Измерительный мост

 

Изобретение относится к приборостроению и измерительной технике. Измерительный мост (ИМ) содержит четыре резистивных преобразователя (РП) 1-4. РП является первичным измерительным, а РП 2,3,4 имеют постоянные параметры. РП 1 вместе с РП 2 образуют параметрически зависимый делитель напряжения (ДН) 7 . Источник питания (ИП) 5 выполнен в виде генератора тока. РП 3,4 образуют пассивный ДН 8. Дифференциальный усилитель 6 подключен к измерительной диагонали ИМ, образованной средними точками ДН 7,8. Параллельно ДН 7 включен буферный усилитель (БУ) 9, который обеспечивает высокоомную потенциальную развязку между цепями питания обоих ДН. Поэтому ДН 7 будет питаться от генератора тока ИП 5, а ДН 8 будет питаться напряжением, формируемым на выходе БУ 9. Технический результат: линеаризация функции преобразования всех ИМ, содержащих только одно рабочее плечо, причем практически с любым первичным преобразователем резистивного типа. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области приборостроения и измерительной техники и предназначено для использования при проектировании преимущественно устройств, содержащих в структуре построения измерительные мостовые схемы с резистивными преобразователями.

Известны измерительные устройства, содержащие неравновесный мост Уитсона, выполненный на базе применения в его схеме различного рода резистивных преобразователей как с переменными, так и с постоянными параметрами [1, 2]. При работе такой измерительный мост питается либо только от источника напряжения, либо от источника тока. Указанные два вида питания определяют соответствующую функцию преобразования измерительного моста, которая в целом характеризует алгоритм изменения информативного сигнала, формируемого в его измерительной диагонали.

Известны устройства с измерительным мостом, содержащим только одно рабочее плечо, в котором используют параметрически зависимые, например тензо- или термопреобразователи [3, 4].

Основной недостаток таких устройств состоит в том, что их измерительные мосты в принципе являются нелинейными. Методическая погрешность от нелинейности функции преобразования указанного моста существенно влияет на точность измерений в целом. Поэтому в подобного рода устройствах принимают соответствующие схемотехнические меры по коррекции нелинейности либо ее полностью устраняют путем применения более сложных структур построения.

В свою очередь также необходимо указать, что переход от варианта питания вышеназванного моста напряжением к варианту его питания от источника тока позволяет при всех прочих равных условиях уменьшить погрешность от нелинейности функции преобразования практически в два раза.

Рассмотрим более подробно функциональные особенности измерительного моста с одним рабочим плечом. На фиг. 1 представлен измерительный мост, содержащий четыре включенных в его плечи резистивных преобразователя, один из которых является первичным (Z₁), имеющим начальное значение информативного параметра, равное R₀. При этом его изменение характеризуется величиной Δ R.

Резистивные преобразователи с импедансами Z₂, Z₃, Z₄ имеют постоянные параметры с номинальными значениями, равными соответственно R₂, R₃, R₄.

В соответствии с принятыми обозначениями алгоритм изменения выходного напряжения U_вых, формируемого в измерительной диагонали моста, можно представить в зависимости от конкретного вида питания (напряжением U_n или током J_n) следующими выражениями где V₁, V₂ - потенциалы вершин измерительной диагонали; F₁ - функция преобразования моста при питании его от источника напряжения; F₂ - функция преобразования моста при питании его от источника тока.

Анализ выражений (1) и (2) показывает, что функция преобразования измерительного моста с одним рабочим плечом принципиально нелинейна при любом виде питания (напряжением или током).

Предположим, что для измерительного моста выполнено квазиидеальное условие, при котором R₂ = R₃ = R₄ = R₀.

Тогда для функций преобразования F₁ и F₂ с учетом зависимостей (1) и (2) получим Из выражений (3) и (4) следует, что нелинейность для F₁ составляет 0,5% на один процент изменения величины Δ R/R₀, в то время как для F₂ нелинейность составляет 0,25% при изменении величины Δ R/R₀ тоже на один процент.

