Цифровой многоточечный измерительный мост

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ИТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

< 746300 1 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 240578 (21) 264021,7/18-21 (51)М. Кл. с присоединением заявки ¹

G 01 R 17/10

Государственный комитет

СССР но делам изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 07.0780. Бюллетень ¹25 (3).ПЖ 621. 317. .733 (088,8) Дата опубликования описания 07.0780

I (72) Автор изобретения

В. B. Беззубцев (71) Заявитель (54) ЦИФРОВОЙ МНОГОТОЧЕЧНЫЙ

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МОСТ внешняя часть мостовой схемы не может быть выполнена в виде четверть моста. Кроме того в устройстве не обеспечивается полная компенсация изэа конечных значений коэффициента усиления и выходного сопротивления операциснного усилителя; а также возможны погрешности измерения из-за его дрейфа чуля.

Известен цифровой многоточечный измерительный мост, содержащий мостовую схему, одно плечо которой образовано измерительными резисторами, например тенэореэисторами, включаемыми в плечо через коммутатор, а три плеча образованы постоянными резисторами, блок цифрового уравновешивания, содержащий четыре цифровые проводимости на разрядных эамыка ацих и раэмыкающих ключах, каждая из которых соединена с регистром, источник питания мостовой схемы, нульорган, один вход которого соединен с одной вершиной измерительной диагонали через переключатель, другой вход соединен непосредственно со второй вершиной измерительной диагонали, а выход соединен с блоками управления. В этом устройстве достигается значительная компенсация соI

Изобретение относится к измери-. тельной технике и может быть использовано при измерении температур и деформаций с помощью термо- и тенэорезисторов в комплекте с ЭВМ или специализ.ированными вычислительными устройствами.

Известен многоточечный измерительный мост, содержащий мостовую схему, внутренняя часть которой выполнена в виде полумоста из постоянных транзисторов, а внешняя часть представлена полумостами из измерительных резисторов, например тенэорезисторов, поочередно подключае- 15 мыми к внутреннему полумосту с.помощью коммутатора и операционных усилителей, источник питания мостовой схемы и нуль-орган. При этом контакты коммутатора И соединенные провода 20 включены в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя.

В результате достигается значительная компенсация сопротивления проводов и контактов коммутатора (1). 25

Недостатком этого устройства является воэможность компенсации только сопротивления проводов и контактов коммутатора, подключенных к вершинам питания моста, в связи с чем 3Q

746300

/ противления и контактов коммутатора ( при использовании во внешней части

" мостовой* схемы одного измерительного резистора в случае, если суммарное сопротивление провода и контакта коммутатора, примыкающих к измеритель-. ному резистору с одной стороны, равно компенсируемому сопротивлению, примыкающему к измерительному резистору с другой стороны. Компенсация осуществляется путем Формирования кода поправки на компенсируемое сопротивление (2).

Недостатком известного устройства является воэможность компенсации сопротивления проводов и контактов коммутатора только в случае, ес- IS ли компенснруемое сопротивление, примыкающее к измерительному резистору с одной стороны, равно компенсируемому сопротивлению, примыкающему к измерительному резистору с" другой 2О стороны, наличие погрешности иэ"эа неполной компенсации, а также наличие четырех цифровых проводимостей и

Регистров, что усложняет устройство.

Целью изобретения является повышение точности измерения эа счет полной компенсации сопротивления проводов и контактов коммутатора при произвольн м соотношении компенсируе- 3р мых сопротивлений.

Указанная цель достигается тем, что в цифровой многоточечный измерительный мост, содержащий мостовую схему, одно плечо которой образовано измерительными резисторами, на- . пример тенэорезисторами, включаемы ми в плечо через коммутатор, а три плеча образованы постоянными резисторами, блок цифрового уравновешй- вания, содержащий регистр и цифровую проводимость, образованную разряд-ными резисторами и разрядными переключателями, источник питания, один полюс которого соединен с одной вершиной диагонали питания, нуль-орган, один вход которого соединен с одной вершиной измерительной диагонали непосредственно, другой вход соединен со второй вершиной измерительной диагонали через переключатель, а выход 1О соединен с входом блока управления, выходы которого соединен с управляющими входами переключателя и блока цифрового уравновешивания, введены дополнительные переключатели, управляю щие входы которых соединены между собой и с выходом блока Управления, три шины цифровой проводимости подключены к четырем вершинам мостовой схемы через дополнительные переключатели, а второй полюс истс хника 60 питания - ко второй вершине диагона ли питания через дополнительный переключатель.

