Измерительный преобразователь одиночных резисторов Российский патент 2023 года по МПК G01B7/16 G01D5/00 G01R27/02 

Изобретение относится к области измерительной техники и электроники и служит для многоканальных измерений различных физических величин при исследовании прочности и аэродинамики конструкций летательной техники и других изделий промышленности.

Известны измерительные преобразователи сопротивлений одиночных тензорезисторов в напряжение (см. «Аппаратура для измерения деформаций и температур. Труды ЦАГИ, 1974, вып. 1599; Информационно-измерительная система «Прочность». Труды ЦАГИ, вып. 2105, 1981 г.; Устройство для преобразования изменения сопротивления в напряжение». (Пат. RU 2366966 С1, МПК G01R 27/02, 10.09.2009 г.).

К недостаткам известных преобразователей следует отнести: использование трансформаторов в схемах компенсации погрешностей от неинформативных составляющих сигнала, вносящих погрешности в результат измерений; применение коммутирующих элементов во входных цепях многоканальных преобразователей, вносящих погрешности в результаты измерений и усложняющих построение многоканальных измерительных систем.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения, принятого за прототип, является «Измерительный преобразователь «одиночного» тензодатчика с компенсационным тензорезистором». Датчики и системы, №5, 2011 г.

Преобразователь содержит группу последовательно соединенных одиночных измерительных резисторов с одним общим компенсационным резистором и опорным резистором, источник стабилизированного тока питания группы резисторов, источник стабилизированного опорного напряжения, многоканальный измерительный преобразователь сопротивлений измерительных резисторов в напряжения, содержащий входные дифференциальные измерительные усилители и выходные измерительные усилители. Схема построения преобразователя обеспечивает компенсацию неинформативной постоянной составляющей падения напряжения на измерительных резисторах и дифференциальную термокомпенсацию показаний измерительных резисторов относительно показаний компенсационного резистора.

К недостаткам прототипа следует отнести:

- влияние термо-ЭДС в линиях связи измерительных резисторов с преобразователем,

- погрешность преобразования за счет изменения коэффициентов усиления дифференциальных измерительных усилителей преобразователя от изменения температуры окружающей среды,

- количество подключаемых измерительных резисторов к источнику стабилизированного тока ограничивается величиной номинальных значений сопротивлений применяемых резисторов,

- ограничено применение преобразователя с датчиками на основе одиночных резисторов для различных задач измерений.

Техническим результатом изобретения является:

- уменьшение погрешности от термо-ЭДС и других аддитивных погрешностей за счет питания группы последовательно включенных измерительных резисторов от программно-управляемого источника стабилизированного тока с автоматизированным изменением полярности,

- возможность автоматизированного управления величиной стабилизированного тока питания группы измерительных резисторов, в зависимости от номинальных значений и количества измерительных резисторов в измерительном преобразователе,

- уменьшение погрешности измерений и упрощение измерительной системы за счет исключения коммутирующих элементов в измерительных цепях многоканального измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения,

- схемная компенсация неинформативной постоянной составляющей падения напряжения на измерительных резисторах и дифференциальная термокомпенсация показаний группы измерительных резисторов относительно одного общего компенсационного резистора при изменяющихся полярности и уровне тока питания группы резисторов,

- компенсация температурной погрешности от изменения коэффициентов усиления измерительных усилителей преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения по результатам показаний датчика температуры,

- возможность применения многоканального измерительного преобразователя с датчиками на основе одиночных измерительных резисторов различных номиналов для решения задач измерений различных физических величин.

