Устройство для измерения приращения сопротивления

 

изобретение отчоси-гся к зпелтриизмерительной технике и может быть -использовано для измерения изменения, например; температуры окружаюцей среды или гидростатического давления. Целью изобретения является повышение точности и увеличение оыстродействия измерения за счет уменьшения влияния дрейфа усилителей сигнала разбаланса . Устройство содержит резистивлый мост, усилитель с дифференциальными входам и вкчоя ч:ш, оуферный усилитель , интегра-. с-р, компаратор, задатчик калпброваш.ых нь.терзалов времени , измеригел (Зременш х интервалов, сеьь ключей. Новым в ycTsiufic 1пве является введь ,-& усилите лея с дифференциальными вхгти и г ькодам(1 и .OiiOjjHHrtviMb i. ь их связ;; i остальнш п 3. raiu с скы, «то позволяет хь npv lit. изме рения, при КОТОРОМ за пориог г змере- , состояи.чк ис двух пс. ичдов заряда, гавн,|Х , .ерисдчь разряда t,.. и 2,., к двух годготоргтель- 1г /л ../v л ных -периодов, раткых t - t,(1 и И2 суммарное воздейс1 и,,г на |;н сгратор напряжения дтейЛа Ai.HOJijD.renbHcrc- З силителя раг,чо нугчо .Ipeiii.; буферного усилителя не оказывает существенного на точность измерения5 так как коэффициент усиления его равен единице. 2 ил. до

союз совьтсних соцюлистичксниx

РЕСПУБЛИН

Д1) G 01 R 17/10

ОПИОАИКЕ ИЗО PETEHNR госудА стакнн1 1й комитат да изаБ е1 ниям и отнРьтиям пРи Гннт сссР (21) 4632884/21 (22) 06.01.89 (чб) 07.01.91. Бюл.. Ф 1 (71) Центральное конструкторское бюро гидрометеорологического приборостроения (72) Б.П.Гаврилов (53) 621.317.733 (088,8) (56) Автоос о свине вольс во СОТ. Р

М 611167„кл. G 01 R 1;/;Gi 19/5.

Авторское свидетельство СС Р

ti- 993136, кл. G 01 К 17/10, !98, (54) УСТРОЙСТВО ЦЛЯ ИЗМЕРЕНЛ ПРИРА—

ЩЕНИЯ СОПРОТИ БЛЮЛ (5?) Изобретение относигся к эле: троизмерительной технике и может быть использовано для измерения изменения, например температуры окружающеи средь| или гидрсстатического давления. Целью изобретения является повышение точности и увеличение быстродействия и .— мерения за счет уменьыения влияния дрейфа усилителей сигнала разбаланИзобретение о.косится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения приращения сопротивления „пропорционального изменению, например, температуры окружающей среды иди гидростатического да вл ения .

Цель изобретения — повышение точности и увеличение быстродействия измерения малых приращений сопротивления 9R счет снижения влияния дрейфа у"..èëêòàïüíîé цепи сигнала разбае ланса и за счет независимости измери„.80„„Ы19184 А< са, Устройство сод - ржит пезистивный

1 мост, усилитель с дифференциальными входами и вь-.од:- ми, буферный усилитель, интегра-: (;p, компара-ор, задатчик калибре ванч:ых интервалов времени измерител - «ременных интервалов семь ключей. Новым ь устройс" ве является вгедc.«.:e усилителя с:;ифференцпальными в:;од:-..".:. и ;-ь-<одамк r»

halo !oJIHjR i iiiи-и ; к;lю A i; Hx cB>43i!. с э: е?! Ji i pic с х.емы. позволяет о 1га п 3&зряда ь и ь,-::; двух годготоя талал

Ia ных периодов, равных ь, - ь < и суммарное воздейс; вне на сите!.ратор напряжения дрейфа дополп.тельнсгc. усилителя равно нулю, Драйв буферного усилителя не оказывает существенного влияния на точность измерения, так как коэффициент усиления его равен единице. 2 ил. тельного периода от отношения сопротивления к его приращению.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для измерения приращеьп я с-..противления; на фи ." — временные диаграммы напряжений.