Таким образом, питание схемы током является более предпочтительным и эффективным с точки зрения подавления нелинейности, чем питание напряжением.

С другой стороны, питание измерительного моста с одним рабочим плечом от источника тока позволяет в случае компенсации нелинейности получить зависимость выходного сигнала только от изменения (Δ R) абсолютного значения информативного параметра, что весьма важно для многих измерительных устройств и систем, требующих исключения влияния на точность измерений начального значения (R₀) информативного параметра.

Задача уменьшения методической погрешности измерений, обусловленной нелинейностью функции преобразования моста с одним рабочим плечом, в определенной степени решается известными приемами и схемотехническими способами, например увеличением количества применяемых первичных преобразователей, т.е. числа рабочих плеч в мосте, что не всегда является целесообразным и практически реализуемым, либо применением линеаризации информативных сигналов в последующих электрических цепях и т.д.

Известно также другое устройство [5] , в котором осуществляется линеаризация выходного сигнала путем охвата термочувствительного измерительного моста коммутируемой обратной связью, включающей ряд функционально активных элементов.

Предложенное в этом устройстве техническое решение является достаточно громоздким и сложным, имеющим определенные динамические ограничения в работе, что не позволяет полностью компенсировать нелинейность функции преобразования измерительного моста.

Для полной компенсации нелинейности измерительных мостов с одним или двумя рабочими плечами применяют способ, основанный на организации в их структуре построения дополнительного измерительного канала, совмещенного с основным относительно информации о нелинейной составляющей исходной функции преобразования и дальнейшей обработки двух информативных сигналов из полученной таким образом двухканальной измерительной системы путем выполнения алгебраической операции деления одного из этих сигналов на соответствующий другой [6, 7].

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому и принятым в качестве прототипа является измерительный мост [8], выполненный по вышеуказанному способу и содержащий четыре включенных в его плечи преобразователя, один из которых первичный, источник питания, соединенный с вершинами диагонали питания моста, измерительный преобразователь напряжения, включенный в измерительную диагональ моста, второй измерительный преобразователь напряжения, включенный параллельно с преобразователем, установленным в одной ветви моста с первичным измерительным преобразователем и блок деления, подключенный к выходам измерительных преобразователей напряжения.

К существенному недостатку прототипа следует отнести то, что в нем электрический информативный сигнал формируется на выходе блока деления, который увеличивает погрешность измерений. При этом нормируемая величина выходного сигнала остается зависимой от начального значения информативного параметра первичного преобразователя.

С другой стороны, применяемый в прототипе источник питания в свою очередь должен структурно иметь гальваническую развязку от других электрических цепей и элементов, обеспечивающих и осуществляющих питание двух имеющихся измерительных преобразователей напряжения и блока деления, что усложняет в целом электрическую схему устройства и исключает возможность иметь общую потенциально заземленную шину, которая, как известно, позволяет упростить дистанционную передачу и преобразование сигналов в виде напряжения постоянного тока.

Настоящее изобретение направлено на более простое схемотехническое решение задачи получения линейной функции преобразования применительно к измерительным мостам, содержащим одно рабочее плечо, одновременно, с этим позволяющее формировать выходной сигнал, зависящий практически только от изменения абсолютного значения информативного параметра первичного преобразователя, а также иметь при необходимости одну общую потенциально заземленную шину для электрических цепей питания, преобразования и усиления сигналов.

Для достижения указанных целей был использован новый предлагаемый в этом изобретении схемотехнический вариант построения измерительного моста с одним первичным преобразователем, основанный на организации комбинированного питания ветвей этого моста и применений других связей между функциональными элементами, входящими в его новую структуру построения.

