Цифровой многоточечный измерительный мост Советский патент 1980 года по МПК G01R17/10 

(54) ЦИФРОВОЙ МНОГОТОЧЕЧНЫЙ Изобретение относится к измерительной технике и может испол зовако при измерении температур;- и деформаций с помсядью терме- и тензорезисторов в комплекте с ЭВМ или специализированными вычислительным устройствами. , Известен многоточечный измери тельный мост, содержащий мостовую схему, внутренняя часть которой вы полнена в виде полумоста из постоян ных транзисторов, а внешняя част1 представлена полумостами из измерительных резисторов, например тензорезисторов, поочередно подключаемыми к внутреннему полумосту с помо коммутатора и операционных усилителей, источник питания мостовой схемы и нуль-орган. При зтом контакты коммутатора tt соединенные провода включены в цепь отрицательной обрат ной связи операционного усилителя. В- результате достигается значительная компенсация сопротивления проводов и контактов коммутатора 1. Недостатком этого устройства явл ется возможность компенсации только сопротивления проводов и контактов коммутатора, подключенных к вершинам питания моста, в связи с чем ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МОСТ внешняя часть мостовой схемы не может быть выполнена в виде четверть моста. Кроме того в устройстве не обеспечивается полная компенсация изза конечных значений коэффициента усиления и выходного сопротивления операционного усилителя а также возможны погрешности измерения из-за его дрейфа нуля. Известен цифровой многоточечный измерительный мост, содержащий мостовую схему, одно плечо которой образовано измерительными резисторами, например тензорезисторами, включаемыми в плечо через коммутатор, а три плеча образованы постоянными резисторами, блок цифрового уравновешивания, содержащий четыре цифровые проводимости на разрядных замыкакицих и размыкающих ключах, каждая из которых соединена с регистром, источник питания мостовой схемы, нульорган, один вход которрго соединен с одной вершиной измерительной диагонали через переключатель, другой вход соединен непорредственно со второй вершиной измерительной диагонали, а выход соединен с блокгиии управления. В этом устройстве достигается значительная компенсация сопро йЁЙения и контактов коммутатора при использовании во внешней части MpGToiBoW схемы одного измерительного резистора в случае, если суммарное сопротивление провода и контакта ком мутатора, примыкающих к измерительному резистору с одной стороны, равн компенсируемому сопротивлению, примы кающему к измерительному резистору с другой стороны. Компенсация осуществляется путем формирования кода поправки на компенсируемое сопротивление 2 . недостатком известного устройства является возможность компенсации сопротивления проводов и контактов коммутатора только в случае, если компенсируемое сопротивление, примыкающее к измерительному резистору с одной стороны, равно компенси руемому сопротивлению, п Зимыкаюадему к измерйтельйЬМу резистору с другой стороны, наличие погрешности из-за неполной кЬмпенсаций, а также наличие четырех цифровых проводймостей и регистров, что усложняет устройство. Целью изобретения является noisHшёние точности измерения за счет пол ной компенсации, сопротийления проводов и Контактов коммутатора при произвольном соотношении компёнсируе мых сопротивлений. У казанная цель достигается тем, что в цифровой многоточечный измерительный мост, содержащий мостовую схему, одно плечо которой образовано измерительньши резисторами, наггримёр тёнзорезисторами, включаемы ми в плечо через коммутатор, а три плеча образованы постоянными резисторами, блок цифрового ypaBHOEfeiaBвания, содержащий регистр и цифровую проводимость, образованную ра зряднымй резисторами и разрядными переключателями, источник питания, один которого соединён с одной вер шиной диагонали питания, нуль-орган один вход которого соединен с одной вершиной измерительной диагонали непосредственно, другой вход соедин совторой вершиной измерительной ди .гонали через переключатель, а выход соединён с входом блока управления, выходы которого соединен с управляющ ми входами переключателя и блока ци рового уравновешивания, введены дополнительные переключатели, управля щие входи которых соединены между с бой и с выходом блока управления , три шины цифровой проводимости подключены к четырём вершинам мостовой схемы через дополнительные переключатели, а второй полюс источника Питания - ко второй вершине Диагона ли питания через дополнительный пер ключатель . На чертеже представлена схема предложенного устройства.

