Микроконтроллерный измерительный преобразователь с уравновешиванием резистивного моста уитстона методом широтно-импульсной модуляции

Авторы патента:

G01R27/26 - для измерения индуктивности и(или) емкости; для измерения добротности, например резонансным способом; для измерения коэффициента потерь; для измерения диэлектрических постоянных

Владельцы патента RU 2515309:

Вострухин Александр Витальевич (RU)
Вахтина Елена Артуровна (RU)

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения активного сопротивления, и может быть использовано в средствах для измерения и контроля неэлектрических величин резистивными датчиками. Микроконтроллерный измерительный преобразователь с уравновешиванием резистивного моста Уитстона методом широтно-импульсной модуляции содержит первый резистор 1, второй резистор 2 (он же резистивный датчик), третий резистор 3, четвертый резистор 4, пятый резистор 5, шестой резистор 6, RC-фильтр 7 и микроконтроллер 8. Резисторы 1 и 2 первыми выводами подключены к входу RC-фильтра 7, выход которого подключен к первому входу АК микроконтроллера 8, первый вывод резистора 5 подключен ко второму выводу резистора 2 и к первому выводу резистора 6, второй вывод резистора 5 подключен к выходу ШИМ микроконтроллера 8, первые выводы резисторов 3 и 4 подключены ко второму входу АК микроконтроллера 8, вторые выводы резисторов 1, 3, 4 и 6 подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому дискретным выходам микроконтроллера 8. Технический результат заключается в повышении точности микроконтроллерного измерительного преобразователя. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения активного сопротивления, и может быть использовано в средствах для измерения неэлектрических величин резистивными датчиками.

Уровень техники

Известно устройство для измерения неэлектрических величин емкостными датчиками, содержащее первый и второй генераторы, микроконтроллер и цифровой индикатор, во времязадающие цепи генераторов включены емкостные и резистивные элементы, один из дискретных выводов микроконтроллера подключен к входам разрешения генерирования обоих генераторов, цифровой индикатор подключен к микроконтроллеру. На выходе устройства формируется код, который зависит от изменения емкости и/или сопротивления времязадающих цепей генераторов (см. пат. РФ №2214610, кл. G01R 27/26).

Недостаток известного решения - низкая точность, обусловленная погрешностью, вносимой генераторами, параметры которых зависят от внешних факторов, например температуры.

Известно устройство - мостовая схема (мост Уитстона) для измерения сопротивления резистивных датчиков, содержащая два резистивных делителя, крайние выводы которых подключены к источнику питания, между средними выводами резистивных делителей включен измерительный прибор (см. Яковлев В. Структура измерительной системы на базе пассивных датчиков /В.Яковлев // Современные технологии автоматизации. - 2002, №1).

Недостаток известного решения - низкая точность, обусловленная нелинейностью характеристики преобразования.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и принятым авторами за прототип является микроконтроллерный измерительный преобразователь для резистивного датчика, содержащий микроконтроллер, RC-фильтр, первый, второй, третий и четвертый резисторы, причем первые выводы первого и второго резисторов подключены к входу RC-фильтра, выход которого подключен к первому входу аналогового компаратора (АК) микроконтроллера, первые выводы третьего и четвертого резисторов подключены ко второму входу АК микроконтроллера, второй вывод первого резистора подключен к выходу широтно-импульсного модулятора (ШИМ) микроконтроллера, вторые выводы второго и третьего резисторов подключены к минусовой клемме источника питания, первый вывод третьего резистора подключен к плюсовой клемме источника питания (см. пат. РФ №2449299, кл. G01R 27/26).

Раскрытие изобретения

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к повышению точности.

