Цифровой многоточечный измерительный мост Советский патент 1982 года по МПК G01R17/10 

(З) ЦИФРОВОЙ МНОГОТОЧЕЧНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ

-МОСТ

1

Изобретение относится к измеритель(ной технике и может быть использовано при измерении неэлектрических величин резистивными датчиками, например, при измерении деформаций и температур с помощью тензотерморезисторов в комплекте с микро-ЭВМ.

Известен цифровой измерительный мост, содержащий мостовую схему, одно плечо которой образовано измерительным резистором, источник питания, изменяющий свою полярность, включенный в одну диагональ, усилитель, включенный в другую диагональ, аналого-цифровой преобразователь, под- 5 ключенный к выходу усилителя и содержащий формирователь и измеритель временных интервалов .

Недостатком известного устройства является низкое быстродействие, 20 так как время одного измерения не может быть меньше периода сетевого , напряжения. -Быстродействие ограничивается также измерителем временных

интервалов, разрешающая способность которого прямо пропорциональна измеряемому интервалу и частоте заполняющих импульсов.

Наиболее близким по технической сущности является цифровой многоточечный измерительный мост, содержащий мостовую схему, одно плечо которой образовано измерительными резисторами, например тензорезисторами, включаемыми в плечо посредством коммутатора, а .три плеча образованы постоянными резисторами, два из которых являются образцовыми, источник питания, изменяющий свою полярность, включенный в диагональ, усилитель разбаланса, включенный в измерительную диагональ, цифровую проводимость, образованную разрядными резисторами и переключателями и подключенную к образцовым резисторам, регистр, подключенный к входам цифровой проводимости, регистр-счетчик, выходы которого

связаны с управляющими входами, коммутатора, блок управления, соединенный с входом регистра-счетчика и управляющим входом регистра 2,

Недостатком этого устройства являются низкие быстродействие и помехозащищенность.

Низкое быстродействие обусловливается тем, ,что разнополярные импульсы питания, вырабатываемые на каждый такт уравновешивания, должны иметь длительность не меньшую, чем время переходных процессов, вызванных перепадами напряжения питания. Время переходных процессов, зависящее в первую очередь от длины соединительных тензорезисторов, задает предел теоретически достижимого быстродействия.

Практически быстродействие ограничивается также тем, что в начале поразрядного уравновешивания, при коммутации старших разрядов цифровой проводимости, усилитель работает с многократными перегрузками и входит в глубокое насыщение. Обычно быстродействие таких мостов не превышает 100 изм/с.

Низкая помехозащищенность обусловливается тем, что сигналы, образующие разность на выходе уср ителя формируются в разные моменты времени, отстоящие друг от друга на конечный интервал, в течение которого амплитуда помехи может существенно, с точки зрения влияния на точность измерения, измениться.

Цель изобретения - повышение быстродействия и помехозащищенности Для достижения поставленной цели цифровой многоточечный измерительный мост, содержащий мостовую схему, одно плечо которой образовано измерительными резисторами, включаемыми в плечо посредством коммутатора, а три плеча - постоянными резисторами, два из которых являются образцовыми; источник питания, включенный в диагональ питания мостовой схемы, усилитель , включенный в измерительную диагональ мостовой схемы; цифровую проводимость, образованную разрядными резисторами и переключателями и подключенную к образцовым резисторам, регистр, подключенный к входам цифровой проводимости, регистрсчетчик, выходы которого соединены с управляющими входами коммутатора; блок управления, соединенный с входом регистр-счетчика и управляющий входом регистра, снабжен преобразователем напряжение-частота (ПНЧ), вход которого соединен с выходом

усилителя, а выход подключен к одному входу элемента И, реверсивным счетчиком, состоящим из п секций, соединенных посредством элемента ИЛИ и знакового триггера; блоком