Технический результат достигается тем, что в измерительном преобразователе одиночных резисторов, содержащем группу последовательно включенных одиночных измерительных резисторов с одним общим компенсационным резистором и опорным резистором, источник стабилизированного тока питания группы измерительных резисторов, источник стабилизированного опорного напряжения, многоканальный измерительный преобразователь сопротивлений измерительных резисторов в напряжения, содержащий входные дифференциальные измерительные усилители и выходные измерительные усилители, источник стабилизированного тока питания группы измерительных резисторов выполнен программно-управляемым с изменяемой полярностью, источник стабилизированного опорного напряжения выполнен программно-управляемым с изменяемой полярностью, многоканальный измерительный преобразователь сопротивлений измерительных резисторов в напряжения выполнен программно-управляемым, а также преобразователь дополнительно содержит двухполярный программно-управляемый цифро-аналоговый преобразователь, многоканальный прецизионный аналого-цифровой преобразователь, датчик температуры многоканального программно-управляемого измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения, цифровое программируемое управляющее устройство. Выход программно-управляемого источника стабилизированного тока питания группы измерительных резисторов с изменяемой полярностью соединен с группой последовательно включенных резисторов. Выход программно-управляемого источника стабилизированного опорного напряжения с изменяемой полярностью соединен с опорными входами входных дифференциальных измерительных усилителей. Входы программно-управляемых источников стабилизированного тока питания группы измерительных резисторов и стабилизированного опорного напряжения соединены с выходом двухполярного программно-управляемого цифро-аналогового преобразователя. Вход двухполярного программно-управляемого цифро-аналогового преобразователя соединен с цифровым программируемым управляющим устройством. Входы программно-управляемых источников стабилизированного тока питания группы измерительных резисторов и стабилизированного опорного напряжения соединены также с управляющим выходом многоканального прецизионного аналого-цифрового преобразователя. Выходы входных дифференциальных измерительных усилителей соединены с неинвертирующими входами выходных измерительных усилителей многоканального программно-управляемого измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения. Инвертирующие входы выходных измерительных усилителей соединены между собой и с выходом дифференциального измерительного усилителя компенсационного резистора. Выходы выходных измерительных усилителей соединены с входами многоканального прецизионного аналого-цифрового преобразователя. Датчик температуры многоканального программно-управляемого измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения соединен с одним из входов многоканального прецизионного аналого-цифрового преобразователя. Выход опорного резистора, включенного в цепь питания, соединен с опорным входом многоканального прецизионного аналого-цифрового преобразователя. Последовательные выходы многоканального прецизионного аналого-цифрового преобразователя соединены с соответствующими входами цифрового программируемого управляющего устройства.

Изобретение поясняется фигурой 1.

Предлагаемый многоканальный измерительный преобразователь одиночных резисторов включает группу 1 последовательно включенных измерительных резисторов (R_T1…R_Tn) с общим компенсационным резистором (R_Тк) и опорным резистором (R_o), программно-управляемый источник стабилизированного тока питания группы измерительных резисторов с изменяемой полярностью 2, программно-управляемый источник стабилизированного опорного напряжения с изменяемой полярностью 3, двухполярный программно-управляемый цифро-аналоговый преобразователь 4, многоканальный программно-управляемый измерительный преобразователь сопротивлений измерительных резисторов в напряжения 5, содержащий входные дифференциальные измерительные усилители 6, выходные измерительные усилители 7, датчик температуры 8 многоканального программно-управляемого измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения, многоканальный прецизионный аналого-цифровой преобразователь 9, цифровое программируемое управляющее устройство 10.

Работа предлагаемого многоканального измерительного преобразователя одиночных резисторов осуществляется под управлением цифрового программируемого управляющего устройства 10.

Изменение полярности программно-управляемого источника стабилизированного тока 2 питания группы измерительных резисторов 1 и полярности программно-управляемого источника стабилизированного опорного напряжения 3 многоканального программно-управляемого измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжение 5 осуществляется с помощью сигналов управления (АСХ и nACX) многоканального прецизионного аналого-цифрового преобразователя 9.

