Микроконтроллерный измерительный преобразователь сопротивления, емкости и напряжения в двоичный код



Микроконтроллерный измерительный преобразователь сопротивления, емкости и напряжения в двоичный код

 


Владельцы патента RU 2565813:

Хабаров Алексей Николаевич (RU)
Зароченцев Илья Александрович (RU)
Вострухин Александр Витальевич (RU)

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения активного сопротивления, емкости и напряжения. Микроконтроллерный измерительный преобразователь сопротивления, емкости и напряжения в двоичный код содержит четыре резистора, два генератора, управляемые напряжением и снабженные входами разрешения генерирования, и микроконтроллер; первые выводы резисторов подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому выходам микроконтроллера, вторые выводы первого и второго резисторов подключены к входу управления напряжением первого генератора, вторые выводы третьего и четвертого резисторов подключены к входу управления напряжением второго генератора, выходы генераторов подключены к счетным входам встроенных в микроконтроллер первого и второго двоичных счетчиков. Техническим результатом является повышение точности преобразования сопротивления, емкости и напряжения в двоичный код. 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, емкости и напряжения, и может быть использовано для измерения физических величин с использованием резистивных и емкостных датчиков, а также датчиков, выходным сигналом которых является напряжение.

Уровень техники

Известно устройство микроконтроллерное для измерения емкости и сопротивления, содержащее микроконтроллер (МК), емкостный датчик, конденсатор образцовой емкости, резисторы образцового и измеряемого сопротивления, первый, второй и третий резисторы и цифровой индикатор, причем резисторы образцового и измеряемого сопротивления первыми выводами подключены к первым обкладкам соответственно емкостного датчика и конденсатора образцовой емкости, цифровой индикатор подключен к МК, первые выводы первого, второго и третьего резисторов подключены к первому входу аналогового компаратора МК, вторые выводы первого и второго резисторов подключены соответственно к плюсовому и минусовому выводам питания МК, второй вывод третьего резистора подключен к первому выходу МК, первые выводы резисторов образцового и измеряемого сопротивления подключены ко второму входу аналогового компаратора МК, вторые выводы резисторов образцового и измеряемого сопротивлений подключены соответственно ко второму и третьему выходам МК, вторые обкладки емкостного датчика и конденсатора образцовой емкости подключены соответственно к четвертому и пятому выходам МК (см. пат. РФ №2392629, кл. G01R 27/26).

Недостаток известного решения - низкая точность, обусловленная влиянием изменения емкости под действием температуры на результат измерения активного сопротивления.

Известно устройство - микроконтроллерный измерительный преобразователь емкости и сопротивления в двоичный код, содержащий МК, емкостный датчик, конденсатор образцовой емкости, образцовый резистор, резистивный делитель напряжения и резистор измеряемого сопротивления, причем резисторы образцового и измеряемого сопротивления первыми выводами подключены к первым обкладкам соответственно емкостного датчика и конденсатора образцовой емкости, первые выводы резисторов делителя напряжения подключены к первому входу аналогового компаратора МК, а вторые выводы подключены соответственно к выводам питания МК, первые выводы образцового и измеряемого резисторов подключены ко второму входу аналогового компаратора МК, вторые выводы образцового и измеряемого резисторов подключены соответственно к первому и второму выходам МК, вторые обкладки емкостного датчика и конденсатора образцовой емкости подключены соответственно к третьему и четвертому выходам МК (см. пат. РФ №2391677, кл. G01R 27/26).

Недостаток известного решения - низкая чувствительность преобразователя, обусловленная организацией измерения относительно малого интервала времени, в течение которого осуществляется только один цикл переходного процесса в RC-цепи.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и принятое авторами за прототип, является микроконтроллерный измерительный преобразователь сопротивления в двоичный код с генератором, управляемым напряжением, содержащий МК, генератор, управляемый напряжением, первый, второй, третий и четвертый резисторы, причем первые выводы первого и второго резисторов подключены соответственно к первому и второму выходам МК, генератор, управляемый напряжением, причем первые выводы третьего и четвертого резисторов подключены соответственно к третьему и четвертому выходам МК, вторые выводы всех резисторов подключены к входу управления напряжением генератора, выход которого подключен к счетному входу, встроенного в МК двоичного счетчика, пятый выход МК подключен к входу разрешения генерирования генератора (см. пат. РФ №2502076, кл. G01R 27/26).

