RU2292051C2 - Transformer of resistive sensors' changing resistance into electric signal - Google Patents
Transformer of resistive sensors' changing resistance into electric signal Download PDFInfo
- Publication number
- RU2292051C2 RU2292051C2 RU2005100129/28A RU2005100129A RU2292051C2 RU 2292051 C2 RU2292051 C2 RU 2292051C2 RU 2005100129/28 A RU2005100129/28 A RU 2005100129/28A RU 2005100129 A RU2005100129 A RU 2005100129A RU 2292051 C2 RU2292051 C2 RU 2292051C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- output
- programmable
- switch
- control device
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для преобразования неэлектрических величин в электрический сигнал, в частности, для измерения изменений сопротивлений датчиков резистивного типа.The invention relates to measuring technique and can be used to convert non-electrical quantities into an electrical signal, in particular, to measure changes in the resistance of sensors of a resistive type.
Известен многоканальный преобразователь изменения сопротивления в электрический сигнал (А.с. №815677, МКИ 3 G 01 R 27/00, БИ №11, 1981 г.), содержащий в каждом из N каналов пару последовательно соединенных резистивных датчиков, источник питания датчиков, операционный усилитель, три коммутатора каналов, через первый из которых точки соединения резистивных датчиков между собой подключены к неинвертирующему входу операционного усилителя, вторые выводы одного из датчиков каждого канала подключены с помощью второго коммутатора каналов к входному резистору, соединенному с инвертирующим входом операционного усилителя, и с помощью третьего коммутатора - к выходу источника питания резистивных датчиков. Кроме того, в него введены второй операционный усилитель, четвертый и пятый коммутаторы каналов, при этом точки соединения резистивных датчиков между собой через первый коммутатор каналов подключены к инвертирующему входу первого операционного усилителя, вторые выводы одного из датчиков каждого канала через второй коммутатор каналов подключены к инвертирующему входу второго операционного усилителя и через третий коммутатор каналов - к выходу второго операционного усилителя, а вторые выводы другого датчика каждого канала через четвертый коммутатор каналов подключены к выходу первого операционного усилителя и через пятый коммутатор каналов - к выходной клемме преобразователя, неинвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с выходом источника питания датчиков, а неинвертирующий вход второго операционного усилителя - с другим выходом источника питания датчиков.Known multi-channel Converter changes the resistance into an electrical signal (AS No. 815677, MKI 3 G 01 R 27/00, BI No. 11, 1981), containing in each of the N channels a pair of series-connected resistive sensors, a sensor power source, an operational amplifier, three channel switches, through the first of which the connection points of the resistive sensors are connected to the non-inverting input of the operational amplifier, the second outputs of one of the sensors of each channel are connected to the input resis yell connected to the inverting input of the operational amplifier, and via the third switch - to the output of the power supply resistive sensors. In addition, a second operational amplifier, the fourth and fifth channel switches are introduced into it, while the connection points of the resistive sensors to each other through the first channel switch are connected to the inverting input of the first operational amplifier, the second outputs of one of the sensors of each channel are connected to the inverting channel through the second channel switch the input of the second operational amplifier and through the third channel switch to the output of the second operational amplifier, and the second conclusions of another sensor of each channel through four channels fifth switch connected to the output of the first operational amplifier and the fifth channels via switch - to the inverter output terminal, a noninverting input of the first operational amplifier is connected to the sensor power source output, and a non-inverting input of the second operational amplifier - with another power source output sensor.