Технический результат достигается тем, что в микроконтроллерный измерительный преобразователь с уравновешиванием резистивного моста Уитстона методом широтно-импульсной модуляции, содержащий микроконтроллер, RC-фильтр, первый, второй, третий и четвертый резисторы, первые выводы первого и второго резисторов подключены к входу RC-фильтра, выход которого подключен к первому входу аналогового компаратора микроконтроллера, первые выводы третьего и четвертого резисторов подключены ко второму входу аналогового компаратора микроконтроллера, введены пятый и шестой резисторы, причем первый вывод пятого резистора подключен ко второму выводу второго резистора и к первому выводу шестого резистора, второй вывод пятого резистора подключен к выходу широтно-импульсного модулятора микроконтроллера, вторые выводы первого, третьего, четвертого и шестого резисторов подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому дискретным выходам микроконтроллера, в качестве второго резистора включен резистивный датчик.

Краткое описание чертежей

На чертеже представлена структурная схема микроконтроллерного измерительного преобразователя с уравновешиванием резистивного моста Уитстона методом широтно-импульсной модуляции.

Осуществление изобретения

Микроконтроллерный измерительный преобразователь с уравновешиванием резистивного моста Уитстона методом широтно-импульсной модуляции содержит (см. чертеж) первый резистор 1, второй резистор 2 (он же резистивный датчик), третий резистор 3, четвертый резистор 4, пятый резистор 5, шестой резистор 6, RC-фильтр 7 и микроконтроллер 8. Резисторы 1 и 2 первыми выводами подключены к входу RC-фильтра 7, выход которого подключен к первому входу АК (на чертеже АК не показан) микроконтроллера 8, первый вывод резистора 5 подключен ко второму выводу резистора 2 и к первому выводу резистора 6, второй вывод резистора 5 подключен к выходу ШИМ (на чертеже ШИМ не показан) микроконтроллера 8, первые выводы резисторов 3 и 4 подключены ко второму входу АК микроконтроллера 8, вторые выводы резисторов 1, 3, 4 и 6 подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому дискретным выходам микроконтроллера 8.

Микроконтроллерный измерительный преобразователь с уравновешиванием резистивного моста Уитстона методом широтно-импульсной модуляции работает следующим образом.

Выход ШИМ микроконтроллера 8 представляет собой ключ, построенный на полевых транзисторах. С помощью этого ключа ШИМ микроконтроллера 8 подключает второй вывод резистора 5 или к минусовой клемме питания микроконтроллера 8 или переводит ключ в высокоомное состояние. Таким образом, резистор 5 периодически подключается параллельно к резистору 6. Среднее значение сопротивления параллельно включенных резисторов 5 и 6 изменяется в зависимости от коэффициента заполнения G ШИМ, что позволяет программным способом уравновешивать мост и таким образом повысить точность микроконтроллерного измерительного преобразователя.

К инвертирующему входу АК микроконтроллера 8 приложено опорное напряжение U_r, снимаемое с резистивного делителя 3, 4. К неинвертирующему входу АК микроконтроллера 8 приложено напряжение, формируемое на выходе RC-фильтра 7, среднее значение которого определяется: U_M=(U_H-U_L)·G+U_L: где U_H и U_L - напряжения, соответственно, высокого и низкого уровней на входе RC-фильтра. Напряжение U_H будет сформировано, когда резистор 5 будет отключен от минусовой клеммы питания микроконтроллера 8 путем перевода ключа ШИМ в высокоомное состояние, напряжение U_L будет сформировано, когда резистор 5 будет подключен к минусовой клемме питания микроконтроллера 8; G=t_H/T_M - коэффициент заполнения ШИМ-сигнала; T_M=t_H+t_L - период ШИМ-сигнала; T_H и t_L - соответственно длительности высокого и низкого логических уровней в точке соединения резисторов 1 и 2.

