Пристрій для вимірювання відхилення опору

Пристрій для виміру відхилення опору, що містить перетворювач, джерело живлення, перший вихід якого з'єднаний з першими виводами першого і другого допоміжних резисторів моста, резистивний датчик, включений у перше плече моста, перший вивід якого з'єднаний із другим виводом першого допоміжного резистора і першим входом перетворювача, резистор порівняння, включений у друге плече моста, перший вивід якого з'єднаний із другим виводом другого допоміжного резистора і з другим входом перетворювача, другий вивід резистора порівняння з'єднаний з другим виходом джерела живлення, який відрізняється тим, що другий вивід резистивного датчика з'єднаний із третім входом перетворювача і першим виводом резистора опорної напруги, другий вивід резистора опорної напруги з'єднаний з четвертим входом перетворювача і спільною точкою другого виводу резистора порівняння і другого виходу джерела живлення Винахід відноситься до вимірювальної техніки і може бути використаний для виміру малих відхилень від заданого значення опору, а також для виміру інших величин, що за допомогою резисторних перетворювачів (терморезисторів, фоторезисторів, тензорезисторів і т д ) перетворюються в опір Відомий пристрій для виміру температури (див ав св № 614340 G01 ДО 7/16), заснований на вимірі опору, що містить термометр опору, включений у ланцюг вимірювального джерела струму, що компенсує джерело живлення, один із затисків якого через резистор і опір лінії зв'язку з'єднаний з першим потенційним виводом термометра опору, операційний підсилювач (ОП) з негативним зворотним зв'язком, до входу, що не інвертує, якого через опір лінії зв'язку підключений другий потенційний вивід термометра опору, до входу, що інвертує, ОП і резистору порівняння через резистор підключене третє джерело напруги, ІНШІ затиски джерел напруги і резистора порівняння з'єднані з загальною шиною до похибки, джерело струму і джерела напруги не взаємозв'язані і не забезпечується однакова їхня Загальними ознаками пропонованого і відомого пристрою є чотирьох затискне включення резистивного датчика, що забезпечує зменшення впливу сполучних проводів Причиною що заважає досягти поставленої задачі у відомому пристрої є те, що через те, що струм третього джерела напруги розгалужується на резистори, що приводить залежність від ЗОВНІШНІХ ВПЛИВІВ (при ЗМІНІ напруги живлення пристрою, при ЗМІНІ температури), включення джерела напруги, що компенсує, не забезпечує компенсації впливу зміни опору лінії зв'язку, компенсуючий струм змінюється зі зміною опору Пристрій (див патент Великобританії № 2107877 G 01 К7/20) містить схему подвійного моста, джерело струму, підключене до діагоналі моста через датчик струму До вимірювальної діагоналі моста підключений диференціальний вольтметр Загальними ознаками пропонованого і відомого пристрою є чотирьох затискне включення резистивного датчика в схему моста Причиною, що заважає досягти поставленої задачі у відомому пристрої, є введення додаткового резистора, що приводить до додаткової похибки, зв'язаної зі зміною характеристик резистора, не ЛІНІЙНІСТЬ ВИХІД НОГО моста, що зв'язано зі зміною опору резистивного датчика, а також застосування диференціального вольтметра з додатковим входом для підключення виходів датчика струму, що істотно обмежує можливість застосування пристрою З відомих пристроїв для виміру малих відхилень опору найбільш близьким по технічній сутності і результату, що досягається, є пристрій для 00 ю 45849 виміру зміни опору (див мал 10 46, crop 260 В С Путников Интегральная электроника в измерительных устройствах — 2-е изд , перераб и доп — Л ЭНЕРГОАТОИЗДАТ Ленингр отд-ние, 1988 — 304с), пристрій для виміру відхилення опору, що містить перетворювач напруга-значення вимірюваного сигналу, джерело живлення мостової схеми, перший затиск якого підключений до перших виводів першого і другого допоміжного резистора мостової схеми, резистивний датчик, включений у перше плече моста і резистора порівняння, включеного в