Недостатком данного устройства является низкая точность измерения и ограниченные функциональные возможности. Низкая точность преобразователя вызвана тем, что сопротивления ключей коммутаторов 4, 5, 6 и сопротивления соединительных проводов входят в сопротивление резистивного датчика. Это увеличивает абсолютную составляющую погрешности измерения. Кроме того, однополярное питание, используемое в предлагаемом устройстве, не позволяет компенсировать синфазную составляющую в сигнале и приводит к саморазогреву датчика, что также приводит к дополнительным погрешностям. Данное устройство обладает ограниченными функциональными возможностями, поскольку позволяет работать только в режиме одиночного резистивного датчика.The disadvantage of this device is the low accuracy of the measurement and limited functionality. The low accuracy of the converter is caused by the fact that the resistance of the keys of the
Наиболее близким по технической сущности является полумостовой измеритель сопротивлений (его варианты) (А.с. №1196773, G 01 R 17/02, БИ №45, 1985 г.), содержащий источник питания, первый выход которого соединен с общей шиной, полумост из последовательно соединенных первого и второго резисторов, первую выходную клемму, соединенную с общими выводами резисторов полумоста, вторую выходную клемму, соединенную с общей шиной, операционный усилитель, выход и инвертирующий вход которого соединены с вторым выводом первого резистора полумоста. Кроме того, в него введен инвертирующий масштабный усилитель, а источник питания выполнен в виде источника тока, второй выход которого соединен с вторым выводом второго резистора полумоста и входом инвертирующего масштабного усилителя, выход которого соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя, а коэффициент передачи инвертирующего масштабного усилителя равен отношению номинального сопротивления первого резистора полумоста к номинальному сопротивлению второго резистора полумоста.The closest in technical essence is a half-bridge resistance meter (its variants) (A.S. No. 1196773, G 01
Полумостовой измеритель сопротивлений, содержащий источник питания, первый выход которого соединен с общей шиной, полумост из последовательно соединенных первого и второго резисторов, первую выходную клемму, соединенную с общими выводами резисторов полумоста, вторую выходную клемму, соединенную с общей шиной, операционный усилитель, выход которого соединен с вторым выводом первого резистора полумоста. Кроме того, в него введен инвертирующий масштабный усилитель, а источник питания выполнен в виде источника тока, второй выход которого соединен с вторым выводом второго резистора полумоста и инвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с выходом инвертирующего масштабного усилителя, вход которого соединен с вторым выводом первого резистора полумоста, а коэффициент передачи инвертирующего масштабного усилителя равен отношению номинального сопротивления второго резистора полумоста к номинальному сопротивлению первого резистора полумоста.A half-bridge resistance meter containing a power source, the first output of which is connected to a common bus, a half-bridge of series-connected first and second resistors, a first output terminal connected to the common terminals of the half-bridge resistors, a second output terminal connected to a common bus, an operational amplifier, the output of which connected to the second terminal of the first half-bridge resistor. In addition, an inverting scale amplifier is introduced into it, and the power source is designed as a current source, the second output of which is connected to the second output of the second half-bridge resistor and the inverting input of the operational amplifier, the non-inverting input of which is connected to the output of the inverting scale amplifier, the input of which is connected to the second the output of the first half-bridge resistor, and the transfer coefficient of the inverting scale amplifier is equal to the ratio of the nominal resistance of the second half-bridge resistor to the nominal ohm resistance of the first resistor half-bridge.
Однако данное устройство обладает ограниченными функциональными возможностями, поскольку позволяет проводить измерение только по полумостовой схеме. В данном устройстве нельзя проводить измерение для схем «мост», «1/4 мост». Кроме того, данное устройство обладает низким быстродействием, поскольку из-за переходных процессов, возникающих из-за распределенных емкостей и индуктивностей на подводящих проводах, масштабный усилитель входит в режим насыщения, ограничивая при этом быстродействие устройства.However, this device has limited functionality, because it allows you to measure only half-bridge circuit. In this device it is impossible to carry out measurement for the "bridge", "1/4 bridge" schemes. In addition, this device has a low speed, because due to transients due to distributed capacitances and inductances on the lead wires, the large-scale amplifier enters the saturation mode, while limiting the speed of the device.
Техническая задача, решаемая в предлагаемом преобразователе изменения сопротивления резистивных датчиков в электрический сигнал, заключается в расширении его функциональных возможностей и повышении быстродействия.The technical problem to be solved in the proposed Converter changes the resistance of resistive sensors into an electrical signal, is to expand its functionality and increase speed.