Цель изобретения достигается тем, что известный измерительный мост, содержащий четыре включенных в его плечи резистивных преобразователя, один из которых первичный измерительный, включенный в рабочее плечо, остальные же с постоянными параметрами, источник питания, соединенный с одним из выводов первичного измерительного резистивного преобразователя, который другим выводом подключен к второму резистивному преобразователю, образуя при этом параметрически зависимый делитель напряжения, входящий в ветвь, соединенную непосредственно с вершинами диагонали питания моста, а также измерительный преобразователь напряжения или дифференциальный усилитель, входы которого подключены к вершинам измерительной диагонали моста, одна из них представлена средней точкой параметрически зависимого делителя напряжения, а другая является средней точкой пассивного делителя напряжения, образованного третьим и четвертым резистивными преобразователями, дополнительно снабжен буферным усилителем, включенным в качестве повторителя напряжения параллельно ветви, содержащей параметрически зависимый делитель напряжения, а источник питания выполнен в виде генератора постоянного тока, который одним выводом подключен к неинвертирующему входу буферного усилителя, а другим выводом соединен с потенциально заземленной шиной, между которой и выходом буферного усилителя включен пассивный делитель напряжения.

Кроме того, в измерительном мосте его первичный преобразователь выполнен термозависимым, содержащим в качестве датчика температуры термометр сопротивления или тензорезисторный мост с изменяющимся от температуры сопротивлением, включенный в рабочее плечо диагональю питания.

Кроме этого, первичный измерительный резистивный преобразователь может быть выполнен одновременно тензо- и термозависимым, содержащим в качестве чувствительного элемента два последовательно соединенных между собой дифференциальных тензорезистора, образующих в рабочем плече второй параметрически зависимый делитель напряжения со средней точкой, являющейся одной из вершин измерительной диагонали внутреннего тензомоста, включающего также дополнительно введенные второй буферный усилитель и второй пассивный делитель напряжения, содержащий пятый и шестой резистивные преобразователи, средняя точка которого служит другой вершиной измерительной диагонали внутреннего тензомоста, при этом второй пассивный делитель напряжения включен между потенциально заземленной шиной и выходом второго буферного усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к общей точке соединения второго резистивного преобразователя с первичным измерительным резистивным преобразователем измерительного моста.

На фиг. 2 представлена схема предлагаемого измерительного моста.

Этот мост содержит четыре резистивных преобразователя 1-4, в котором резистивный преобразователь 1 является первичным измерительным, а резистивные преобразователи 2, 3 и 4 имеют постоянные параметры.

В свою очередь первичный измерительный резистивный преобразователь 1 в паре со вторым резистивным преобразователем 2 образуют параметрически зависимый делитель 7 напряжения, формируемого в ветви моста, которая подключена к вершинам (a, b) его диагонали питания. Источником питания измерительного моста является генератор постоянного тока 5, к которому непосредственно подключена вышеуказанная ветвь.

Противоположная ветвь измерительного моста образована пассивным делителем 8 напряжения, содержащим резистивные преобразователи 3 и 4. При этом генератор постоянного тока и делители напряжения подключены одним выводом к потенциально заземленной шине 10, относительно которой определяются соответствующие значения преобразуемых и измеряемых напряжений.

Средние точки указанных делителей напряжения образуют соответствующие вершины (c, d) измерительной диагонали моста, к которым подключен дифференциальный усилитель 6.

Параллельно параметрически зависимому делителю напряжения включен буферный усилитель 9, который обеспечивает высокоомную потенциальную развязку между цепями питания делителей напряжения. Поэтому ветвь с резистивными преобразователями 1 и 2 питается практически только от генератора постоянного тока 5, а электрическая цепь, содержащая резистивные преобразователи 3 и 4, питается напряжением, формируемым на выходе буферного усилителя 9.

Сам буферный усилитель охвачен стопроцентной отрицательной обратной связью, что обеспечивает его работу в качестве высокоточного повторителя напряжения, подаваемого на его неинвертирующий вход.

Измерительный мост работает следующим образом.