друге плече моста Загальними ознаками прототипу і пропонованого пристрою є те, що пристрій містить перетворювач, джерело живлення, перший вихід якого з'єднаний з першими виводами першого і другого допоміжних резисторів моста, резистивний датчик, включений у перше плече моста, перший вивід якого з'єднаний із другим виводом першого допоміжного резистора і першим входом перетворювача, резистор порівняння, включений у друге плече моста, перший вивід якого з'єднаний із другим виводом другого допоміжного резистора і з другим входом перетворювача, другий вивід резистора порівняння з'єднаний із другим виходом джерела живлення Причиною, що заважає досягти поставленої задачі є те, що опорна напруга у відомому пристрої знімається з додаткового дільника, підключеного до джерела живлення моста Таке рішення не дозволяє одержати лінійну залежність вихідної напруги, оскільки зміна струму, що протікає через резистивний датчик, не зв'язана зі струмом, який протікає через додатковий дільник, що є причиною нелінійної залежності вихідної напруги моста при ЛІНІЙНІЙ ЗМІНІ опору резистивного датчика В основу винаходу поставлена задача створити такий пристрій для виміру відхилення опору, у якому, завдяки введенню нових елементів, була б усунута нелінійна залежність вихідної напруги моста при ЛІНІЙНІЙ ЗМІНІ опору датчика і спрощені вимоги до джерела опорної напруги, що дозволить спростити пристрій і підвищити точність виміру Рішення поставленої задачі досягається тим, що пристрій для виміру відхилення опору, що містить перетворювач, джерело живлення, перший вихід якого з'єднаний з першими виводами першого і другого допоміжних резисторів моста, резистивний датчик, включений у перше плече моста, перший вивід якого з'єднаний із другим виводом першого допоміжного резистора і першим входом перетворювача, резистор порівняння, включений у друге плече моста, перший вивід якого з'єднаний із другим виводом другого допоміжного резистора і з другим входом перетворювача, другий вивід резистора порівняння з'єднаний із другим виходом джерела живлення, а другий вивід резистивного датчика з'єднаний із третім входом перетворювача і першим виводом резистора опорної напруги, другий вивід резистора опорної напруги з'єднаний з четвертим входом перетворювача і спільною точкою другого виводу резистора порівняння і другого виходу джерела живлення ВІДМІННИМИ ознаками пропонованого пристрою є те, що, другий вивід резистивного датчика з'єднаний із третім входом перетворювача і першим виводом резистора опорної напруги, другий вивід резистора опорної напруги з'єднаний з четвертим входом перетворювача і спільною точкою другого виводу резистора порівняння і другого виходу джерела живлення Уведення послідовно з резистивним датчиком додаткового резистора, що виконує функцію джерела опорної напруги, дозволило одержати лінійну залежність вихідної напруги при ЛІНІЙНІЙ ЗМІНІ опору резистивного датчика, а також спростити джерело опорної напруги, шляхом виключення додаткових резисторів Лінійна залежність вихідного сигналу при ЛІНІЙНІЙ ЗМІНІ вимірюваного параметра і виключення джерела опорної напруги в пропонованому пристрої забезпечується за рахунок застосування резистора 2, включеного послідовно з резистивным датчиком, через який протікає той же струм, що і через датчик Як видно з виразу (8), результат виміру ЛІНІЙНО залежить від зміни опору і не залежить від джерела живлення моста, що забезпечується за рахунок принципового виключення значення напруги з формул розрахунку похибки Це створює можливість істотно знизити вимоги до джерела живлення в частині його стабільності, виключає необхідність в окремому джерелі опорної напруги Включення резистивного датчика разом з резистором порівняння практично виключає вплив сполучних проводів, що дозволяє віддаляти датчик від пристрою перетворення на відстань до 100м без утрати точності виміру Завдяки перерахованим умовам, істотно (у півтора-два рази) знижується споживана ним енергія від джерела живлення (головним чином за рахунок виключення