Устройство для измерения относительного изменения сопротивления

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах допускового контроля регистров и тензометрии. Целью изобретения является повышение точности измерения. Устройство для измерения относительного изменения сопротивления содержит измерительный 1 и компенсационный 2 резисторы, первый 3, 4 и вторрй 5 блоки' преобразования, первый усилитель 10с демодулятором, ключ 12 и генератор 13 прямоугольных импульсов. Введение в устройство операционного усилителя 3, третьего блока преобразования 6, переменного резистора 7 с центральным выводом, балластного ре- 3ViCTO[ba 8, источника постоянного напряжения 9 и второго усилителя 11 с демодулятором позволило исключить влияние сопротивления линии связи, обеспечить линейность, повысить чувствител1,ность, а следовательно, и точность измерения. 2 ил.слс

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 5 G 01 R 27/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4781324/21 (22) 11.01.90 (46) 23.02.92. Бюл. № 7 (71) Головное конструкторское бюро Научно-производственного объединения "Энергия" и Львовский политехнический институт им. Ленинского комсомола (72) В.Н. Володин, В.Д. Гринец и B.À. Смирнов (53) 620,179,14 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 561141, кл. G 01 R, 17/10; 1977.

Чутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. — Л,.: Энергоатомиздат, 1988, с. 81, рис. 2.14;а.

Авторское свидетельство СССР

¹ 883388441144, кл. G 91 К, 7/16, 1981. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОГО ИЗМЕНЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в устройствах контроля и разбраковки резисторов и в тензометрии.

Известно устройство измерения, содержащее мостовую схему, в одно из плеч которой включен измеряемый резистор, источник питания моста, инвертирующий усилитель и усилитель с управляемым коэффициентом усиления.

Недостатком этого устройства является влияние сопротивлений. линий связи измеряемого резистора с мостовой схемой на точность измерения.

Известно устройство для измерения относительного сопротивления, содержащее полумостовой датчик, подключаемый пятип„„Я „„1714534А1

2 (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах допускового контроля регистров и тензометрии. Целью изобретения является повышение точности измерения.

Устройство для измерения относительного изменения сопротивления содержит измерительный 1 и компенсационный 2 резисторы, первый 3, 4 и второй 5 блоки преобразования, первый усилитель 10 с демодулятором, ключ 12 и генератор 13 прямоугольных импульсов. Введение в устройство операционного усилителя 3, третьего блока преобразования 6, переменного резистора

7 с центральным выводом, балластного резистора 8, источника постоянного напряжения 9 и второго усилителя 11 с демодулятором позволило исключить влия ние сопротивления линии связи, обеспечить линейность, повысить чувствительность, а следовательно, и точность измерения. 2 ил. роводной линией связи, источник напряжения и два операционных усилителя. Ф

Недостатком этого устройства является (Л отсутствие возможности работы с удален- (А) ными резисторами, нелинейность и сравнительно невысокая чувствительность характеристики преобразования.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения разности температур (абсолютного изменения сопротивления), содержащее последовательно соединенный измерительный и компенсационный резисторы, первый и второй блоки преобразования, первый усилитель с демодулятором, ключ и генератор прямоугольных импульсов, первый выход которого соединен с уп1714534

55 равляющим входом ключа, выход которого соединен с земляной шиной, первый и второй выходы генератора прямоугольных импульсов соединены соответственно с первыми и вторыми управляющими входами первого и второго блоков преобразования, каждый из которых выполнен в виде двух пар последовательно соединенных управляемых ключей, между общими точками которых включен запоминающий конденсатор, управляющие входы первой и второй пар управляемых ключей, попарно соедиH8HHblx между собой, и являются соответственно первым и вторым управляющими входами блоков преобразования, первый и второй входы первой пары управляемых ключей являются соответственно первым и вторым входами блоков преобразования, первый и второй выходы второй пары управляемых ключей являются соответственно первым и вторым выходами блоков преобразования, первый и второй выводы компенсационного резистора соединены соответственно с первым и вторым входами второго блока преобразования, второй вход которого заземлен.

