Многоканальный преобразователь сигналов резистивных датчиков во временной интервал

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике. Цель изобретения - снижение зависимости результатов измерений от периодической составляющей помех, постоянной времени интегрирования и изменения сопротивления соединительных линий. Преобразователь содержит n датчиков, интегратор, выполненный на операционном усилителе, развязывающий элемент, выполненный на оптроне, три аналоговых коммутатора, два электронных ключа, повторитель напряжения и эталонный резистор. 2 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для применения в программируемых контроллерах (ПК) и управляющих ЭВМ (УВМ) в качестве многоканального преобразователя, входной сигнал которого изменение сопротивлений резистивных датчиков (термометров сопротивления, тензодатчиков), а выходной интервал времени между началом и импульсом окончания преобразования.

Известен аналог заявляемого устройства преобразователь величины сопротивления во временной интервал (Шляндин В.М. Цифровые измерительные преобразователи и приборы. М. Высшая школа, 1973, с. 179), содержащий образцовый резистор, сравнивающее устройство, генератор пилообразного напряжения, триггер и ключ.

Недостатком данного преобразователя являются нелинейная зависимость величины интервала от значения сопротивления, а также низкая точность.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа мостовой преобразователь измеряемой величины во временной интервал (патент РФ N 2002365), работающий по принципу уравновешенного моста. Схема прототипа представлена на фиг. 1.

Указанный преобразователь содержит измерительный мост, образованный постоянным полумостом с вершиной A и одним из подключаемых полумостов с вершинами B₁, B₂, BN. Одно из плеч постоянного полумоста - резистор R₁, другое делитель напряжения R₂, R₃. Подключаемые полумосты R₁₁-Rt₁, R₁₂-Rt₂.R₁N-RtN содержат постоянные сопротивления R₁₁, R₁₂.R₁N. Rt₁, Rt₂.RtN - резистивные датчики, преобразующие измеряемую величину в изменение сопротивления. Датчики установлены в плечо, смежное с делителем R₂, R₃ постоянного полумоста. Вершины подключаемых полумостов B₁, B₂.BN соединены с входами аналогового коммутатора 1, выход которого связан с инвертирующим входом компаратора 2, являющегося индикатором равновесия моста. Таким образом, вершины B₁, B₂.BN могут быть поочередно подключены к измерительной диагонали моста. Для уравновешивания моста в схеме предусмотрен интегратор 3. Резистор R и конденсатор C задают постоянную времени интегрирования. Неинвертирующий вход интегратора 3 связан с вершиной A подключаемого полумоста, инвертирующий с выходом делителя R₂, R₃. Выход интегратора 3 подключен к неинвертирующему входу компаратора 2. Для начальной установки и запуска интегратора 3 предусмотрен электронный ключ 4 с гальванической развязкой. К выводам входной цепи ключа 4 подведен управляющий сигнал U_вх. Выходная цепь ключа 4 включена параллельно конденсатору C для замыкания его выводов по сигналу U_вх. Для гальванического отделения преобразователя от работающей с ним УВМ (ПК) выход компаратора 2 соединен с входом оптрона 5. Выводы выходной цепи оптрона 5 подключены к соответствующему входу УВМ или ПК.

Недостатком этого устройства является двухпроводное подключение датчиков, в следствие чего на результатах измерений сказывается изменение сопротивления соединительных линий. Кроме того, прямое интегрирование в процессе уравновешивания измерительного моста делает преобразователь чувствительным к действию периодической составляющей помех и приводит к зависимости результатов измерений от постоянной времени интегрирования, что снижает точность преобразования.

Цель изобретения снижение зависимости результатов измерений от периодической составляющей помех, постоянной времени интегрирования и изменения сопротивления соединительных линий.