Поставленная задача решается за счет того, что преобразователь изменения сопротивления резистивных датчиков в электрический сигнал содержит резистивные датчики, токовые и потенциальные линии, источник тока питания датчиков, операционный усилитель, общую шину. Кроме того, модулятор напряжения, делитель напряжения и коммутатор потенциальных линий являются программируемыми. Потенциальными линиями вход программируемого коммутатора потенциальных линий подключен к резистивному датчику (мосту или одиночному датчику), управляющий вход программируемого коммутатора потенциальных линий подключен к первому входу устройства управления, а его выход - к входу инструментального усилителя, опорный вход которого соединен с выходным контактом первого двухпозиционного переключателя, один вход которого соединен с общей шиной, а второй вход - с выходом программируемого делителя, а управляющий контакт первого двухпозиционного переключателя соединен с вторым входом устройства управления. Выход инструментального усилителя соединен с входом усилителя, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, его выход - с входом регистратора. Источник тока состоит из источника опорного напряжения, выход которого соединен с входом программируемого модулятора напряжения и неинвертирующим входом операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с номинальным резистором и последовательно соединенными выходным контактом второго двухпозиционного переключателя и первым входом блока двухпозиционных переключателей. Второй конец номинального резистора соединен с общей шиной. Выход операционного усилителя соединен с входом второго двухпозиционного переключателя. Второй вход второго двухпозиционного переключателя соединен с вторым входом блока двухпозиционных переключателей, а управляющий вход второго двухпозиционного переключателя соединен с третьим входом устройства управления. Управляющий вход блока двухпозиционных переключателей соединен с четвертым входом устройства управления, а первый и второй выходы блока двухпозиционных переключателей соединены с токовыми линиями. Вход программируемого делителя соединен с выходом программируемого модулятора напряжения, управляющий вход которого соединен с пятым входом устройства управления, а управляющий вход программируемого делителя соединен с шестым входом устройства управления.The problem is solved due to the fact that the converter for changing the resistance of resistive sensors into an electrical signal contains resistive sensors, current and potential lines, a sensor power supply current source, an operational amplifier, a common bus. In addition, the voltage modulator, voltage divider and switch potential lines are programmable. By potential lines, the input of the programmable switch of potential lines is connected to a resistive sensor (bridge or a single sensor), the control input of the programmable switch of potential lines is connected to the first input of the control device, and its output to the input of the instrument amplifier, the reference input of which is connected to the output contact of the first on-off switch , one input of which is connected to a common bus, and the second input - with the output of a programmable divider, and the control contact of the first two-position This switch is connected to the second input of the control device. The output of the instrumental amplifier is connected to the input of the amplifier, the output of which is connected to the input of the analog-to-digital converter, its output is connected to the input of the recorder. The current source consists of a reference voltage source, the output of which is connected to the input of the programmable voltage modulator and the non-inverting input of the operational amplifier, the inverting input of which is connected to the nominal resistor and connected in series with the output contact of the second on-off switch and the first input of the on-off switch block. The second end of the nominal resistor is connected to a common bus. The output of the operational amplifier is connected to the input of the second on / off switch. The second input of the second on / off switch is connected to the second input of the on / off switch unit, and the control input of the second on / off switch is connected to the third input of the control device. The control input of the on / off switch unit is connected to the fourth input of the control device, and the first and second outputs of the on / off switch unit are connected to current lines. The input of the programmable divider is connected to the output of the programmable voltage modulator, the control input of which is connected to the fifth input of the control device, and the control input of the programmable divider is connected to the sixth input of the control device.
Предлагаемый преобразователь изменения сопротивления резистивных датчиков в электрический сигнал (по сравнению с существующими преобразователями) позволяет повысить быстродействие. Это достигается за счет введения в схему программируемого коммутатора потенциальных линий. Если подавать сигнал с потенциальных линий непосредственно на инструментальный усилитель, то за счет переходных процессов в потенциальных линиях инструментальный усилитель будет входить в режим глубокого насыщения. Выход из режима насыщения (в зависимости от типа усилителя) может составлять десятки микросекунд, что является причиной снижения быстродействия устройства. Программируемый коммутатор потенциальных линий подключает потенциальные линии только после окончания переходных процессов, обеспечивая тем самым линейный режим работы инструментального усилителя и высокое быстродействие.The proposed Converter changes the resistance of resistive sensors into an electrical signal (compared with existing converters) can improve performance. This is achieved by introducing potential lines into the programmable switch circuit. If you send a signal from potential lines directly to the instrumental amplifier, then due to transients in the potential lines, the instrumental amplifier will enter the deep saturation mode. Exiting the saturation mode (depending on the type of amplifier) can be tens of microseconds, which is the reason for the slowdown of the device. The programmable switch of potential lines connects potential lines only after the end of transient processes, thereby ensuring a linear mode of operation of the instrument amplifier and high speed.