Недостатком этого устройства является отсутствие возможности измерения относительного изменения сопротивления, так как его выходной сигнал пропорционален разности абсолютных значений сопротивлений, Целью изобретения является повышение точности измерения.

Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее последовательно соединенные измерительный и компенсационный резисторы, первый и второй блоки преобразования, первый усилитель с демодулятором, ключ и генератор прямоугольных импульсов, первый выход которого соединен с управляющим входом ключа, выход которого соединен с земляной шиной, первый и второй выходы генератора прямоугольных импульсов соединены соответственно с первыми и вторыми управляющими входами первого и второго блоков преобразования, каждый из которых выполнен в виде двух пар последовательно соединенных управляемых ключей, между общими точками которых включен запоминающий конденсатор, управляющие входы первой и второй пар управляемых ключей, попарносоединенных между собой, и являются соответственно первым и вторым управляющими входами блоков преобразования, первый и второй входы первой пары управляемых ключей являются соответственно первым и вторым входами блоков преобразования, первый и второй выходы

45 второй пары управляемых ключей являются соответственно первым и вторым выходами блоков преобразования, первый и второй выводы компенсационного резистора соединены соответственно с первым и вторым входами второго блока преобразования, второй вход которого соединен с земляной шиной, дополнительно введены источник постоянного напряжения, операционный усилитель, третий блок преобразования, второй усилитель с демодулятором и последовательно соединенные балластный резистор и переменный резистор с центральным выводом, который соединен с вторым входом третьего блока преобразования, первый вход которого соединен с движком переменного резистора с центральным выводом, второй вывод которого соединен с земляной шиной, первый вывод балластного резистора соединен с выходом источника постоянного напряжения и неинвертирующим входом операционного усилителя, выход которого соединен с первым выводом измерительного резистора и вторым входом первого блока преобразования, первый вход которого соединен с вторым выводом измерительного резистора, первый выход первого блока преобразования соединен с первым входом третьего блока преобразования и входом первого усилителя с демодулятором, выход которого является выходом устройства, второй выход третьего блока преобразования соединен с вторым выходом второго блока преобразования и с земляной шиной, первый выход второго блока преобразования соединен с вторым выходом первого блока преобразования, входом ключа и входом второго усилителя с демодулятором, выход которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, первый и второй выходы генератора прямоугольных импульсов соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами первого и второго усилителей с демодуляторами и третьего блока преобразования.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемое устройство, выполненное по предлагаемому техническому решению, отличается наличием новых блоков: операционного усилителя, дополнительных блока преобразования и усилителя с демодулятором, цепочки из постоянного и переменного резисторов и их связями с остальными элементами схемы.

Та к им образом, и редла гаем ое устройство соответствует критерию изобретения

"новизна", 1714534

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что блоки преобразования, усилитель с демодулятором известны, однако их введение в указанные связи с остальными элементами схемы в предлагаемое устройство для измерения относительного изменения сопротивления указанные выше блоки проявляют новые свойства, что приводит к повышению точности измерения. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию

"существенные отличия".

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.2 — схема блока преобразования, Устройство содержит последовательно соединенные измерительный 1 и компенсационный 2 резисторы, операционный усилитель 3, выход которого подключен к первому выводу измерительного резистора

1, первый 4, второй 5 и третий 6 блоки преобразования, последовательно соединенные переменный резистор 7 с центральным выводом и балластный резистор 8, верхний вывод которого подключен к выходу источника постоянного напряжения 9 и неинвер . тирующему входу операционного усилителя

3, первый 10 и второй 11 усилители с демодулятором, ключ 12 и генератор прямоугольных импульсов 13, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первыми и вторыми управляющими входами первого 4, второго 5 и третьего 6 блоков преобразования.

