Многоканальный преобразователь сопротивлений в напряжения

 

Изобретение относится к техническим средствам измерения неэлектрических величин электротехническими методами и может быть использовано при измерении физических параметров. Технический результат заключается в снижении погрешности устройства за счет увеличения его помехоустойчивости, а также в обеспечении его защиты от статического электричества, в упрощении устройства. Для этого устройство содержит генератор тока и датчики сопротивления, включенные по четырехпроводной схеме с двумя измерительными цепями и входной и выходной цепями протекания тока, параллельно каждому датчику сопротивления включены защитные диоды, каждый i-й канал содержит фильтр нижних частот. Кроме того, каждая измерительная цепь защищена двумя диодами, один из которых подключен к выходу генератора тока, а другой - к общей точке устройства. 1 ил.

Изобретение относится к техническим средствам измерения неэлектрических величин электротехническими методами. Оно может быть использовано при измерении физических параметров, в датчиках измерения которых используются проволочные резисторы, изменяющие свое активное омическое сопротивление (датчики сопротивления) при изменении значения физического параметра.

В частности, изобретение может быть использовано при измерении температуры (если в датчиках используются "термометры сопротивления"), при измерении давления или перемещения (если в датчиках используются тензорезисторы) и т.д.

В классе устройств, к которому принадлежит заявляемое решение, вне зависимости от измеряемой физической величины последняя фиксируется изменением сопротивления чувствительного элемента датчика; в связи с этим датчик для устройства обработки его сигнала является датчиком сопротивления.

Известны устройства для преобразования сопротивлений в напряжения [1, 2] , включающие датчики сопротивления, источник (генератор) тока, подключаемый к тому датчику, сигнал которого обрабатывается в данный момент времени. В указанных устройствах датчики сопротивления включены по так называемым а) трехпроводным или б) четырехпроводным схемам [1], в которых измерительные цепи (сигнал на которых собственно и является преобразованным напряжением) и цепи прохождения тока частично (в первом случае) или полностью (во втором случае) разделены.

При включении датчика сопротивления по трехпроводной схеме [3] он имеет входную цепь прохождения тока и одну измерительную цепь. Выходная цепь прохождения тока и вторая измерительная (низкопотенциальная) цепь объединены. В качестве недостатка указанного решения можно указать на значительные погрешности при преобразовании сопротивления в напряжение из-за влияния протекающего через датчик тока на низкопотенциальную цепь измерения. Уменьшение указанной погрешности влечет за собой усложнение устройства.

Наиболее близким к заявляемому решению является устройство [4], в котором осуществляется поочередное преобразование сопротивлений большого числа датчиков в напряжения. Датчики включены по четырехпроводной схеме. В указанном устройстве к одному из датчиков одновременно через цепи протекания тока производится подключение источника тока (через два коммутирующих элемента) и съем сигнала по измерительным цепям на входы усилителя через два других коммутирующих элемента.

Недостатком указанного устройства является его низкая помехоустойчивость из-за отсутствия в измерительных цепях помехоподавляющих фильтров нижних частот с узкой полосой пропускания низкочастотных сигналов. Указанный недостаток обусловлен следующим фактором: фильтры, увеличивая помехоустойчивость, значительно снижают быстродействие устройства, т.к. при коммутации тока на очередной датчик сопротивления требуется время на установление сигнала на фильтре. Кроме того, отсутствует защита от действия статического электричества на входные цепи каналов. Известное устройство достаточно сложно по конструктивно-схемному исполнению, т.к. для каждого датчика необходим четырехканальный коммутатор.