Устройство содержит источник 1 постоянного напряжения, резистивный †. мост 2, образованный постояннь п. резисторами 3 - 6 и переменным резистором 7, приращение сопротивления которого измеряется, выходы кгючей

8 — 10, соединены с входом усилите1619184 ля 11, выходы которого через ключи

12 - 15 соединены с последовательной цепью, состоящей из буферного усилителя 16, интегратора 17, компаратора

18, задатчика 19 -калиброванных интервалов времени, выходы которого соединены с управляющими входами ключей 8 - 10 и 12 — 15 и измерителя

20 временных интервалов, 10

Устройство работает следующим образом.

Работой устройства управляет задатчик 19, который, в определенной последовательности коммутируя ключи

8 — 10и 12 — 15, организует периоди- -1 ческий процесс заряда — разряда кон денсатора в интеграторе 17. Измерение приращения сопротивления резистора 7 происходит на период и, состоящий из четырех равных промежутков времени (калиброванных интервалов времени) L, > Iz > (ig (.,1., и л / и.

Л Л л, Л Л Л

"= +ог+ э+ += 4" °

В период врем-ни О< задатчик 19 замыкает ключи 9, 13 и 14 и размыкает ключи 8, 10, 12 и 15. При этом разность потенциалов между точками а и с Резистивного моста 2 Бас, Усиленная усилителями 11 и 16 до напряжения Б др .(фиг.2а), вызывает линейное увеличение напряжения отрицательной полярности на выходе интегратора

17 до.величины V,i (фиг.2б).

По окончании периода о1 задати чик 19 замыкает ключи 8, 12 и 15 размыкает ключи 9, 13 и 14. При этом разность потенциалов точек Ь и с резистивного моста 2 (U ), усиленная усилителями 11 и 16 до напряжения (-U <, вызывает линейное уменьшение --. напряжения отрицательной полярности . на выходе интегратора 17.

В момент равенства нвпряжения на выходе интегратора порогу срабатыва- 45 ния компаратора задатчик 19 замыкает ключи 10, 13 и 14 и размыкает. ключи

8, 12 и 15. При этом вход усилителя

11 закорочен, напряжение на выходе интегратора 17 до окончания периода

6 остается постоянным, если отсутствует дрейф усилителей 11.и 16 (фиг.2б).

В период времени ь задатчик 19 замыкает ключи 9, 12 и 15 и размыкает ключи 10, 13. и 14. При этом разность — 55

"потенциалов резистивного моста 2 U усиленная до напряжения — U»< 2 вызывает линейное возрастание напряженйя положительной полярности на выходе интегратора 17 до напряжения

"з

По окончании периода z задатчик и

19 замыкает ключи 8, 13 и 14 и размыкает ключи 9, 12 и 15. При этом разность потенциалов U>, усиленная до напряжения U 2 вызывает линейное уменьшение нап1 яжения на выходе интегратора 17.

В момент равенства напряжения на выходе интегратора 17 и порога срабатывания компаратора 18 задатчик 19 замыкает ключи 10, 12 и 15 и размыкает ключи 8, 13 и 14. При .этом вход усилителя закорачивается, напряжение на выходе интегратора остается постоянным до окончания периода Ь4 (еси ли дрейф усилителей 11 и 16 отсутствует) .

Для .интегратора с RC-зарядной цепью изменение напряжения на выходе интегратора. в течение первого калиброванного интервала времени Лi., (аремя заряда, фиг.2б) равно

/ л

U — -= — V ° --- (1)

МР RC ас КС где К вЂ” общий коэффициент усиления усилителей 11 и 16, причем коэффициент усиления буферного усилителя 16 устанавливает равным 1.

Аналогично находят изменение напряжения на выходе интегратора за . время .первого измерительного интерала „, (время разряда): Л

/ (i Ê1

U =U — — — =U . К вЂ” — (2)

Ос

Так .как для интегратора U < = U<.{при отсутствии дрейфа усилителей 11 и

16), то л Uac п. (, — — -- — - С (3) . 06С

Аналогично определяется значение второго измерительного интервала

Л Б л .. (4)

„,=. „" -— с, ЛМ. п 4

Сумма (, периодов „, и и, учитывая, что калиброванные интервалы

Ф, = 2 = б, определяется

Л A л„ (= ь +ь = — "— —. (5)

И И1 .И2 П ..вс

Потенциал точки а резистивного моста 2 выбирается равным

UyR (6)

4 гК

5 l6 где Б- — напряжение на выходе исто )ь ника 1;

R — сопротивление резисторов

3 и 4, равное максимальному значению переменного резистора 7.

