Аналоговий інтерфейс для дистанційних вимірювань з допомогою резистивних тензодатчиків

Реферат: Аналоговий інтерфейс для дистанційних вимірювань за допомогою резистивних тензодатчиків містить послідовно з'єднані вимірювальний ланцюг, у який включено тензодатчик та вхід якого з'єднаний з джерелом живлення, вимірювальний підсилювач, виконаний на операційних підсилювачах, включених за двокаскадною схемою, та аналого-цифровий перетворювач логометричного типу, причому вхідні та вихідні лінії зв'язку вимірювального ланцюга є дротовими. Джерело живлення виконане у вигляді джерела постійного струму без гальванічної розв'язки, пов'язаного зі входом вимірювального ланцюга через аналоговий мультиплікатор, керуючий вхід якого під'єднаний до мікроконтролера, входом пов'язаного з аналого-цифровим перетворювачем. Вимірювальний ланцюг виконаний у вигляді трьох резистивних подільників струму, де один подільник утворений резистивним тензодатчиком та підстроювальним резистором, а два інші зразковими резисторами. У вимірювальному підсилювачі операційні підсилювачі першого каскаду включені за інвертуючою схемою. UA 109796 U (12) UA 109796 U UA 109796 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до області вимірювальної техніки, а саме до області електричних вимірювань неелектричних величин, у даному разі механічних. Резистивні тензодатчики перетворюють у зміну свого опору деформацію, яка практично є рівною деформації об'єкта у місці закріплення датчика. Ці датчики є пасивними і для їх збудження (ініціалізації) використовують джерело живлення, підключене до вимірювального ланцюга, який містить тензодатчики. Відомий аналоговий інтерфейс для дистанційних вимірювань за допомогою резистивних тензодатчиків, вибраний як прототип [1], який містить у своєму складі послідовно з'єднані вимірювальний ланцюг з резистивними тензодатчиками, вимірювальний підсилювач та аналоговий перетворювач логометричного типу. Джерелом живлення є джерело постійної напруги, гальванічного ізольоване від землі. Вимірювальний ланцюг виконаний як неврівноважена мостова схема з двома тензорезисторами та двома підстроювальними резисторами у своїх плечах. Мостова схема працює з виходом по напрузі (з режимом холостого ходу у вимірювальній діагоналі). Вимірювальний підсилювач виконаний двокаскадним, на операційних підсилювачах. Перший каскад підсилює диференційний сигнал з вимірювального ланцюга і виконаний за схемою неінвертуючого підсилювача на двох пов'язаних між собою операційних підсилювачах. Другий каскад, виконаний як диференціальний підсилювач на операційному підсилювачі, придушує синфазний сигнал [2]. Сигнал з виходу вимірювального ланцюга передається на вхід вимірювального підсилювача за допомогою дротових ліній зв'язку. Несиметрія цих ліній з урахуванням значного вхідного опору вимірювального підсилювача призводить до того, що виникає різниця потенціалів (напруга завади), яка може буди порівняною з сигналом розбалансу мостової схеми вимірювального ланцюга, що передається, тобто з корисним сигналом. І навіть слабка завада може суттєво його (корисний сигнал) спотворити [3]. Ще одним недоліком прототипу є те, що для калібрування використовують метод шунтування [4]. З часом тензодатчики змінюють свій опір (старіють), що схемою не враховується, і це теж знижує точність вимірювання [5]. В основу корисної моделі поставлена задача підвищити завадозахищенність та точність вимірювань аналогового інтерфейсу для дистанційних вимірювань за допомогою резистивних тензодатчиків. Поставлена задача вирішується тим, що аналого-цифровий інтерфейс для дистанційних вимірювань, на базі резистивного тензодатчика, згідно з корисною моделлю, містить послідовно з'єднані вимірювальний ланцюг, у який включено тензодатчик та вхід якого з'єднаний джерелом живлення, вимірювальний підсилювач, виконаний на