Каждый блок преобразования (см. фиг.2) выполнен в виде двух пар последовательно соединенных управляемых ключей

14, 15 и 16, 17, между общими точками которых включен запоминающий конденсатор

18. Соединенные между собой управляющие входы ключей 14 и 16 образуют первый управляющий вход блока преобразования, соединенные между собой управляющие входы ключей 15 и 17 — второй управляющий вход блока преобразования. Входы ключей

14 и 16 являются соответственно первым и вторым входами блока преобразования, выходы ключей 15 и 17 — соответственно первым и вторым выходами блока преобразования

Первый вывод измерительного резистора 1 подключен к второму входу первого блока преобразования 4, первый вход которого соединен с вторым выводом измерительного резистора. Первый вывод компенсационного резистора 2 соединен с первым входом второго блока преобразования 5, второй вход которого подключен к второму выводу компенсационного рези20

55 стора 2 и земляной шине. Центральный вывод и движок резистора 7, второй вывод которого соединен с земляной шиной, подключены соответственно к первому и второму входам третьего блока преобразования

6. Первые выходы первого 4 и третьего 6 блоков преобразования соединены между собой и подключены к входу первого усилителя 10 с демодулятором, выход которого является выходом устройства. Второй выход первого блока преобразования 4 и первый выход второго блока преобразования 5 соединены между собой и входом ключа 12, второй вывод которого соединен с общей, шиной и входом второго усилителя 11 с демодулятором, выход которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 3, вторые выходы второго 5 и третьего 6 блоков преобразования, соединенные между собой, подключены к общей шине.

Схема блока преобразования (см. фиг.2) работает следующим образом.

В первый полупериод выходного напряжения генератора 13 ключи 14 р 16 открываются и конденсатор 18 заряжается до уровня входного напряжения, а ключи 15 и

17 закрываются. Во второй полупериод напряжения управления ключи 14 и 16 закрываются, а ключи 15 и 17 открываются. При этом запоминающий конденсатор 18 подключается к выходам блока преобразования.

На входах блоков преобразования появляются прямоугольные импульсы с амплитудами равными: первого блока 4 — U4 = - I-Rq; (1) второго блока 5 — U5 = I В2; (2) третьего блока 6 — U5 = Ug х Кт/(Кт+ R8), (3), где I — ток, протекающий через резисторы 1 и2;

R>, Rz, Кт, R8 — соответственно величины сопротивления резисторов 1, 2, 7 и 8; х — относительное положение движка переменного резистора 7, отсчитываемого от его середины, -0,5 x 0,5;

04, U5, Us u Ug — выходные напряжения блоков преобразования 4 — 6 и источника постоянного напряжения 9.

На вход усилителя 10 периодически со сдвигом 180 подаются прямоугольные импульсы с амплитудами, соответственно равными

04 + 05 = I (Rz - R1) и U5, (4) а на вход усилителя 12—

U5= I,К2и0. (5).

Выходные напряжения усилителей 10

11 с демодуляторами, пропорциональньн

1714534

55 разности амплитуд входных периодических импульсов, равны соответственно

U1o = K1o(U4+Us-Ua) = K1o(l(R2-R1) - U9xR7/(7+ 8)) (6)

U« = K«-U5= K« 1R2, (7) где U1o, U« — выходные напряжения соответственно усилителей 10 и 11;

К10, К« — коэффициенты передачи соответственно усилителей 10 и 11.

Операционный усилитель 3 поддерживает равенство его входных напряжений, т,е.

U9 = U« = K« I В2, (8)

Откуда следует, что ток через резисторы

1и2

I = U9/K«" R2 (9)

После подстановки выражения (9) в выражение (6) следует, что выходное напряжение устройства равно

U1o=U9 K«(. + ). (10)

R2 — R1 х R7

К« 2 R7+R8

Если принять, что К« = 1, R1 = R2+ h. R, где ЛК вЂ” абсолютное приращение резистора 1, вызванное изменением измеряемого параметра, то выходное напряжение устг ройства примет вид

1 10= 9 К10(+ ) (1 ) где е — относительное изменение сопротивления резистора R1, е = AR/R2

Таким образом, выходное напряжение устройства пропорционально относительному сопротивлению резистора R1 и не зависит от сопротивления линии связи, а чувствительность в два раза выше, чем в устройстве. Изменением положения движка переменного резистора 7 добиваются установки нулевого значения выходного сигнала при отсутствии измеряемого параметра (ЬВ = О), вызванного начальным разбросом сопротивлений резисторов R1 и R2.

