Автоматически уравновешиваемый четырехплечий мост Советский патент 1985 года по МПК G01R17/10 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при тензоизмеренияж.

Целью изобретения является повышение помехозащищенности автоматически уравновешиваемого четырехплечего моста.

На фиг. 1 изображена структурная электрическая схема предложенного устройства; на фиг. 2 - временные диа граммы; на фиг. 3 - структурная схема блока контроля; на фиг. 4 - диаграм-. мы выходных напряжений.

Автоматически уравновешиваемый четырехплечий мост содержит, клеммы для подключения объекта измерения 1, постоянные резисторы 2 и 3, управляемый магазин проводимостей 4, включенные в плечи моста, источник питания 5 подключенный к вершинам диагонали питания моста, нуль-орган б, подключенный одной клеммой его входа к вершине 7 измерительной диагонали моста, блок 8 управления, присоединенный входом к выходу 9 нуль-органа, а выходом - к управляющему входу магазина проводимостей 4, усилитель 10 напряжения, подключенный входами к вершинам 7 и 11 измерительной диагонали четьфехплечего моста, дифференцирующую цепочку, составленную из конденсатора 12 и резистора 13, соединенную входом с выходом усилителя 10, усилитель 14 напряжения с симметричным выходом, один вьтод которого соединен с вершиной 11, а другой - с входной клеммой 15 нуль-органа.6, переключатель 1 б на два направления с вьшодом (контактом) 17, подключенным к выходу 18 дифференцирующей цепочки, дополнительней резистор 19, подключенный одним выводом к общей шине соединения усилителей 10 и 14 и резистора 13, а другим вьгоодом - к выводу (контакту) 20 первого направления переключателя 16, тогда как вывод (контакт) 21 второго направления переключателя подключен к входу усилителя 14, блок 22 контроля, первый вход 23 которого подключен к выходу источника питания 5, второй вход 24 к выходу 18 дифференцирующей цепочки, третий вход 25 - к одному из выходов блока 8 управления, а выход 26 блока контроля соединен с управляющим выводом 27 переключателя 16.

Усилители 10 и 14 должны быть выполнены широкополосными быстродействукяцими усилителями постоянного напжения с высоким входным и низким выходным сопротивлениями. Их полоса пропускания должна быть такой, чтоб пропускать с малыми искажениями импульсы, соизмеримые по длительности и амплитуде с импульсами разбаланса на измерительной диагонали моста. Модуль коэффициента передачи цепи усилитель 10, конденсатор 12, резистор 13, переключатель 16 с замкнутыми контактами 17 и 21, усилитель J4 в полосе пропускания должен .быть близким к единице (при равенгтве его 1 обеспечивается 100%-ная сомпенсация помех). Значение сопротивления резистора 19 должно быть 1НОГО меньшим сопротипления резистора 13.

Р.абота устройства поясняется временными диаграммами, приведенными на фиг. 2, где импульсное напряжение U, источника питания моста (фиг. 2 а) ради общности рассмотрения показано двухполярным.

Устройство работает следующим образом.

Напряжение разбаланса Up моста (фиг. 2 б) в отсутствие помех по форме додобно напряжению питания моста. В современных мостах с питанием двухполярными импульсами нульорган измеряет значения Up(t,) и Up() напряжения разбаланса в моменты tj и 4, отнесенные от моментов -i, и -tj начал полуволн импульса питания. По результатам измерений значений Ц(2) иир(4) нуль-органе формируются пропорциональные импульсы и„,„ (фиг. 2 в), а на выхоиЭп

де нуль-органа - импульс с амплитудой, пропорциональной Ug Up(t4) Upd (фиг. 2 г). Если питание моста осзоцествляется однополярными импульсами, то выходной сигнал нульоргана и пропорционален только

Up(t2).

Напряжение помехи в измерительной диагонали L (фиг. 2 д) накладывается на напряжение разбаланса UpЕсли выходное напряжение (Ряжение компенсации) усилителя 14 равно нулю, что имеет место при замкнутых контактах 17 и 20 переключателя 16, то напряжение на входе нуль-органа равно суммарному напряжению Up+U4 U. п диагонали моста (фиг. 2 а). При этом нуль-орган измеряет полезный сигнал вместе с помехой, т.е. Up(i) + iJ(i2} и ир(д) (фиг. 2 ж), и вырабатывает сигнал, пропорциональный разности этих напряжений, который (фиг. 2з) может существенно (даже по знаку) отличаться от выходного сигнала нуль-органа в отсутствие помехи (сравни фиг.2 г и з). Таким образом в отсутствие компенсации помехи (как в прототипе или при разомкнутой цепи компенсации выполненной на элементах 10, 12, 13, .16 и 14 данного устройства) помеха может срывать работу нуль-органа и моста в цепом.