При протекании тока питания I_n, формируемого генератором 5, через ветвь с параметрически зависимым делителем 7 на неинвертирующем входе буферного усилителя 9 возникает напряжение V_ВХ, величина которого определяется следующим выражением: V_ВХ = J_n(R₀ + Δ R + R₂), (5)
где R₀ - начальное значение информативного параметра первичного измерительного резистивного преобразователя 1;
Δ R - информативное изменение параметра первичного измерительного резистивного преобразователя 1;
R₂ - номинальное значение параметра резистивного преобразователя 2.

Напряжение питания V_n противоположной ветви, содержащей пассивный делитель 8, за счет применения буферного усилителя будет равно V_ВХ.

При этом на выходе параметрически зависимого делителя 7 будет формироваться сигнал V₁, изменяющийся в соответствии с выражением

В свою очередь на выходе пассивного делителя 8 будем иметь

Таким образом, напряжение в измерительной диагонали будет равно

Выполнив начальное условие для баланса моста, т.е. условие, при котором R₀R₄ = R₂R₃, окончательно получим

где - функция преобразования измерительного моста, выполненного по данному изобретению.

При обеспечении равенства постоянных параметров R₀ = R₂ = R₃ = R₄ на выходе измерительной диагонали будем иметь
U_ВЫХ = 0,5 J_n Δ R.

Следовательно, на выходе дифференциального усилителя 6, имеющего для разностного сигнала (V₁-V₂) коэффициент передачи, равный K₆, будет формироваться линейный сигнал напряжения согласно следующего пропорционального алгоритма
E_ВЫХ = K₆(V₁-V₂) = K₆J_nF₃.

Из выражения (10) следует, что функция преобразования данного измерительного моста является линейной во всем диапазоне изменения информативного параметра и не зависит от начального значения параметров как первичного измерительного резистивного преобразователя 1, так и резистивных преобразователей 2, 3 и 4.

В свою очередь, принимая во внимание выражения (2) и (9), нетрудно убедиться в том, что выходной сигнал, формируемый в измерительной диагонали предложенного измерительного моста, будет иметь большее значение, чем соответствующий сигнал, если бы он формировался на базе применения известных измерительных мостов с одним рабочим плечом. Сказанное о достигнутом повышении чувствительности измерительной схемы аналитически подтверждается тем, что в знаменателе выражения (9) нет ни одного из параметров той ветви, в которую непосредственно входит первичный измерительный резистивный преобразователь 1.

Таким образом, предложенный измерительный мост можно структурно представить в виде устройства, состоящего из двух функционально связанных полумостов, один из которых непосредственно питается от имеющегося независимого источника постоянного тока (5), а другой - от источника напряжения с управляемой электродвижущей силой, определяемой величиной падения напряжения на общем импедансе плеч соседнего полумоста от протекающего через них тока.

В качестве примера практического применения предложенного технического решения на фиг. 3 изображен вариант построения измерительного устройства с линейной функцией преобразования, содержащего тензопреобразователь, выполненный по мостовой схеме 1, которая своей диагональю питания в качестве рабочего плеча функционально включена в цепь внешнего термозависимого моста с целью получения информации о воздействующей температуре для ее последующего использования в каналах термокоррекции уходов нуля и диапазона измерений. Эта схема получена в результате совершенствования так называемой схемы "мост в мосте", имеющей нелинейную функцию преобразования, путем введения буферного усилителя и организации в ней комбинированного вида питания ветвей внешнего термочувствительного моста.

Выходной сигнал измерительной диагонали термочувствительного моста (фиг. 3) определяется следующим выражением:

где Z_m0 - сопротивление тензорезисторного моста при нормальной (тарированной) температуре T₀, измеренное между вершинами его диагонали питания;
Δ Z_m(T) - изменение указанного сопротивления тензорезисторного моста при воздействии температуры T.

Выполнив при T=T₀ условие баланса термочувствительного моста, т.е. условие R₂R₃ = R₄Z_m0, окончательно получим

Из выражения (12) следует, что функция преобразования для такого варианта построения термочувствительного моста является линейной, параметрически зависящей только от Δ Z_m(T).