Недостаток известного решения - низкая точность преобразователя, обусловленная тем, что преобразования образцового и измеряемого сопротивления в двоичный код производятся в разные интервалы времени, в течение которых электромагнитные помехи могут оказывать различное действие на образцовую и измерительную цепи.

Раскрытие изобретения

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

Технический результат достигается тем, что в микроконтроллерный измерительный преобразователь сопротивления, емкости и напряжения в двоичный код, содержащий МК, управляемый напряжением первый генератор, первый, второй, третий и четвертый резисторы, причем первые выводы всех резисторов подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому выходам МК, вторые выводы первого и второго резисторов подключены к входу управления напряжением первого генератора, выход которого подключен к счетному входу, встроенного в МК первого двоичного счетчика, пятый выход МК подключен к входу разрешения генерирования управляемого напряжением первого генератора, введен управляемый напряжением второй генератор, причем вторые выводы третьего и четвертого резисторов подключены к входу управления напряжением второго генератора, выход которого подключен к счетному входу, встроенного в МК второго двоичного счетчика, пятый выход МК подключен к входу разрешения генерирования управляемого напряжением второго генератора. Управляемые напряжением первый и второй генераторы снабжены времязадающими RC-цепями, причем в качестве одного из емкостных элементов времязадающей RC-цепи одного из генераторов может быть включен в качестве измеряемой емкости емкостный датчик.

Краткое описание чертежей

На фиг. представлена структурная схема микроконтроллерного измерительного преобразователя сопротивления, емкости и напряжения в двоичный код.

Осуществление изобретения

Микроконтроллерный измерительный преобразователь сопротивления, емкости и напряжения в двоичный код содержит (фиг.) первый резистор 1 (R1), второй резистор 2 (R2), третий резистор 3 (R3), четвертый резистор 4 (R4), управляемые напряжением и снабженные входами разрешения генерирования генераторы 5 и 6, и МК 7. В качестве генераторов 5 и 6 используются RC-генераторы, построенные, например, на базе микросхем NE555 (отечественный аналог КР1006ВИ1), NE556 - два NE555 выполнены на одном полупроводниковом кристалле.

Первые выводы резисторов 1, 2, 3 и 4 подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому выходам МК 7, вторые выводы резисторов 1 и 2 подключены к входу управления напряжением генератора 5, вторые выводы резисторов 3 и 4 подключены к входу управления напряжением генератора 6, выходы генераторов 5 и 6 подключены к счетным входам встроенных в МК 7 соответственно первого и второго двоичных счетчиков (на фиг. двоичные счетчики не показаны), пятый выход МК 7 подключен к входам разрешения генерирования генераторов 5 и 6.

Микроконтроллерный измерительный преобразователь сопротивления, емкости и напряжения в двоичный код работает следующим образом.

Резисторы 1, 2 и 3 являются образцовыми, причем R1=R2, резистор 4 - датчик, например термосопротивление. МК 7 выводит на пятый выход логический уровень, запрещающий генерирование, т.е. останавливает генераторы 5 и 6 и очищает двоичные счетчики. На первый и третий выходы МК 7 выводит логические «1», а на второй и четвертый выходы выводит логические «0» и запускает генераторы 5 и 6 путем вывода на пятый выход соответствующего логического уровня. Генераторы 5 и 6 начинают генерировать прямоугольные импульсы. Генератор 5 генерирует прямоугольные импульсы с образцовым периодом TO. Значение TO зависит от образцового напряжения UO на управляющем напряжением входе генератора 5. Напряжение UO в свою очередь зависит от соотношения сопротивлений образцовых резисторов 1 и 2 и определяется выражением