Двухполярное питание измерительной схемы позволяет исключить синфазную составляющую в сигнале, "понизить температурный разогрев, тем самым уменьшить погрешность измерения. Кроме того, предлагаемое устройство обладает более широкими функциональными возможностями, поскольку может работать при включении датчиков по схемам «1/4 мост», «мост».The bipolar power supply of the measuring circuit eliminates the common-mode component in the signal, "lower the temperature heating, thereby reducing the measurement error. In addition, the proposed device has wider functionality, since it can work when the sensors are switched on according to the" 1/4 bridge "," bridge ".
На фиг.1 приведена функциональная схема преобразователя изменения сопротивления резистивных датчиков в электрический сигнал. На фиг.2 показаны временные диаграммы, поясняющие работу устройства. На фиг.3 показана схема программируемого делителя (8). На фиг.4 приведена схема блока четырех двухпозиционных ключей (19). На фиг.5 показана схема программируемого модулятора напряжения (7). На фиг.6 изображена схема программируемого коммутатора потенциальных линий (9). На фиг.7 приведены временные диаграммы работы программируемого коммутатора потенциальных линий. На фиг.8 показан переходный процесс на одиночном тензодатчике.Figure 1 shows a functional diagram of a converter for changing the resistance of resistive sensors into an electrical signal. Figure 2 shows the timing diagrams explaining the operation of the device. Figure 3 shows a diagram of a programmable divider (8). Figure 4 shows a block diagram of four on-off keys (19). Figure 5 shows a diagram of a programmable voltage modulator (7). Figure 6 shows a diagram of a programmable switch potential lines (9). Figure 7 shows the timing diagrams of the programmable switch potential lines. On Fig shows a transient process on a single load cell.
Преобразователь изменения сопротивления резистивных датчиков в электрический сигнал (фиг.1) содержит:The Converter changes the resistance of the resistive sensors into an electrical signal (figure 1) contains:
1 - резистивные датчики;1 - resistive sensors;
2 - токовые линии;2 - current lines;
3 - потенциальные линии;3 - potential lines;
4 - источник тока питания датчиков;4 - current source of power sensors;
5 - операционный усилитель;5 - operational amplifier;
6 - общая шина;6 - common bus;
7 - программируемый модулятор напряжения;7 - programmable voltage modulator;
8 - программируемый делитель;8 - programmable divider;
9 - программируемый коммутатор потенциальных линий;9 - programmable switch of potential lines;
10 - устройство управления;10 - control device;
11 - инструментальный усилитель;11 - instrumental amplifier;
12 - первый двухпозиционный ключ;12 - the first on-off key;
13 - усилитель;13 - amplifier;
14 - аналого-цифровой преобразователь;14 - analog-to-digital Converter;
15 - регистратор;15 - registrar;
16 - источник опорного напряжения;16 - source of reference voltage;
17 - номинальный резистор;17 - nominal resistor;
18 - второй двухпозиционный ключ;18 - the second on-off key;
19 - блок, состоящий из четырех двухпозиционных ключей.19 is a block consisting of four on-off keys.
Практическая реализация предлагаемой схемы выполняется по известным схемам с использованием следующих компонентов.The practical implementation of the proposed scheme is performed according to known schemes using the following components.
1. Схема программируемого делителя приведена в книге (Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах - Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1988, с.233, рис.9.3).1. The programmable divider circuit is shown in the book (B. Gutnikov. Integrated Electronics in Measuring Devices - L .: Energoatomizdat, Leningrad Branch, 1988, p. 233, Fig. 9.3).
2. Информация об источнике опорного напряжения REF 198 и инструментальном усилителе типа INA 114BU находится на официальных сайтах фирм Analog Devices и Burr-Brown (www.moto.com: фирмы AL-TERA - www.altera.com): фирмы Analog Devices - www.ad.com).2. Information on the reference voltage source REF 198 and the instrument amplifier type INA 114BU is available on the official websites of Analog Devices and Burr-Brown (www.moto.com: AL-TERA - www.altera.com): Analog Devices - www .ad.com).