Микроконтроллер 8 непрерывно следит за напряжением U_M. Если это напряжение станет меньше опорного напряжения U_r, то на выходе АК формируется логический ноль, по этому событию микроконтроллер 8 увеличивает на единицу коэффициент заполнения G и проверяет выход АК. Как только напряжение U_M станет больше опорного напряжения U_r, микроконтроллер 8 уменьшает коэффициент заполнения G. Таким образом, коэффициент заполнения G зависит от напряжения U_M, формируемого на выходе RC-фильтра 7, которое, в свою очередь, зависит от сопротивления резистора 2, так как сопротивления резисторов 1, 3, 4, 5 и 6 - величины постоянные, т.е. являются образцовыми. Результат преобразования - двоичный код, пропорциональный коэффициенту заполнения G, а следовательно, и сопротивлению резистора 2 - формируется в регистре сравнения встроенного в микроконтроллер 8 таймера/счетчика, работающего в режиме ШИМ.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными решениями имеет преимущество: повышена точность преобразования путем уравновешивания резистивного моста Уитстона методом широтно-импульсной модуляции.

1. Микроконтроллерный измерительный преобразователь с уравновешиванием резистивного моста Уитстона методом широтно-импульсной модуляции, содержащий микроконтроллер, RC-фильтр, первый, второй, третий и четвертый резисторы, первые выводы первого и второго резисторов подключены к входу RC-фильтра, выход которого подключен к первому входу аналогового компаратора микроконтроллера, первые выводы третьего и четвертого резисторов подключены ко второму входу аналогового компаратора микроконтроллера, отличающийся тем, что в него введены пятый и шестой резисторы, причем первый вывод пятого резистора подключен ко второму выводу второго резистора и к первому выводу шестого резистора, второй вывод пятого резистора подключен к выходу широтно-импульсного модулятора микроконтроллера, вторые выводы первого, третьего, четвертого и шестого резисторов подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому дискретным выходам микроконтроллера.

2. Микроконтроллерный измерительный преобразователь с уравновешиванием резистивного моста Уитстона методом широтно-импульсной модуляции по п.1, отличающийся тем, что в качестве второго резистора включен резистивный датчик.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности может быть использовано в спектроскопии диэлектриков для исследования диэлектрических характеристик веществ, знание которых необходимо при дистанционном электромагнитном зондировании, диэлектрическом каротаже, изучении молекулярного строения вещества.

Микроконтроллерный измерительный преобразователь сопротивления в двоичный код с генератором, управляемым напряжением // 2502076

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения активного сопротивления, и может быть использовано для измерения физических величин, контролируемых резистивными датчиками.

Способ определения коэффициента потерь tgδ диэлектриков // 2501028

Изобретение относится к СВЧ технике, а именно к способам определения коэффициента потерь tgδ диэлектриков методом объемного резонатора. Образец измеряемого диэлектрика помещают в область максимального электрического поля резонатора, возбужденного на моде Е010, измеряют добротность резонатора с образцом и без образца и по результатам измерений судят о значении tgδ диэлектриков.

Микроконтроллерное устройство диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя по эдс самоиндукции // 2498327

Способ определения сопротивления и индуктивности рассеяния первичной обмотки трансформатора напряжения // 2491559

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения сопротивления и индуктивности рассеяния первичной обмотки трансформатора напряжения.

Сканирующий измеритель параметров cg-двухполюсников // 2488130

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам измерения эквивалентных параметров CG-двухполюсников. .

Способ и устройство для емкостного обнаружения объектов // 2486530

Способ измерения коэффициента затухания акустических волн в резонаторной структуре и ее добротности // 2477493

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при физических исследованиях механизмов затухания акустических волн в твердых телах и в технике при разработке и производстве акустических ВЧ и СВЧ резонаторов и фильтров.

Способ измерения комплексной диэлектрической проницаемости жидких и сыпучих веществ в широком диапазоне частот // 2474830

Способ измерения физической величины // 2473889

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения различных физических величин. .

