Измерительный мост с повышенным быстродействием

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в датчиковых системах для преобразования сигналов сенсоров (ускорения, давления, радиации и т.п.) в напряжение. Технический результат - повышение быстродействия. Измерительный мост с повышенным быстродействием содержит первый (1), второй (4), третий (6) и четвертый (8) измерительные резисторы, первый (9) и второй (10) паразитные конденсаторы, связанные соответственно с первым (3) и вторым (7) выводами измерительной диагонали. В схему введены первый (11) и второй (12) инвертирующие усилители напряжения, первый (13) и второй (14) корректирующие конденсаторы, причем вход первого (11) инвертирующего усилителя напряжения подключен ко второму (7) выводу измерительной диагонали, а первый (13) корректирующий конденсатор включен между выходом первого (11) инвертирующего усилителя напряжения и первым (3) выводом измерительной диагонали, вход второго (12) инвертирующего усилителя напряжения соединен с первым (3) выводом измерительной диагонали, а второй (14) корректирующий конденсатор включен между выходом второго (12) инвертирующего усилителя напряжения и вторым (7) выводом измерительной диагонали. 11 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в датчиковых системах для преобразования сигналов быстродействующих сенсоров (ускорения, давления, радиации и т.п.) в напряжение.

Классические и специальные измерительные мосты [1-41] являются базовым элементом различных систем измерения параметров физических величин. В качестве одного или нескольких элементов моста могут применятся фотоприемные устройства, тензорезисторы, датчики радиации, СВЧ-излучения и другие типы сенсоров.

Одной из тенденций в проектировании современных измерительных систем является повышение быстродействия. Однако классический измерительный мост может (в ряде случаев) быть достаточно инерционным, что связано с наличием паразитных емкостей в его измерительной диагонали. Это емкость образуется за счет собственных емкостей сенсоров, их соединительных проводников, а также входных емкостей преобразователей сигналов измерительной диагонали (операционных усилителей и т.п.).

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является измерительный мост по патентной заявке US 2001/0035758. Он содержит (фиг. 1) первый 1 измерительный резистор, включенный между общей шиной источника питания 2 и первым 3 выводом измерительной диагонали, второй 4 измерительный резистор, подключенный между первым 3 выводом измерительной диагонали и источником питания 5, третий 6 измерительный резистор, включенный между источником питания 5 и вторым 7 выводом измерительной диагонали, четвертый 8 измерительный резистор, включенный между вторым 7 выводом измерительной диагонали и общей шиной источника питания 2, первый 9 и второй 10 паразитные конденсаторы, связанные соответственно с первым 3 и вторым 7 выводами измерительной диагонали.

Существенный недостаток измерительного моста-прототипа состоит в том, что он имеет низкое быстродействие из-за влияния на переходные процессы паразитных емкостей, связанных с измерительной диагональю.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении быстродействия - уменьшении времени переходного процесса при скачкообразном изменении сопротивлений резисторов, образующих структуру моста.

Поставленная задача достигается тем, что в измерительном мосту фиг. 1, содержащем первый 1 измерительный резистор, включенный между общей шиной источника питания 2 и первым 3 выводом измерительной диагонали, второй 4 измерительный резистор, подключенный между первым 3 выводом измерительной диагонали и источником питания 5, третий 6 измерительный резистор, включенный между источником питания 5 и вторым 7 выводом измерительной диагонали, четвертый 8 измерительный резистор, включенный между вторым 7 выводом измерительной диагонали и общей шиной источника питания 2, первый 9 и второй 10 паразитные конденсаторы, связанные соответственно с первым 3 и вторым 7 выводами измерительной диагонали, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 11 и второй 12 инвертирующие усилители напряжения, первый 13 и второй 14 корректирующие конденсаторы, причем вход первого 11 инвертирующего усилителя напряжения подключен ко второму 7 выводу измерительной диагонали, а первый 13 корректирующий конденсатор включен между выходом первого 11 инвертирующего усилителя напряжения и первым 3 выводом измерительной диагонали, вход второго 12 инвертирующего усилителя напряжения соединен с первым 3 выводом измерительной диагонали, а второй 14 корректирующий конденсатор включен между выходом второго 12 инвертирующего усилителя напряжения и вторым 7 выводом измерительной диагонали.

На фиг. 1 показана схема измерительного моста-прототипа для двух классических случаев подключения к нему источников питания - в виде источника напряжения (фиг. 1а) или в виде источника тока (фиг. 1б).