3. Устройство управления выполнено на программируемых логических интегральных схемах ПЛИС EPF10K10TC.3. The control device is made on programmable logic integrated circuits FPGA EPF10K10TC.
4. Аналого-цифровой преобразователь выполнен на микросхеме AD9220.4. The analog-to-digital converter is made on the AD9220 chip.
5. В состав модулятора напряжения входит инструментальный усилитель INA 114 BU, включенный по схеме инвертора, и двухпозиционный ключ ADG 419.5. The structure of the voltage modulator includes an instrument amplifier INA 114 BU, included in the inverter circuit, and an on-off switch ADG 419.
Преобразователь изменения сопротивления резистивных датчиков в электрический сигнал, содержащий резистивные датчики 1, токовые 2 и потенциальные 3 линии, источник тока питания датчиков 4, операционный усилитель 5, общую шину 6. Кроме того, в преобразователе модулятор напряжения 7, делитель напряжения 8 и коммутатор потенциальных линий 9 являются программируемыми. Потенциальными линиями 3 вход программируемого коммутатора потенциальных линий 9 подключен к резистивному датчику 1 (мосту или одиночному датчику), управляющий вход программируемого коммутатора потенциальных линий 9 подключен к первому входу устройства управления 10, а его выход - к входу инструментального усилителя 11, опорный вход которого соединен с выходным контактом первого двухпозиционного переключателя 12, один из входов которого соединен с общей шиной 6, а второй вход - с выходом программируемого делителя 8, а управляющий контакт первого двухпозиционного переключателя 12 соединен с вторым входом устройства управления 10, выход инструментального усилителя 11 соединен с входом усилителя 13, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 14, а его выход - с входом регистратора 15, а источник тока 4, состоящий из источника опорного напряжения 16, выход которого соединен с входом программируемого модулятора напряжения 7 и неинвертирующим входом операционного усилителя 5, инвертирующий вход которого соединен с номинальным резистором 17 и последовательно соединенными выходным контактом второго двухпозиционного переключателя 18 и первым входом блока двухпозиционных переключателей 19, второй конец номинального резистора 17 соединен с общей шиной 6, а выход операционного усилителя 5 соединен с входом второго двухпозиционного переключателя 18, второй вход второго двухпозиционного переключателя 18 соединен с вторым входом блока двухпозиционных переключателей 19, а управляющий вход второго двухпозиционного переключателя 18 соединен с третьим входом устройства управления 10, управляющий вход блока двухпозиционных переключателей 19 соединен с четвертым входом устройства управления 10, а первый и второй выходы блока двухпозиционных переключателей 19 соединены с токовыми линиями 2, вход программируемого делителя 8 соединен с выходом программируемого модулятора напряжения 7, управляющий вход которого соединен с пятым входом устройства управления 10, а управляющий вход программируемого делителя 8 соединен с шестым входом устройства управления 10.A converter for changing the resistance of resistive sensors into an electrical signal containing
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
На фиг.1 показана функциональная схема преобразователя изменения сопротивления резистивных датчиков в электрический сигнал. На фиг.2 показаны временные диаграммы работы преобразователя. Процесс измерения значения информативного параметра датчика (сопротивления одиночного резистивого датчика, напряжения разбаланса тензомоста) подразделяется на три момента времени. Первый момент времени соответствует операции «измерение+». Второй момент времени соответствует операции «измерение-», а третий момент времени - операции «измерение 0». Источник опорного напряжения 16 формирует на выходе прецизионное опорное напряжение величиной 4,096 В. Опорное напряжение поступает на вход быстродействующего прецизионного операционного усилителя 5 и на вход программируемого модулятора напряжения 7. Принцип работы источника тока основан на отслеживании постоянного значения напряжения на высокоточном эталонном резисторе 17 (Rном).Figure 1 shows a functional diagram of a converter for changing the resistance of resistive sensors into an electrical signal. Figure 2 shows the timing diagrams of the Converter. The process of measuring the value of the sensor informative parameter (resistance of a single resistive sensor, strain gauge unbalance voltage) is divided into three points in time. The first moment of time corresponds to the operation "measurement +". The second moment of time corresponds to the operation “measurement-”, and the third moment of time corresponds to the operation “