Другой вариант применения предложенного технического решения иллюстрируется на примере выполнения измерительного устройства, схема которого представлена на фиг. 4. Это устройство содержит первичный измерительный резистивный преобразователь, выполненный на базе использования двух последовательно соединенных дифференциальных (Z₁, Z₂) тензорезисторов, один из которых при действии информативного параметра (например, давления, перемещения, силы и т.д.) увеличивает, а другой уменьшает величину собственного сопротивления. В свою очередь от воздействия температуры подобного рода тензопреобразователь может иметь как аддитивную, так и мультипликативную составляющие температурной погрешности, что требует проведения соответствующей термокоррекции с целью компенсации температурных уходов нуля и диапазона измерений.

Отличительная особенность рассматриваемой схемы состоит в том, что указанная пара дифференциальных тензорезисторов участвует одновременно в работе двух измерительных мостов, один из которых является внешним термочувствительным, включающим в себя резистивные преобразователи 2, 3 и 4 с постоянными параметрами, тензо- и термозависимые резисторы с переменными импeдaнcaми Z₁, Z₂, образующие его рабочее плечо 1, пассивный делитель напряжения 8 и буферный усилитель 9. Кроме того, дифференциально работающие тензорезисторы Z₁, Z₂ с параметрически изменяющимися сопротивлениями образуют два рабочих плеча внутреннего тензомоста, который также содержит дополнительно введенные второй пассивный делитель напряжения 12, выполненный на резистивных преобразователях 13 и 14, имеющих постоянные параметры R₁₃, R₁₄, и второй буферный усилитель 11, обеспечивающий формирование напряжения U_c для питания второго пассивного делителя. Величина напряжения U_c зависит от суммарного сопротивления двух дифференциальных тензорезисторов и протекающего через них тока J_n от генератора 5, т.е.

U_c = V₁ = J_n(Z₁+Z₂).

Соответствующие напряжения (U₁, U₂), действующие в вершинах измерительной диагонали внутреннего тензомоста, определяются нижеследующими зависимостями:
U₁ = J_nZ₁;

Таким образом, выходное напряжение измерительной диагонали внутреннего тензомоста определяется выражением

При выполнении условия R₁₃ = R₁₄ окончательно получим

Импедансы дифференциальных тензорезисторов при воздействии давления P и температуры изменяются практически по следующему алгоритму:
Z₁ = Z₀₁+ ΔZ₁(P,T);
Z₂ = Z₀₂- ΔZ₂(P,T),
где Z₀₁, Z₀₂ - начальные значения сопротивлений тензорезисторов при T= T₀;
ΔZ₁(P,T), ΔZ₂(P,T) - изменения указанных сопротивлений при одновременном воздействии давления и температуры.

Полагая, что
Z₀₁ = Z₀₂ = Z₀;
ΔZ₁(P,T) = Z₂(P,T) = ΔZ(P,T)
выражение (12) для U_ВЫХ можно представить в окончательном виде следующей зависимостью:
U_ВЫХ = J_nΔZ(P,T)
Таким образом, за счет введения буферного усилителя 11 достигнута возможность на базе использования только одной дифференциальной пары тензорезисторов получать информативный сигнал, равный по величине сигналу, формируемому тензорезисторными мостами с четырьмя рабочими плечами, т.е. содержащими две дифференциальные пары тензорезисторов.

В свою очередь величина сопротивления рабочего плеча, содержащего цепочку из двух последовательно соединенных друг с другом дифференциальных тензорезисторов Z₁, Z₂, будет изменяться от температуры таким образом, что с высокой степенью точности можно считать справедливым следующее равенство:
Z₁ + Z₂ = R₀ + ΔR(T),
где R₀ = Z₀₁ +Z₀₂ - постоянная составляющая общего сопротивления рабочего плеча при T=T₀,
Δ R(T) - переменная составляющая, изменяющаяся от воздействия, главным образом, температуры в соответствии с температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) тензорезисторов.

