Устройство для измерения приращения сопротивления Советский патент 1991 года по МПК G01R17/10 

Изобрстение относится к электроизмерительной технике л может быть использовано для измерени приращения сопротивления, пропорционального изменению, например, температуры окружающей среди иди гидростатического давления.

Цель изобретения - повышение точности и увеличение быстродействия измерения малых приращений сопротив- лени« за счет снижения влияние дрейфа усилительной цепи сигнала разбаланса и за счет независимости изчерительного периода от отношения сопротивления к его прираценьюа

На фиг.1 представлена блок-схема ус гройства для измерения приращения сопротивления; ка - временные диаграммы напряжений.

Устройство содержит источник 1 постоянного напряжения, резистивиый- мост 2, образованный постоянными резисторами 3 - 6 и переменным резистором 7, приращение сопротивления которого измеряется выходы ключей 8 - 10, соединены с входом усшгателя 11, выходы которого через ключи 12 15 соединены с последовательной цепью, состоящей из буферного усилителя 16, интегратора 17, компаратора 18, задатчика 19 калиброванных интервалов времени, выходы которого соединены с управпяющими входами ключей 8-10и12-15и измерителя 20 временных интервалов,,Ю

Устройство работает следующим образом

- Работой устройства управляет за- датчик 19, который, в определенной последовательности коммутируя ключи J5 -10и12-15, организует периоди- -/ ческий процесс заряда - разряда конденсатора в интеграторе 17. Измерение приращения сопротивления резистора 7 происходит на период и , сое- 20 тоящий из четырех равных промежутков времени (калиброванных интервалов времени) 1 , 02 °з 4-с Ъ

+ 4fc. В период времени йц задатчик

Ј Ј, + ёгУё

19

25

замыкает ключи 9, 13 и 14 и размыкает ключи 8, 10, 12 и 15, При этом разность потенциалов между точками а и с резистивного моста 2 Uao, усиленная усилителями 11 и 16 до напряжения U-japt (фиГо2а), вызывает линейное увеличение напряжения отрицательной полярности на выходе интегратора 17 до величины U,j (фиг„2б),

По окончании периода u задатчик 19 замыкает ключи 8, 12 и 15 размыкает ключи 9, 13 и 14. При этом разность потенциалов точек b и с резистивного моста 2 (UBO), усиленная усилителями 11 и 16 до напряжения -Up вызывает линейное уменьшение - напряжения отрицательной полярности на выходе интегратора 17.

В момент равенства напряжения на выходе интегратора порогу срабатывания компаратора задатчик 19 замыкает ключи 10, 13 и 14 и размыкает ключи 8, 12 и 15. При этом вход усилителя 11 закорочен, напряжение на выходе интегратора 17 до окончания периода $2. остается постоянным, если отсутствует дрейф усилителей 11 и 16 (фиг.26). Л В период времени о, задатчик 19 замыкает ключи 9, 12 и 15 и размыкает ключи 10, 13 и 14о При этом разность потенциалов ре,зистивного моста 2Uac, усиленная до напряжения - . вызывает линейное возрастание напря40

45

50

55

30

35

жеь.кя положительной полярности на выходе интегратора 17 до напряжения

V

По окончании периода С3 задатчик

19 замыкает ключи 8, 13 и 14 и размыкает ключи 9, 12 и 15. При этом разность потенциалов U6c, усиленная до напряжения Up2, вызывает линейное уменьшение нащ яжения на выходе интегратора 17. /

Б момент равенства напряжения на выходе интегратора 17 и порога срабатывания компаратора 18 задатчик 19 замыкает ключи 10, 12 и 15 и размыкает ключи 8, 13 и 14. При этом вход усилителя закорачивается, напряжение на выходе интегратора остается постоянным до окончания периода (если дрейф усилителей 1 1 и 16 отсутствует) о

Для интегратора с RC-зарядной цепью изменение напряжения на выходе интегратора в течение первого калиб

рованного интервала времени мя заряда, фиг.26) равно

л

и, и.

30р1

,А„ „ .„.а.

RC

(вре(О

где К - общий коэффициент усиления усилителей 11 и 16, причем коэффициент усиления буферного усилителя 16 устанавливает равным 1.

Аналогично находят изменение напряжения на выходе интегратора за время первого измерительного интервала Q (время разряда):

ие иР -%с- ивс-к- -(2)

Так как для интегратора U иг(при отсутствии дрейфа усилителей 11 и 16), то

5

0

5

СШ:

Uac

U

U6C

(3)

Аналогично определяется значение второго измерительного интервала А У.йС °d)

UBC

И2

Ч

Сумма периодов Ј и, и $Й2 , учитывая, что калиброванные интервалы Ј, 2. определяется А л , л 2Uacl

и

СИ

+ с

И2.