ланцюгів стабілізації) Скорочення КІЛЬКОСТІ елементів схеми забезпечує підвищення його надійності, зниження собівартості, підвищення його технологічності На фіг 1 представлена схема пристрою для виміру зміни опору На фіг 2 представлений приклад реалізації цифрового термометра на основі пропонованого рішення Пристрій містить резистивний датчик 1, включений у перше плече моста, перший вивід якого з'єднаний із другим виводом першого допоміжного резистора 5 і з першим входом перетворювача 7 напруга-значення вимірюваного сигналу, другий вивід резистивного датчика 1 з'єднаний з першим виводом резистора опорної напруги 2 і з третім входом перетворювача 7 напруга-значення вимірюваного сигналу, другий вивід резистора опорної напруги 2 з'єднаний з четвертим входом перетворювача 7 напруга-значення вимірюваного сигналу, другим виводом резистора порівняння і другим виходом джерела живлення 6, перший вивід резистора порівняння 3, включеного в друге плече моста, з'єднаний із другим виводом другого допоміжного резистора 4 і другим входом перетворювача 7 напруга-значення вимірюваного сигналу, а другий вивід резистора порівняння 3 з'єднаний із спільною точкою другого виводу резистора опорної напруги 2, другого виходу джерела живлення 6 і четвертим входом перетворювача 7 напругазначення вимірюваного сигналу Пристрій працює в такий спосіб У результаті 45849 проходження струму через резистор порівняння 3 і резистивний датчик 1 на перший і другий вхід перетворювача 7 напруга-значення вимірюваного сигналу подається диференціальна напруга, рівна спаданню напруги на резисторі порівняння 3 і резистивному датчику 1 На третій і четвертий вхід перетворювача 7 напруга-значення вимірюваного сигналу подається сигнал, що дорівнює спаданню напруги на резисторі опорної напруги 2, що подається на перетворювач 7 напруга-значення вимірюваного сигналу як опорна напруга Напруга Ua на першому потенційному виводу резистивного датчика 1 дорівнює и^ф^ііі (І) де Rd - опір резистивного датчика, Е / звідки видно, що значення AR не залежить від напруги джерела живлення, тому можуть бути знижені вимоги до стабільності джерела живлення, а також виключається необхідність в окремому джерелі опорної напруги По цій же причині виключається поява нелінійності функції перетворення через зміну струму джерела живлення при ЗМІНІ AR Складова Rn/(Rom+Rn)« 1 (Дійсно, якщо прийняти Rn = ЮОм, що відповідає довжині сполучних проводів порядку 100m, Ro= 50OM, R1 = R2 = Юкому, т = Ri/R0 = 200, то Rn/(Rom + Rn) = 0,001 Крім того, вплив постійної складової може бути врахований при точному визначенні R' Додаткова похибка визначається при ЗМІНІ опору сполучних проводів під впливом факторів зовнішнього середовища Наприклад, для мідних проводів ARn = RUCK, • t, де а = 4,26 R' - опір резистора, Е - напруга живлення моста, R-I2- опір сполучних проводів З огляду на те, що Rd = Ro + AR, де Ro - опір резистивного датчика 1 для початкових умов, що відповідає початку вимірюваного діапазону, AR відхилення опору резистивного датчика від значення Ro, вираз (1) має вид U = / ( я + &R-4l)+(li де + /l)R< 10 3 1/°С, що зменшить вплив складової Rn/(Rom+Rn) ще на два порядки ) З урахуванням вищесказаного, А/Є = А, 2 Для випадку виміру температури AR = Ro • а • t, де R' = R o ki, 'і ^2 п _ к (2) , „ _ _ _ R-іб - опір сполучних проводів Напруга ІІь на потенційному виводу резистора порівняння 9 де R - опір резистора порівняння З огляду на те, що R2 = R1 = Rom, R = Ro + R', R11 - R12 (для початкових умов), де m - безрозмірний коефіцієнт, &U = b -U, = /,(*,+ К )-!