Указанная цель достигается тем, что в многоканальный преобразователь сигналов резистивных датчиков во временной интервал, содержащий n датчиков, интегратор, выполненный на резисторе, конденсаторе и операционном усилителе, выход которого соединен с неинвертирующим входом компаратора и первым выводом конденсатора, второй вывод которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя и первым выводом резистора, выход компаратора соединен с первым выводом развязывающего элемента, выполненного на оптроне, второй вывод которого соединен с общей шиной, а третий и четвертый выводы являются выходной шиной преобразователя, и первый аналоговый коммутатор, информационные входы которого соединены с первыми выводами резистивных датчиков, а адресный вход является адресной шиной преобразователя, введены второй и третий аналоговые коммутаторы, первый и второй электронные ключи, повторитель напряжения и эталонный резистор, при этом резистивные датчики первыми выводами подключены к шине опорного напряжения, а вторыми выводами к соответствующим информационным входам второго и третьего аналоговых коммутаторов, адресные входы которых соединены с адресной шиной преобразователя, выход первого аналогового коммутатора соединен с первым выводом первого электронного ключа, второй вывод которого соединен с общей шиной, а третий вывод соединен с входом повторителя напряжения, выход которого подключен к второму выводу резистора интегратора, выход второго аналогового коммутатора соединен с первым выводом второго электронного ключа, второй вывод которого соединен с выходом третьего коммутатора и одним из выводов эталонного резистора, другой вывод которого соединен с общей шиной, а третий вывод второго электронного ключа соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя интегратора и инвертирующим входом компаратора.

Технический результат достигается тем, что резистивные датчики подключены к преобразователю таким образом, что каждый датчик соединен с источником опорного напряжения и соответствующими входами трех аналоговых коммутаторов. Такое подключение датчиков позволяет избежать влияния сопротивления соединительных линий на результаты измерений. Два электронных ключа обеспечивают двухтактное интегрирование входного сигнала с заданной длительностью первого такта. В первом такте выходы первого и второго аналоговых коммутаторов соединяются соответственно с входом повторителя и с соединенными между собой неинвертирующим входом операционного усилителя интегратора и инвертирующим входом компаратора. Во втором такте вход повторителя соединяется с общей шиной, неинвертирующий вход операционного усилителя интегратора и инвертирующий вход компаратора соединяются с выходом третьего аналогового коммутатора и одним из выводов эталонного резистора, другой вывод которого соединен с общей шиной. Применение двухтактного интегрирования с заданной длительностью первого такта позволяет снизить влияние периодической составляющей помех на результаты измерений и делает их независимыми от постоянной времени интегрирования и колебаний опорного напряжения, что повышает точность преобразования.

Таким образом, использование совокупности отличительных признаков, указанных в формуле изобретения, позволяет достичь технический результат: повысить помехоустойчивость преобразователя, снизить зависимость результатов измерений от постоянной времени интегрирования и изменения сопротивления соединительных линий.

На фиг. 2 представлена схема многоканального преобразователя сигналов резистивных датчиков во временной интервал. Предлагаемое устройство включает три аналоговых коммутатора 1-3 для подключения резистивных датчиков 4. Каждый датчик подключен к источнику опорного напряжения и соответствующим входам коммутатора 1-3. Выход коммутатора 1 соединен с замыкающимся контактом электронного ключа 5, размыкающийся контакт которого соединен с общей шиной, а выходной контакт подключен к входу повторителя напряжения 6. Выход коммутатора 2 соединен с замыкающимся контактом электронного ключа 7, размыкающийся контакт которого соединен с выходом коммутатора 3 и одним из выводов эталонного резистора 8, другой вывод которого соединен с общей шиной, а выходной контакт подключен к неинвертирующему входу интегратора 9 и инвертирующему входу компаратора 10. Выход повторителя 6 соединен с резистором 11, который вместе с конденсатором 12 задает постоянную интегрирования. Выход интегратора 9 соединен с неинвертирующим входом компаратора 10, служащего индикатором окончания процесса преобразования. Для гальванического отделения преобразователя от работающей с ним УВМ (ПК) выход компаратора 10 подключен к входу оптрона 13, выходные выводы которого связаны с соответствующими входами УВМ или ПК.

Многоканальный преобразователь сигналов резистивных датчиков во временной интервал работает следующим образом.

