PL221900B1 - Układ elektryczny do sekwencyjnego pomiaru czterech różnic lub sum przyrostów rezystancji - Google Patents

Description

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

Znane 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”. Przetwarzanie przyrostów rezystancji na napięcia odbywa się przy pomocy bloku układów odejmujących zbudowanych ze wzmacniaczy operacyjnych. Znany jest również opis patentu PRL o numerze 125372 „Układ przetwornika różnicy rezystancji elektrycznej na napięcie stałe”, gdzie użyto źródła napięcia i przetworników rezystancji na napięcie z użyciem wzmacniaczy operacyjnych.

Istotą rozwiązania jest układ elektryczny składający się z czterech przetworników rezystancyjnych połączonych w czteroramienny mostek, zasilony dwoma źródłami prądowymi J1 i J2, z prądami skierowanymi do węzłów A i B, posiadający dwa rezystory referencyjne, cztery klucze przełączające oraz mający tą właściwość, iż umożliwia otrzymanie czterech różnic lub sum przyrostów rezystancji otrzymanych na podstawie pomiaru napięć w węzłach A, B, C i D, odpowiednich kombinacji dwuelementowych dla czterech przetworników rezystancyjnych: R1, R2, R3, R4.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony na rysunkach, gdzie fig. 1 przedstawia schemat ogólny, fig. 2a, 2b, 2c, 2d przedstawiają cykle kalibracyjne, fig. 3a, 3b, 3c i 3d przedstawiają kolejne cykle pomiarowe, zaś fig. 4 pokazuje przykład praktycznego wykorzystania opracowania patentowego.

Przedstawiony w niniejszym zgłoszeniu patentowym układ pomiarowy charakteryzuje się tym, iż na etapie przetwarzania poszczególnych różnic rezystancji na napięcia, nie posiada on wzmacniaczy operacyjnych, które mogą być wrażliwe na szybkie zmiany sygnału wejściowego.

Układ pomiarowy zbudowany jest z czterech przetworników rezystancyjnych, połączonych jak na fig. 1. Do przeciwległych węzłów układu dołączone są dwa źródła prądowe: J1, J2, a do pozostałych dwa rezystory referencyjne: Rr1, Rr2. 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, które zagwarantują oczekiwaną wiarygodność pomiarów. Należy podkreślić, iż prądy źródeł powinny być skierowane do węzłów A i B. Rezystory referencyjne zastosowane powinny charakteryzować się możliwie dużą dokładnością oraz stabilnością wartości rezystancji w funkcji temperatury. Wolne końce nieprzyłączone do węzłów C i D (fig. 1) połączone są z masą układu, tą samą, która jest zastosowana przy zasilaniu rzeczywistych elementów elektronicznych, stanowiących odpowiednik źródeł prądowych przedstawionych na fig. 1. Klucze przełączające w układzie znajdują się w gałęziach: A-C, C-B, B-D i D-A. Istota działania niniejszego układu polega na pomiarze wartości napięć w węzłach układu A, B, C, D (fig. 1), sumy lub też różnicy napięć pomiędzy węzłami D-C oraz A-B (fig. 1) w ośmiu cyklach pomiarowych. Pierwsze 4 cykle pomiarowe (fig. 2 a-d) nazwane: S1, S2, S3 i S4, gdzie w każdym włączony jest tylko jeden klucz, mają głównie na celu wyznaczenie rezystancji początkowych czujników: R10, R20, R30 i R40 według zależności podanych w tabeli nr 1:

PL 221 900 B1

Cykl	Stan logiczny kluczy	Obliczane rezystancje początkowe czujników
K1	K2	K3	K4
S1	1	0	0	0	n (Kisi — Vcsi) n ^10 — J ^K1
S2	0	1	0	0	n (VbS2 ~ VcS2) n ^20 — j ^K2
S3	0	0	1	0	n (VflS3 — +DS3) n ^30 — j ^Κ3
S4	0	0	0	1	n (E«4 - VDS4) n K40 — J ttK4

gdzie: k - indeks węzła, i - kolejny cykl załączania kluczy (np. V_AS1 - napięcie w węźle A zmierzone w cyklu S1). Rezystancje poszczególnych kluczy oznaczono jako: RK1, RK2, RK3, RK4.

Kolejne cykle pomiarowe: S5, S6, S7, S8 służą do obliczenia kombinacji dwuelementowych różnic lub sum przyrostów rezystancji dla czterech przetworników R1, R2, R3, R4 (tabela 2).

Schematy układów dla tych cykli przedstawiono na rysunkach fig. 3 a-d. Należy nadmienić, iż w prosty sposób układ ten można dostosować do współpracy ze wzmacniaczami pomiarowymi lub też bezpośrednio zintegrować go z przetwornikiem analogowo-cyfrowym o dużej rozdzielczości.