Компенсация помехи обеспечивается следующим образом. .

В моменты t и tj переключатель 1 находится в состоянии замкнутости контактов 17 и 20; при этом резис тор 13 зашунтирован дополнительным резистором 19 с низким сопротивлением, постоянная времени RC-цепи с конденсатором 12 и резисторами 13 и 19 мала, чем обеспечивается быстрый заряд емкости конденсатора до напряжения разбаланса моста. В момент Ч где ij, - время задержки, определяемое действием блока контроля 22, по сигналу 2 на выходе блока 22 (фиг. 2 и) переключатель 16 коммутируется с размыканием контактов 17 и 20 и замыканием контактов 17 и 21, постоянная времени конденсатора 12 многократно увеличивается, после Her все изменения напряжения (помехи) в измерительной диагонали моста чере развязывающий усилитель и емкость передаются на резистор 13 (фиг. 2 к) и вход усилителя 14, почти не изменяя напряжения на емкости (из-за большой постоянной времени), а значит и не искажаясь. Усилитель 14 передает напряжение в диагональ мост (фиг. 2 л). При этом уже установившееся напряжение разбаланса не проникает на выход усилителя 14, а напряжение помехи, поступающей на мост после момента , вводится в диагональ моста между клеммой 15 и вершиной 11 в такой же полярности, в какой оно присутствует на вершинах диагонали 7 и 11. В результате этого напряжение на входе нуль-органа U-,.,j Op+U,,-tJn не содержит (или почти не содержит, если U близко, ро не равно точно UM) напряжения помехи, поскольку оно компенсируется

напряжением компенсации U , T.e.U-,.,, имеет вид, показанный на .фиг. 2 б. Поэтому нуль-орган реагирует только на сигнал разбаланса, но не на помеху. После срабатывания нуль-органа по сигналу блоков управления, поступающему на вход 25 блока контроля, блок 22 переключает переключатель 16 в исходное состояние с замкнутыми контактами 17 и 20.

Блок контроля предотвращает замьпсние контактов 17 и 21 переключателя 16 в присутствии помехи и до окончания переходного процесса реакции моста на импульс питания - во избежание фиксации на конденсаторе 12 напряжения, отличающегося от установившегося значения напряжения разбаланса и возможного вследствие этого формирования ложного напряжения U.