Измерение начинается с операции «измерение+». При этом блок 19, состоящий из четырех двухпозиционных ключей, переключается в режим посылки тока в линию. Причем обеспечивается направление тока от токовой линии тл1 к линии тл2. При протекании через датчик (одиночный резистор сопротивления или мост) на потенциальных линиях пл1 и пл2 возникает разность потенциалов, пропорциональная значению сопротивления одиночного резистивного датчика или значению напряжения разбаланса моста. Программируемый модулятор напряжения 7 в момент времени «измерение+» выдает на вход программируемого делителя 8 положительное значение опорного напряжения, а на его выходе выставляется значение напряжения, соответствующее падению напряжения на датчике с номинальным сопротивлением при протекании через него тока 20 мА. Так, например, для измерения сопротивления одиночного резистивного датчика номиналом 100 Ом на выходе программируемого делителя 8 по сигналу с устройства управления 10 выставляется значение напряжения, равное -2,048 В. Расчет напряжения на выходе программируемого делителя 8 осуществляется по формуле:Measurement begins with the operation "measurement +". In this case, the
где n - код номинала одиночного резистивного датчика, который рассчитывается какwhere n is the nominal code of a single resistive sensor, which is calculated as
Схема программируемого делителя 8 приведена в книге (Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1988. - 304 с., на с.233, рис.9.3). На фиг.3 приведена схема программируемого делителя 8 (фиг.1). Программируемый делитель 8 построен на восьмиразрядном цифроаналоговом преобразователе. В данном цифро-аналоговом преобразователе используется резисторная сетка R-2R. Питание сетки осуществляется с выхода программируемого модулятора. При этом вырабатываются двоично взвешенные токи. С выхода цифроаналогового преобразователя получаем два тока I1, I2. Ток I1 изменяется пропорционально управляющему коду N, поступающему на цифровой вход цифроаналогового преобразователя. Ток I2 является дополняющим и определяется как I2=I0-I1.The
Ток 
Uвых=-Uвх·n/Nмакс,U out = -U in · n / N max ,
где Nmax=255 - восьмиразрядный код цифроаналогового преобразователя.where N max = 255 - eight-digit code of the digital-to-analog converter.
На фиг.4 приведена схема блока, состоящего из четырех двухпозиционных ключей (обозначен цифрой 19 на фиг.1). Сигнал с выхода источника опорного напряжения 16 поступает на положительный вход операционного усилителя 5. В момент времени, соответствующий выполнению операции «измерение+», с устройства управления 10 поступает управляющий сигнал на второй двухпозиционный ключ 18 и переводит его в положение 1. Одновременно с устройства управления 10 поступает сигнал на управляющие входы ключей 20 и 23 блока 19, состоящего из четырех двухпозиционных ключей, который переводит их в замкнутое состояние. В результате этого на резистивном датчике 1 появляется положительная полуволна питающего тока. В момент времени, соответствующий выполнению операции «измерение-», с устройства управления 10 поступает управляющий сигнал на второй двухпозиционный ключ 18, который оставляет его в положении 1. Одновременно с устройства управления 10 поступает сигнал на управляющие входы ключей 21, 22 блока 19, который переводит их в замкнутое положение. В результате этого на резистивном датчике 1 появляется отрицательная полуволна питающего тока. В момент времени, соответствующий выполнению операции «измерение 0», с устройства управления 10 поступает управляющий сигнал на второй двухпозиционный ключ 18, который переводит его в положение 2. Одновременно с устройства управления 10 поступает сигнал на управляющие входы ключей 20, 21, 22, 23 блока 19, который переводит их в разомкнутое положение. В результате этого в момент времени «измерение 0» резистивный датчик отключен от питающей его цепи.Figure 4 shows a diagram of a block consisting of four on-off keys (indicated by the
