Мостовой измеритель сопротивлений трех резистивных датчиков

Заявленное изобретение относится к промышленной электронике, автоматике и информационно-измерительной технике и может быть использовано для контроля и определения физических величин посредством трех резистивных датчиков. Устройство содержит: генератор питающих импульсов, состоящий из каскада синхронизации, формирователей последовательностей прямоугольных, линейно изменяющихся и квадратичных импульсов; коммутатор; усилитель мощности; четырехплечую мостовую цепь; нуль-индикатор. В первое, второе и третье плечи четырехплечей мостовой цепи включены соответственно одиночные резисторы. Четвертое плечо мостовой схемы образовано двумя параллельно соединенными ветвями. Особенностью данного изобретения является то, что в первую ветвь четвертого плеча четырехплечей мостовой цепи введен дополнительный второй конденсатор, а также во вторую ветвь четвертого плеча четырехплечей мостовой схемы введен пятый резистор. Техническим результатом изобретения является уменьшение погрешности измерения за счет исключения составляющих погрешности от паразитных емкостей переменных регулируемых уравновешивающих элементов и резистивных датчиков с искомыми сопротивлениями. 1 ил.

 

Изобретение относится к промышленной электронике, автоматике, информационно-измерительной технике и может быть использовано для контроля и определения физических величин посредством трех резистивных датчиков.

Известен мостовой измеритель параметров двухполюсников [1], содержащий последовательно включенные генератор питающих импульсов, формирующий последовательности импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, четырехплечую мостовую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его является отсутствие возможности заземлять все переменные регулируемые уравновешивающие элементы в четырехплечей мостовой цепи.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа мостовой измеритель параметров двухполюсников [2], содержащий последовательно включенные генератор питающих импульсов, формирующий последовательности импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, четырехплечую мостовую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его является повышение погрешности измерения за счет составляющей погрешности от паразитной емкости, которую относительно «земли» образует незаземленный конденсатор, входящий в четырехплечей мостовой цепи в объект измерения. В принципе в указанном измерителе не возможно одновременно заземлить переменные регулируемые уравновешивающие элементы и элементы с искомыми параметрами, входящие в четырехплечую мостовую цепь, поэтому названная паразитная емкость и соответствующая составляющая погрешности обязательно присутствуют. Дополнительная составляющая погрешности возникает также от нестабильности этой паразитной емкости.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в уменьшении погрешности измерения за счет исключения составляющих погрешности от паразитных емкостей переменных регулируемых уравновешивающих элементов и резистивных датчиков с искомыми сопротивлениями, входящих в четырехплечую мостовую цепь, относительно «земли», а также нестабильности этих паразитных емкостей.

Это достигается тем, что в мостовой измеритель параметров двухполюсников, содержащий генератор питающих импульсов, состоящий из каскада синхронизации, формирователей последовательностей прямоугольных, линейно изменяющихся и квадратичных импульсов, коммутатора и усилителя мощности, выход каскада синхронизации соединен с каждым входом формирователей последовательностей прямоугольных, линейно изменяющихся и квадратичных импульсов, выходы которых подключены к коммутатору, выход которого соединен с входом усилителя мощности, выход усилителя мощности образует первый выход генератора питающих импульсов относительно «земли», второй выход генератора питающих импульсов - выход синхронизации - образует выход каскада синхронизации, первый выход генератора питающих импульсов соединен с первым выводом генераторной диагонали четырехплечей мостовой цепи, образованным общим выводом одиночных резисторов, включенных в ее первое и второе плечи, третье плечо четырехплечей мостовой цепи образовано также одиночным резистором, ее четвертое плечо представляет собой две параллельно включенные ветви, первая из которых образована первым резистором и последовательно соединенным с ним многоэлементным двухполюсником, содержащим трехэлементную электрическую цепь, образованную вторым резистором и параллельно ему включенными последовательно соединенными первым конденсатором и третьим резистором, вторая ветвь образована последовательно соединенными первым резистором и многоэлементным двухполюсником, содержащим второй резистор, параллельно которому включены последовательно соединенные третий и четвертый резисторы, к общему выводу которых подключен первый вывод индуктивной катушки, второй вывод генераторной диагонали четырехплечей мостовой цепи, образованный общим выводом второго и третьего резисторов первой ветви четвертого плеча, второго и четвертого резисторов второй ветви четвертого плеча четырехплечей мостовой цепи и одиночного резистора ее третьего плеча, соединен с заземленной общей шиной генератора питающих импульсов, первый вывод измерительной диагонали четырехплечей мостовой цепи образует общий вывод одиночного резистора ее первого плеча, первого резистора первой ветви и первого резистора второй ветви ее четвертого плеча, второй вывод измерительной диагонали четырехплечей мостовой цепи образует общий вывод одиночных резисторов ее второго и третьего плеч, оба вывода измерительной диагонали соединены с дифференциальным входом нуль-индикатора, второй вход которого - вход синхронизации - соединен со вторым выходом генератора питающих импульсов, общая шина нуль-индикатора соединена со вторым выводом генераторной диагонали четырехплечей мостовой цепи и с общей шиной генератора питающих импульсов и заземлена, введены в четырехплечую мостовую цепь дополнительные второй конденсатор в первую ветвь ее четвертого плеча, первым выводом присоединенный к общему выводу второго резистора и первого конденсатора этой ветви, вторым выводом - к заземленному второму выводу генераторной диагонали четырехплечей мостовой цепи, и пятый резистор во вторую ветвь ее четвертого плеча, первым выводом соединенный со вторым выводом индуктивной катушки этой ветви, вторым выводом - с заземленным вторым выводом генераторной диагонали четырехплечей мостовой цепи.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