Поэтому в измерительной диагонали термочувствительного моста будет формироваться информативный сигнал U(T), определяемый нижеследующим выражением:

Для сбалансированного моста будем иметь

где F₅ - линейная функция преобразования внешнего термочувствительного моста.

Для термокоррекции промежуточного выходного сигнала U_ВЫХ внутреннего тензомоста, соответствующего выражению (13), наиболее эффективно и просто использовать сигнал U(T), который после предварительного усиления и преобразования может быть представлен как в аналоговой, так и в цифровой форме, т. е. в любом другом виде, удобном для дальнейшей функциональной обработки информативного сигнала.

Источники информации
1. В. Эрлер, Л.Вальтер. Электрические измерения неэлектрических величин полупроводниковыми тензорезисторами. "МИР", М. 1974.

2. Левшина E.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин. Измерительные преобразователи. "Энергоатомиздат", Л. 1983.

3. Преобразователь неэлектрической величины в электрический сигнал. SU 1074206A; 07.12.86, Бюл. 45, с. 276.

4. Тензопреобразователь с температурной коррекцией. SU 1229565 A1; 07.05.86, Бюл. 17.

5. Тензопреобразователь. SU 1401258 A2; 07.06.86, Бюл. 21
6. Нестеров В. Н. Двухканальные параметрические измерительные преобразователи с линейными функциями преобразования. "Измерительная техника", N 5, М., 1999, с. 39.

7. Способ построения инвариантной измерительной цепи и инвариантный измерительный мост Нестерова В.Н. SU 1795375 A1; 15.02.93. Бюл. 6.

8. Инвариантный измерительный мост. RU 207106 C1; 27.12.96. Бюл. 36.

9. Тензометрическое устройство. SU 932212; 30.05.82. Бюл. 20.

Формула изобретения

1. Измерительный мост, содержащий четыре включенных в его плечи резистивных преобразователя, один из которых первичный измерительный, включенный в рабочее плечо, остальные же с постоянными параметрами, источник питания, соединенный с одним из выводов первичного измерительного резистивного преобразователя, который другим выводом подключен к второму резистивному преобразователю, образуя при этом параметрически зависимый делитель напряжения, входящий в ветвь, соединенную непосредственно с вершинами диагонали питания моста, а также измерительный преобразователь напряжения или дифференциальный усилитель, входы которого подключены к вершинам измерительной диагонали моста, одна из них представлена средней точкой параметрически зависимого делителя напряжения, а другая является средней точкой пассивного делителя напряжения, образованного третьим и четвертым резистивными преобразователями, отличающийся тем, что дополнительно снабжен буферным усилителем, включенным в качестве повторителя напряжения параллельно ветви, содержащей параметрически зависимый делитель напряжения, а источник питания выполнен в виде генератора постоянного тока, который одним выводом подключен к неинвертирующему входу буферного усилителя, а другим выводом соединен с потенциально заземленной шиной, между которой и выходом буферного усилителя включен пассивный делитель напряжения.

2. Измерительный мост по п.1, отличающийся тем, что первичный измерительный резистивный преобразователь выполнен термозависимым, содержащим в качестве датчика температуры термометр сопротивления или тензорезисторный мост с изменяющимся от температуры сопротивлением, включенный в рабочее плечо своей диагональю питания.

3. Измерительный мост по п.1, отличающийся тем, что первичный измерительный резистивный преобразователь выполнен в виде дифференциального датчика, содержащего два последовательно включенных дифференциальных тензорезистора, общая точка соединения которых представляет одну из вершин измерительной диагонали внутреннего тензорезисторного моста, вторая вершина которой образована средней точкой дополнительно введенного второго пассивного делителя напряжения, включенного между общей потенциально заземленной шиной и выходом второго дополнительно введенного буферного усилителя, включенного в качестве повторителя напряжения параллельно двум тензорезисторным плечам дифференциального датчика.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4