PL220087B1

PL220087B1 - Układ z dwoma źródłami prądowymi do jednoczesnego pomiaru dwóch różnic przyrostów rezystancji

Info

Publication number: PL220087B1
Application number: PL394350A
Authority: PL
Inventors: Adam Idźkowski; Wojciech Walendziuk
Original assignee: Politechnika Białostocka
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2011-03-28
Publication date: 2015-08-31
Also published as: PL394350A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ z dwoma źródłami prądowymi do jednoczesnego pomiaru dwóch różnic przyrostów rezystancji.

Znane są możliwości pomiarów dwu lub więcej skojarzonych ze sobą parametrów przy pomocy klasycznych i niekonwencjonalnych mostkowych układów pomiarowych opisywane są w publikacjach autora Z. L. Warszy. Mostek dwuprądowy opisywany przez Z. L. Warszę: „Immitancyjne układy czterobiegunowe (4T) w pomiarach wieloparametrowych” jest rozwiązaniem czysto teoretycznym, gdyż układ zasilany jest z dwóch źródeł prądowych odizolowanych galwanicznie i nie posiada stałego połączenia z masą układu elektrycznego. Istnieją również podobne implementacje takiego układu mostka z jednym, przełączanym źródłem prądowym opublikowane w pracach: A. Idźkowski, J. Makal: „Realizacja układu pomiarowego z czujnikami tensometrycznymi w mostku z przełączanym źródłem prądowym” oraz W. Walendziuk, A. Idźkowski: „Experimental verification of double current strain gauge meter”.

Najczęściej stosowane realizacje takich pomiarów opierają się na powszechnie stosowanym jednoźródłowym mostku Wheatstone'a nazywanym również klasycznym, lub na tzw. pętli prądowej (Andersona). W niektórych systemach pomiarowych stosuje się wiele mostków klasycznych i jedno wspólne źródło zasilające (prądowe lub napięciowe), a napięcia wyjściowe są mierzone kolejno po przełączeniu następnego mostka. Innym sposobem jednoczesnego pomiaru wielu parametrów jest ciągłe przełączanie (zmienianie) jednego z ramion tego samego mostka i mierzenie napięcia wyjściowego w każdym cyklu przełączającym. Kolejnym przykładem pomiaru kilku przyrostów jednocześnie i ich kombinacji jest układ K. F. Andersona objęty patentem U.S. Patent No. 5,731,469, pod tytułem: „Constant Current Loop Impedance Measuring System That Is Immune to the Effects of Parasitic Impedances”.

Istota rozwiązania polega na tym, że układ z dwoma źródłami prądowymi do jednoczesnego pomiaru dwóch różnic przyrostów rezystancji zbudowany z przetworników rezystancyjnych połączonych w czteroramienny mostek tak, że do przeciwległych wierzchołków mostka dołączone są dwa źródła prądowe J1 i J2, a do pozostałych wierzchołków dołączono dwa rezystory referencyjne Rr1 i Rr2, przy czym prądy źródeł powinny być skierowane do węzłów A i B.

Przedstawiony w niniejszym zgłoszeniu patentowym układ pomiarowy charakteryzuje się tym, iż nie posiada przełączanych źródeł prądowych, ani też żadnych kluczy przełączających. Dwa źródła zasilają układ w sposób ciągły. Układ pracuje z czterema przetwornikami i umożliwia jednoczesny pomiar dwóch różnic przyrostów rezystancji.

Przedmiot wynalazku pokazano na rysunku według fig. 1.

Układ pomiarowy zbudowany jest z czterech przetworników rezystancyjnych, połączonych w czteroramienny mostek. Do przeciwległych wierzchołków układu dołączone są dwa źródła prądowe: J₁, J₂, a do pozostałych dwa rezystory referencyjne: R_r1, R_r2.

Źródła prądowe charakteryzują się tym, że ich wartości wydajności prądowych są jednakowe oraz niezmienne w czasie. Oznacza to, że należy zastosować w takim układzie źródła prądu stałego o wysokiej stabilności. Należy podkreślić, iż prądy źródeł powinny być skierowane do węzłów A i B (fig. 1).

Do głównych zalet tego układu należy zaliczyć jednoczesny pomiar dwóch różnic małych przyrostów rezystancji. Możliwość jednoczesnego pomiaru dwóch składowych kierunkowych np. mierzonych przy pomocy przetworników rezystancyjnych. Kolejną zaletą jest kompensacja wpływu temperatury przy założeniu, że wszystkie elementy układu znajdują się w środowisku o jednorodnym rozkładzie pola temperatury. Uzyskanie takiego efektu wynika z tego, iż mierzone są różnice przyrostów, a nie same przyrosty rezystancji, co skutkuje brakiem wpływu zmian temp eratury na wynik pomiaru.