746300 Устройство содержит измерительный езистор, например тензорезистор Г, ри постоянных резистора 2-4, обазующих пассивные плечи мостовой схемы, источник 5 питания, нульрган 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 измеительной диагонали, переключатель 16,изменяющий точку подключения полюса источника 5 питания к вершине иагонали питания, блок 17 цифрового уравновешивания, состоящий из регистра 18 и цифровой проводимости, Ьбразованнрй знаковым 19 и разрядными 20 резисторами и переключателями i 21, управлякяаие входы которых подключены к регистру 18, переключатели 22 - 24, посредством которых цифровая проводимость подключается к вершинам мостовой схема, блок 25 управления, выходы которого соединены с управляющими 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, ак и в режиме измерения Для каждой измерительной точки производится три цифровых У)ра вновешивания моста. Каждое уравновешивание производится с помощью цифровой проводимости. При этом ПРИ уравноветяиваний изменяются, проводимости двух смежных плеч моста - резисторов 3 и 4 или резисторов 2 и 3. В начал нь1й момент каждого уравновешивания состояние резистора 19 цифровой проводимости, являющегося зйаковым, противоположно состоянию разрядных резисторов 20, так как знаковый резистор.19 подключен ко входу переключателя 22, а разрядные резисторы 20 - ко входу переключателя 24/: ; - . Весовые соотношения проводймостей разрядных резисторов 20 соответствуют двоичному или двоично-десятичному коду, а суммарная проводимость, резисторов 20 равна проводимости знакового резистора 19, т. е. где 1 проводимость I -го разрядного резистора 20; . ЗН проводимость знакового резистора 19. Сопротивления резисторов 2-4 мостовой схемы выбираются: к г,--я1,, (2) - сопротивление резистора 2; где Rg . . . . ,- R - сопротивление резистора 3; К. - сопротивление резистора и соответственно &,,- G GJ. - G, где Gj , Gj , - соответствующи проводимости р ЗИСТОРОВ..2 Алгоритм работы устройства орга низован так, что во время первого уравновешивания компенсируемые сопротивления проводов 7 и 9 и контактов 12 и 14 коммутатора 11 скла дываются с сопротивлением тензореэистора 1. Во время второго уравновешивания с сопротивлением тензор зистора 1 складываетсяТОЛЬКО сумма кое 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 сопротивл ние провода 9 и контакта 14 складалвается с сопротивлением резистора 4, а во время третьего уравновешива ния 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 соп тивление складывалось с сопротивлением того из резисторов 2 и 4 мосто вой схемы, который в уравновешивани не участвует, т, е. проводимость ег во время уравновшаивания не меняетс Сопротивления проводов 8 и 10 и контакта 13 коммутатора .11 включаются в диагонё1ли моста и на точност измерения не влияют, 1. Режим установки -нуля. Первое уравновешивание. Переключатель 15 устанавливается в положение 26, а переключатель 16 в положение 27. Таким образом, коммутируегвлй вход нуль-органа 6 оказы вается подключенным к общей точке резистора 2 и контакта 12 коммутато ра 11, коммутируемый полюс источника 5 питания - к общей точке резистора 4 и контакта 14 коммутатора 11, В р:езультате сопротивления проводов 7 и 9 и контактов 12 и 14 вхо дят: в состав активного плеча, т. е, складываются с сопротивлением тензо резистора 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 vpaвнoвeшивaния знаковый резистор 19 подключен параллельно резистору 3, а разрядные резисторы 20 подключены параллельно резистору 4 .

746300 С учетом шунтирующего действия цифровой проводимости Эквивалентные проводимости резисторов3 и 4 будут равны: ззне- 9зи-- 9о А.,,--6;,, В р 5зультате уравновешивания моста определенные резисторы цифровой проводимости, в соответствии с величиной разбаланса изменят свое состояние на противоположное. При этом при положительном знаке разбаланса . знаковый резистор 19 не изменит свое состояние, и эквивалентная приводимость резистора 3 увеличится, а резистора 4 уменьшится на величину . п (4) где -- 1, если разряд изменит свое состояние; aj 70, 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 / , . , В Общем случае выражения (4) и можно объединить в одно v ,93Н, где г If если знаковый резистор изменил свое состояниег 0, если знаковый резистор не изменил-состояния. Равновесие моста после первого равновешивания опишется выраженим:ff,)). ..б) де У изменение эквивалентной проводимости каждого из резисторов 3 и 4, величина и знак которого обуславливаются выражением (5); суммарное сопротивление.провода 7 и контакта 12 коммутатора 11 суммарное сопротивление провода 9 и контакта 14 коммутатора 11. Цифровая проводимость и резисторы - 4 выбираются так, чтобы код N , формированный в рез,ультате уравнрвеивания однозначно .