На чертеже представлена схема предложенного устройства. 65,gi - Яэн-Яо где Я, - проводимость i -го разрядного резистора 20 °

g - проводимость знакового резистора 19.

Сопротивления резисторов 2 — 4 мостовой схем@ выбираются: (Rã "з= " <2) — сопротивление резистора 2; сопротивление резистора 3; где Р

Устройство содержит измерительный резистор, например тенэорезистор 1, три постоянных резистора 2 — 4, образующих пассивные плечи мостовой схемы, источник 5 питания, нульорган 6, соединительные провода 7

10, коммутатор 11, контактами 12

14 которого тензорезистор 1 включается в мостовую схему, переключатель

15, изменяющий точку подключения входа нуль-органа 6 к вершине измерительной диагонали, переключатель

16, изменяющий точку подключения полюса источника 5 питания к вершине диагонали питания, блок 17 цифрового уравновешивания, состоящий из регистра 18 и цифровой проводимости, образованной знаковым 19 и разрядными 20 резисторами и переключателями

21, управляющие входы которых подключены к регистру 18, переключатели

22 - 24, посредством которых цифровая проводимость подключается к вершинам мостовой схемы, блок 25 управления> выходы которого соединены с управляк(щими входами переключателей 15, 16, 22, 23 и 24 и регистра

18, а вход соединен с выходом нульоргана 6. .Устройство работает следующим образом.

Как в режиме установки нуля, так и в режиме измерения для каждой измерительной точки производится три циф- . ровых уравновешивания моста. Каждое уравновешивание производится с помощью цифровой проводимости. При этом при уравновешивании изменяются проводимости двух смежных плеч моста резисторов 3 и 4 или резисторов 2 и 3.

В начальнйй момент каждого уравновешивания состояние резистора 19 цифровой проводимости, являющегося знаковым, противоположно состоянию разрядных резисторов 20, так как знаковый резистор 19 подключен ко входу переключателя 2?, а разрядные резисторы 20 - ко входу переключателя

24.

Весовые соотношейия проводимостей разрядйых резисторов 20 соответствуют двоичному или двоично-десятичному коду, а суммарная проводимость резисторов 20 равна проводимости знакового резистора 19, т. е.

746300 (2а) 3 4 0 соответствующие проводимости ре- 5 зисторов..2 — 4.

Алгоритм работы устройства организован так, что во время первого уравновешивания компенсируемые сопротивления проводов 7 и 9 и кон- 10 тактов 12 и 14 коммутатора 11 скла-. дываются с сопротивлением тензореэистора 1. Во время второго уравновешивания с сопротивлением тенэореэистора 1 складывается только суммар- 15 ное сопротивление провода 7 и контакта 12, а во время третьего уравновешивания - только суммарное сопротивление провода 9 и контакта 14.

Соответственно, во время второго уравновешивания суммарное сопротивление провода 9 и контакта 14 складывается с сопротивлением резистора

4, а во время третьего уравновешивания суммарное сопротивление провода

7 и контакта 12 складывается с сопротивлением резистора 2.

Синхронно с этим посредством переключателей 22 — 24, производится переключение цифровой проводимости так, чтобы компенсируемое сопро-З0 тивление складывалось с сопротивлением того из резисторов 2 и 4 мостовой схемы, который в уравновешивании не участвует, т. е. проводимость его во время уравновешивания не меняется. 35

Сопротивления проводов 8 и 10 и контакта 13 коммутатора .11 включаются в диагонали моста и на точность измерения не влияют, Ф

1. Режим установки .нуля.

Пер вое ура в но вещи ван ие .

Переключатель 15 устанавливается в положение 26, а переключатель 16 в положение 27. Таким образом, ком- 45 мутируемый вход нуль-органа 6 оказывается подключенным к общей точке резистора 2 и контакта 12 коммутатора 11, коммутируемый полюс источника 5 питания - к общей точке резистора 4 и контакта 14 коммутатора

11. В результате сопротивления проводов 7 и 9 и контактов, 12 и 14 входят в состав активного плеча, т. е. складываются с сопротивлением тензорезистора 1. Переключатели 22 - 24 устанавливаются также в положение

27, и общая точка резисторов 19 и 20 цифровой проводимости будет подключена к общей точке резисторов

3 и 4. Следовательно, в начальный момент уравновешивания знаковый резистор 19 подключен параллельно резистору 3, а разрядные резисторы

20 подключены параллельно резистору 4. 1 Ф ;+Я)Ф) 2Ж У) Д . (6) где У - изменение эквивалентной

50 проводимости каждого иэ .резисторов 3 и 4, величина и знак которою обуславливаются выражением (5) — суммарное сопротивление,про55 вода 7 и контакта 12 коммутатора ll — суммарное сопротивление провода 9 и контакта 14 коммутатора 11.