Устройство для измерения свойства диэлектрического материала // 2528130

Предлагаемое техническое решение относится к измерительной технике. Техническим результатом заявляемого устройства является повышение точности измерения. Устройство для измерения свойства диэлектрического материала содержит генератор электромагнитных колебаний, первый развязывающий элемент, соединенный выходом со входом фазовращателя, передающую и приемную антенны, детектор, подключенный выходом к блоку обработки информации, и аттенюатор. Для достижения технического результата введены первый и второй волноводные тройники и второй развязывающий элемент, причем выход генератора электромагнитных колебаний соединен с первым плечом первого волноводного тройника, второе плечо которого подключено к входу первого развязывающего элемента, выход фазовращателя через аттенюатор соединен с первым плечом второго волноводного тройника, второе плечо которого подключено к приемной антенне, третье плечо второго волноводного тройника соединено со входом детектора, третье плечо первого волноводного тройника через второй развязывающий элемент соединен с передающей антенной. 1 ил.

Резонансное устройство для ближнеполевого свч-контроля параметров материалов // 2529417

Изобретение относится к области радиотехники и электроники и может быть использовано для измерения электрофизических параметров материалов. Технический результат заключается в повышении разрешающей способности до порядка 1 микрометра, а также повышении чувствительности до уровня, достаточного для определения параметров материалов с диэлектрической проницаемостью в диапазоне 1.5÷400 и проводимостью в диапазоне 2·10-2 Oм-1·м-1÷107 Ом-1·м-1.Заявленное устройство содержит СВЧ-генератор с подключенным к нему прямоугольным волноводом, имеющим измерительное устройство с волноводной резонансной системой в качестве оконечного устройства, причем оконечное устройство содержит емкостную металлическую диафрагму, согласно решению на емкостную металлическую диафрагму наложен плоскопараллельный образец диэлектрика с площадью, равной площади фланца волновода, а на образец диэлектрика наложен зонд в виде металлической проволоки с длиной от 12 до 20 мм и диаметром от 0,1 до 0,5 мм с заостренным концом, изогнутым под прямым углом, отрезок зонда большей длины расположен на диэлектрической пластине перпендикулярно щели в диафрагме, отрезок зонда с заостренным концом меньшей длины перпендикулярен плоскости образца диэлектрика, при этом толщина плоскопараллельного образца диэлектрика t выбрана из условия t ε 〈 〈 λ в , где λв - длина волны основного типа в волноводе, ε - диэлектрическая проницаемость пластины. 3 ил., 1 прим. .

Накопительный измеритель параметров диссипативных cg-двухполюсников // 2536333

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения параметров диссипативных CG-двухполюсников - эквивалентов емкостных измерительных преобразователей. Устройство содержит первый и второй источники образцового напряжения, электронный коммутатор, измеряемый CG-двухполюсник. Новым является использование для измерения параметров CG-двухполюсников электронного ключа, интегратора, переменного резистора R, операционного усилителя, инвертирующего триггера Шмидта, измерителя временных интервалов и измерителя напряжения. Технический результат заключается в повышении чувствительности к малым емкостям измерительного преобразователя на низких частотах. 3 ил.

Устройство для измерения параметров диэлектриков при нагреве // 2539124

Изобретение относится к технике измерения диэлектриков методом объемного резонатора при нагреве в диапазоне температур до 2000°C. Устройство содержит цилиндрический резонатор, ограниченный с одной стороны торцевой стенкой волновода СВЧ, а с другой стороны подвижным поршнем со штоком, загрузочное окно для установки образца исследуемого материала, измеритель температуры, подвод защитного газа, механизм перемещения поршня со штоком. При этом торцевая стенка волновода СВЧ выполнена водоохлаждаемой, а нагреватель содержит ряд трубчатых элементов из графита с односторонним выводом на токоподводы. Поршень установлен на полом составном штоке, нагреваемая часть которого выполнена в виде тонкостенной трубы из термостойкого материала, а другая в виде трубы с водяным охлаждением и снабжена фланцем с уплотнительной прокладкой. Причем к водоохлаждаемой части штока герметично подсоединен оптический пирометр, а шток закреплен на платформе модуля линейного перемещения. Механизм перемещения поршня со штоком включает два последовательно работающих модуля линейных перемещений с электромеханическими приводами, совмещенных с единым датчиком измерения перемещений, а подвод защитного газа размещен в зоне окуляра пирометра. Технический результат заключается в повышении точности измерения параметров диэлектриков при температурах до 2000°C и автоматизации процесса измерения. 1 ил.