U O = U H R 2 / ( R 1 + R 2 ) ,                         (1)

где UH - напряжение высокого уровня, незначительно меньше (на 0,02 В) напряжения источника питания МК 7. МК 7 измеряет образцовый интервал времени, определяемый выражением: tO=NO·TO, где NO - количество образцовых периодов, подсчитываемых первым двоичным счетчиком МК 7. Количество NO задается программным способом. Интервал времени tO (временные ворота) заполняется счетными импульсами от внутреннего тактового генератора МК 7. МК 7 сохраняет значение образцового интервала времени tO в памяти.

Генератор 6 генерирует прямоугольные импульсы с текущим периодом TX. Значение TX зависит от напряжения UX на управляющем напряжением входе генератора 6. Напряжение UO в свою очередь зависит от соотношения сопротивлений образцового резистора 3 и измеряемого 4 и определяется выражением:

U X = U H R 4 / ( R 3 + R 4 ) ,                     (2)

МК 7 измеряет текущий интервал времени, определяемый выражением: tX=NO·TX, и сохраняет значение текущего интервала времени tX в памяти.

Затем МК 6 определяет разность временных интервалов в соответствии с выражением Δt=tX-tO. Значение Δt зависит от значения разности напряжений, определяемого выражением ΔU=UX-UO. Так как в выражение (2) входит сопротивление R4, которое является сопротивлением датчика и образцовое сопротивление R3, а в выражение (1) входят образцовые сопротивления R1 и R2, значения которых известны, то Δt является функцией изменения R4. МК 7 преобразует Δt в двоичный код и сохраняет в оперативной памяти для дальнейшего использования.

При измерении напряжения МК 7 работает следующим образом. Измеряемое напряжение подается на вход управления напряжением генератора 6. МК 7 переводит третий и четвертый выходы в высокоомное состояние. Состояние первого и второго выходов МК 7 не меняет. Затем МК 7 повторяет цикл, описанный при измерении сопротивления резистора 4, и определяет разницу между измеряемым напряжением и образцовым, а также знак изменения измеряемого напряжения относительно образцового.

Если требуется использовать внешнее образцовое напряжение, то выход источника внешнего образцового напряжения должен быть подключен к входу управления напряжением генератора 5, при этом МК 7 переводит первый и второй выходы в высокоомное состояние и повторяет ранее описанный цикл измерения сопротивления резистора 4.

Если необходимо измерять емкость, например, емкостного датчика, то этот датчик включается в качестве емкостного элемента во времязадающую RC-цепь одного из управляемых напряжением генераторов (на фиг. времязадающие RC-цепи не показаны). Второй управляемый напряжением генератор содержит во времязадающей RC-цепи образцовую емкость. Все резисторы в лучшем случае должны быть образцовыми и равны между собой, т.е. R1=R2=R3=R4. МК 7 выполняет цикл преобразования по ранее описанному алгоритму измерения сопротивления резистора 4, определяет разность частот генераторов 5 и 6 и по известным выражениям определяет приращение емкости, емкостного датчика.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными решениями обладает повышенной точностью, в результате использования двух генераторов, выполненных на одном полупроводниковом кристалле, что позволяет избавиться от влияния внешних факторов, например температуры, электромагнитных помех, нестабильности напряжения питания, процессов старения.

1. Микроконтроллерный измерительный преобразователь сопротивления, емкости и напряжения в двоичный код, содержащий микроконтроллер, управляемый напряжением первый генератор, первый, второй, третий и четвертый резисторы, причем первые выводы всех резисторов подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому выходам микроконтроллера, вторые выводы первого и второго резисторов подключены к входу управления напряжением первого генератора, выход которого подключен к счетному входу встроенного в микроконтроллер первого двоичного счетчика, пятый выход микроконтроллера подключен к входу разрешения генерирования управляемого напряжением первого генератора, отличающийся тем, что в него введен управляемый напряжением второй генератор, причем вторые выводы третьего и четвертого резисторов подключены к входу управления напряжением второго генератора, выход которого подключен к счетному входу встроенного в микроконтроллер второго двоичного счетчика, пятый выход микроконтроллера подключен к входу разрешения генерирования управляемого напряжением второго генератора.