Потенциал точки с, учитывая, что умма резисторов 5 и 6 устанавливается равной R, а резистор 6 выбирается равным половине максимального приращения резистора 7, определяется выражением

Uo(R — AR)

U (7)

2R -QR где )К вЂ” приращение резистора 7.

Разность потенциалов между точками моста а и с равна

R К вЂ” ДК (— - — — — — — — -) ° (8)

) 2R 2R

Разность потенциалов между точками

Ь и с равна

0 о Д К макс

U (9)

Вс 2(2К вЂ” gR) где ц К „ — максимальное приращение резистора 7-.Тогда из формулы (5)

Л» AR2I. с (10)

6R макс

Выражение (10) показывает, что длит .-ьность и."мерительного интерваh» ла ), и прямо пропорциональна измеряемому приращению Д К переменного резистора 7.

Весь измерительный период Л и (1 цикл измерения) складывается из четырех: лс) + c и, — первый цикл заряда — разряда емкости интегратора; л!. + с )) второй цикл заряда — разряда емкости л и

Э

), — ).„)) - период подготовки ко второму циклу заряда — разряда емкости л Л

) (...)- ),и - период подготовки к первому (следующему) циклу заряда емкости, Общее время измерения — измерительный период ) и, равный 41 (калиброванных интервалов времени), не заR как в извисит от отношения вестном устройстве.

Значение с для реального измерителя определяется исходя из требуемой информационной емкости измерительного интервала и характеристик применяемых интегральных микросхем по быстродействию и чувствительности!

9!84

TBK же, как это определял! с) дг)я и 3вестного устройства (Т)) „„,„.„) .

Дрейф нуля усилителя 1l приводит к появлению на его входе напряжения

U . Графики напряжений на входе и вйходе интегратора 17 приобретают в этом случае вид, ноказанный на фиг.2в, г. Вводя "штрих" в обозначения тех же значений, что и в первом рассмотренном случае работы устройства (когда дрейф усилителей 1! и

16 отсутсгвугт), аналогично получаем л и

l С l

U3

) 1

4О ДПз = UЗ 04

И 4 =hU< = U иа °

Решая уравнения (11 — 18), л!

) )!) и ) ))а у получаем значение рительного интервала в случае влияния дрейфа нуля усилителя работу устройства (17) (18) находим измеучета

11 на л! nl . Ulcc

Л (, -C))I +C - =2 — ——

))2, !) (19)

50 Сравнение выражений (19) и (5) показывает, что влияние дрейфа нуля усилителя 11 полностью компенсирует" ся.

Дрейф нуля усилителя 16 приводит

Il к появлению напряжeHmr 0 р входе.

Графики напряжений на входе и выходе интегратора приобретают внд, приведенный на фиг.2д,е ° (11) !. и)

I — - - = (U + V )К -"- )-.

2 i RС Вс Р RС (12)

Изменение напряжения на итеграторр эа время поп)отовки к второму циклу заряда — разряда емкости интегр," ". r op a

$U = U К -----,--.

3 Р RC (13)

Аналогично л л

I 3 ),з

>P RC («М) RC

30 !, (14)

)- иг !. их

Ц !1 (U + ) )К ) P RC l - Я RC (15)

Изменение напряжения интегратора за время подготовки к первому (следующему) циклу зауяда — разряда

nI

I !.4 I gL

И = U K (— — ---), (16)

ЯР RC

7 1619 1 84 8

Вводя "два штриха" в обозначения тех же значений, что и в первом рассмотренном случае (когда не учитывается влияние дрейфа усилителей

11 и 16), и учитывая, что коэффициент усиления буферного усилителя в устройстве равен единице аналогично получаем и д 1 и <, 10 и л — — (Ц„, К U)P ) —;,—, (2,)

I ли и,, и " й1

Нг=ир, — = (U К+ V ) — ——

RC с Я RC (21)

"и - иг

ДБ = Ui - Ug = U (— - — — ) (22)

RC

ri, и ю "3 (э

"з 0 арг КС (йсК 1 )р) КС

20 (23) п иг (U К-U )

Be ЯР RC

Л II и "иг

U =.U

Р (24) л

il и и

hU=U -U =U (— — — — ) ° (25)

Э 4 9 фР

Исходя их выражений (5) — () О),. л " значение измеряемого интервала

И 30 времени и

8(- — ) "

11 р 2л

Эс (26) h.