Устройство для измерения параметров диэлектриков на сверхвысоких частотах // 2539125

Изобретение относится к технике измерения диэлектриков методом объемного резонатора при нормальной температуре. Устройство содержит волновод СВЧ, резонатор с цилиндрической частью, ограниченный с одной стороны торцевой стенкой волновода СВЧ, а с другой стороны короткозамыкающим поршнем с возможностью осевого перемещения внутри резонатора, механизм перемещения поршня и блок радиоизмерительного оборудования. При этом волновод СВЧ, цилиндр резонатора и механизм перемещения установлены в едином цилиндрическом корпусе. Цилиндр резонатора установлен внутри корпуса с возможностью осевого перемещения и снабжен зажимами для фиксации в корпусе, а поршень посредством штока закреплен на платформе модуля осевого перемещения с приводом от серводвигателя, совмещенного с измерителем линейного перемещения. Серводвигатель оснащен системой автоматического управления, связанной с радиометрическим блоком фиксации резонансного положения поршня. Технический результат заключается в повышении точности измерения параметров диэлектриков и автоматизации процесса измерения. 1 ил.

Способ измерения резонансной частоты // 2541119

Изобретение относится к измерительной технике. В частности, оно может быть использовано в радиочастотных резонансных датчиках. Способ измерения заключается в том, что периодически на вход резонатора подают колебания с частотой, изменяющейся дискретно с заданным шагом в прямом и обратном направлении по симметричному закону в диапазоне изменения измеряемой резонансной частоты. При этом формируют случайный сигнал, которым модулируют колебания, подаваемые на вход резонатора, фиксируют в каждом полупериоде этих изменений экстремум АЧХ резонатора и соответствующую этому экстремуму частоту и определяют резонансную частоту как среднее значение зафиксированных частот экстремумов за n-ое количество периодов указанных изменений, которое рассчитывают по формуле n≥(Δf/δa)2/8, где Δf - шаг перестройки частоты колебаний, подаваемых на вход резонатора; δa - требуемая абсолютная погрешность определения резонансной частоты. При этом модулируют случайным сигналом амплитуду колебаний, подаваемых на вход резонатора. Технический результат - повышение точности измерений. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Микроконтроллерное устройство диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя // 2546827

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к устройствам для контроля качества изоляции, характеризуемого ее пробивным напряжением, и может быть использовано в средствах для диагностики состояния межвитковой изоляции обмотки асинхронного или синхронного двигателя. Микроконтроллерное устройство диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя содержит (фиг.) МК 1, делитель напряжения 2, управляемый источник опорного напряжения 3, первый управляемый ключ 4, индикатор 5, источник постоянного напряжения 6, диагностируемую обмотку электродвигателя 7, второй ключ 8 и образцовую индуктивность 9. Первый вывод источника постоянного напряжения 6 подключен к первым выводам индуктивностей 7 (диагностируемая обмотка электродвигателя) и 9 (образцовая индуктивность), вторые выводы которых подключаются ко второму выводу второго ключа, который может находиться либо в «верхнем» (подключается индуктивность 7), либо в «нижнем» (подключается образцовая индуктивность 9) положении. Первый вывод второго ключа подключен ко вторым выводам первого управляемого ключа и делителя напряжения. Вывод управления первого ключа подключен к МК 1, вход управления источника опорного напряжения 3 подключен в выходу широтно-импульсного модулятора (на фиг. не показан) МК 1, выход источника опорного напряжения 3 подключен к первому входу аналогового компаратора (на фиг. не показан) МК 1, ко второму входу аналогового компаратора МК 1 подключен средний вывод делителя напряжения 2, первый крайний вывод делителя напряжения 2 подключен к первым выводам первого управляемого ключа 4 и источника постоянного напряжения 6, индикатор 5 подключен к выходу соответствующего порта МК 1. Технический результат заключается в повышении точности устройства за счет организации сравнения ЭДС самоиндукции образцовой и диагностируемой обмоток. 1 ил.