Задачей изобретения является снижение погрешности устройства за счет увеличения его помехоустойчивости, а также обеспечение его защиты от статического электричества, кроме того, упрощение устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в многоканальный преобразователь сопротивлений в напряжения, содержащий в каждом i-м канале датчик сопротивления, включенный по четырехпроводной схеме с двумя измерительными цепями и входной и выходной цепями протекания тока, и генератор тока, в каждый i-й канал введены фильтр нижних частот, дифференциальный вход которого соединен с измерительными цепями датчика сопротивления, а выход фильтра нижних частот является дифференциальным выходом i-го канала, пять защитных диодов, один из которых подключен между входной, связанной с его анодом, и выходной цепями протекания тока датчика сопротивления i-го канала. Все датчики сопротивления соединены последовательно по цепям протекания тока. Выход генератора тока соединен с входной цепью протекания тока датчика сопротивления первого канала. Выходная цепь протекания тока датчика сопротивления последнего (N-го) канала соединена с входом отрицательной обратной связи генератора тока. К каждой цепи дифференциального выхода i-го канала подключены анод и катод соответственно первого и второго защитных диодов, при этом катод первого защитного диода соединен с выходом генератора тока, а анод второго защитного диода соединен с шиной нулевого потенциала схемы.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показано: 1 - генератор тока; 2 - датчики сопротивления; 3 - соединительные цепи, из которых: 20, 21 - цепи протекания тока; 22, 23 - измерительные цепи; 4, 6, 7 - защитные диоды (4 - входной защитный диод; 6, 7 - выходные защитные диоды); 5 - фильтры нижних частот (ФНЧ); 8 - конденсатор; 9 - дифференциальный выход i-го канала; 10 - мультиплексный аналого-цифровой преобразователь (МАЦП). Данный блок не входит в объем притязаний заявки, он представлен для полноты описания изобретения.

В генераторе тока 1 обозначено: 11 - источник опорного напряжения;
12 - источник питания;
13 - операционный усилитель (ОУ);
14 - ограничительный резистор;
15 - эталонный резистор.

В МАЦП 10 обозначено:
16 - дифференциальные каналы мультиплексора;
17 - нормирующий усилитель;
18 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
19 - шина выходного (цифрового) сигнала;
24 - выход генератора тока;
25 - вход цепи отрицательной обратной связи (ООС) генератора тока.

Устройство выполнено следующим образом.

В каждом канале многоканального (с числом каналов N) преобразователя сопротивлений в напряжения содержится датчик сопротивления 2, включенный по четырехпроводной схеме с помощью соединительных цепей 3. Цепи 20 и 21 являются цепями протекания эталонного тока, а цепи 22 и 23 являются измерительными цепями. Они соединены с входами ФНЧ 5, выход которого является выходом 9 данного (i-го) канала, т.е. является одним из выходов устройства. Входной защитный диод 4 включен параллельно датчику сопротивления 2 по цепям 20 и 21 - анодом к цепи втекания тока, проходящего через датчик сопротивления 2. К каждой цепи дифференциального выхода 9 канала подключены выходные защитные диоды 6 и 7 анодом и катодом соответственно. Все выходные защитные диоды 6 подключены катодами к выходу 24 генератора тока 1. Все выходные защитные диоды 7 подключены анодами к общей "земляной" точке (GND) устройства.

Генератор тока 1 содержит ОУ 13, один вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения 11, а другой - с высокопотенциальным выводом эталонного резистора 15, низкопотенциальный вывод которого соединен с общей точкой GND устройства. Параллельно эталонному резистору 15 также включен входной защитный диод 4. Выходом 24 генератора тока 1 является один вывод ограничительного резистора 14, соединенного другим выводом с выходом ОУ 13.

Все датчики сопротивлений 2 соединены последовательно цепями 20 и 21 прохождения тока. Высокопотенциальный вывод датчика сопротивления 2 первого канала соединен с выходом 24 генератора тока 1. Низкопотенциальный вывод датчика сопротивления 2 N-го канала соединен с входом 25 цепи отрицательной обратной связи (высокопотенциальный вывод эталонного резистора 15).

МАЦП 10 содержит N дифференциальных каналов 16 мультиплексора, вход каждого i-го канала из которых соединен с дифференциальным выходом 9 i-го канала заявленного устройства. Выходы каналов 16 мультиплексора соединены через нормирующий усилитель 17 с АЦП 18, имеющим шину выходного (цифрового) сигнала 19.

Устройство функционирует следующим образом.