ЛФ л" пн - 2Ua

И и! " г ц теля составляет 0,014% (0,005 С), I что на порядок меньше значения погрешности в известном устройстве.

Таким образом, введение дополнительного усилителя и ключа позволяет и далее получаем

3 л " dR2i, . Urs)

6 и = --.— -- — 8(--- — ) (27)

6R макс Вс КСравнивая выражения (27) и (1О), видим, что дрейф нуля усилителя 16 40 приводит к ошибке в измерениях приращения сопротивления, равной и

8(— - )

0 К

Оценим числовое. значение погреш- 45 ности при использовании в качестве переменного резистора термопреобра- зователя, изменяющего свое сопротивление от .100 до 113 Ом в диапазоне изменения температур Π— 40.С. Зна- 5< . 6 ченне U@e при этом изменяется от

12,2 до 11,5 мВ. При U = 2 мВ и

К = 40 максимальное знячение погрешности за счет дрейфа буферного усилиорганизовать процесс измерения, при котором за период измерения ар, соси тоящий из двух периодов заряда, равных 1;, двух периодов разряда Р„ и

, и двух подготовительных периодов, равных (— н ) и (— pz), Л л л суммарное воздействие на интегратор напряжения дрейфа дополнительного усилителя равно нулю. Дрейф буферного усилителя не оказывает существенного влияния на точность измерения, так как.коэффицент усиления его равен единице.

Разрядное напряжение снимается не со всего плеча моста, а с части его, что позволяет привести в соответствие по уровню разрядное напряжение и напряжение разбаланса. Номинал дополнительного сопротивления определяется максимальным приращением сопротивления измеряемого ре- . зистора.

Формула изобретения

Устройст -u для измерения приращения сопротивления, содержащее реэистнвный мост, два плеча которого образованы первым и вторым постоянными резисторами, третье плечо— последовательно соединенными третьим и четвертым постоянными резисторами, четвертое — клеммами для подключения объекта контроля, источник постоянного напряжения, первый полюс которого соединен с второй клеммой для подключения объекта контроля и вторым выводом первого резистора, а второй полюс — с вторыми выводами третьеГо и второго резисторов, шесть ключей, последовательно соединенные буферный усилитель, интегратор, компаратор и задатчик калиброванных интервалов времени, первый выход которого соединен с входом измерителя временных интервалов и управляющим входом первого ключа, второй выход задатчика калиброванных интервалов времени соединен с управляющим входом второго ключа, информационный вход которого соединен с общим выводом соединения третьего и четвертого резисторов моста, выходы третьего и шестого ключей подсоединены к иу вертирующему входу буферного усилителя, к неинвертирующему входу которого подключены выходы четвертого и пятого ключей, о т л и ч а ю щ е е " с я тем, что, с целью повышения точности измерения и увеличения быстродействия при измерении малых приращений сопротивления, в него введены дополнительный ключ и усилитель с дифференциальными входами и выходами, первый вход которого соединен с выходом второго ключа и через первый ключ - с общим выводом соединения первого и второго резисторов моста, а через дополнительный ключ — с общим выводом четвертого резистора и первои клеммой для подключения объекта контроля, с которой также соединен

19184 13 второй вход усилителя с дифференциальными входами и выходами, первыи выход которого соединен с информационными входами третьего и четвертого ключей, а второй выход — с информационными входами пятого и шестого ключей, при этом третий выход задатчика калиброванных интервалов

10 времени соединен с управляющими входами третьего и пятого ключей, четвертый выход — с управляющими входами четвертого и шестого ключей, а пятый выход — с управляющим входом дополнительного ключа.

1б1 9184

Составитель В.Семенчук

Редактор И.Горная Техред M.яндык

Корр ектор Т. Цалии

Заказ 44

Тираж

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета но изобретениям и открытиям ири ГКНТ СССР

113035,. Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Произнодственно-издательский комбинат Патент ., г. Ужгород„ ул. Гагарина. 101