Цифровая проводимость и резисторы .

2 — 4 выбираются так, чтобы код k, сформированный в результате уравновешивания однозначно,определяп величину J.(7) Р4 — сопротивление резистора 4; и соответственно

С учетом шунтирующего действия цифровой проводимости Эквивалентные проводимости резисторов 3 и 4 будут равны:

6 = +

aa g "y Язн = б +g л

C, = g + X p. G . . (3)

В результате уравновешивания моста определенные резисторы цифровой проводимости, в соответствии с величиной разбаланса, изменят свое состояние на противоположное. При этом при положительном знаке раэбаланса . знаковый резистор 19 не изменит свое состояние, и эквивалентная проводимость резистора 3 увеличится, а. резистора 4 уменьшится на величину . и

У = а. кЯс 2 (4) где а; — 1, если разряд изменит свое состояние; а;: О, если разряд, не изменит свое состояние.

При отрицательном разбалансе знаковый резистор 19 изменит свое состояние, т. е. подключится к резистору 4, и часть разрядных резисторов 20, изменив свое состояние, подключится к резистору 3. В результате эквивалентная проводимость резистора 3 уменьшится, а резистора 4 увеличится на величину

Ф -=у -Z,Ó > (4 )

В общем случае вйражения (4) и (4а) можно объединить в одно и

+ а g " ан. зн, где а = 1, если знаковый резистор зн— изменил свое состоянием азд - О,. если знаковый резистор не изменил-состояния.

Равновесие моста поеле первого уравновешивания опишется выражением: 746300

Код третьего уравновешивания

У Rx++++2 т з

&,Р . +r, ++

Коды+, Л 2, ф вводятся в ЭВМ или специализированное вычислительное устройство, где производится вычисление кода Л «согласно. выражению:

iV,— (11)

1О о — У +N

Я 3 можно показать, что

No p

15 где — сопротивление тензорезистора 1.

Найдем числитель и знаменитель я вЫражения (11) . у су+р -,р -цу1+ р+Я.л Р4. +2.Р

Теперь иэ выражения (б). найдем код первого уравновешивания с учетом выражений (2) и (2а) (а - 2. ô(,-g,) (, ) (C;y. (Р, q - ) (, У,) =,(< л р) о

g +gp Я 2 У

Второе уравновешивание.

Переключатель 15 остается в положении 26, а переключатели 16, 22

24 переводятся в положение 28, Источник 5 питания через переключатель

16 .и провод 10 подключается к общей точке тензорезистора 1 и провода 9.

Теперь суммарное сопротивление (гд ) провода 9 и контакта 14 складывается с сопротивлением резистора 4, а обща точка резисторов 19 и 20 цифровой проводимости подключена к общей точке резисторов 2 и 3. В начальный момент знаковый резистор 19 подключен параллельно резистору 2, и разрядные резисторы 20 — параллельно резистору 3. 25 зэкВ - я „g ©î "gî ° (2г = Ъ 9зн = о Ро

В момент равновесия имеем соотношение!3О (Р - )trC,.Ó,) 2=t(O, У,) Z l(RÄ 2)i (P + .)(g У,)+3 (R +P-)=(+Я)(бз+Я (Q+

У Й,+ . +о„) =(e, у,) (я„+,-Я,- ), где - 2 - изменение эквивалентной проводимости каждого из резисторов 2 и 3.

Код второго уравновешивания опре- Щ делится (10) .о 2 3

Третье уравновешивание.

Переключатель 15 переводится в положение 29, а переключатели 16, 22—

24 вновь устанавливаются в полбжение 27. Теперь нуль-орган б.подключен к общей точке тензорезистора 1 и провода 7, и суммарное сопротив" ление () провода 7 контакта 12 складывается с сопротивлением резистора 2. Суммарное сопротивление (Я ) провода 9 и контакта 14, как и во время первого уравновешивания, складывается с сопротивлением тенэорезистора 1. Равновесие моста теперь оп« жется выражением: 2)ВЬ Д> >7=< +< )E(5: ) З)

Я д)(& +у )-3(Ц+ )=(Й +г;)(6 +у )+У (К + )

R n,д- Яг Ьй, N— 65 5 (4<+d R

)-n " (14)

IF «r Яо r« у2 (3 р Д „,)" Я

Гб,+д)ГУ -R-ã") -2>(R +q+ " R).