В начальном состоянии ключи 5 и 7 находятся в нижнем по схеме положении, при этом вход повторителя 6 соединен с общей шиной, а неинвертирующий вход интегратора 9 и инвертирующий вход компаратора 10 соединены с выходом коммутатора 3 и резистором 8. На инвертирующем входе интегратора 9 и соответственно на неинвертирующем входе компаратора 10 напряжение равно нулю, на выходе компаратора 10 установлен логический 0.

Пусть на адресной шине аналоговых коммутаторов 1-3 задан код первого канала. При переводе ключей 5 и 7 в верхнее по схеме положение на вход интегратора 9 подается напряжение где U_Rt1 падение напряжения на резистивном датчике; U_SWi падение напряжения на i-ом коммутаторе; U_R12, U_R13 падение напряжения на проводниках, соединяющих датчик соответственно с первым и вторым аналоговыми коммутаторами, при этом на выходе компаратора 10 устанавливается логическая 1.

Ввиду малых входных токов повторителя 6, интегратора 9 и компаратора 10 составляющими U_SW1, U_SW2, U_R12, U_R13 можно пренебречь, тогда где U_оп опорное напряжение; R₁₁ сопротивление проводника, соединяющего датчик с источником опорного напряжения; R₁₄ сопротивление проводника, соединяющего датчик с третьим коммутатором;
R_SW3 сопротивление третьего аналогового коммутатора;
R_o сопротивление эталонного резистора.

По истечении времени T_o (длительность первого такта) на выходе интегратора 9 будет напряжение

где R сопротивление резистора 11;
C емкость конденсатора 12,
после чего ключи 5 и 7 переводятся в нижнее по схеме положение и на вход интегратора 9 подается напряжение, равное падению напряжения на эталонном резисторе R_o:

при этом происходит разряд конденсатора в течение времени T_x момента переключения компаратора 10

Поскольку суммарное приращение интеграла за цикл преобразования равно нулю, то

Сокращая последнее равенство на множитель

получаем
T_xR_o T_oRt₁,
откуда

Интерес представляет изменение сопротивления датчика, несущее информацию об измеряемой величине, поэтому положим, что
Rt₁= R₀+ΔR,
где ΔR приращение сопротивления датчика.

Тогда

Из последнего выражения видно, что на результатах измерений не отражается изменение сопротивления соединительных линий. Кроме того, результат измерений не зависит от колебаний опорного напряжения U_оп и параметров резистора R и конденсатора C, задающих постоянную времени интегрирования.

Формула изобретения

Многоканальный преобразователь сигналов резистивных датчиков во временной интервал, содержащий n датчиков, интегратор, выполненный на резисторе, конденсаторе и операционном усилителе, выход которого соединен с неинвертирующим входом компаратора и первым выводом конденсатора, второй вывод которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя и первым выводом резистора, выход компаратора соединен с первым выводом развязывающего элемента, выполненного на оптроне, второй вывод которого соединен с общей шиной, а третий и четвертый выводы являются выходной шиной преобразователя, и первый аналоговый коммутатор, информационные входы которого соединены с первыми выводами резистивных датчиков, а адресный вход является адресной шиной преобразователя, отличающийся тем, что в него введены второй и третий аналоговые коммутаторы, первый и второй электронные ключи, повторитель напряжения и эталонный резистор, при этом резистивные датчики первыми выводами подключены к шине опорного напряжения, а вторыми выводами к соответствующим информационным входам второго и третьего аналоговых коммутаторов, адресные входы которых соединены с адресной шиной преобразователя, выход первого аналогового коммутатора соединен с первым выводом первого электронного ключа, второй вывод которого соединен с общей шиной, а третий вывод соединен с входом повторителя напряжение, выход которого подключен к второму выводу резистора интегратора, выход второго аналового коммутатора соединен с первым выводом второго электронного ключа, второй вывод которого соединен с выходом третьего коммутатора и одним из выводов эталонного резистора, другой вывод которого соединен с общей шиной, а третий вывод второго электронного ключа соединен с неинвентирующим входом операционного усилителя интегратора и инвертирующим входом компаратора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2