Блок контроля может быть вьтолнен например, по структурной схеме, приведенной на фиг. 3. Тогда он содержит компаратор 28, дифференциатор 29 с компаратором 30 на его выходе, интегратор 31 с компаратором 32 на его выходе, сумматор 33, присоединенный входами к выходам компараторов 28 и 30, дифференцирующую цепь 34, присоединенную входом к входу 23 блока, формирователь 35, присоединенный входом к выходу цепи 34, триггер 36, присоединенный одним входом к выходу формирователя 35, одновибратор 37, присоединенный входом к выходу формирователя 35, ключ 38, соединенный сигнальным входом с выходом компаратора 32, а управляющим входом - с выходом сумматора 33, триггер Шмитта 39, соединенный входом с выходом ключа 38, одновибратор 40, присоединенньй входом к выходу триггера 39, одновибратор 41, соединенный входом с выходом формирователя 35, триггер 42, присоединенный входами к выходу одновибраторов 40 и 41, а выходом - к входу обнуления интегратора 31, ,сумматор-вычитатель 43 с триггером Шмитта 44 на его вьпсоде, присоединенный суммирующими входами к выходам триггера 36, одновибратора 37, а вычитающими входами - к выходам компа ратора 32, сумматора 33, источник 45 постоянных напряжений управляемого значения, управляющий вход которого соединен с входом 25 блока, а вьtxoды соединены с входами опорных напряжений компараторов 28, 30 и 32, причем зыход триггера Шмитта 44 присоединен к выходу 26 &лока, вход 24 блока соединен с входами элементов 28, 29 и 31, а вход 25 блока - с вторым входом триггера 36. Работа блока поясняется диаграммами на фиг. 4, где показаны выходные напряжения соответствутощих элементов. Напряжение U24 входе 24 блока, порождаемое переходными процессами и помехами, анализируется элементами 28 - 32, причем значения опорных напряжений на входах компараторов устанавливаются источником 45 в зави симости от номера устанавливаемого в данном цикле работы моста разряда магазина проводимостей 4 по сигналу блока 8 управления на входе 25 блока эти напряжения тем меньше, чем младше разряд. По окончании переходного процесса установления напряжения раз баланса после поступления импульса U (фиг. 4 а) в отсутствие помех напряжение мало и йесущественно изменяется, поэтому на выходах компарато ров напряжений нет (интегратор в сос тоянии обнуления удерживается триггером 42 в течение времени , превышакадего длительность переходного процесса), а выходное напряжение сум матора 43 и состояние тригге а 44 (фиг. 4 з) определяютсй только выход ными напряжениями триггера 36 и одно вибратора 37, возбуждаемых фронтами Uu через элементы 34 и 35 (фиг, 4 а - д). Длительность ioi импульса одновибратора 37 должна быт несколько больше статистически определенной максимальной длительности видеоимпульса помехи. Прямоугольный импульс помехи (фиг 4 е) порождает напряжение U , интеграл которого равен нулю, и если U24 (ii+io,)0 (фиг. 4 ж), то о tд(фиг. 4 з) . Прямоугольный импульс UK , заканчивакяцийся после i + ±(Kr, 4 и), задерживает стремление к нулю выходных напряжений элементов 28 и 33, поэтому в данном случае (Фиг.4 к). Импульс (jfi, накрывающий момент i-, (фиг. 4 л) или непрямоугольный (фиг.4м), обусловливает неравенство нулю интеграла от U24 (Фиг. 4 н). Но в этом случае в результате приближения к нулю напряжения на выходе сумматора 33 (после окончания помехи) открывается ключ 38, триггер 39 возбуждается выходным напряжением компаратора 32, возбуждает одновибратор 40 (фиг. 4 о), который спустя время (длительность его импульса) возбуждает триггер 42 (фиг. 4 п), обнуляющий интегратор 31, выходное напряжение компаратора 32 становится равным нулю, срабатывает триггер 44 (фиг. 4 р). Требование к значению-toz совпадает с требованием к . После срабатьюания нуль-органа по сигналу блока 8 управления на входе 25 блока контроля триггер 35 возвращается в исходное состояние (фиг. 4 г). Таким образом, данное устройство Защищено от импульсных помех с длительностью импульса до 0,3 - 0,5 длительности iy полуволны одной полярности импульса питания моста (it 100 МКС для базового объекта). Типовые импульсные помехи имеют длительности до 1-5 МКС, которые находятся в диапазоне эффективного действия данного устройства.

Фиг.{

Фиг. 2

Фиг.5

АВТОМАТИЧЕСКИ УРАВНОВЕШИВАЕШЙ ЧЕТЫРЕЗОШЕЧИЙ МОСТ, содержащий в соответствующих плечах клеммы для подключения объекта измерения, два постоянных резистора, управляемый магазин проводимостей, источник питания, подключенный к вершинам диагонали питания четырехплечего моста, нульорган , подключенный входом к одной вершине измерительной диагонали, блок управления, присоединенный входом к выходу нуль-органа, а выходом к управляемому магазину проводимостей, отличающийся тем, что. с целью повышения помехозащищенности моста, в него введены два усилителя напряжения, дифференцирующая RC-цепочка, дополнительный резистор, переключатель, блок контроля, причем блок контроля подключен одним входом к выходу дифференцирующей RC-цепочки, другим - к выходу источника питания, третьим - к выходу блока управления, а выходом - к управляющему выводу переключателя, вход которого соединен с выходом дифференцирующей КС-цепочки, первый выход с дополнительным резистором, второй выход - с первым входом одного из § усилителей напряжения, один выход (Л которого подключен к вершине измерительной диа1Ьнали четырехплечего моста, а другой - к входу нуль-органа, другой усилитель напряжения, подключенный своими входами к вершинам измерительной диагонали четырехплечевого моста, выходом - к входу дифференцирующей RC-цепочки, второй ел выход второго усилителя напряжения, о второй вьюод резистора дифференцируюСП щей RC-цепочки, второй вывод дополниел тельного резистора и второй вход 4; первого усилителя соединены общей шиной.