МОСТОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2004 года по МПК G01R17/10 

Описание патента на изобретение RU2238570C1

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к тензометрии, и может быть использовано в качестве преобразователя сигналов мостовых тензорезисторных датчиков.

Широко известен мостовой преобразователь с источником питания, подключенным к питающей диагонали моста, и выходным сигналом, снимаемым с выходной диагонали моста (Хорна О. Тензометрические мосты. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962, рис.1). Однако сопротивление соединительных проводов и их вариации вносят существенные погрешности в результат преобразования.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является мостовой преобразователь, приведенный на фиг.1, содержащий источник питания моста I/E (генератор тока или генератор напряжения), подключенный к одному выводу питающей диагонали моста R1/R2/R3/R4, и операционный усилитель У, выход которого соединен с другим выводом питающей диагонали моста, а инверсный вход - с одним выводом выходной диагонали моста, неинверсный с общей шиной устройства (Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергия, 1980, рис.5-12в, стр.124 и рис.5-14а, стр.128). В таком мостовом преобразователе значительно уменьшены погрешности от влияния сопротивлений соединительных проводов и их вариаций, источник питания моста связан с общей шиной устройства, выходной сигнал преобразователя снимается относительно общей шины устройства.

При источнике питания моста, представляющем собой источник напряжения Е, выходной сигнал U мостового преобразователя равен:

(см. там же, формула 5-13).

Для рабочего дисбаланса моста:

R1=R+ΔR; R2=R-ΔR; R3=R+ΔR; R4=R-ΔR,

выходной сигнал имеет вид:

.

При источнике питания моста, представляющем собой источник тока I, выходной сигнал U мостового преобразователя равен:

Для рабочего дисбаланса моста здесь выходной сигнал имеет вид:

U=IΔR.

Однако выходной сигнал U такого мостового преобразователя имеет малую величину, что, как известно, для большинства задач недостаточно, и требуется дополнительно вводить усилительные устройства, которые неизбежно вносят свои дополнительные погрешности (в частности, например, увеличивают шумовую составляющую полезного сигнала и соответствующий его дрейф).

Задачей настоящего изобретения является повышение чувствительности мостового преобразователя.

Техническим результатом изобретения является существенное, например в 10 раз, увеличение выходного сигнала мостового преобразователя.

Технический результат достигается тем, что в мостовом преобразователе, содержащем источник питания моста, подключенный к одному выводу питающей диагонали моста, и операционный усилитель, выход которого соединен с другим выводом питающей диагонали моста, а инверсный вход с одним выводом выходной диагонали моста, между другим выводом выходной диагонали моста и неинверсным входом операционного усилителя включен делитель напряжения, при этом делитель напряжения выполнен в виде двух, последовательно соединенных резисторов.

На фиг.1 дана схема прототипа; на фиг.2 - схема предлагаемого мостового преобразователя.

Мостовой преобразователь содержит мост R1/R2/R3/R4, операционный усилитель У, источник питания моста I/E и делитель напряжения Д, состоящий, например, из резисторов r1 и r2 (фиг.2).

Мостовой преобразователь работает следующим образом.

Мост R1/R2/R3/R4 через его диагональ питания запитывается совместно источником питания I/E и операционным усилителем У. В результате полезного дисбаланса имеется полезный выходной сигнал моста, равный разности потенциалов на его выходной диагонали ϕdb. Потенциалы на неинверсном и инверсном входах операционного усилителя У практически равны (из-за его большого коэффициента усиления), т.е. ϕbд. Поэтому поступление на неинверсный вход операционного усилителя части потенциала моста ϕd, т.е. потенциала ϕд, увеличивает потенциал ϕb и, естественно, в свою очередь увеличивает потенциал ϕd, который и является выходным сигналом мостового преобразователя U.

При источнике питания моста, представляющем собой источник напряжения Е, имеем в первом приближении следующую систему уравнений:

Здесь i1, i2, i3, i4 - токи через соответствующие сопротивления моста R1, R2, R3, R4; ϕa, ϕb, ϕc, ϕd - соответствующие потенциалы вершин моста; n - коэффициент деления делителя; r1, r2 - резисторы делителя; ϕд - потенциал на выходе делителя, Е - напряжение источника питания, U - выходное напряжение мостового преобразователя.

Проведем соответствующие преобразования:

ϕcb-R2i2=U-R3i3;

U-R3i3=ϕb-R2i2;

UR1R4-ER1R3+UR1R3=nUR1R4-ER2R4+nUR2R4;

U(R1R4+R1R3-nR1R4-nR2R4)=E(R1R3-R2R4);

Для рабочего дисбаланса моста:

где - коэффициент усиления полезного сигнала.

При источнике питания моста, представляющем собой источник тока I, имеем в первом приближении следующую систему уравнений:

Проведем соответствующие преобразования:

R1i1+ϕb=R4(I-i1)+U;

R1i1+ϕb=R4I-R4i1+U;

ϕb-R2i1=U-R3(I-i1);

U-ϕb=R3I-(R3+R2)i1;

(U-ϕb)(R1+R4)-R3I(R1+R4)+R4I(R2+R3)+(U-ϕb)(R2+R3)=0;

(U-ϕb)(R1+R2+R3+R4)=I[R3(R1+R4)-R4(R2+R3)];

Для рабочего дисбаланса моста:

U=KIΔR.

