Преобразователь механических величин в напряжение с автоматической балансировкой "нуля"

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при разработке различного рода систем контроля, в частности при проектировании автоматизированного измерительного комплекса. Устройство содержит измерительный мост, состоящий из двух резисторов, датчика и компенсирующего элемента, а также инструментальный усилитель с подключенным к нему резистором, источник питания, компаратор, первый и второй триггеры, генератор импульсов, логический элемент 2И, операционный усилитель, двоичный счетчик, логический элемент 2 ИЛИ, цифроаналоговый преобразователь, источник опорного напряжения, дополнительный резистор, входную шину данных, входную шину синхросигнала и выходную шину. Технический результат заключается в повышении точности и надежности определения физико-механических свойств материалов методом кинетического идентирования. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при разработке различного рода систем контроля, в частности при проектировании автоматизированного измерительного комплекса, используемого для определения физико-механических свойств материалов методом кинетического индентирования.

Известен инвариантный измерительный мост [1]. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является преобразователь механических величин в электрический сигнал [2]. Недостатком этого преобразователя является высокая зависимость дрейфа «нуля» на выходе преобразователя при воздействии различного рода дестабилизирующих факторов, таких как изменение температуры, временная деградация компонентов и др. Эти недостатки значительно снижают функциональные возможности и предъявляют жесткие требования к условиям эксплуатации преобразователя. Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности и точностных характеристик преобразователя.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь механических величин в напряжение с автоматической балансировкой "нуля" {см. чертеж}, содержащий измерительный мост, состоящий из первого и второго резисторов 2 и 3, соответственно, датчика 4 и компенсирующего элемента 5, а также инструментального усилителя 8 с подключенным к нему резистором 7, причем первый вход инструментального усилителя 8 соединен с первым выходам измерительного моста, т.е. с объединенными между собой выходом первого резистора 2 и входом датчика 4, а второй вход - с вторым выходом измерительного моста, т.е. с объединенными между собой выходом второго резистора 3 и входом компенсирующего элемента 5, дополнительно введены источник 1 питания, компаратор 10, первый и второй триггеры 6 и 14 соответственно, генератор 13 импульсов, логический элемент 17 2И, логический элемент 11 2ИЛИ, операционный усилитель 18, двоичный счетчик 9, цифроаналоговый преобразователь 15, источник 12 опорного напряжения, резистор 16, входная шина 19 данных, входная шина 20 синхросигнала и выходная шина 21. Первый выход источника 1 питания соединен с первым входом питания измерительного моста, т.е. с объединенными между собой резистором 2 и резистором 3, второй выход источника 1 питания подключен к второму входу питания измерительного моста, т.е. к объединенным между собой датчиком 4 и компенсирующим элементом 5, а также к общей шине. Выход инструментального усилителя 8 подключен к первому входу компаратора 10 и выходной шине 21, выход компаратора 10 связан с S-входом второго триггера 14, R-вход которого соединен с Q-выходом первого триггера 6. -выход первого триггера 6 подключен к R-входу двоичного счетчика 9, к второму входу компаратора 10 и первому входу логического элемента 11 2ИЛИ, второй вход которого связан с выходом старшего разряда двоичного счетчика 9. Выходы младших разрядов двоичного счетчика 9 соединены с входами младших разрядов цифроаналогового преобразователя 15, вход старшего разряда которого подключен к выходу логического элемента 11 2 ИЛИ, а вход опорного напряжения - к выходу источника 12 опорного напряжения. Первый выход цифроаналогового преобразователя 15 связан с первым входом операционного усилителя 18, а второй выход - с вторым входом операционного усилителя 18 и общей шиной. Выход операционного усилителя 18 соединен с входом обратной связи цифроаналогового преобразователя 15 и через резистор 16 - с компенсирующим элементом 5 с подключенном к нему резистором 3 и входом инструментального усилителя 8. Выход генератора 13 импульсов подключен к первому входу логического элемента 17 2И, второй вход которого связан с -выходом второго триггера 14, а выход - с С-входом двоичного счетчика 9. D-вход первого триггера 6 соединен с входной шиной 19 данных, а С-вход - с входной шиной 20 синхросигнала.