операційних підсилювачах, що включені за двокаскадною схемою, та аналого-цифровий перетворювач логометричного типу, причому вхідні та вихідні лінії зв'язку вимірювального ланцюга є дротовими, згідно з пропозицією, джерело живлення виконане у вигляді джерела постійного струму без гальванічної розв'язки, пов'язаного зі входом вимірювального ланцюга через аналоговий мультиплексор, керуючий вхід якого під'єднаний до мікроконтролера, входом пов'язаного з аналого-цифровим перетворювачем, вимірювальний ланцюг виконаний у вигляді трьох резистивних подільників струму, де один подільник утворений резистивним тензодатчиком та підстроювальним резистором, а два інші - зразковими резисторами, і у вимірювальному підсилювачі операційні підсилювачі першого каскаду виконані за інвертуючою схемою. Суть пропозиції пояснюється кресленнями де зображено: на фіг. 1 - схема електрична функціонована запропонованого аналогового інтерфейсу для дистанційних вимірювань з допомогою резистивних тензодатчиків на фіг. 2 - схема електрична функціональна аналогового інтерфейсу-прототипу. Номери позицій на кресленнях відповідають наступним елементам - на фіг. 1 та фіг. 2: 1 - вимірювальний ланцюг; 2 - вимірювальний підсилювач; 3 - аналого-цифровий перетворювач логометричного типу; 4 - аналоговий мультиплексор; 5 - джерело постійного струму (без гальванічної розв'язки); 6 - мікроконтролер; 7 - резистивний тензодатчик; 811 зразкові резистори; 12 - підстроювальний резистор; 1315 - операційні підсилювачі; 1622 резистори; 2327 - дротові лінії зв'язку; 28 - вимірювальний ланцюг; 29 вимірювальний підсилювач; 30 аналого-цифровий перетворювач логометричного типу; 31 джерело постійної напруги, гальванічне ізольоване від землі; 32, 33 - резистивні тензодатчики 34, 35 підстроювальні резистори; 36, 37, 38 - операційні підсилювачі 3945 - резистори; 4650 - дротові лінії зв'язку. 1 UA 109796 U 5 10 Аналоговий перетворювач логометричного типу 3 разом з аналоговим мультиплексором 4 та джерелом постійного струму 5 можуть бути виконані на одній платі і може бути використана плата РСІ/202 фірми ІСР DAS (Південна Корея). Робочий цикл аналогового інтерфейсу проходить наступним чином. Джерело 5 генерує постійний струм Ι0, який через аналоговий мультиплексор 4 по дротовій лінії зв'язку 23 надходить на вхід вимірювального ланцюга 1. В результаті розподілу струму Ι0 за допомогою подільника струму, утвореного резистивним тензодатчиком 7 та підстроювальним резистором 12, формується два струми. Один з них струм Ι1 надходить на вхід вимірювального підсилювача 2 по дротовій лінії зв'язку 26, другий струм Ι 2, по дротовій лінії зв'язку 27. При цьому 1   0  (1)  2  0  15 R12  r27 , R7  R12  r26  r27 R7  r26 , R7  R12  r26  r27 (2) де R7 та R12 опори відповідно резистивного тензодатчика 7 та підстроювального резистора 12; r26 та r27 - опори відповідно дротових ліній зв'язку 26 та 27. Під впливом вимірювальної механічної величини R7 буде змінюватись від свого номінального значення Rd на величину ΔRd. Відносна зміна опору R7 - δ буде тоді ΔRd/Rd. Таким чином опір R7 можна позначити як: 20 R7=Rd(1+δ). (3) Вихідна напруга на операційному підсилювачі 13-U13 з опором R16 у ланцюгу зворотного зв'язку буде: U13 = Ι1 • R16 (4) 25 А вихідна напруга на операційному підсилювачі 14 – U14 з опором R18 у ланцюгу зворотного зв'язку з урахуванням того, що R16=R17, буде U14 = (Ι1 - Ι2) • R18. 30 (5) Вихідна напруга другого каскада вимірювального підсилювача 6, тобто вихідна напруга операційного підсилювача 15 – U15 буде: U15=U14-U13 35 (6) На вхід аналого-цифрового перетворювача логометричного типу 3 надходять напруги U15 та U13 і АЦП 3 формує вихідний код Nацп відповідно відношення U15/U13, тобто з урахування (6) U15 / U13  U15 U14  1 U13 U13 (7) Підставивши у співвідношення (7) значення величин через параметри схеми, отримаємо: 1   ацп  1   2 R18  R18     2  .   