2. Микроконтроллерный измерительный преобразователь сопротивления, емкости и напряжения в двоичный код по п. 1, отличающийся тем, что управляемые напряжением первый и второй генераторы снабжены времязадающими RC-цепями, причем в качестве одного из емкостных элементов времязадающей RC-цепи одного из генераторов может быть включен в качестве измеряемой емкости емкостный датчик.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области эксплуатации автомобильной техники и может быть использовано для диагностирования работоспособности электрической проводки автомобильной техники и поиска неисправностей при ремонте.

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.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения емкости и активного сопротивления, и может быть использовано в средствах для измерения и контроля неэлектрических величин емкостными и резистивными датчиками и передачи результата измерения по радиоканалу.

Техническое решение относится к технике резонансных радиотехнических измерений для вычисления и мониторинга комплексной диэлектрической проницаемости материалов.

Изобретение относится к технике СВЧ и предназначено для ответвления и регистрации прямой и отраженной микроволновой мощности в квазиоптическом зеркальном тракте большой мощности (1-500 кВт) при длительности импульса СВЧ 1-100 мс, в диапазоне частот 30-80 ГГц.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения емкости и активного сопротивления. Сущность изобретения заключается в снижении погрешности определения емкости и сопротивления за счет применения нескольких измерений с последующей их статистической обработкой.

Изобретение относится к устройствам для контроля процесса пропитки наполнителя полимерным связующим, в частности преформ, преимущественно в процессе инфузии, и может найти применение при изготовлении изделий из полимерных композиционных материалов как простой, так и сложной геометрической формы и различных размеров, в которых в качестве наполнителя могут быть использованы, например, преформы из стекло- или углеволокна.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при создании переносных устройств поиска присоединений с поврежденной изоляцией сетей постоянного оперативного тока.

Изобретение относится к технике электрических измерений и может быть использовано для измерения израсходованного ресурса электрической изоляции электрооборудования.

Изобретение относится к контролю электрических параметров и может быть применено в авиационной технике. Устройство состоит из основного блока и универсального соединителя.

Способ определения параметров прибора СВЧ, включающий измерение в n точках рабочей полосы частот его комплексных параметров рассеяния, моделирование его в рабочей полосе частот в виде эквивалентной схемы, содержащей активные и реактивные элементы, каждый из которых описывают соответствующим параметром, не зависящим от частоты, определение собственно параметров посредством математической процедуры. Причем эквивалентную схему прибора СВЧ представляют в виде Т-образного соединения трех комплексных сопротивлений Z1, Z2, Z3, при этом комплексное сопротивление Z3 включают параллельно, а комплексные сопротивления Z1 и Z2 включают последовательно входу и выходу прибора СВЧ слева и справа относительно комплексного сопротивления Z3 соответственно, каждое из трех комплексных сопротивлений представляют последовательным соединением активного элемента - сопротивления, которое описывают параметром Ri, и двух реактивных элементов - индуктивности, которую описывают параметром Li, и емкости, которую описывают параметром Ci, а определение собственно параметров осуществляют посредством двух математических процедур, при этом в первой определяют три комплексных сопротивления в n точках рабочей полосы частот, во второй - собственно параметры прибора СВЧ Ri, Li и Ci из соответствующих математических формул. Технический результат заключается в существенном упрощении способа и повышении точности определения. 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к измерительной технике. Способ включает преобразование измеряемой электрической величины и отсчет измеренной электрической величины. При этом возбуждают открытый резонатор электромагнитными колебаниями, воздействуют преобразованной электрической величиной на открытый резонатор, измеряют резонансную частоту открытого резонатора и по измеренной частоте открытого резонатора, производят отсчет величины измеряемой электрической величины. Техническим результатом заявляемого технического решения является повышение точности измерения электрической величины. 1 ил.