Т.е., как и в предыдущем случае, полезный сигнал усилен в К раз. Например, при коэффициенте деления делителя n=0,9 полезный сигнал предлагаемого мостового преобразователя в 10 раз больше, чем у прототипа, причем без каких-либо дополнительных усилительных элементов, которые могли бы внести дополнительные погрешности за счет своих шумовых и дрейфовых составляющих.

Следует заметить, что делитель напряжения может быть выполнен по любой известной схеме, например потенциометрической с регулировкой коэффициента деления с помощью переменных резисторов. Т.к. выход делителя нагружен на очень высокое входное сопротивление операционного усилителя, сам делитель всегда может быть выполнен с использованием высокоомных резисторов, что позволит практически не нагружать выходную диагональ моста и избежать влияния сопротивления выходного провода моста на результат преобразования.

По данному предложению в институте выполнены соответствующие теоретические и экспериментальные исследования по созданию конкретных преобразователей, которые подтверждают возможность осуществления рассмотренных мостовых преобразователей и возможность получения заявленного технического результата.

Реализация предложения в ИИС для прочностных исследований авиационных конструкций позволит существенно повысить достоверность результатов испытаний, а следовательно, надежность рекомендаций, выдаваемых промышленности, по совершенствованию конструкций летательных аппаратов.

Похожие патенты RU2238570C1

название год авторы номер документа
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СИГНАЛОВ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫХ ДАТЧИКОВ 2007
  • Шевчук Вячеслав Васильевич
RU2335776C1
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СИГНАЛОВ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫХ ДАТЧИКОВ 2007
  • Шевчук Вячеслав Васильевич
RU2327174C1
ИМИТАТОР ДИСКРЕТНОГО ДИСБАЛАНСА ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКОГО МОСТА 2006
  • Шевчук Вячеслав Васильевич
RU2315325C1
ПРОГРАММАТОР ТЕМПЕРАТУРЫ 2007
  • Машкинов Лев Борисович
RU2363030C1
УНИВЕРСАЛЬНЫЙ МОДУЛЬ ЧАСТОТНОГО ИНТЕГРИРУЮЩЕГО РАЗВЁРТЫВАЮЩЕГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ ДАТЧИКОВ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН 2016
  • Васильев Валерий Анатольевич
  • Громков Николай Валентинович
  • Жоао Андрей Жозеевич
RU2631494C1
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МОСТ 2000
  • Ялышев А.У.
RU2171473C1
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ СО СХЕМОЙ ТЕРМОКОМПЕНСАЦИИ 1992
  • Цивинский Александр Викторович
  • Одинцов Андрей Николаевич
RU2084846C1
ИМИТАТОР СИГНАЛОВ МОСТОВЫХ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫХ ДАТЧИКОВ 2016
  • Долгов Александр Сергеевич
  • Зубов Евгений Георгиевич
RU2620895C1
Преобразователь приращения сопротивления в напряжение 2016
  • Машкинов Лев Борисович
RU2622513C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ 2013
  • Арутюнов Ашот Борисович
  • Фесенко Александр Иванович
  • Набатов Константин Александрович
  • Печагин Евгений Александрович
RU2545322C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 238 570 C1

Реферат патента 2004 года МОСТОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к тензометрии, и может использоваться в качестве преобразователя сигналов мостовых тензорезисторных датчиков. Технический результат заключается в повышении чувствительности мостового преобразователя и увеличение величины выходного сигнала мостового преобразователя. Преобразователь сигналов мостовых датчиков (МД) содержит источник питания МД, подключенный к одному выводу питающей диагонали МД, и операционный усилитель (ОУ), выход которого соединен с другим выводом питающей диагонали МД, а инверсный вход - с одним выводом выходной диагонали МД, причем между сопротивлением другого вывода выходной диагонали МД и неинверсным входом ОУ включен делитель напряжения (ДН); ДН выполнен в виде двух, последовательно соединенных резисторов. Так как выход ДН нагружен на очень высокое входное сопротивление ОУ, сам ДН всегда может быть выполнен с использованием высокоомных резисторов, что позволит практически не нагружать выходную диагональ МД и избежать влияния сопротивления выходного провода МД на результат преобразования. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула изобретения RU 2 238 570 C1

1. Преобразователь сигналов мостовых датчиков, содержащий источник питания моста, подключенный к одному выводу питающей диагонали моста, и операционный усилитель, выход которого соединен с другим выводом питающей диагонали моста, а инверсный вход - с одним выводом выходной диагонали моста, отличающийся тем, что между сопротивлением другого вывода выходной диагонали моста и неинверсным входом операционного усилителя включен делитель напряжения.2. Мостовой преобразователь по п.1, отличающийся тем, что делитель напряжения выполнен в виде двух последовательно соединенных резисторов.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2004 года RU2238570C1

ГУТНИКОВ В.С
Интегральная электроника в измерительных устройствах
- Л.: Энергия, Ленинградское отд-е, 1980, с.124, рис
Кипятильник для воды 1921
  • Богач Б.И.
SU5A1

RU 2 238 570 C1

Авторы

Шевчук В.В.

Даты

2004-10-20Публикация

2003-03-04Подача