Мостовой измеритель параметров трех резистивных датчиков содержит генератор 1 питающих импульсов, состоящий из каскада 2 синхронизации, формирователя 3 последовательности прямоугольных импульсов (K₀t⁰), формирователя 4 последовательности линейно изменяющихся импульсов (K₁t¹), формирователя 5 последовательности квадратичных импульсов (K₂t²), где K₀, K₁ и K₂ - постоянные коэффициенты, t - текущее время, коммутатора 6 и усилителя 7 мощности. Выход каскада 2 синхронизации соединен с каждым входом формирователей последовательностей прямоугольных, линейно изменяющихся и квадратичных импульсов, выходы которых подключены к коммутатору 6. Выход коммутатора 6 соединен с входом усилителя 7 мощности. Выход усилителя 7 мощности образует первый выход генератора 1 питающих импульсов относительно «земли». Второй выход генератора 1 питающих импульсов - выход синхронизации - образует выход каскада 2 синхронизации. Первый выход генератора 1 питающих импульсов соединен с первым выводом генераторной диагонали четырехплечей мостовой цепи, образованным общим выводом одиночных резисторов 8 (R8) и 20 (R20), включенных в первое и второе плечи этой мостовой цепи соответственно, ее третье плечо образовано так же одиночным резистором 21 (R21). Четвертое плечо четырехплечей мостовой цепи образовано двумя параллельно соединенными ветвями. Первая из них состоит из последовательно включенных первого резистора 9 (R9) и многоэлементного двухполюсника, образованного параллельно соединенными вторым резистором 10 (R10) и включенными последовательно первым конденсатором 12 (С12) и третьим резистором 13 (R13) и дополнительным вторым конденсатором 11 (С11), первым выводом присоединенным к общему выводу второго резистора 10 (R10) и первого конденсатора 12 (С12), вторым выводом - к заземленному второму выводу генераторной диагонали четырехплечей мостовой цепи. Вторая ветвь четырехплечей мостовой цепи состоит из соединенных последовательно первого резистора 14 (R14), значение сопротивления которого равно значению сопротивления резистора 9 (R9), и многоэлементного двухполюсника, составленного из второго резистора 15 (R15), параллельно которому включена четырехэлементная электрическая цепь - последовательно соединенные третий резистор 16 (R16) и четвертый резистор 19 (R19), к общему выводу которых подключен первый вывод индуктивной катушки 17 (L17), которая своим вторым выводом соединена с первым выводом дополнительного пятого резистора 18 (R18), второй вывод которого соединен с заземленным вторым выводом генераторной диагонали четырехплечей мостовой цепи. Этот вывод генераторной диагонали образован общим выводом второго 10 (R10) и третьего 13 (R13) резисторов и дополнительного второго конденсатора 11 (С11) первой ветви четвертого плеча, второго 15 (R15), четвертого 19 (R19) и дополнительного пятого 18 (R18) резисторов второй ветви четвертого плеча и одиночного резистора 21 (R21) третьего плеча четырехплечей мостовой цепи и соединен с заземленной общей шиной генератора 1 питающих импульсов. В четырехплечей мостовой цепи значения сопротивлений резисторов R8, R9, R14, R16, R20, R21, емкости конденсатора С12 и индуктивности индуктивной катушки L17 постоянны и известны, искомыми являются значения сопротивлений трех резистивных датчиков R15, R18 и R19, уравновешивающими - переменные регулируемые элементы R10, C11 и R13. Два вывода измерительной диагонали четырехплечей мостовой цепи, первый из которых образован общим выводом одиночного резистора 8 (R8) первого плеча, первым резистором 9 (R9) первой ветви четвертого плеча и первым резистором 14 (R14) второй ветви четвертого плеча, второй вывод измерительной диагонали образован общим выводом одиночного резистора 20 (R20) второго плеча и одиночного резистора 21 (R21) третьего плеча четырехплечей мостовой цепи, соединены с дифференциальным входом нуль-индикатора 22. Второй вход нуль-индикатора 22 - вход синхронизации - соединен со вторым выходом генератора 1 питающих импульсов. Общая шина нуль-индикатора 22 соединена со вторым выводом генераторной диагонали четырехплечей мостовой цепи и с общей шиной генератора 1 питающих импульсов и заземлена. В четырехплечей мостовой цепи одновременно заземлены три резистивных датчика R15, R18 и R19 с искомыми сопротивлениями и переменные регулируемые уравновешивающие элементы R10, C11 и R13.