Был создан и испытан макет устройства для измерения статических деформаций в диапазоне +. 10000 относительных единиц деформации при помощи проволочных тензорезисторов с номинальными значениями сопротивлений 100 — 700 Ом. Погрешность измерения не превышала + 0,1/0. B качестве бесконтактных ключей использовали микросхемы КР59=КН2, запоминающих конденсаторов — конденсаторы типа К73-11 емкостью 10 мкФ, усилителя с демодулятором — микросхемы КР544уД1А, Демодулятор может быть выполнен по схеме инвертирующего усилителя с управляемыми ключами в цепи обратной связи, Устройство может найти применение в тех случаях, где требуется точное измерение изменения относительного сопротивления резисторов, удаленных на значительные,расстояния, например в тензометрии и при допусковом контроле низкоомных рези-, сторов.

Использование устройства позволит исключить влияние сопротивлений линий связи,,обеспечить линейность, повысить чувствительность, а следовательно, и точность измерения.

Формула изобретения

Устройство для измерения относительного изменения сопротивления, содержащее последовательно соединенные измерительным и компенсаЦионный резисторы, первый и второй блоки преобразования, первый усилитель с демодулятором,, ключ и генератор прямоугольных импульсов, первый выход которого соединен с управляющим входрм ключа, выход которого соединен с земляной шиной, первый и второй выходы генератора прямоугольных импульсов соединены соответственно с первыми и вторыми управляющими входами первого и второго блоков преобразования, каждый из которых выполнен в виде двух пар последовательно соединенных управляемых ключей, между общими точками которых включен запоминающий конденсатор, управляющие входы первой и второй пар управляемых ключей попарно соединеных между собой, и являются соответственно первым и вторым управляющими входами блоков преобразования, первый и второй входы первой пары управляемых ключей являются соответственно первым и вторым входами блоков преобразования, первый и второй выходы второй пары управляемых ключей являются соответственно первым и вторым выходами блоков преобразования, первый и второй выводы компенсационного резистора соединены с первым и вторым входами второго блока преобразования, второй вход которого соединен с земляной шиной, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены источник постоянного напряжения, операционный усилитель, третий блок преобразования, второй усилитель с демодулятором и последовательно соединенные балластный резистор и переменный резистор с центральным выводом, который соединен с центральным выводом, который соединЕн с вторым входом третьего блока преобразования, первый вход которого соединен с движком переменного резистора с центральным выводом, второй вывод которого соединен с земляной шиной, первый вывод балластного резистора соединен с выходом источника постоянного напряжения и неинвертирующим

1714534

10 7! I

Составитель В, Володин

Редактор Т. Иванова Техред М.Моргентал Корректор Т. Палий

Заказ 691 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 входом операционного усилителя, выход которого соединен с первым выводом измерительного резистора и вторым входом блока преобразования, первый вход которого соединен с вторым выводом измерительного резистора, первый выход первого блока преобразования соединен с первым входом третьего блока преобразования и входом первого усилителя с демодулятором, выход которого является выходом устройства, второй вход третьего блока преобразования соединен с вторым выходом второго блока преобразования и с земляной шиной, первый выход второго блока преобразования соединен с вторым выходом первого блока преобразования, входом ключа и входом

5 второго усилителя с демодулятором, выход которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, первый и второй выходы генератора прямоугольных импульсов соединены соответственно с

10 первым и вторым управляющими входами первого и второго усилителей с демодуляторами и третьего блока преобразования.