводов и «n» вторых выводов соответственно, «n» первых, «n» вторых, «n» третьих и «n» четвертых проводов, четыре группы 2, 3, 4, 5 ключевых элементов по «n» ключевых элементов в каждой группе, источник опорного напряжения 6, первый вывод которого соединен с общей шиной 7 преобразователя, а второй подключен к неинвертирующему входу первого операционного усилителя 8. Инвертирующий вход первого операционного усилителя 8 соединен с общей точкой соединения «n» входов ключевых элементов группы 2, «n» выходов которых соответственно через «n» первых проводов 9 соединены с «n» первыми выводами резистивных датчиков группы 1, соединенными через «n» вторых проводов 10 с «n» выходами ключевых элементов группы 3. Общая точка соединения входов ключевых элементов группы 3 соединена через опорный резистор 11 с выходом первого операционного усилителя 8. Выход второго операционного усилителя 12 соединен с выходом 13 преобразователя и неинвертирующим входом третьего операционного усилителя 14, инвертирующий вход которого соединен с общей точкой соединения «n» входов ключевых элементов группы 5, «n» выходов которых соответственно через «n» третьих проводов 15 соединены с «n» вторыми выводами резистивных датчиков группы 1, соединенными через «n» четвертых проводов 16 с «n» выходами ключевых элементов группы 4. Общая точка соединения «n» входов ключевых элементов группы 4 через опорный резистор 17 соединена с выходом третьего операционного усилителя 14. Неинвертирующий вход второго операционного усилителя 12 соединен с общей шиной 7 преобразователя, а его инвертирующий вход соединен с выходом сумматора 18. Первый, инвертирующий, вход 19 сумматора 18 соединен с общей точкой соединения входов ключевых элементов группы 2 и первого вывода опорного резистора 11. Второй, инвертирующий, вход 20 сумматора 18 соединен с выходом третьего операционного усилителя 14 и вторым выводом опорного резистора 17. Третий, инвертирующий, вход 21 сумматора 18 соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя 8 и вторым выводом источника опорного напряжения 6. Четвертый, неинвертирующий, вход 22 сумматора 18 подключен к выходу первого операционного усилителя 8 и второму выводу опорного резистора 11. Пятый, неинвертирующий, вход 23 сумматора 18 соединен с общей точкой соединения входов ключевых элементов группы 4 и первого вывода опорного резистора 17.
Многоканальный преобразователь приращения сопротивления резистивных датчиков в напряжение работает следующим образом.
Дi
Дi
вых
Напряжение Е источника опорного напряжения 6 через первый повторитель напряжения, образованный операционным усилителем 8, «n» первыми проводами 9 и «n» вторыми проводами 10, группами 2, 3 «n» ключевых элементов, опорным резистором 11, подается на первый вывод подключенного R (i=1…n) датчика из группы датчиков 1. На второй вывод R датчика через второй повторитель напряжения, образованный операционным усилителем 14, «n» третьими проводами 15 и «n» четвертыми проводами 16, группами 4 и 5 «n» ключевых элементов, опорным резистором 17, подается выходное напряжение U преобразователя с его выхода 13. Управление «n» ключевыми элементами групп 2, 3, 4, 5 осуществляется синхронно последовательно во времени от устройства управления, не показанного на фигуре.
Дi
Ток через подключенный R датчик равен:
Дi
0
Дi
Дi
П2
П
П
0
П
0
∑
Согласно принятому направлению токов на фигуре ток I протекает с выхода первого операционного усилителя 8 через опорный резистор 11, включенный ключевой элемент группы 3, соответствующий провод из «n» вторых проводов 10, подключенный R датчик, включенный ключевой элемент группы 4, соответствующий провод из «n» четвертых проводов 16, опорный резистор 17 и выходное сопротивление операционного усилителя 14 на общую шину 7 преобразователя. Величины сопротивлений опорных резисторов 11 и 17 выбраны одинаковыми и равными номинальному значению R датчиков R. Напряжения с выводов опорных резисторов 11 и 17 подаются на соответствующие (первый 19, четвертый 22 и второй 20, пятый 23) входы сумматора 18. Напряжение Е опорного источника 6 подается на третий вход 21 сумматора 18. Коэффициенты передачи сумматора 18 по первому 19, второму 20, четвертому 22 и пятому 23 входам равны 1. Коэффициент передачи сумматора 18 по третьему входу 21 равен 2. При воздействии на R датчик и подводящие к нему провода синфазной помехи через низкоомные токовые цепи первого 8 и третьего 14 операционных усилителей, на которых выполнены повторители напряжения, протекают токи помехи  и I, которые благодаря симметрии измерительной схемы практически одинаковы и равны I. Выходные сопротивления повторителей напряжения близки к нулю, поэтому токи I протекают на общую шину 7 преобразователя только через выходные сопротивления операционных усилителей 8 и 14, создавая на опорных резисторах 11 и 17 с сопротивлениями R падения напряжения I·R. Напряжение U на выходе сумматора 18 равно:
∑
вых
Напряжение U подается на инвертирующий вход второго операционного усилителя 12 и усиливается им в К раз. Так как выход операционного усилителя 12 соединен с выходом 13 преобразователя, то напряжение U на выходе 13 определяется выражением:
6
Учитывая, что у современных операционных усилителей коэффициент передачи К больше или равен 10 отношение  стремится к нулю, поэтому из выражений (1) и (3) следует:
П
В результате симметрии измерительной схемы преобразователя в выражении (4) для его выходного напряжения отсутствуют члены, отражающие действие синфазной помехи. Компенсация токов помехи I происходит в широком частотном диапазоне и при этом не влияет на частотный диапазон работы самого датчика. Выходное напряжение преобразователя пропорционально приращению сопротивления резистивных датчиков.
Опытный образец многоканального преобразователя приращения сопротивления резистивных датчиков в напряжение изготовлен, опробован, получены положительные результаты. Реально синфазная помеха ослабляется более, чем в сто раз. Изобретение может быть использовано в многоканальных измерительных системах тензометрии или термометрии.