распределения, выходы которого подключены к вторым входам элемента ИЛИ, переключателем, два выхода которого подключены к входам блока распределения, а один вход. - к выходу элемента И, нормирующим генератором, выход которого подключен к второму входу переключателя, а вход соединен с блоком управления, умножителем частоты, вход которого

соединен с сетью промышленного напряжения, а выход подключен к входу блока управления, регистр-счетчик выполнен из двух секций, соединенных посредством дополнительного триггег i

pa, выход которого также соединен с управляющими входами источника питания и переключателя, выходы первых (п-1) секций реверсивного счетчика и знакового триггера подключены к

входам регистра, установочные входы реверсивного счетчика связаны с блоком управления и выходом дополнительного триггера регистр-счетчика, управляющие входы блока распределения, усилителя и второй вход элемента И соединены с блоком управления. На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 временные диаграммы работы устройства; на фиг. 3 - характеристика преобразования напряжение-код.

Мостовая схема устройства образована образцовыми резисторами 1 и 2, постоянным резистором 3 и тензорезистором k, включенным посредством

коммутатора 5- Источник 6 питания включен(Одну диагональ мостовой схемы, в другую диагональ которой включен усилитель 7- К трем вершинам мостовой схемы, смежным с образцовыми резисторами 1 и 2, подключена цифровая, проводимость 8, образованная разрядными резисторами 9i знаковым резистором 10 и переключателями 11. К выходу усилителя 7