-,R (4) Після підстановки вищенаведених умов і простих перетворень Перетворювач 7 виконує функцію перетворення вихідної напруги Дії у показання п пристрою з використанням спадання напруги на резисторі 2 як опорної напруги Перетворювач 7 напругазначення вимірюваного сигналу видає показання, коли (6) Е R' N - число, що відповідає кінцевому значенню вимірюваної величини AR, п - число, що відповідають частині n/N опорної напруги при видачі показань, к2 - число, що визначає задане відношення Дії до Uon-(n/N), при якому пристрій видає результат виміру (стан рівноваги) Після підстановки в (6) значення Дії з (5) і простих перетворень одержимо N ILm + R, За умови, що k = 1, ВІДЛІК температури проводиться в одиницях температури (°С) Замість термометра опору може бути включений будь-який резистивний чутливий елемент, наприклад, тензорезистор, фоторезистор і т д При цьому розрахунок схеми ведеться по формулі (7), де замість AR підставляється зміна опору чутливого елемента, визначена по його функції перетворення Причому ніяких змін у схемі пристрою не потрібно Наприклад, для те н зо резистора вираження для співвідношення деформації 1 Дй h К де К - безрозмірний коефіцієнт пропорційності, що визначає чутливість те н зо резистора до деформації, Ro - опір резистивного те н зо резистора при відсутності деформації, AR - зміна опору резистивного тензометра при впливі деформації Після підстановки в (7) значення AR, і з огляду нате, що R' = Roki, деформація резистивного тензорезистора визначається виразом h К N У випадку виміру відхилення AR опору резистора від заданого значення за умови, що k = 1, число п виражається в одиницях опору На фіг 2 показаний приклад реалізації пропонованого пристрою для виміру температури з застосуванням аналого-цифрового перетворювача (АЦП), виконаного на мікросхемі К572ПВ2 і з вико 8 45849 ристаниям цифрового індикатора ИЖЦ5/8 Станрозряднии двоїчнии код, який можна використовудартні навісні елементи на фіг 2 не показані Міквати для подальшої обробки росхема К572ПВ2 видає максимальне показання Якщо АЦП не має диференціального входу на індикаторі ИЖЦ5/8 1999 при U on = 100m і для вимірюваного сигналу, то між виходом мостоUBX=199,9m Отже, з виразу (8) виходить к.2 = 1,999 вої схеми й АЦП включається диференціальний Приймаючи загальне число "сходинок" N = 1999 і підсилювач, коефіцієнт підсилення якого вибиразадаючись умовою, щоб показання були в десятих ється виходячи з вимог узгодження рівнів вихідної частках градуса, з виразу (8) одержуємо к1 = напруги мостової схеми і вхідної напруги АЦП 0,426 Значення Е вибирається з умови застосуНа даному принципі можуть бути виконані тавання мікросхеми К572ПВ2, щоб U on - 100m і иВИх кож пристрої для було не більше 200т Діапазон виміру для даного - сигналізації про відхилення вимірюваного пристрою складе ±199,9°С параметра від заданого значення, Випробування пристрою показали, що при ви- регулювання технологічних процесів по відмірі температури від мінус 50°С до плюс 50°С похиленню вимірюваних параметрів від заданого грішність виміру не перевищує 0,05 % При випрозначення, буваннях замість мідного термометра опору був - сортування прецизійних резисторів по відхи6 застосований магазин опорів Р4831 кл 0,02/2-10 ленню їхнього опору від номінального значення, Зміна показань, викликувана збільшенням опору - виміру електричного опору замість складних лінії зв'язку до ЮООм, не перевищила 0,02% вимірювальних мостів Пристрій може бути легко реалізований у виЯк показано вище, результат виміру за допоробничих умовах при серійному виробництві, оскімогою приведених на фіг 2 пристроїв не залежить льки, як показано у вищенаведеному прикладі від змін Е Значення струму І повинне лише забез(див фіг 2), у пристрої застосовується елементна печувати вимоги чутливості застосованого в цих база широкого застосування Настроювання приперетворювачах нуль-індикатора (нуль-органа) строю у виробничих умовах може провадитись за Стабілізація напруги живлення пристрою повинна допомогою магазина опорів типу Р4831 Параметбути забезпечена лише в межах нормальних умов ри резистивного датчика для виміру температури функціонування застосовуваних елементів (напривизначаються незалежно в двох реперних точках клад, ± 5 % для К57211В2) МПТШ При підключенні АЦП К572ПВ4 на виході пе ретворювача (АЦП) буде представлений восьми Фіг І ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна (044)456-20- 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71