Мостовой измеритель параметров трех резистивных датчиков работает следующим образом. В исходном состоянии напряжения на генераторной и измерительной диагоналях четырехплечей мостовой цепи равны нулю. Для удобства и формирования менее громоздких математических выражений значения сопротивлений R8, R9, R14, R20 и R21 должны быть равными, т.е. в частном случае должно быть справедливо выражение

Вначале на генераторную диагональ четырехплечей мостовой цепи воздействует последовательность импульсных сигналов прямоугольной формы, подаваемых посредством коммутатора 6 с генератора 1 питающих импульсов формирователем 3 последовательности прямоугольных импульсов. В установившемся режиме при воздействии очередного импульса прямоугольной формы в измерительной диагонали четырехплечей мостовой цепи устанавливается неизменяющееся в течение некоторого интервала времени напряжение неравновесия. После окончания переходного процесса плоская вершина этого напряжения неравновесия приводится к нулю при выполненном условии (1) однократной регулировкой заземленного переменного уравновешивающего элемента R10, что обеспечивает выполнение первого условия равновесия мостовой цепи:

Затем на генераторную диагональ четырехплечей мостовой цепи подается последовательность импульсов линейно изменяющегося напряжения посредством коммутатора 6 с генератора 1 питающих импульсов формирователем 4 последовательности линейно изменяющихся импульсов. При воздействии очередного такого импульса после окончания переходного процесса в измерительной диагонали четырехплечей мостовой цепи устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной, которая с учетом выполненных предварительного условия (1) и первого условия равновесия (2) приводится к нулю однократной регулировкой заземленного переменного уравновешивающего элемента С11. При этом выполняется второе условие равновесия четырехплечей мостовой цепи:

Выполнение первого условия равновесия (2) в этом случае не нарушается, поскольку это условие не содержит переменный регулируемый уравновешивающий элемент С11.

Наконец, в результате воздействия подаваемых на генераторную диагональ четырехплечей мостовой цепи последовательности питающих импульсов квадратичной формы посредством коммутатора 6 с генератора 1 питающих импульсов формирователем 5 последовательности квадратичных импульсов в ее измерительной диагонали при воздействии очередного такого импульса устанавливается импульсный сигнал неравновесия, имеющий после окончания переходного процесса плоскую вершину, которая при выполненных условиях (1)-(3) приводится к нулю однократной регулировкой заземленного переменного уравновешивающего элемента R13, чем обеспечивается выполнение третьего условия равновесия четырехплечей мостовой цепи:

При этом выполнение первого (2) и второго (3) условий равновесия не нарушается, поскольку эти условия не содержат переменный регулируемый уравновешивающий элемент R13. В результате имеет место зависимое раздельное уравновешивание четырехплечей мостовой цепи, которое выполняется в приведенной выше последовательности: R10-С11-R13.

Искомые значения сопротивлений трех резистивных датчиков R₁₅, R₁₈ и R₁₉ определяются из условий равновесия четырехплечей мостовой цепи (2)-(4), т.е. известным образом находятся три неизвестных параметра из решения трех уравнений (2)-(4).