Преобразователь работает следующим образом. При механическом воздействии на датчик 4 его внутреннее сопротивление электрическому току изменяется, что приводит к появлению на выходе измерительного моста дифференциального напряжения, которое поступает на входы инструментального усилителя 8, усиливается им и выдается в выходную шину 21 и на первый вход компаратора 10. При сбалансированном измерительном мосте и отсутствии механического воздействия на датчик 4 дифференциальное напряжение на выходе измерительного моста и соответственно на входе инструментального усилителя 8 будет равно нулю. На выходе инструментального усилителя 8, выходной шине 21 и первом входе компаратора 10 напряжение будет также равным нулю. При отсутствии признака автоматической балансировки измерительного моста, т.е. первый триггер 6 по шинам 19 и 20 установлен в «нулевое» состояние, при этом на его Q-выходе будет логический «0», а на -выходе - логическая «1». Логический «0» на -выходе первого триггера 6 и соответственно на R-входе второго триггера 14 установит второй триггер 14 в «нулевое» состояние, при этом на -выходе второго триггера 14 будет логическая «1». Логическая «1» на -выходе второго триггера 14 и соответственно на втором входе логического элемента 17 2И разрешит прохождение импульсов с генератора 13 импульсов через логический элемент 17 2И на С-вход двоичного счетчика 9. Логическая «1» с -выхода первого триггера 6 поступает на R-вход двоичного счетчика 9 и устанавливает логические «0...0» на выходах этого счетчика, а также, пройдя через логический элемент 11 2ИЛИ, устанавливает логическую «1» на входе старшего разряда цифроаналогового преобразователя 15. Таким образом, на входах цифроаналогового преобразователя 15 будет установлена 1/2 максимального кода, т.е. логическая «1» на входе старшего разряда и логические «0...0» на входах младших разрядов. Такое состояние сформирует на выходе операционного усилителя 18 1/2 величины выходного напряжения источника 12 опорного напряжения, подключенного к входу опорного напряжения цифроаналогового преобразователя 15. Операционный усилитель 18 и цифроаналоговый преобразователь 15 с их связями представляют собой функционально законченный преобразователь {ЦАП}. Выходное напряжение операционного усилителя 18 через резистор 16 поступает на компенсирующий элемент 5, объединенный с резистором 3 и входом инструментального усилителя 8. Компоненты преобразователя подвержены воздействию различного рода дестабилизирующих факторов, таких как температурный дрейф, временная деградация и др. Это приводит к появлению дифференциального напряжения, отличного от нуля, на выходе инструментального усилителя 8 при сбалансированном измерительном мосте, что влияет на величину погрешности измерений, обусловленной дрейфом «нуля». Для исключения погрешности измерений, обусловленной дрейфом "нуля", необходимо перед каждым измерением выполнить автоматическую балансировку «нуля». Для этого на шине 19 устанавливается уровень логической «1» в сопровождении синхронизирующего сигнала на шине 20. Первый триггер 6 будет установлен в «1» состояние, т.е. на его Q-выходе установится логическая «1», а на -выходе - логический «0».