T a b e l a 2: Wyznaczanie różnic i sum przyrostów rezystancji czujników

Cykl	K1	K2	K3	K4	Mierzone różnice i sumy przyrostów
S5	0	1	0	1	λ η λ n _(^1 + + Δ/14 iaK? — J Λη , λπ (yAl-VBl+VCl-VDl)-(yAs4+VBs2-VCsl-VDs4) łAi\ą Τ Δ/υο — , 4 2 j
S6	1	0	1	0	λ η λ n (7a2 ~ ^S2 _ ^C2 + ^2) — (Kisi — +Ss3 — +Csl + +DS3) J λ η , λ n _ (^2 + vB1 - vCi - VD2} - (yAsi + vBs3 - vCsl - VDS3) Δ/Χ-ι Τ ΔίΥο — J
S7	1	1	0	0	λ η λ n 0^3- - Wasi - VCsi - VBS2 + VCs2) Δϊι-ι ΔίΥο — J Λ n 1 Λ n .(^3+^3)-(^1-^1-^2+^2) Δ/ν-1 “Γ ΔίΥο — 1 2 J
S8	0	0	1	1	. D . D (Υα4 — +S4) — (Kisi — +Ds4 _ +Ss3 + +DS3) łAi\a LAf\o — J λ n 1 λ n _ (^44 + ^4) — (E4s4 _ +Ds4 + +Bs3 _ ^0x3 ) Δ/Χ4 τ Δγ\·3 — , 4 3 j

Do głównych zalet tego układu należy zaliczyć jednoczesny pomiar czterech różnic lub sum małych przyrostów rezystancji dla czterech przetworników rezystancyjnych. Przykładem zastosowania może być układ wykorzystujący dwie pary czujników termorezystancyjnych i tensometrycznych do pomiaru różnic temperatur oraz naprężeń w dwóch punktach. Warto podkreślić także prostotę implementacji układu za pomocą dostępnych podzespołów elektronicznych tj. kluczy typu SPST oraz stabilnych źródeł prądowych, które można umieścić na płytce drukowanej o niewielkich rozmiarach.

Innym przykładem zastosowania niniejszego wynalazku może być urządzenie do pomiaru odchylenia przyłożonej masy od środka ciężkości przy jednoczesnym pomiarze jej wartości (fig. 4). Układ taki można zrealizować na podbudowie platformy, w której narożnikach umieszczone są belki tensometryczne, jednostronnie podparte. Na każdej z belek należy umieścić po jednym tensometrze pomiarowym, który odzwierciedlać będzie jej odkształcenie. W poszczególnych cyklach pomiarowych, przy zastosowaniu odpowiedniego załączania i wyłączania kluczy, można wykonać pomiary, które są niezbędne do wyznaczenia oczekiwanych wartości. Na przykład w celu wyznaczenia odchylenia od środka ciężkości należałoby wykonać następującą sekwencję cykli pomiarowych: kalibracja układu - cykle:

PL 221 900 B1

S1, S2, S3, S4; a następnie pomiar odchylenia, na podstawie zmierzonych napięć, przy odpowiednim przekształceniu wzorów z tabeli 2. Natomiast w celu wyznaczenia masy przyłożonej do platformy należałoby zastosować kombinację załączanych sekwencyjnie kluczy K1, K2, K3, K4, dzięki którym uzyskuje się efekt zbliżony do kalibracji układu, lecz różniący się tym, iż czujniki rezystancyjne nie będą w stanie spoczynku. Uzyskane dane w postaci spadków napięć na poszczególnych czujnikach należy przetworzyć w taki sposób, aby na podstawie różnic ich przyrostów, przy uwzględnieniu kształtu mechanicznego belki tensometrycznej, możliwe było wyznaczenie wartości średniej arytmetycznej siły. Następnie wykorzystując otrzymaną wartość siły można wyznaczyć masę przyłożoną do układu pomiarowego.

Claims (1)

1. Układ dwuprądowy do sekwencyjnego pomiaru czterech różnic lub sum przyrostów rezystancji składający się z czterech przetworników rezystancyjnych połączonych w czteroramienny mostek, znamienny tym, że jest zasilony dwoma źródłami prądowymi J1 i J2, z prądami skierowanymi do węzłów A i B, posiadający dwa rezystory referencyjne, cztery klucze przełączające oraz mający tą właściwość, iż umożliwia otrzymanie czterech różnic lub sum przyrostów rezystancji otrzymanych na podstawie pomiaru napięć w węzłach A, B C i D, odpowiednich kombinacji dwuelementowych dla czterech przetworników rezystancyjnych: R1, R2, R3, R4.