Ток, поступающий от генератора тока 1, протекает через последовательно включенные датчики сопротивления 2, на каждом из которых падение напряжения пропорционально сопротивлению (или, иначе, пропорционально физическому параметру, например температуре). Если датчики сопротивления 2 (один или несколько) не оборваны, то ток через входные защитные диоды 4 не протекает. Это обусловлено выбором номинала тока, при котором падение напряжения на любом из датчиков сопротивления 2 и на эталонном резисторе 15 не должно превышать 200-300 мВ. При таких значениях напряжения входные защитные диоды 4 закрыты. При обрыве любого из датчиков сопротивления 2 (или цепи протекания тока через него) ток протекает через соответствующий диод и тем самым протекание тока через остальные датчики сопротивления 2 не прекращается. Указанные напряжения через ФНЧ 5 в каждом i-м канале поступают на дифференциальные выходы 9 устройства. Если на какую-нибудь цепь указанных выходов поступает паразитный сигнал, обусловленный помехой, то он ограничивается выходными защитными диодами 6 и 7: отрицательный - на уровне открытия выходного защитного диода 7 (от 0,4 до 0,7 В), положительный - на уровне открытия выходного защитного диода 6 плюс напряжение на выходе 24 генератора тока 1. Подключение к выходу генератора тока катодов выходных защитных диодов 6 позволяет минимизировать влияние токов утечки последних на выходные сигналы устройства. Это обусловлено тем, что напряжение на выходе генератора тока является минимальным, при котором все защитные диоды закрыты.

Стабилизация тока осуществляется за счет сведения к минимуму разницы сигналов между напряжением Еоп источника опорного напряжения 11 и сигналом отрицательной обратной связи, снимаемой с эталонного резистора 15. Для ОУ 13, коэффициент усиления которого, как минимум, составляет 50000, указанная разница сигналов не превышает 0,1 мВ. Уровень сигнала на инвертирующем входе ОУ 13 так же, как и на датчиках сопротивления 2, - порядка 200-300 мВ (это связано с тем, что ток через датчики обычно не превышает 3 мА, а эталонный резистор 15 обычно выбирают порядка 100 Ом). Поэтому погрешность стабилизации тока не превышает 0,05%. Отметим здесь, что входной защитный диод 4, включенный параллельно эталонному резистору 15, не влияет на точность стабилизации тока, т.к. он при указанных напряжениях закрыт. Если же напряжение обратной связи (на эталонном резисторе 15) по каким-либо причинам необходимо увеличить, то вместо одного указанного диода можно включить цепь из нескольких последовательно включенных диодов. Аналогичным образом, вместо одного любого входного защитного диода 4 можно использовать цепь из нескольких последовательно включенных диодов.

Дальнейшее преобразование сигнала может быть осуществлено, например, МАЦП 10, в котором происходит циклическое подключение выходов 9 через дифференциальные каналы 16 мультиплексора к нормирующему усилителю 17. Усиленный сигнал с выхода нормирующего усилителя 10 преобразовывается с помощью АЦП 18 в цифровой сигнал (код), снимаемый с шины 19.

Достигаемый изобретением эффект поясняется следующим.

1. Уменьшение погрешности за счет увеличения помехоустойчивости
В качестве основных помех можно назвать промышленные помехи и помехи, возникающие от действия статического электричества. Указанные помехи наводятся наибольшим образом на линии связи датчиков с устройствами обработки их сигналов, т.к. линии связи имеют большую протяженность (обычно от единиц до сотен метров). В результате действия помех нарушается работа устройств вплоть до выхода из строя их входных каскадов (влияние статического электричества, потенциалы от действия которого достигают 3-6 кВ). Применительно к заявленному устройству помехи действуют на соединительные цепи 3.

Рассмотрим вначале, как имеющее наиболее опасное влияние, действие помех от статического электричества.

Если, например, на соединительную цепь 20 или 21 i-го канала действует высокое напряжение относительно точки GND - синфазная помеха, то оно ограничивается входными защитными диодами 4: ток от указанного напряжения замыкается (при положительном потенциале высокого напряжения) через последовательно включенные входные защитные диоды 4 на точку GND, либо (при отрицательном потенциале высокого напряжения) через последовательно включенные входные защитные диоды 4 и конденсатор 8 на точку GND. Таким образом, уровень ограничения высокого напряжения определяется количеством последовательно включенных входных защитных диодов 4, например, при 10 диодах высокое напряжение ограничивается примерно на уровне 7 В.