Установившийся логический «0» на -выходе первого триггера 6 снимет блокирующий работу двоичного счетчика 9 потенциал с его R-входа и, пройдя через логический элемент 11 2ИЛИ, установит логический «0» на входе старшего разряда цифроаналогового преобразователя 15. Входной код этого преобразователя станет равным «0...0» и соответственно на выходе операционного усилителя 18 будет сформировано напряжение, равное нулю, которое через резистор 16 поступит на компенсирующий элемент 5, объединенный с резистором 3 и входом инструментального усилителя 8. Уменьшение напряжения на выходе операционного усилителя 18 с величины, равной величины напряжения источника 12 опорного напряжения, до нуля установит на выходе инструментального усилителя 8 максимальное для данного усилителя напряжение. Импульсы с выхода генератора 13 импульсов, поступающие через логический элемент 17 2И на С-вход разблокированного по R-входу двоичного счетчика 9, будут увеличивать выходной код двоичного счетчика 9 на «1» с каждым импульсом. Увеличивающийся выходной код двоичного счетчика 9, поступающий на входы цифроаналогового преобразователя 15, будет формировать на выходе операционного усилителя 18 пилообразно-ступенчатое напряжение. Приращение этого напряжения с каждым импульсом составляет где U_и.о.н. - выходное напряжение источника 12 опорного напряжения, n - число разрядов цифроаналогового преобразователя 15. Это пилообразно-ступенчатое напряжение вызовет формирование на выходе инструментального усилителя 8 также пилообразно-ступенчатое напряжение в интервале от максимального отрицательного до максимально положительного (при непрерывно поступающих импульсах) напряжения. Приращение этого напряжения составляет где К_усил. - коэффициент усиления инструментального усилителя 8, определяемый величиной резистора 7. В момент времени, когда напряжение на выходе инструментального усилителя 8 и соответственно на первом входе компаратора 10 будет равным или больше напряжения на втором входе компаратора 10, т.е. нулю или 0+ΔU₂, на выходе компаратора 10 сформируется логический «0». В результате на -выходе второго триггера 14 установится логический «0», который запретит прохождение импульсов с выхода генератора 13 импульсов через логический элемент 17 2И на С-вход двоичного счетчика 9. Таким образом будет зафиксирован выходной код двоичного счетчика 9, при котором на выходе операционного усилителя 18 будет сформировано напряжение, соответствующее балансировке «нуля», т.е. установка выходного напряжения инструментального усилителя 8, равного «нулю» при отсутствии механического воздействия на датчик 4.

После завершения измерения первый триггер 6 необходимо, но не обязательно, если при следующем измерении использовать предыдущую балансировку «нуля», установить в «0», -выход второго триггера 14 при необходимости может быть использован как идентификатор завершения балансировки «нуля».

Источники информации

[1] Патент РФ №2117304 от 27.09.93 г.

[2] Патент РФ №2071065 от 13.04.93 г.

Преобразователь механических величин в напряжение с автоматической балансировкой «нуля», содержащий инструментальный усилитель с подключенным к нему резистором, а также измерительный мост, состоящий из первого и второго резисторов, датчика и компенсирующего элемента, причем входы первого и второго резисторов объединены между собой и являются первым входом питания измерительного моста, выход первого резистора связан с входом датчика и первым входом инструментального усилителя, выход второго резистора соединен с входом компенсирующего элемента и вторым входом инструментального усилителя, выходы датчика и компенсирующего элемента объединены между собой и являются вторым входом питания измерительного моста, отличающийся тем, что в него дополнительно введены источник питания, компаратор, первый и второй триггеры, генератор импульсов, логический элемент 2И, операционный усилитель, двоичный счетчик, логический элемент 2ИЛИ, цифроаналоговый преобразователь, источник опорного напряжения, третий резистор, входная шина данных, входная шина синхросигнала и выходная шина, при этом первый выход источника питания соединен с первым входом питания измерительного моста, а второй выход источника питания и второй вход питания измерительного моста объединены между собой и связаны с "нулевой" шиной, выход инструментального усилителя подключен к выходной шине и первому входу компаратора, вход которого связан с S-входом второго триггера, R-вход второго триггера соединен с Q-выходом первого триггера, -выход которого подключен к R-входу двоичного счетчика, второму входу компаратора и первому входу логического элемента 2ИЛИ, второй вход которого связан с выходом старшего разряда двоичного счетчика, выходы младших разрядов двоичного счетчика соединены с входами младших разрядов цифроаналогового преобразователя, вход старшего разряда которого подключен к выходу логического элемента 2ИЛИ, а вход опорного напряжения - к выходу источника опорного напряжения, первый выход цифроаналогового преобразователя связан с первым входом операционного усилителя, а второй - с вторым входом операционного усилителя и общей шиной, выход операционного усилителя соединен с входом обратной связи цифроаналогового преобразователя и через третий резистор - с входом компенсирующего элемента, выходом второго резистора и вторым входом инструментального усилителя, выход генератора импульсов подключен к первому входу логического элемента 2И, второй вход которого связан с -выходом второго триггера, а выход - с С-входом двоичного счетчика, D-вход первого триггера соединен с входной шиной данных, а С-вход - с входной шиной синхросигнала.