ивс

(5)

Потенциал точки а резистивного моста 2 выбирается равным

ив- (М

2R W

иа

1

где U.- - напряжение на выходе источника 1; R - сопротивление резисторов

3 и 4, равное максимальному значению переменного резистора 7.

I Потенциал точки с, учитывая, что сумма резисторов 5 и 6 устанавливается равной R, а резистор 6 выбирается равным половине максимального приращения резистора 7, определяется выражением

U0(R - &R)

Ufc 2R -ЛК

(7)

где UR - приращение резистора 7. Разность потенциалов между точками моста а и с равна

иоо и(2Г 1г™/ГГ)ш (8)

Разность потенциалов между точками b и с равна

и,ЛКмйко вс - 2(2R - &R)

(9)

где U кмрке максимальное приращение резистора 7 Тогда из формулы (5)

А UR2

И TR

(10) макс

Выражение (10) показывает, что длительность измерительного интервала (, й прямо пропорциональна измеряемому приращению Л R переменного резистора 7.

Весь измерительный период Ји (1 цикл измерения) складывается из четырех:

i + и первый цикл заряда - разряда емкости интегратора; С + Јц2 второй цикл заряда - разряда емкости; С - t - период подготовки ко второму циклу заряда - разряда емкости;

Р - Q Л

wi

период подготовки к первому (следующему) циклу заряда емкости.

Общее время измерения - измерительный период $и, равный 4 (калиброванных интервалов времени), не за-Ј--, как в извисит от отношения

вестном устройстве

Значение С для реального измерителя определяется исходя из требуемой информационной емкости измерительного интервала и характеристик применяемых интегральных микросхем по быстродействию и чувствительности

1844

так же, как это определялось дчч ич вестного устройства (Тх м,пс ).

Дрейф нуля усилителя 11 приводит к появлению на его входе напряжения uLp. Графики напряжений на входе и выходе интегратора 17 приобретают в этом случае вид, показанный на фиг.2в, 1% Вводя штрих в обозна- JQ чения тех же значений, что и в первом рассмотренном случае работы устройства (когда дрейф усилителей 11 и 16 отсутствугт), аналогично получаем

1 с I f С i С

5 i -uwpi-RC- (и«с

0

5

о щ

(11)

Л

i r- 1EL - ™« VK тЈ(12)

Изменение напряжения на итеграто- ре за время noniотовки к второму циклу заряда - разряда емкости интегратора, Ј 1

bUi UqoK

3

RC

(13)

5

0

Аналогично

лл

из -VtRc (и«с + и1Р)к кГ о Л, ( л,(14)

«i-ujz (UBC + 4P)(15)

Изменение напряжения интегратора за время подготовки к первому (следующему) циклу заряда - разряда

Ли; ui. к . (16)

Р

причем ( Аи из -

J WJ - J|I

Ли| AuJ и. - и г .

(17) (18)

Решая уравнения (11 - 18), находим Сц, и Јиа , получаем значение измерительного интервала в случае учета влияния дрейфа нуля усилителя 11 на работу устройства

А л л . „ Uatc С .. -0И1 + биа - (19)

и w АЪ.

Сравнение выражений (19) и (5) показывает, что влияние дрейфа нуля усилителя 11 полностью компенсируется.

Дрейф нуля усилителя 16 приводит

к появлению напряжения U.. на его входе с

Графики напряжений на входе и выходе интегратора приобретают вид, приведенный на фиг.2д,е.

71619

Вводя два штриха в обозначения тех же значений, что и в первом рассмотренном случае (когда не учитывается влияние дрейфа усилителей 11 и 16), и учитывая, что коэффициент усиления буферного усилителя в устройстве равен единице аналогично получаем

t

If

tЈ,p, ----(uqc. к -

л

U

1

) й(20)

it Up,

ЛИ

„«.L RC

RC

(U

вс

п г к + идр)

В1

RC (21)

UU,

и1; -А -и;, (--и-, (22)

и.

л,

ь Ь

RC

11 ч Ы

(V + V -RC (23)

Л Л

н иг. ч ° из.

UP2 RC (UBCK U9P} RC

8

0

организовать процесс измерения, при котором за период измерения , состоящий из двух периодов заряда, равных Ј, двух периодов разряда Ји( и Й, и двух подготовительных периодов, равных (Ј - ) и (Ј - иг) суммарное воздействие на интегратор напряжения дрейфа дополнительного усилителя равно нулю Дрейф буферного усилителя не оказывает существенного влияния на точность измерения, так как коэффицент усиления его равен единице.