подключен преобразователь 12 напряжение-частота (ПНЧ), выход которого через элемент 13 И соединен с одним входом переключателя , выходы ко5торого подключены к входам 15 и 16 блока 17 распределения. Реверсивный счетчик 18 состоит из секций 19, 20 и 21, соединенных посредством элементов ИЛИ 22, и знакового триггера 23. Входы счетчика 18 соединены, соответственно, с вы ходами 30-35 блока 17 распределения, управляющие входы 36-38 которой подключены к блоку 39 управлен Выходы секций 20 и 21 и триггера 23 счетчика 18 связаны с входами цифровой проводимости 8 через регистр tO. Установочные входы R, S счетчика 18 соединены с выходами элемента 1 установки. Регистрсчетчик (2 состоит из секций (3 и 4, соединенных посредством допо нительного триггера k. Выходы сек ций 43 и kk связаны с управляющими входами коммутатора S- Выход допол нительного триггера kS подключен к управляющим входам источника 6 питания, переключателя 14 и элемен та установки. Нормирующий генер тор Аб подключен к второму входу переключа те пя . Вход умножителя 47 частоты связан через формирователь Ц8 с сетью промышленного напряжения. Блок 39 управления соединен с вь1ходом умножителя kj частоты, с входами элемента 41 устано ки, регистр-счетчика 42, нормирующего генератора 46, регистра 40, у равляющим входом усилителя 7 и установочными входами триггера 23. В устройстве уравновешивание мо товой- схемы цифровой проводимостью 8 осуществляется с использованием промежуточного преобразования напряжение-код. Преобразователь напряжение-код (ПНК) образуют ПНЧ, счетчик 18 и блок 39 управления, формирующий вр менные интервалы. Напряжение разбаланса мостовой схемы связано с сопротивлением пле следующей зависимостью II - 11 RA Z-RII I ,,. Р .й4)иА) где Up - напряжение источника 6 пи тания ; (J, R,R7 сопротивления резисторов 1, 2( 5, Л С учетом того, что R -R , вы ражение (1) примет вид Я4-Яг 2(Rj-vR4) 4 6 При уравновешивании мостовой схемы цифровой проводимостью на раарядных переключателях код уравновешивания связан с сопротивлением резисторов 3 и 4 следующей зависимостьюКак видно из выражений (2) и (3) , код N связан линейной зависимостью с напряжением разбаланса. Это обстоятельство облегчает измерительный процесс, сочетающий уравновешивание мостовой схемы с промежуточным преобразованием напряжениекод. Устройство работает следующим образом. С выхода формирователя 48 на . вход умножителя 47 частоты поступают импульсы, частота которых равна частоте сетевого напряжения FQ . С выхода умножителя 47 частоты на вход блока 39 управления поступает частота , где а - коэффициент передачи умножителя 47 частоты. Из входной частоты Р блок 39 управления формирует синхронизирующие импульсы и временные интервалы, которыми осуществляется тактирование и управление узлов устройства. В начальный момент секция 43 счетчика 42 и триггер 45 находятся в нулевом состоянии, а в секции 44 записан исходный код. Коды секций 43 и 44 определяют адрес (номер) измерительной точки. Под воздействием выходного сигнала триггера 45 устанавливается положительная полярность напряжения источника 6, элемент 41 установки подключает к блоку 39 управления установочный вход R счетчика 18, а переключатель 14 - выход элемента 13 к входу 15 и выход генератора 46 - к входу 1б блока распределения. В момент t (фиг. 2), совпадающий с началом формирования первого временного интервала Т -f/Fo , на вход элемента 41 с блока 39 управления поступает импульс, устанавливающий счетчик 18 в ноль. Одновременно на регистр 40 поступает сигнал разрешения записи. Регистр 40 и следовательно, цифровая проводимость 8 устанавливаются также в ну7левое состояние. Блок 39 управления, воздействуя на управляющий вхо усилителя 7, устанавливает коэффициент усиления f К В промежутке времени тг протекают переходные процессы в усилителе 7 и ПНЧ. К моменту t на выходе усилителя 7 устанавливается сигнал ,-иро, (5) Uno исходное напряжение разробаланса . На выходе ПНЧ устанавливается частота . (6) где Kji - коэффициент преобразования ПНЧ; fp - частота ПНЧ, соответствующая нулевому входному сигналу. В момент t., короткий импульс С блока управления поступает на S-вход триггера 23, который устана ливается в состояние 1, в интервале 2. на второй вход элемента 13 и управляющий вход 38 бло 17 распределения поступает потенциал разрешения. Следовательно, им пульсы ПНЧ через переключатель 14, выход З блока 17 распределения и вход 28 счетчика 18 поступа от на вход сложения Секции 21. Временные интервалы t , 6,2. Т7/- равны между собой и связаны с частотой умножителя 7 выражением r.... -. Гб ::Г r-f/FA7) В общем случае в момент t в сч чике 18 фиксируется первый ход. В момент tg на регистр 40 посту пает импульс разрешения записи, код счетчика 18 записывается в регистр 40, разряды цифровой проводимости 8, в том числе знаковый, ycfaнaвли еаются в соответствии с этим кодом Происходит соответствующая компенса ция напряжения разбаланса UOQ этом, в общем случае остается сигн недокомпенсации или перекомпенсаци величина которого не больше весово значения младшего разряда секции 2 т.