На фиг. 2 показана схема заявляемого измерительного моста с повышенным быстродействием в соответствии с формулой изобретения.

На фиг. 3 приведена заявляемая схема измерительного моста фиг. 2 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов базового матричного кристалла АБМК_1.3 (АБМК_2.1).

На фиг. 4 представлена осциллограмма выходных напряжений предлагаемого измерительного моста фиг. 3 (мелкий масштаб) при отсутствии емкостей коррекции (С1314=Ck=1фΦ).

На фиг. 5 приведена осциллограмма переднего фронта выходных напряжений предлагаемого измерительного моста фиг. 3 при изменении емкостей коррекции C13=C14=Ck в диапазоне 0÷20пΦ.

На фиг. 6 показана осциллограмма заднего фронта выходных напряжений предлагаемого измерительного моста фиг. 3 при изменении емкостей коррекции C13=C14=Ck в диапазоне 0÷20пΦ.

На фиг. 7 приведена осциллограмма дифференциального выходного напряжения (V(Out1)-V(Out2)) измерительного моста фиг. 3 при C13=C14=Ck=1фΦ (мелкий масштаб).

На чертеже фиг. 8 представлена осциллограмма переднего фронта дифференциального выходного напряжения (V(Out1)-V(Out2)) измерительного моста фиг. 3 при C13=C14=Ck=0÷20пΦ (крупный масштаб).

На фиг. 9 показана осциллограмма заднего фронта дифференциального выходного напряжения (V(Out1)-V(Out2)) измерительного моста фиг. 3 при C13=C14=Ck=0÷20 пΦ.

На фиг. 10 представлена частотная зависимость коэффициента преобразования недифференциального тока элементов G2 (G1) в не дифференциальное выходное напряжение (V(OUT1)/I(G2)) измерительного моста фиг. 3 при C13=C14=Ck=0÷20пΦ.

На фиг. 11 приведена частотная зависимость коэффициента преобразования дифференциального тока элементов G1, G2 в дифференциальное выходное напряжение uвых.дифф=(IG1-IG2)⋅(G2+G1) измерительного моста фиг. 3 при C13=C14=Ck=0÷20пΦ.

Измерительный мост с повышенным быстродействием фиг. 2 содержит первый 1 измерительный резистор, включенный между общей шиной источника питания 2 и первым 3 выводом измерительной диагонали, второй 4 измерительный резистор, подключенный между первым 3 выводом измерительной диагонали и источником питания 5, третий 6 измерительный резистор, включенный между источником питания 5 и вторым 7 выводом измерительной диагонали, четвертый 8 измерительный резистор, включенный между вторым 7 выводом измерительной диагонали и общей шиной источника питания 2, первый 9 и второй 10 паразитные конденсаторы, связанные соответственно с первым 3 и вторым 7 выводами измерительной диагонали. В схему введены первый 11 и второй 12 инвертирующие усилители напряжения, первый 13 и второй 14 корректирующие конденсаторы, причем вход первого 11 инвертирующего усилителя напряжения подключен ко второму 7 выводу измерительной диагонали, а первый 13 корректирующий конденсатор включен между выходом первого 11 инвертирующего усилителя напряжения и первым 3 выводом измерительной диагонали, вход второго 12 инвертирующего усилителя напряжения соединен с первым 3 выводом измерительной диагонали, а второй 14 корректирующий конденсатор включен между выходом второго 12 инвертирующего усилителя напряжения и вторым 7 выводом измерительной диагонали.

Рассмотрим работу сбалансированного измерительного моста фиг. 2 для случая, когда сопротивления второго 4 и третьего 6 измерительных резисторов изменяются одинаково и противофазно, что обеспечивает одинаковое, но противофазное изменение напряжений на первом 3 и втором 7 выводах измерительной диагонали. Причем комплексы токов через второй 4 и третий 6 измерительные резисторы равны: .

Наличие первого 9 и второго 10 паразитных конденсаторов не приводит в схеме моста-прототипа к быстрому изменению uвых.1(t) и uвых.2(t) и вызывает медленный перезаряд данных конденсаторов с соответствующими токами Is4 и Is6.