1  R16 R16   1   (8) 40 При цьому  2 R12  r27  . 1 R7  r26 (9) 2 UA 109796 U 5 10 Для усунення впливу опорів r26 та r27 відповідних дротових ліній зв'язку 26 та 27, а також систематичних адитивної та мультиплікативної похибки вимірювального каналу у схемі реалізована безрозривна корекція методом зразкових мір - використані два резистивні подільники (відповідно зразкові резистори 8, 11 та 9, 10) у вимірювальному ланцюгу 1. Подільники на зразкових резисторах 8,11 та відповідно 9,10 мають відомий коефіцієнт поділу. Перехід від подільника, утвореного парою резисторів 7,12 (один з яких - резистивний тензодатчик) до подільника, утвореного парою резисторів 8, 11 і потім до подільника, утвореного парою резисторів 9,10, виконується за допомогою аналогового мультиплікатора 4. В результаті трьох послідовних вимірів отримаємо три вихідні коди АЦП 3 - відповідно NI, NII та NIII. Для отримання скоригованого результата Nскор мікроконтролер 6 співвідношення:  скор     I  II   н     н  ,   III  II  н (10) де δн - номінальне відносне відхилення опору тензодатчика (R7) від свого номінального 15 значення;   - номінальне відносне відхилення опору тензодатчика (R7) від свого номінального н значення, яке зберігається в пам'яті мікроконтролера 6. Йому відповідає код N1 н  20 30 35 40 (11) де δ0 нульове відносне відхилення опору тензодатчика (R7) від його номінального значення. Йому відповідає код NII 0  25 R8  R11 , R11 R9  R10 0 , R10 (12) де R9=R10. Із виразу (10) ми бачимо, що результат вимірювання у даному випадку вільний від впливу систематичних складових похибки вимірювального каналу, що підвищує точність вимірювань. Додатковим позитивним результатом є покращення техніко-економічних показників, так як замість джерела постійної напруги з гальванічною розв'язкою використане джерело постійного струму без гальванічної розв'язки. Джерела інформації: 1. Аш Дж. Датчики измерительных систем: В 2-х книгах. Кн. 1. Пер. с франц/Аш Дж. - М.: Мир, 1992. - 480 с. 2. Walter G. Jung 1С Op-Amp Cookboock Third Edition, Amazon, 2015. 3. Левшина, Е. С. Электрические измерения физических величин: измерительные преобразователи [Текст]: учеб. пособие для студ. вузов, обуч. по спец. "Информационноизмерительная техника" / Е. С. Левшина, П. В. Новицкий. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отдние, 1983. - 320 с. 4. National Instruments, SCXI Universal Strain Grade Input: SCXI-1540. Available at: http://www.ni.com/pdf/products/us/4scxisc293_ETC_l 96.pdf 5. Пригоровский Н.И. Измерение механических величин электрическими методами. - М.: ГНТИ "Машлит", 1952. - 337 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 Аналоговий інтерфейс для дистанційних вимірювань за допомогою резистивних тензодатчиків, що містить послідовно з'єднані вимірювальний ланцюг, у який включено тензодатчик та вхід якого з'єднаний з джерелом живлення, вимірювальний підсилювач, виконаний на операційних підсилювачах, включених за двокаскадною схемою, та аналого-цифровий перетворювач логометричного типу, причому вхідні та вихідні лінії зв'язку вимірювального ланцюга є дротовими, який відрізняється тим, що джерело живлення виконане у вигляді джерела постійного струму без гальванічної розв'язки, пов'язаного зі входом вимірювального ланцюга через аналоговий мультиплікатор, керуючий вхід якого під'єднаний до мікроконтролера, входом 3 UA 109796 U 5 пов'язаного з аналого-цифровим перетворювачем, вимірювальний ланцюг виконаний у вигляді трьох резистивних подільників струму, де один подільник утворений резистивним тензодатчиком та підстроювальним резистором, а два інші зразковими резисторами, і у вимірювальному підсилювачі операційні підсилювачі першого каскаду включені за інвертуючою схемою. Комп’ютерна верстка М. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4