е.In I /AU, / . - - (3) где ли - напряжение разбаланса в момент t-i , приведенное к выходу усилителя 7; m - количество двоичных разрядов в каждой из секций 19, 20 и 21; 48 -fyiox максимальный рабочий сигнал на выходе усилителя 7- Сигналу соответствует максимальная частота ПНС п В момент t по команде блока 39 управления устанавливается коэффициент усилия усилителя 7 Ку . и на выходе усилителя 7 установится сигнал и,,ЛЦ,.2, т.е. входной сигнал ПНЧ принимает новое значение в диапазоне (x В интервалеСГт элемент 13 закрыт. В этом интервале устанавливаются выходные сигналы усилителя 7 и ПНЧ. Кроме того, в момент t нормирующий генератор 46 формирует на своем выходе одиночный импульс, который через переключатель 14, вход 16 и выход 35 элемента 17 распределения и вход 29 счетчика 18 поступает на вход вычитания секции 21. В счетчике 18 записывается первый промежуточный код. В момент t сигнал разрешения поступает на вход 37 блока 17 распределения, а элемент 13 вновь открывается для импульсов ПНЧ, которые в интервале Т поступают через выход 32 блока 17 распределения и вход 26 счетчика 18 на-вход сложения секции 20. В общем случае в счетчике 18 в момент t/- записывается второй код, который вводится в регистр 40, в результате чего происходит более точная крмпенсация напряжения разбаланса, т.е. мостовая схема приближается к состоянию равновесия. Одновременно на управляющий вход усилителя 7 с блока 39 поступает команда, по которой устанавливается коэффициент усиления K,,,j. 2 1 Остаточное напряжение недокомпенсации или перекомпенсации, усиленное в К, раз, поступает на вход НРЧ. В интервале t элемент 13 закрыт, происходит установление выходных сигналов усилитеп 1 7 и ПНЧ. В момент ty на вход вычитания секции 20 поступает одиночный импульс нормирующего генератора 46. В счетчике 18 записывается второй промежуточный код. В интервале Cg открывается элемент 13, сигнал разрешения поступает на вход 36 блока 17 распределения и им9пульсы flH4 поступают на вход сложения секции 19 счетчика 18, и в мо мент tq в счетчике 18 формируется третий код. Поскольку третий код не подлежит дальнейшему уточнению, то выходы се ции 19 не связаны с цифровой проводимостью 8, в которой, следовательно, отсутствуют m младших разрядов. Третий код можно считать кодом урав новешивания, поскольку первый и вто рой коды корректируются в последующих тактах, т.е. третий код содержит ошибку не более единицы младшего разряда счетчика 18. При положительной полярности питания мостовой схемы характеристика преобразования напряжение-код описы вается прямой 1 (фиг. 3). Третий код выводится на внешний накопитель, например в память микро-ЭВМ. В момент tg с блока 39 управления на вход регистр-счетчика Ц2 пос тупает счетный импульс, в результате чего формируется код адреса следующей измерительной .точки. В последующих шести временных интервалах t происходит измеритель ный процесс, аналогичный описываемому, г1осле чего на вход регистрсчетчика 2 вновь поступает импульс счета. Формируется код адреса очередной измерительной точки. Емкость секции kj, связана с коэффициентом умножения а количеством преобразовательных тактов п и количеством интервалов t , приходящихся на один преобразовательный такт, чтобы окончание измерительного процесса К измерительной точки совпада 1с окончанием первого временного ин|тервала Т. По окончании опроса измерительной точки с К-адресом, происходит переполнение секции 3, которая вер нется в нулевое состояние, а триггер kS перейдет в состояние .1. В регистр-счетчике k2 вновь формиру ется исходный код. Повторяется опрос измерительных точек с адресами от исходного до К в течение второго временного интервала Т. Однако теперь выходной сигнал триггера kS устанавливает отрицател ную полярность источника 6. Кроме того, триггер kS воздействует на уп равляющие входы переключателя и i. элемента k установки, в результате чего при повторном опросе в момент . t. разряды счетчика lo, регистра и цифровой проводимости 8 устанавливаются в состояние 1, в момент t знаковый триггер 23 устанавливается в состояние О. Поскольку выход нормирующего генератора б подключен к входу 15 блока 17 распределения, а выход элемента 13 - к входу 16 блока 1 рас- , пределения, то импульсы ПНЧ в интервалах .,С4- поступают на входы вычитания секций 21, 20 и 19. а нормирующие импульсы генератора Д6 в интервалах Т и V - на входы сложения. При этом характеристика преобразования на1Пряжение-код описывается прямой М (фиг. 3) Формирование двух измерительных кодов для каждой измерительной точки с изменением полярности питания мостовой схемы и жесткой привязкой к частоте сетевого напряжения позволяет получить высокую помехозащищенность измерительного моста. Точно также исключается погрешность из-за смещения нулей усилителя 7, ПНЧ, а также других факторов, обусловливающих аддитивную погрешность, при условии, что знак этой погрешности не зависит от полярности, напряжения питания мостовой схемы. Устройство работает одинаково, как при исходных сопротивлениях тензорезисторов, т.е. при ненагруженном объекте, так и при наличии приращения сопротивлений тензорезисторов. При трехкратном измерительном процессе в каждом последующем такте происходит коррекция ошибки предыдущего такта. При этом величина этой ошибки долж-на быть не более единицы дискретности предыдушей секции. Однако время-импульсный метод преобразования может давать погрешность на единицу счета, т.е. на ту же единицу дискретности. В этом случае усилитель 7 и ПНЧ должны иметьвысокую точность передаточной характеристики. Чтобы значительно снизить требование к упомянутым характеристикам, следует снизить весовое значение погрешности время-импульсного преобразования. Для этого можно, например, на выходе ПНЧ установить дополнительный триггер-делитель, устанавливаемый в исходное состоян в начале каждого такта. Это позволит, изменить весьма про тые усилитель 7 и ПНЧ. Использование дополнительного триггера-делителя несколько усложняет счетчик 18, так как выход три гера-делителя должен переключаться на секции 20 и 19. Возможно более простое решение этой задачи, для чего в устройстве, вместе с удвоени коэффициента передачи ПНЧ, увеличена на один разряд старшая секция 2 а нормирующий генератор 46 формирует в интервалах 5 и 5 нормирующих импульса вместо одного, Мгоноступенчатый процесс аналого цифрового преобразования позволяет получить высокое быстродействие без снижения разрешающей способности. Таким образом, цифровой многоточечный измерительный мост целесообразно использовать при многоточечном тензометрировании и медленноменяющемся нагружении объекта испытаний, когда требуется обеспечить минимальное время опроса всех измерительных точек. Формули изобретения .1и®ровой многоточечный измерител ный мост, содержащий мостовую схему, одно плечо которой образовано измеглтельными резисторами; включаемыми в плечо посредством коммута тора, а три плеча - постоянными г/езисторами, два из которых являютс сб эзцовыми, источник питания, вклю 4 s- Hfc;. в диагональ питания мостовой схемы;, усилитель, включенный в измеритйгьную диагональ мостовой схемы, цифровую проводимость, образовзннуж разрядными резисторами и переключателями и подключенную к образцовым резисторам, регистр, подключенный к входам цифровой проводимости, регистр-счетчик, выходы которого соединены с управляющими входами коммутатора, блок управления, соединенный с входомрегистр-счетчика и управляющим входом регистра, отличаю щи йс я тем, что, с целью повышения быстродействия и помехозащищенности, он снабжен преобразователем напряжение-частота (ПНЧ), вход которого соединен с выходом усилителя, а выход подключен к одному входу элемента И, реверсивным счетчиком, состоящим из п секций, соединенных гюсредством элемента ИЛИ и знакового триггера; блоком распределения, выходы которого подключены к вторым входам элемента ИЛИ, переключателем, два выхода которого подключены к входам блока распределения, а один вход - к выходу элемента И, нормирующим генератором, выход которого подключен к второму входу переключателя, а вход соединен с блоком управления, умножителем частоты, вход которого соединен с сетью промышленного напряжения, а выход подключен к входу блока управления, регистр-счетчик выполнен из двух секций, соединенных посредством дополнительного триггера, выход которого также соединен с управляющими входами источника питания и переключателя, выходы первых (п-1) секций реверсивного счетчика и знакового триггера подключены к входам регистра, установочные входы реверсивного счетчика соединены с блоком управления и выходом дополнительного триггера регистр-счетчика, управляющие входы блока распределения, усилителя и второй вход элемента И соединены с блоком управления. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР ff 23055, кл. G 01 R 17/10, 1971. 2,Авторское свидетельство СССР № , кл. G 01 R 17/10, 1978.

ti fi t) и tf ift tg t3

«

Фиг.2