В предлагаемом измерительном мосте напряжение uвых.1 передается через второй 12 инвертирующий усилитель напряжения на левый вывод второго 14 корректирующего конденсатора, что вызывает ток . За счет выбора Ky1 и C14 можно обеспечить равенство . Как следствие, в заявляемой схеме в узел 7 (второй вывод измерительной диагонали) добавляется дополнительный перезаряжающий ток I14=I10, что вызывает более быстрое изменение uвых.2.

Аналогичные выводы можно сделать и для первого 3 вывода измерительной диагонали.

Как показывает компьютерное моделирование заявляемой схемы измерительного моста, за счет введения новых элементов, его быстродействие увеличивается на 1-2 порядка.

Таким образом, при включении емкостей коррекции первого 13 и второго 14 корректирующих конденсаторов, в соответствии с формулой изобретения, время установления переходного процесса в предлагаемом измерительном мосте уменьшается на один - два порядка.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент DE 3142325.

2. Патент EP 0078898.

3. Патент US 4.528.499.

4. Патент JP 58108466.

5. Патентная заявка US 2009/167432.

6. Патент US 4.595.884.

7. Патент US 4.484.146, fig. 1.

8. Патентная заявка US 2005/0212598 fig. 6.

9. Патент Канады 1.268.270.

10. Патент US 4.229.692.

11. Патент US 4.484.146.

12. Патент US 4.063.447.

13. Патент US 8.330.537.

14. Патентная заявка US 2001/0035758.

15. Патент EP 1703262.

16. Патент EP 2587270.

17. Патент US 4.611.163.

18. Патент US 4.595.889.

19. Патент US 5.159.277.

20. Патент US 4.639.611.

21. Патент US 4.605.905.

22. Патент EP 1416286.

23. Патент US 5.631.602.

24. Патент EP 0009231.

25. Патент RU 2171473.

26. Патент RU 2118226.

27. Патент RU 2071065.

28. Патент RU 2265229.

29. Патент RU 2397500.

30. Патент RU 2344429.

31. Патент RU 2335776

32. Патент RU 2327174.

33. Патент RU 2326389.

34. Патент RU 2376608.

35. Патент SU 1830463.

36. Патент RU 2327174.

37. Патент RU 2284530.

38. Патент RU 2238570.

39. Патент RU 2335776.

40. Патент RU 2171473.

41. Патент RU 2388000.

Измерительный мост с повышенным быстродействием, содержащий первый (1) измерительный резистор, включенный между общей шиной источника питания (2) и первым (3) выводом измерительной диагонали, второй (4) измерительный резистор, подключенный между первым (3) выводом измерительной диагонали и источником питания (5), третий (6) измерительный резистор, включенный между источником питания (5) и вторым (7) выводом измерительной диагонали, четвертый (8) измерительный резистор, включенный между вторым (7) выводом измерительной диагонали и общей шиной источника питания (2), первый (9) и второй (10) паразитные конденсаторы, связанные соответственно с первым (3) и вторым (7) выводами измерительной диагонали, отличающийся тем, что в схему введены первый (11) и второй (12) инвертирующие усилители напряжения, первый (13) и второй (14) корректирующие конденсаторы, причем вход первого (11) инвертирующего усилителя напряжения подключен ко второму (7) выводу измерительной диагонали, а первый (13) корректирующий конденсатор включен между выходом первого (11) инвертирующего усилителя напряжения и первым (3) выводом измерительной диагонали, вход второго (12) инвертирующего усилителя напряжения соединен с первым (3) выводом измерительной диагонали, а второй (14) корректирующий конденсатор включен между выходом второго (12) инвертирующего усилителя напряжения и вторым (7) выводом измерительной диагонали.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а конкретно к измерению электрических параметров двухполюсников, используемых в качестве датчиков физических процессов (температуры, давления, уровня жидких и сыпучих сред и др.) на промышленных объектах, транспортных средствах, а также в системах измерения уровня заправки ракетно-космической техники.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, автоматике и промэлектронике, в частности оно позволяет определять параметры четырехэлементных двухполюсников или параметры датчиков с четырехэлементной схемой замещения.

Предлагаемый способ относится к системам автоматизации контроля электрохимической защиты стальных подземных коммуникаций, в том числе магистральных трубопроводов транспортировки нефти и газа, и может использоваться при оснащении контролируемых пунктов (КП) устройствами телемеханики в системах дистанционного контроля электрохимической защиты.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для имитации сигналов мостовых тензорезисторных датчиков при проведении метрологических исследований и калибровке быстродействующих измерительных систем в автоматическом режиме.