определял, веля- ину J А; Теперь из выражения (€) найдем код первого уравновешивания с учетом выражений (2) и (2а) (R ,,)- )-Я5 5р 2 о ( -y(Ri /;;-/S «эЛ . (8)л/ ( -о с S Второе уравновешивание, Переключагель 15 остается в поло жении 26, а переключатели 16, 22 24-переводятся в положение 28, Ис- точник 5 питания через переключател 16 и провод 10 подключается к общей точке тензорезистора 1 и провода 9Теперь суммарное сопротивление (/g ) провода 9 и контакта 14 складываетс с сопротивлением резистора 4/ а об точка резисторов 19 и 20 цифровой проводимости подключена к общей точ ке резисторов 2 и 3. В начальный момент знаковый резистор 19 подключен параллельно резистору 2, и разрядные резисторы 20 - параллельно резистору 3, , 2ЭкВ 2 9зн а о В момент равновесия имеем соотношен (,Я4-)()-3г(ЗЬ (1,т2 о) /«f э , /j /2 - (R Ь где У изменение эквивалентной про водимости казвдого из резисторов 2 и 3. Код второго уравновешивания определится. -ГУ д. Третье уравновешивание. Переключатель 15 переводится в по ложение 29, а переключатели 16, 2224 вновь устанавливаются в положение 27. Теперь нуль-орган 6 подключен к общей точке тензорезистора 1 и провода 7, и суммарное сопротивление ( ) провода 7 контакта 12 складывается с сопротивлением резистора 2. Суммарное сопротивление ( г ) провода 9 и контакта14, как и во время первого уравновешивания, складывается с сопротивлением тензорезистора 1. Равновесие моста теП1ерьдйй1йется выражением: (()-Уу (() , {,y)Pf -у ,(9 Код третьего уравновешивания , Коды t s I 3 вводятся в ЭВМ или специализированное вычислительное устройство, где производится вычисление кода Л еогласно, выражению:л;. - /-л/,-/у,-.л/ / можно показать, что R где Лу - сопротивление тензорезисто. pa 1, Найдем числитель и знаменитель выражения (11), ff / 5 f -v.-.«,-,f;; %T7-| | Л- УУ - ffi- i- f z- R 5 / откуда i-fJj 2К . 2R, , / VV Лу у З Л Код заносится в память ЭВМ или специализированное запоминающее устройство. 2. Режим измерения. Алгоритм работы устройства в этом режиме такой же, как и в режиме установки нуля. Поэтому можно сразу записать выражения для кондов, flf, /t по аналогии с кодами А , ./t/g , Л; , учитывая при этом рабочее приращение сопротивления тензорезистора 1 и возможноё изменение сопротивлений проводов 7 и 9 и контактов 12 и 14 коммутатора 11. Выражение для кода Л4 , формируемого аналогично коду /У имеет вид: Л/ Z ч- - Г/ 4ff/; -/7y y- /g - / ГЛ,, где ill - рабочее .приращение сопротивления тензорезистора 1; /7. - коэффициенты ,учитывающие изменения суммарных сопротивлении и / ; коду° формируется аналогично R ffg -ffff- () и, наконец, код А формируется ана логично коду Л ;,с д/ - - ( lO rRy+d/ y; /7 /7 Коды li , ,6 вводятся в ЭВМ или специализированное вычиcJirитeльн устройство, где формируется выходно код с использованием кода Л/, соот ветствующего данной измерительной точке, согласно выражению; ы, л/ ; о/-/V- / можно показать, что /V - 4 ff/ Найдем знаменатель и вычислитель вы р.ажения (16) у-лг /- / Р4 / г ;Дг/ Zfc П -« I. ..- -. / ... Cffy f/ 4/ /5/j+/7 y5 iNff,V- («, б V/jfl ; /j«f / ( /Vf VS ( Следо вателЬ 1о 2() / Л ff,; /7 /; /;j/j / C/ i3 R)n i +ngi -tRH Подставив выражения(12) и (18) в (16), получим л/ - RI - uRf .,-Q %/jr- / я/ . Таким образом, код, формируемый дйя каждой измерительной точки сог ласно выражению (16), отображает измеряемую величину. При. этом влия ние сопротивления проводов и контактов коммутатора полностью исклю чается при произвольных соотношениях этих сопротивлений. Формула изобретения Цифровой многоточечный измерительный мост, содержащий мостовую схёму, одно плечо которой образовано измерительными резисторами, например тензорезисторами, включаемыми в плбчо через когФ1утатор, 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 средине 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 и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности измерения за счет полной компенсации сопротивления проводов и контактов коммутатора при произвольном соотношении компенсируемых сопротивлений, введены дополнительные переключатели, управляющие входы которых соединены между собой и с выходом блока управления, три шины цифровой проводимости подключены, к четырём вершинам мостовой схемы через дополнительные переключатели, а второй полюс источника питания - ко второй верФаине диагонали питания через дополнительный переключатель . Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Заявка Великобритании 1458765, кл. G 1 U, опублик. 15.12.76. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке I 2522346, 10.02.78.

to