Изменение уровня тока питания группы измерительных резисторов 1 и уровня опорного напряжения многоканального программно-управляемого измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения 5 осуществляется с помощью двухполярного программно-управляемого цифро-аналогового преобразователя 4 от цифрового программируемого управляющего устройства 10. Для синхронизации процессов преобразования напряжение двухполярного программно-управляемого цифро-аналогового преобразователя 4 одновременно подается на входы программно-управляемого источника стабилизированного тока питания группы измерительных резисторов с изменяемой полярностью 2 и программно-управляемого источника стабилизированного опорного напряжения с изменяемой полярностью 3. Опорное напряжение подается на объединенные опорные входы (REF) входных дифференциальных измерительных усилителей 6 многоканального программно-управляемого измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения 5. В результате осуществляется компенсация неинформативной постоянной составляющей падения напряжения на измерительных резисторах, улучшающая точность преобразования изменяющихся сопротивлений измерительных резисторов.

В многоканальном программно-управляемом измерительном преобразователе сопротивлений измерительных резисторов в напряжения 5 осуществляется схемная дифференциальная термокомпенсация показаний измерительных резисторов (R_T1…R_Tn) относительно показаний одного компенсационного резистора (R_Тк) следующим образом: выходы входных дифференциальных измерительных усилителей 6 соединены с неинвертирующими входами выходных измерительных усилителей 7, при этом инвертирующие входы выходных измерительных усилителей 7 объединены между собой и с выходом измерительного усилителя 6 канала компенсационного резистора (R_Тк). Схемная компенсация неинформативной постоянной составляющей падения напряжения на измерительных резисторах и дифференциальная термокомпенсация показаний измерительных резисторов уменьшают погрешности от внешних влияющих факторов.

Напряжение на опорном резисторе R_o, включенном в цепь питания резисторов, используется в качестве опорного напряжения (REF1) многоканального прецизионного аналого-цифрового преобразователя 9 для повышения точности измерения многоканального программно-управляемого измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения.

Скомпенсированные выходные сигналы многоканального программно-управляемого измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения 5 и датчика температуры 8 оцифровываются многоканальным прецизионным аналого-цифровым преобразователем 9.

Синхронизация работы элементов многоканального программно-управляемого измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения 5 при изменении полярности и уровня тока питания группы измерительных резисторов 1 осуществляется программно с помощью цифрового программируемого управляющего устройства 10.

Оцифрованные в многоканальном прецизионном аналого-цифровом преобразователе 9 сигналы многоканального программно-управляемого измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения 5 регистрируются в цифровом программируемом управляющем устройстве 10. Цифровые сигналы передаются по последовательному интерфейсу многоканального прецизионного аналого-цифрового преобразователя 9.

Благодаря наличию указанных отличительных признаков в совокупности (с указанными в ограничительной части формулы) достигается следующий технический результат:

- уменьшение погрешности от термо-ЭДС и других аддитивных погрешностей за счет питания группы последовательно включенных измерительных резисторов от программно-управляемого источника стабилизированного тока с автоматизированным изменением полярности,

- возможность автоматизированного управления величиной стабилизированного тока питания группы измерительных резисторов, в зависимости от номинальных значений и количества измерительных резисторов в измерительном преобразователе,

- уменьшение погрешности измерений и упрощение измерительной системы за счет исключения коммутирующих элементов в измерительных цепях многоканального измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения,

- схемная компенсация неинформативной постоянной составляющей падения напряжения на измерительных резисторах и дифференциальная термокомпенсация показаний группы измерительных резисторов относительно одного общего компенсационного резистора при изменяющихся полярности и уровне тока питания группы резисторов,

- компенсация температурной погрешности от изменения коэффициентов усиления измерительных усилителей преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения по результатам показаний датчика температуры,

- возможность применения многоканального измерительного преобразователя с датчиками на основе одиночных измерительных резисторов различных номиналов для решения задач измерений различных физических величин.