Изобретение относится к области наноэлектроники и может быть использовано в различных областях наноиндустрии. Заявлен способ исследования температурной зависимости электрического сопротивления пленочных образцов при нагреве. Для нагрева пленочного образца и измерения его электрического сопротивления образец помещают в кварцевый реактор, содержащий корпус, на внешней поверхности которого бифилярно намотан резистивный нагреватель, а в стенке корпуса, в центральной его части, установлена термопара с возможностью измерения температуры упомянутого образца. Причем образец внутри корпуса устанавливают в С-образных зажимах с плоскими губками, которые выполняют из вольфрамовой проволоки. С-образные зажимы раскрепляют на растяжках, которые выполняют в виде пружин из вольфрамовой проволоки меньшего диаметра. После чего при помощи резистивного подогревателя, размещенного на поверхности корпуса, производят нагрев образца до заданной температуры. Через С-образные зажимы и растяжки на образец подают измерительный ток и определяют напряжение. Необходимое расстояние от поверхности образца до измерительного элемента термопары и его центрирование по отношению к термопаре осуществляют при помощи упомянутых растяжек. Технический результат - повышение точности получаемых данных. 1 ил.

Изобретение относится к наноэлектронике и наноэлектромеханике. Заявленный кварцевый реактор для исследования температурной зависимости электрического сопротивления высокорезистивных объектов, преимущественно, пленочных образцов из нанокомпозиционных материалов, содержит корпус, на внешней поверхности которого бифилярно намотан резистивный нагреватель; внутри корпуса на растяжках, выполненных в виде пружин из вольфрамовой проволоки, установлены C-образные зажимы с плоскими губками для размещения исследуемого образца, выполненные из вольфрамовой проволоки, причем в стенке корпуса, в центральной его части, установлена термопара с возможностью измерения температуры упомянутого образца, размещаемого в C-образных зажимах. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения различных физических величин. Согласно способу возбуждают колебания в резонаторе на фиксированной частоте. При изменении начальной собственной частоты резонатора в фиксированных пределах [ f p 1 ,   f p 2 ] определяют его амплитудно-частотную характеристику, вычисляют площадь под ней, по которой судят о значении измеряемой физической величины. Причем в качестве резонатора применяют волноводный резонатор с оконечной нагрузкой с реактивным сопротивлением Хн, площадь под амплитудно-частотной характеристикой находят согласно соотношению , где - начальное, при номинальном значении измеряемой физической величины, значение Хн, [Хн1, Хн2] - фиксированные пределы изменения Хн0, соответствующие фиксированным пределам [ f p 1 ,   f p 2 ] , - амплитуда колебаний в волноводном резонаторе при величине Хн0 оконечной нагрузки. Технический результат заключается в упрощении процесса измерения. 2 ил.

Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к строительству воздушных линий электропередачи и заземляющих устройств. Для проектирования и строительства линий электропередачи проводятся изыскательские работы, при этом исследуется местность, определяются характеристики грунта, в том числе электрическое сопротивление земли. Для измерений электрического сопротивления земли в котловане предложена упрощенная конструкция измерительного устройства, состоящего из двух симметрично изогнутых штанг, соединенных шарниром. На штангах закрепляются измерительные электроды, штепсельные разъемы и провода, соединяющие их. Для измерений устройство устанавливается в котлован, подключаются измерительные приборы, с помощью рукояток штанги разводятся к стенкам котлована, электроды внедряются в землю, производятся измерения. Техническим результатом является повышение точности измерений электрического сопротивления земли, снижение массы измерительного устройства и времени, затрачиваемого на измерения. При этом предлагается измерять электрическое сопротивление непосредственно в котловане перед установкой опоры, а результаты измерений использовать при монтаже заземляющего устройства. 2 ил.