+ + г- - ZR откуда

Ф 1-лl ZR Zh о Ф Ф2+4 Р + +д+Н e +V +P- Ц

)9 (12)

Rg

Код Eq заносится в память ЭВМ или специализированное запоминающее устройство.

2. Режим измерения.

Алгоритм работы устройстэа в этом режиме такой же, как и в режиме установки нуля. Поэтому можно сразу записать выражения для кодов М, V< по аналогии с кодамй Л,.,4, Фз учитывая при этом рабочее йриращейие сопротивлений тенэорезистора 1 и возможное изменение сопротивлений проводов 7 и 9 и контактов 12 и 14 коммутатора 11.

Выражение для кода ky, формируемого аналогично коду hq имеет вид: (Р оо )««««r«««««,rz - li

&оУо Rr 4РО) «««««о ««о« ° 9 где Л Р вЂ” рабочее .приращение сопротивления тензореэистора 1; ц ргг2 - коэффициенты,учитывающие изменения суммарных сопротивлений и Р

Код Ф5 формируется аналогично коду У2 .

746300

10 и, наконец, код Э формируется аналогично коду 4 з: (P<+b Я ) ю ф" — R - п / (1.5) (R(+4R<) +rr г

КОды 4 р Ф5 р % Вводятся и ЭВМ или специализированное вычислительное устройство, где формируется выходной код с использованием кода А, соответствующего данной измерительной точке, согласно выражению: (16)

15 можно показать, что К 6 %(+ Rf . (17)

r-ц, R

Найдем знаменатель и вычислитель вы- 2О р.ажения (16)

Р Ж м (Ry +4Й )+и +Я+Я (R<+4R<) ЯнЯ+Я

2R R+eгЯ (+4R<)-и 0 (й +Ь Ц)л и R (Р+4Я, ) г + л +К (g +4Я )+л д-R-n,ä

Щ+4g )+ г и г Р

Следовательно

g - Nu- N + Ng 8 Я, + 4 Rq)

7=У,,,!,; а. (R<+ d Я )+п,,v<+rrzrz+R

Подставив выражения. (12) Й (18) в 49 (16), получим ф М вЂ” Л. ю- -4-,(19) . . Йи д, я R< таким образом, код, формируеМый 45 для каждоМ измерительной точки согласно выражению (16), отображает измеряемую величину. При этом влияние сопротивления проводов и контактов коммутатора полностью исклю- 50 чается при произвольных соотношениях этих сопротивлений.

Формула изобретения

Цифровой многоточечный измерительный мост, содержащий мостовую схему, одйо плечо которой образовано измерительными резисторами, например тензорезисторами, включаемыми в плечо через коммутатор, а три плеча образованы постоянными резисторами, блок цифрового уравновешивания, содержащий регистр и цифровую проводимость, образованную разрядными резисторами и разрядными переключателями, источник. питания, один полюс которого соединен с одной вершиной диагонали питания, нуль-орган, один вход которого соединен с одной вершиной измерительной диагонали непосредственно, другой вход соединен со второй вершиной измерительной диагонали через переключатель, а выход соединен с входом блока управления, выходы которого соединены с управляющими вхОдами переключателя и блока цифрового уравновешивания о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения эа счет

1 полной компенсации сопротивления проводов и контактов коммутатора при произвольном соотношении компенсируемых сопротивлений, введены дополнительные переключатели, управляющие входы которых сое,.чинены между собой и с выходом блока управления, три шины цифровой проводимости подключены к четырем вершинам мостовой схемы через дополнительные переключатели, а второй полюс источника питания — ко второй вершине диагонали питания через дополнительный ггереключатель.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Заявка Великобритании

9 1458765, кл. G 1 U, опублик.

15.12.76.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке В 2522346, 10.02.78.

Составитель И. Вахтина

Редактор Н. Ахмедова Техред М. Кузьма Корректор И. Муска

Заказ 3931/31 Тираа 1019 Подписное

ЦНИИПИ Гсюсударственного комитета СССР по делам изо брет е н ий и о т крыт ий

l 13035, Иосква, Ж-35, Рауыская еаб» р д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Умгород, ул. Проектная, 4