Изобретение относится к области измерительной техники и электроники и служит для многоканальных измерений различных физических величин при исследовании прочности и аэродинамики конструкций летательной техники и других изделий промышленности. Многоканальный измерительный преобразователь одиночных резисторов содержит группу последовательно включенных измерительных резисторов с одним компенсационным резистором и опорным резистором; программно-управляемый источник стабилизированного тока питания группы измерительных резисторов с изменяемой полярностью; программно-управляемый источник стабилизированного опорного напряжения преобразователя с изменяемой полярностью; программно-управляемый многоканальный измерительный преобразователь сопротивлений измерительных резисторов в напряжения, содержащий входные дифференциальные измерительные усилители, выходные измерительные усилители; двухполярный программно-управляемый цифроаналоговый преобразователь, управляющий источником стабилизированного тока питания группы измерительных резисторов и источником стабилизированного опорного напряжения; многоканальный прецизионный аналого-цифровой преобразователь с последовательным выходным интерфейсом; датчик температуры многоканального программно-управляемого измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения, подключенный к одному из входов многоканального прецизионного аналого-цифрового преобразователя; цифровое программируемое устройство управления работой многоканального измерительного преобразователя одиночных резисторов.

Техническим результатом при реализации заявленного решения является возможность автоматизированного управления величиной стабилизированного тока питания группы измерительных резисторов, повышение точности преобразователя, возможность применения преобразователя с датчиками на основе одиночных измерительных резисторов различных номиналов для решения задач измерений различных физических величин. 1 ил.

Измерительный преобразователь одиночных резисторов, содержащий группу последовательно включенных одиночных измерительных резисторов с одним общим компенсационным резистором и опорным резистором, источник стабилизированного тока питания группы измерительных резисторов, источник стабилизированного опорного напряжения, многоканальный измерительный преобразователь сопротивлений измерительных резисторов в напряжения, содержащий входные дифференциальные измерительные усилители и выходные измерительные усилители, отличающийся тем, что источник стабилизированного тока питания группы измерительных резисторов выполнен программно-управляемым с изменяемой полярностью, источник стабилизированного опорного напряжения выполнен программно-управляемым с изменяемой полярностью, многоканальный измерительный преобразователь сопротивлений измерительных резисторов в напряжения выполнен программно-управляемым, а также дополнительно содержит двухполярный программно-управляемый цифроаналоговый преобразователь, многоканальный прецизионный аналого-цифровой преобразователь, датчик температуры многоканального программно-управляемого измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения, цифровое программируемое управляющее устройство, при этом выход программно-управляемого источника стабилизированного тока питания группы измерительных резисторов с изменяемой полярностью соединен с группой последовательно включенных резисторов, выход программно-управляемого источника стабилизированного опорного напряжения с изменяемой полярностью соединен с опорными входами входных дифференциальных измерительных усилителей, входы программно-управляемых источников стабилизированного тока питания группы измерительных резисторов и стабилизированного опорного напряжения соединены с выходом двухполярного программно-управляемого цифроаналогового преобразователя, вход двухполярного программно-управляемого цифроаналогового преобразователя соединен с цифровым программируемым управляющим устройством, входы программно-управляемых источников стабилизированного тока питания группы измерительных резисторов и стабилизированного опорного напряжения соединены также с управляющим выходом многоканального прецизионного аналого-цифрового преобразователя, выходы входных дифференциальных измерительных усилителей соединены с неинвертирующими входами выходных измерительных усилителей многоканального программно-управляемого измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения, инвертирующие входы выходных измерительных усилителей соединены между собой и с выходом дифференциального измерительного усилителя компенсационного резистора, выходы выходных измерительных усилителей соединены с входами многоканального прецизионного аналого-цифрового преобразователя, датчик температуры многоканального программно-управляемого измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения соединен с одним из входов многоканального прецизионного аналого-цифрового преобразователя, выход опорного резистора, включенного в цепь питания, соединен с опорным входом многоканального прецизионного аналого-цифрового преобразователя, последовательные выходы многоканального прецизионного аналого-цифрового преобразователя соединены с соответствующими входами цифрового программируемого управляющего устройства.