Rezystory referencyjne zastosowane w mostku pomiarowym powinny charakteryzować się możliwie dużą dokładnością oraz stabilnością wartości rezystancji w funkcji temperatury. Wolne końce nieprzyłączone do węzłów C i D połączone są z masą układu, tą samą, która jest zastosowana przy zasilaniu rzeczywistych elementów elektronicznych, stanowiących odpowiednik źródeł prądowych.

Istota działania niniejszego mostka polega na pomiarze wartości napięć w węzłach układu

A, B, C, D lub też różnicy napięć pomiędzy węzłami D-C oraz A-B. Układ równań opisujący zależności pomiędzy elektrycznymi wielkościami w niniejszym układzie pomiarowym przedstawia wzór:

PL 220 087 B1 (1)

/?]_ + /?4	0	1	1 η		\|-V_A1		r/η
		«1	«4
0	R2+R3 ^2'^3	1 *₂	1 fi₃		V_B		Λ
1	1	Λι·/?₂ + (/?₄+/ί₂)·β_Γ4	0
Al	«2	^Rl‘R₂ ^Rrl		V_c		0
1	1	0	^i?3'^R4+(^3 + ^R4)'RrZ
L r₄	fl₃	ff₃-P₄-R_r2 -		w

Uzależnia on wartości prądów i mierzonych napięć od rezystancji w poszczególnych gałęziach układu. Na podstawie takiego opisu matematycznego można sformułować ostateczny układ równań opisujący zależności przyrostów rezystancji gałęzi mostka od wartości napięć w węzłach obwodu i wartości prądów zasilających.

Przykładowe rozwiązanie układu równań przedstawione będzie dla przypadku, w którym zastosuje się pewne uproszczenia. Przyjmując, że rezystancja pojedynczego przetwornika Ri jest równa rezystancji nominalnej R_i0 i wartości liniowego przyrostu rezystancji AR gdzie i = 1,2, 3, 4. Zakładając równość prądów obu źródeł prądowych J₁ = J₂ = J, oraz równość wartości rezystancji referencyjnych Rr1 = Rr2 = R0 i rezystancji początkowych poszczególnych przetworników rezystancyjnych w gałęziach mostka R10 = R20 = R30 = R40 = R0, otrzymujemy układ równań:

fy _y _ y_c « y (ARi-A«₃)-(AR₄-4R₂) (²)

Dodatkowo przy założeniu, że przyrosty rezystancji w czasie pracy układu są małe w stosunku do wartości rezystancji roboczej R₀ >> AR, oraz że niewielkie wartości iloczynów przyrostów rezystancji AR · ARj « 0 są na tyle małe, by można je uznać za pomijalne.

Przy uwzględnieniu powyższych założeń układ równań może być bezpośrednio wykorzystany w praktycznej implementacji mostka pomiarowego. Należy przy tym zaznaczyć, iż konieczne jest zachowanie warunku pracy układu, w którym przyrosty: AR₁, AR₂, AR₃, AR₄ rezystancji przetworników: R₁, R₂, R₃, R₄ są znacząco małe, tak aby nie wystąpiło zjawisko nieliniowości przyrostów różnic rezystancji w czasie pracy układu pomiarowego.

Jednym z przykładów praktycznej realizacji układu jest platforma przeznaczona do diagnostyki układu równowagi wykorzystywana w badaniu posturograficznym. Badanie takie opiera się na komputerowej analizie statokinezjogramu zakreślonego przez nacisk stóp (Center of Pressure, COP). Statokinezjogram obrazuje nacisk w postaci punktu COP w kartezjańskim układzie współrzędnych, w którym np.: oś Ox związana jest z wychyleniami pacjenta w lewo i w prawo, a oś Oy reprezentuje odchylenia do przodu i do tyłu.

Przedstawione rozwiązanie mostka pomiarowego zasilanego dwoma źródłami prądowymi może mieć zastosowanie właśnie w takim układzie. Zaimplementowane w platformie stabilometrycznej cztery przetworniki tensometryczne odzwierciedlają odchylenie pacjenta. Zależności reprezentujące różnice przyrostów rezystancji związane z kierunkiem wychylenia względem COP oraz szkic platformy przedstawiono poniżej.

Claims

Układ z dwoma źródłami prądowymi do jednoczesnego pomiaru dwóch różnic przyrostów rezystancji zbudowany z przetworników rezystancyjnych połączonych w czteroramienny mostek, znamienny tym, że do przeciwległych wierzchołków mostka dołączone są dwa źródła prądowe J₁ i J₂a do pozostałych wierzchołków dołączono dwa rezystory referencyjne R_r1 i R_r2, przy czym prądy źródeł powinny być skierowane do węzłów A i B.