Разрядное напряжение снимается не со всего плеча моста, а с части его, что позволяет привести в соответствие по уровню разрядное напряжение и напряжение разбаланса. Номинал дополнительного сопротивления определяется максимальным приращением сопротивления измеряемого резистора о

изобретение отчоси-гся к зпелтри- измерительной технике и может быть -использовано для измерения изменения, например; температуры окружаюцей среды или гидростатического давления. Целью изобретения является повышение точности и увеличение оыстродействия измерения за счет уменьшения влияния дрейфа усилителей сигнала разбаланса. Устройство содержит резистивлый мост, усилитель с дифференциальными входам и вкчоя ч:ш, оуферный усилитель, интегра-. с-р, компаратор, задат- чик калпброваш.ых нь.терзалов времени, измеригел (Зременш х интервалов, сеьь ключей. Новым в ycTsiufic 1пве является введь ,-& усилите лея с дифференциальными вхгти и г ькодам(1 и .OiiOjjHHrtviMb i. ь их связ;; i остальнш п 3. raiu с скы, «то позволяет хь npv lit. изме рения, при КОТОРОМ за пориог г змере- , состояи.чк ис двух пс. ичдов заряда, гавн,|Х , .ерисдчь разряда t,.. и 2,., к двух годготоргтель- 1г /л ../v л ных -периодов, раткых t - t,(1 и И2 суммарное воздейс1 и,,г на |;н сгратор напряжения дтейЛа Ai.HOJijD.renbHcrc- З силителя раг,чо нугчо .Ipeiii.; буферного усилителя не оказывает существенного на точность измерения5 так как коэффициент усиления его равен единице. 2 ил. до

и4

л к

(24)

- U, U

Р

л л (±.IJ-JL1) . (25)

RC

Исходя их выражений (5) - (10), значение С и измеряемого интервала времени

Ј Ј + С 8(-) СИ 4i + си. U(}0 S4 BX

(26) h далее получаем

&S2L- - (27)

И п °Чт V

йКмакс L ec K

Сравнивая выражения (27) и (10), видим, что дрейф нуля усилителя 16 приводит к ошибке в измерениях приращения сопротивления, равной

8()

Оценим числовое значение погрешности при использовании в качестве переменного резистора термопреобразователя, изменяющего свое сопротивление от 100 до 113 Ом в диапазоне изменения температур 0 - 40 С Значение U $р при этом изменяется от 12,2 до 11,5 мВ. При U9p 2 мВ и К 40 максимальное значение погрешности за счет дрейфа буферного усилителя составляет 0,014% (0,005°С), что на порядок меньше значения погрешности в известном устройстве.

Таким образом, введение дополнительного усилителя и ключа позволяет

Формула изобретения

Устройство для измерения приращения сопротивления, содержащее ре зи тпвньй мост, два плеча которого

образован : первым и вторым постоянными резисторами, третье плечо - последовательно соединенными третьим и четвертым постоянными резисторами, четвертое - клеммами для подключения объекта контроля, источник постоянного напряжения, первый полюс которого соединен с второй клеммой для подключения объекта контроля и вторым выводом первого резистора, а

второй полюс - с вторыми выводами третьего и второго резисторов, шесть ключей, последовательно соединенные буферный усилитель, интегратор, компаратор и задатчик калиброванных

интервалов времени, первый выход которого соединен с входом измерителя временных интервалов и управляющим входом первого ключа, второй выход задатчика калиброванных интервалов

времени соединен с управляющим входом второго ключа, информационный вход которого соединен с общим выводом соединения третьего и четвертого резисторов моста, выходы третьего

и шестого ключей подсоединены к инвертирующему входу буферного усилителя, к неинвертирующему входу которого подключены выходы четвертого и пятого ключей, отличающее916

с я тем, что, с целью повышения точности измерения и увеличения быстродействия при измерении малых приращений сопротивления, в него введены дополнительный ключ и усилитель с дифференциальными входами и выходами, первый вход которого соединен с выходом второго ключа и через первый ключ - с общим выводом соединения первого и второго резисторов моста, а через дополнительный ключ - с общим выводом четвертого резистора и первой клеммой для подключения объекта контроля, с которой также соединен

5

9184U

второй вход усилителя с дифЛерснци- альными входами и выходами, первый выход которого соединен с информационными входами третьего и четвертого ключей, а второй выход - с информационными входами пятого и шестого ключей, при этом третий выход задатчика калиброванных интервалов

Ю времени соедипен с управляющий входами третьего и пятого ключей, четвертый выход - с управляющими входами четвертого и шестого ключей, а пятый выход - с управляющим входом

15 дополнительного ключа.

Фиг.1

Фиг 2.

КГ

N/