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано для контроля и определения динамических метрологических характеристик при производстве и эксплуатации токовых шунтов. Устройство для определения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик токовых шунтов содержит источник импульсного тока, в котором к первому выводу вторичной обмотки повышающего сетевого трансформатора (СТ) подключен однополупериодный выпрямитель, к которому через резисторный ограничитель тока заряда подключен накопитель энергии, соединенный со вторым выводом вторичной обмотки повышающего СТ. К резисторному ограничителю тока заряда подключен первый электрод коммутатора. Первичная обмотка повышающего СТ подключена к источнику напряжения переменного тока. Через контактные клеммы тестируемый токовый шунт подключен ко второму электроду коммутатора и второму выводу вторичной обмотки повышающего СТ. Эталонный трансформатор тока размещен между тестируемым токовым шунтом и контактными клеммами. Блок регистрации и обработки сигнала содержит первый и второй АЦП, первый и второй блоки быстрого преобразования Фурье (ББПФ), блок функционального преобразования, вычислительное устройство, дисплей, которые подключены к общей цифровой шине данных. Первый АЦП подключен к потенциальному выходу тестируемого токового шунта и к первому ББПФ. Второй АЦП подключен к выходу эталонного трансформатора тока и к второму ББПФ, который соединен с блоком функционального преобразования. Блок регистрации и обработки сигнала дополнительно содержит блок формирования треугольного импульса и блок сравнения спектров, которые подключены к общей цифровой шине данных. Блок формирования треугольного импульса подключен к входам первого и второго АЦП, а блок сравнения спектров подключен к выходам первого и второго ББПФ. Технический результат заключается в снижении влияния искажения спектра преобразуемых сигналов на определяемые амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики тестируемого шунта и уменьшение погрешности численных преобразований над спектрами на частотах, соответствующих высоким гармоникам спектров. 2 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для измерения сопротивления изоляции электрических сетей любого рода тока, находящихся под рабочим напряжением или обесточенных и изолированных от «земли». Согласно заявленному способу цикл измерения состоит из двух полуциклов. В начале первого полуцикла к контролируемой сети подключают источник регулируемого постоянного тока, по двум измеренным значениям напряжения вычисляют эквивалентную емкость и длительность интервала времени, необходимого для окончания переходного процесса. В соответствии с этим устанавливают временные интервалы процесса измерения. В конце первого полуцикла запоминают значения тока и среднего напряжения в точке подсоединения к контролируемой сети. В начале второго полуцикла изменяют направление тока источника регулируемого постоянного тока, производят аналогичные действия и обрабатывают результаты измерений по формуле, вычисляя величину сопротивления изоляции сети. Устройство для измерения сопротивления изоляции электрических сетей реализует указанный способ. Устройство содержит блок управления, первый блок управляемого тока, второй блок управляемого тока, блок подсоединения, регулируемый источник напряжения, блок фильтрации, блок измерения тока, блок измерения напряжения, блок вычисления емкости, блок формирования интервалов времени и выходное устройство. Технический результат заключается в уменьшении времени измерения сопротивления изоляции при наличии в контролируемой сети малых емкостей. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к медицине и может быть использовано для оценки функционального состояния организма. Способ определения составляющих импеданса биологического объекта состоит в измерении напряжения на биообъекте на границах диапазона, при этом определяют активное сопротивление и эквивалентную емкость тканей биообъекта по информативным параметрам амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), а именно - предельному напряжению и резонансной частоте, которые определяют по двум значениям напряжений на двух фиксированных частотах, являющихся границами диапазона. Из отношения предельного напряжения к резонансной частоте находят предельный ток исследуемой АЧХ, информативные и искомые параметры которой нормируют относительно эталонной АЧХ за счет определения известных составляющих импеданса образцового биологического объекта. Использование изобретения позволяет повысить точности измерения составляющих комплексного сопротивления биообъекта. 4 ил., 1 табл.
Наверх