Расчеты и эксперименты показывают, что время действия помехи от статического электричества на источнике ее возникновения составляет (5-15)•10^-9 с, а время ее уменьшения до уровня диодного ограничения не превышает 50•10^-9 с. Источником статического электричества может быть обслуживающий персонал при нарушении правил защиты от статического электричества (при этом аппаратура обычно выключена) или воздействие от внешних разрядов (например, от появления электрического поля при молнии).

Аналогичным образом, если статическое электричество действует на измерительную цепь 22 или 23, то оно ограничивается выходными защитными диодами 6 или 7 и практически не попадает на дифференциальный выход канала 9.

При действии дифференциальной помехи (между измерительными цепями) она ослабляется ФНЧ 5. В связи с тем, что устройство работает в статическом режиме, т. е. не происходит коммутации тока, как в известном устройстве, и следовательно, не существует времени переходных процессов при установлении значений сигналов при переключении, постоянные времени ФНЧ 5 могут достигать больших величин. Практически изменение физических параметров (температуры, давления и пр.), фиксируемое датчиками сопротивления 2, происходит медленно - десятые доли секунды и более. В связи с этим постоянные времени ФНЧ 5 могут иметь такие же величины, что практически устраняет дифференциальную помеху на выходах 9 устройства
При действии дифференциальной помехи любой амплитуды на датчик сопротивления 2 она ослабляется на измерительных цепях 22, 23, как было указано выше. На цепях протекания тока указанная дифференциальная помеха любой амплитуды ограничивается входными защитными диодами 4. Независимость ограничения помехи от ее полярности обусловлена тем, что входные защитные диоды 4 по переменному напряжению включены в кольцо (через конденсатор 8).

Таким образом, защитные диоды 4, 6 и 7 обеспечивают ограничение как от синфазной помехи (в частности, от действия статического электричества), так и от дифференциальных (промышленных) помех.

Иначе говоря, на дифференциальных выходах 9 формируется отфильтрованный измеряемый сигнал, на который в очень редких случаях может наложиться сигнал от действия статического электричества, уровень и длительность действия которого определены (амплитуда порядка 0,7 В, длительность до 50•10^-9 с). Получить указанные характеристики в известном устройстве невозможно.

2. Упрощение устройства
Данный эффект вытекает из принципа построения устройства, а именно отсутствуют коммутаторы тока, протекающего через датчики сопротивления.

Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренных авторами решениях не встречалась для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень"
Источники информации
1. В.С. Гутников. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергоатомиздат, 1988, стр.76, 78.

2. М.Б. Лейтман. Нормирующие измерительные преобразователи электрических сигналов. М.: Энергоатомиздат, 1986, стр.97.

3. В.С. Гутников. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергоатомиздат, 1988, стр.76.

4. М.Б. Лейтман. Нормирующие измерительные преобразователи электрических сигналов. М.: Энергоатомиздат, 1986, стр.107, рис.5.7.

Формула изобретения

Многоканальный преобразователь сопротивлений в напряжения, содержащий генератор тока и в каждом i-том канале датчик сопротивления, включенный по четырехпроводной схеме с двумя измерительными цепями и входной и выходной цепями протекания тока, отличающийся тем, что каждый i-тый канал содержит фильтр нижних частот, дифференциальный вход которого соединен с измерительными цепями датчика сопротивления i-того канала, а выход фильтра нижних частот является дифференциальным выходом i-того канала, пять защитных диодов, один из которых - входной - подключен между входной, связанной с его анодом, и выходной цепями протекания тока датчика сопротивления i-того канала, все датчики сопротивления соединены последовательно по входным и выходным цепям протекания тока, входная цепь протекания тока датчика сопротивления первого канала соединена с выходом генератора тока, выходная цепь протекания тока датчика сопротивления последнего канала соединена с входом отрицательной обратной связи генератора тока, а к каждой цепи дифференциального выхода i-того канала подключены анод и катод соответственно первого и второго выходных защитных диодов, при этом катод первого выходного защитного диода соединен с выходом генератора тока, а анод второго выходного защитного диода соединен с шиной нулевого потенциала схемы.

РИСУНКИ

Рисунок 1