Способ измерения диэлектрической проницаемости материалов и устройство для его осуществления // 2548064

Изобретение относится к области измерения характеристик материалов и может быть использовано для определения диэлектрической проницаемости изоляционных композитных и других материалов. Способ основан на измерении комплексного коэффициента отражения электромагнитных волн от отрезка линии передачи, на конце которого устанавливают калибровочные меры и испытуемый образец материала, с последующей обработкой материалов. На входе отрезка линии передачи с волновым сопротивлением Zв параллельно ему подключают резистивный элемент с сопротивлением R=(0,1-0,2)Zв, по результатам калибровочных измерений определяют параметры рассеяния цепи, соединяющей плоскость измерения коэффициента отражения с плоскостью подключения испытуемого участка линии с испытуемым образцом. Обрабатывая массив данных, находят диэлектрическую проницаемость и тангенс угла потерь испытуемого материала. Предложено устройство для осуществления способа. Технический результат заключается в повышении точности определения диэлектрической проницаемости в широком диапазоне частот. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

Свч-способ определения диэлектрической проницаемости и толщины покрытий на металле // 2552106

Предложен способ определения диэлектрической проницаемости и толщины твердых образцов на металле. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения толщины и диэлектрической проницаемости материала на металле. Способ предусматривает возбуждение электромагнитного колебания определенной пространственной структуры и измерение резонансных частот при замене одного из торцов резонатора образцом поочередно стороной покрытия и металла, для чего дополнительно на одной из торцевых стенок устанавливают диэлектрик высотой h, диэлектрической проницаемостью εд и диаметром, равным диаметру резонатора, возбуждают пространственное колебание типа H011, измеряют резонансные частоты резонатора f1 и f2 соответственно при установке на открытую противоположную торцевую стенку образца поочередно стороной покрытия и металлической подложки, закрывают открытую торцевую стенку, измеряют резонансные частоты f3 и f4 соответственно при замене другой торцевой стенки, где расположен возмущающий диэлектрик, образцом поочередно стороной покрытия и металлической подложки, по разности частот Δf21=f2-f1 определяют толщину покрытия Δh, а по разности Δf43-Δf21 определяют диэлектрическую проницаемость εn покрытия на металле, где Δf43=f4-f3, при этом, варьируя высоту h и диэлектрическую проницаемость εд возмущающего резонатор диэлектрика, можно изменять чувствительность к диэлектрической проницаемости εn покрытия на металле. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Система емкостного измерения // 2552878

Группа изобретений относится к медицине и может быть использована для емкостного измерения физического движения в пациенте, который содержит изменяющиеся во времени статические заряды. Система содержит зонд и электрет или сочетание электрически проводящего элемента и генератора напряжения, выполненного с возможностью обеспечения постоянного во времени статического заряда. Электрет или электрически проводящий элемент могут быть механически и электрически соединены с пациентом так, что они механически перемещаются с пациентом и подвергаются действию содержащегося изменяющегося во времени статического заряда. Зонд расположен удаленно от электрета или сочетания электрически проводящего элемента и генератора напряжения и имеет с ними бесконтактное емкостное соединение, такое, что относительное механическое движение между зондом и электретом или проводящим элементом вызывает изменения в выходном измерительном сигнале зонда. Постоянный во времени электрический статический заряд уменьшает вызванные изменяющимся во времени статическим зарядом искажения в выходном измерительном сигнале. При этом прикрепляют элемент, содержащий постоянный во времени электрический заряд, в месте измерения пациента так, что элемент содержит изменяющиеся во времени статические заряды. Формируют измерительный сигнал посредством емкостного измерения механического движения в пациенте с использованием зонда, который расположен удаленно от элемента, места измерения и объекта, так что зонд выполняет бесконтактное измерение механических движений объекта. Применение изобретений позволит повысить точность емкостного измерения пациента. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 5 ил.