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к мостовым схемам измерения. Устройство измерения отношения напряжения мостовых датчиков содержит рабочий (измерительный) мост 1, измерительная диагональ которого через последовательно соединенные усилитель 2, селектируемый пиковый детектор 3, запоминающую емкость 4, двуквадрантный генератор управляемой частоты 5 связана с диагональю питания моста 1.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, автоматике и промэлектронике, в частности, оно позволяет определять параметры четырехэлементных двухполюсников или параметры датчиков с четырехэлементной схемой замещения.

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а конкретно к измерению электрических параметров двухполюсников, используемых в качестве датчиков физических процессов (температуры, давления, уровня жидких и сыпучих сред и др.) на промышленных объектах и транспортных средствах.

Изобретение относится к метрологии, в частности к средствам измерения параметров двухполюсников. Измеритель содержит генератор, четырехплечую мостовую цепь и нуль-индикатор.

Изобретение относится к измерительной технике и, в частности, к технике измерения параметров объектов в виде пассивных двухполюсников, имеющих многоэлементную схему замещения.

Предлагаемое изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при измерении уровня диэлектрической жидкости в системах контроля и диагностики технических объектов, а также в системах измерения уровня заправки ракетно-космической техники компонентами топлива.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения электрической емкости конденсаторов и конденсаторных датчиков различных технологических параметров (уровня, давления, перемещения и т.д.). Способ измерения электрической емкости основан на регистрации времени заряда t1 измеряемого конденсатора с момента подачи на него через резистор R постоянного напряжения Е до момента достижения на измеряемом конденсаторе СХ заранее принятого порогового значения напряжения U0. Заменив измеряемый конденсатор СХ образцовым конденсатором СО с известной емкостью, измеряют время заряда образцового конденсатора t2, не меняя при этом значения сопротивления резистора R, напряжения зарядного источника Е и заранее принятого порогового значения напряжения U0 на конденсаторе. Измеряемую емкость вычисляют по формуле: где СО - емкость образцового конденсатора; t1 - время заряда конденсатора с измеряемой емкостью СХ до заранее принятого порогового значения напряжения на его обкладках; t2 - время заряда конденсатора СО до заранее принятого порогового значения напряжения на его обкладках. Технический результат заключается в повышении точности измерения электрической емкости. 1 табл., 3 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а конкретно к измерению электрических параметров двухполюсников, используемых в качестве датчиков физических процессов (температуры, давления, уровня жидких и сыпучих сред и др.) на промышленных объектах, транспортных средствах, а также в системах измерения уровня заправки ракетно-космической техники. Устройство для определения уровня диэлектрического вещества содержит основной и дублирующий датчики уровня, эталон, два идентичных измерительных канала (основной и дублирующий), три идентичных измерителя уровня. Блоки, входящие в состав устройства, и их соединение показаны на фиг.1. Техническим результатом является повышение достоверности измерения параметров датчиков уровня заправки, удаленных с помощью длинной кабельной линии связи от средства измерения, а также повышение надежности устройства, заключающееся в защите от сбойных процессов в устройствах вычислительной техники, и от отказов электронной компонентной базы в измерительном канале. Технический результат обеспечивается троированием и перевязкой определителей уровня при дублированных измерительных каналах, а также применением встроенной системы диагностики, которая выполняет анализ достоверности выполненных измерений, и, в случае если какое-либо измерение не достоверно, выводится признак недостоверности. При этом все измеренные и расчетные значения величин сохраняются в памяти функциональных блоков устройства. 4 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в датчиковых системах для преобразования сигналов сенсоров в напряжение. Технический результат - повышение быстродействия. Измерительный мост с повышенным быстродействием содержит первый, второй, третий и четвертый измерительные резисторы, первый и второй паразитные конденсаторы, связанные соответственно с первым и вторым выводами измерительной диагонали. В схему введены первый и второй инвертирующие усилители напряжения, первый и второй корректирующие конденсаторы, причем вход первого инвертирующего усилителя напряжения подключен ко второму выводу измерительной диагонали, а первый корректирующий конденсатор включен между выходом первого инвертирующего усилителя напряжения и первым выводом измерительной диагонали, вход второго инвертирующего усилителя напряжения соединен с первым выводом измерительной диагонали, а второй корректирующий конденсатор включен между выходом второго инвертирующего усилителя напряжения и вторым выводом измерительной диагонали. 11 ил.

Наверх