Таким образом, предлагаемый мостовой измеритель сопротивлений трех резистивных датчиков позволяет уменьшить погрешность измерения за счет исключения составляющей погрешности от паразитных емкостей переменных регулируемых уравновешивающих элементов и резистивных датчиков с искомыми сопротивлениями относительно «земли», а также составляющей погрешности от нестабильности этих паразитных емкостей. В рассматриваемом варианте схемы мостового измерителя сопротивлений трех резистивных датчиков это достигается заземлением всех переменных регулируемых уравновешивающих элементов и резистивных датчиков с искомыми сопротивлениями. В предлагаемом мостовом измерителе сопротивлений трех резистивных датчиков реализуется такое важное свойство мостовых цепей как раздельное уравновешивание.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ №2284530, G01R 17/10. Мостовой измеритель параметров двухполюсников / Г.И.Передельский, Ю.В.Диденко, А.С.Романченко. - Опубл. в БИ, 2006, №27.

2. Патент РФ №2326389, G01R 17/10. Мостовой измеритель параметров двухполюсников / Г.И.Передельский, Ю.В.Диденко, А.С.Романченко. - Опубл. в БИ, 2008, №16.

Мостовой измеритель сопротивлений трех резистивных сопротивлений, содержащий генератор питающих импульсов, состоящий из каскада синхронизации, формирователей последовательностей прямоугольных, линейно изменяющихся и квадратичных импульсов, коммутатора и усилителя мощности, выход каскада синхронизации соединен с каждым входом формирователей последовательностей прямоугольных, линейно изменяющихся и квадратичных импульсов, выходы которых подключены к коммутатору, выход которого соединен с входом усилителя мощности, выход усилителя мощности образует первый выход генератора питающих импульсов относительно «земли», второй выход генератора питающих импульсов - выход синхронизации - образует выход каскада синхронизации, первый выход генератора питающих импульсов соединен с первым выводом генераторной диагонали четырехплечей мостовой цепи, образованным общим выводом одиночных резисторов, включенных в ее первое и второе плечи, третье плечо четырехплечей мостовой цепи образовано также одиночным резистором, ее четвертое плечо представляет собой две параллельно включенные ветви, первая из которых образована первым резистором и последовательно соединенным с ним многоэлементным двухполюсником, содержащим трехэлементную электрическую цепь, образованную вторым резистором и параллельно ему включенными последовательно соединенными первым конденсатором и третьим резистором, вторая ветвь образована последовательно соединенными первым резистором и многоэлементным двухполюсником, содержащим второй резистор, параллельно которому включены последовательно соединенные третий и четвертый резисторы, к общему выводу которых подключен первый вывод индуктивной катушки, второй вывод генераторной диагонали четырехплечей мостовой цепи, образованный общим выводом второго и третьего резисторов первой ветви четвертого плеча, второго и четвертого резисторов второй ветви четвертого плеча четырехплечей мостовой цепи и одиночного резистора ее третьего плеча, соединен с заземленной общей шиной генератора питающих импульсов, первый вывод измерительной диагонали четырехплечей мостовой цепи образует общий вывод одиночного резистора ее первого плеча, первого резистора первой ветви и первого резистора второй ветви ее четвертого плеча, второй вывод измерительной диагонали четырехплечей мостовой цепи образует общий вывод одиночных резисторов ее второго и третьего плеч, оба вывода измерительной диагонали соединены с дифференциальным входом нуль-индикатора, второй вход которого - вход синхронизации - соединен со вторым выходом генератора питающих импульсов, общая шина нуль-индикатора соединена со вторым выводом генераторной диагонали четырехплечей мостовой цепи и с общей шиной генератора питающих импульсов и заземлена, отличающийся тем, что в него введены в четырехплечую мостовую цепь дополнительные второй конденсатор в первую ветвь ее четвертого плеча, первым выводом присоединенный к общему выводу второго резистора и первого конденсатора этой ветви, вторым выводом - к заземленному второму выводу генераторной диагонали четырехплечей мостовой цепи, и пятый резистор во вторую ветвь ее четвертого плеча, первым выводом соединенный со вторым выводом индуктивной катушки этой ветви, вторым выводом - с заземленным вторым выводом генераторной диагонали четырехплечей мостовой цепи.