На фиг.5 показана схема программируемого модулятора напряжения (на фиг.1 обозначен цифрой 7), в состав которого входит инструментальный операционный усилитель (INA114BU), включенный по схеме инвертора, и двухпозиционный ключ (ADG419). В момент времени, соответствующий выполнению операции «измерение+», по сигналу с устройства управления 10 программируемый модулятор напряжения 7 подключает выход источника опорного напряжения 16 на вход программируемого делителя 8. В момент времени, соответствующий выполнению операции «измерение-», по сигналу с устройства управления 10 программируемый модулятор напряжения 7 подключает выход своего инструментального усилителя (фиг.5) на вход программируемого делителя 8.Figure 5 shows a diagram of a programmable voltage modulator (figure 1 is indicated by the number 7), which includes an instrumental operational amplifier (INA114BU), included in the inverter circuit, and a two-position switch (ADG419). At the point in time corresponding to the operation "measurement +", the signal from the
На фиг.6 показана функциональная схема программируемого коммутатора потенциальных линий, а на фиг.7 - временные диаграммы, поясняющие его работу. По сигналу с устройства управления 10 потенциальные линии пл1, пл2 подключаются к входам инструментального усилителя 11 после затухания переходных процессов в линии. На временной диаграмме (фиг.7) показаны моменты времени, соответствующие подключению потенциальных линий пл1, пл2 к инструментальному усилителю 11. В реальном устройстве подключение потенциальных линий осуществляется между 10 и 12,5 мкс в момент времени «измерение+» и между 22,5 и 25 мкс в момент времени «измерение-».In Fig.6 shows a functional diagram of a programmable switch potential lines, and Fig.7 is a timing diagram explaining its operation. By the signal from the
Напряжение с выхода программируемого делителя 8 подается на первый двухпозиционный ключ 12, который по сигналу с устройства управления 10 подключает выход программируемого делителя 8 на вход инструментального усилителя 11. Для случая измерения напряжения разбаланса тензомоста первый двухпозиционный ключ 12 подключает опорный вход инструментального усилителя 11 к общей шине 6. Программируемый коммутатор потенциальных линий 9 при работе в режиме «измерение+» подключает потенциальную линию пл1 к положительному входу инструментального усилителя 11, а потенциальную линию пл2 - к отрицательному входу. В результате на выходе инструментального усилителя 11 формируется напряжение Uвых=Uпл1-Uпл2+Uonop, (где Uопор - опорное напряжение инструментального усилителя 11. На временной диаграмме (фиг.2) поясняется работа преобразователя изменения сопротивления резистивных датчиков в электрический сигнал. Напряжения Uпл1, Uпл2 - это напряжения на потенциальных линиях. Таким образом, на выходе инструментального усилителя 11 будет напряжение, пропорциональное отклонению сопротивления резистивного датчика от номинального значения (для одиночного резистивного датчика и для случая тензомоста). Напряжение с выхода инструментального усилителя 11 подается на вход усилителя 13, где усиливается и подается на вход быстродействующего аналого-цифрового преобразователя 14 для преобразования в цифровой эквивалент, а затем цифровой код поступает на регистратор 15. Работа преобразователя в режиме «измерение-» аналогична работе в режиме «измерение+», однако направление тока при этом меняется от токовой линии тл2 к токовой линии тл1. При этом на выходе программируемого делителя 8 будет отрицательное значение напряжения, а программируемый коммутатор потенциальных линий 9 для случая одиночного резистивного датчика и моста подключает потенциальную линию пл1 к положительному входу инструментального усилителя 11, а потенциальную линию пл2 - к его отрицательному входу.The voltage from the output of the
При работе в момент времени «измерение 0» ток питания датчиков равен нулю и выходное напряжение инструментального усилителя 11 равно нулю. В этот момент времени второй двухпозиционных ключ 18 находится в положении замыкания выхода операционного усилителя 5 на резистор 17 Rном. При этом ток в токовых линиях тл1 и тл2 отсутствует. При этом все ключи блока 19, состоящего из четырех двухпозиционных ключей, разомкнуты. Выход программируемого модулятора напряжения 7 подается на вход программируемого делителя 8, который управляется сигналом с выхода 6 устройства управления 10. При работе в режиме «измерение 0» первый двухпозиционный ключ 12 по сигналу со второго выхода устройства управления 10 подключает опорный вход инструментального усилителя 11 к общей шине 6. При этом на выходе инструментального усилителя 11 напряжение равно нулю, если не учитывать смещение самого инструментального усилителя. В результате измеренное значение информативного параметра резистивного датчика 1 вычисляется как полуразность значений измерений в моменты времени «измерение+» и «измерение-». Такой способ позволяет уменьшить влияние дрейфа операционных усилителей и обеспечивает подавление низкочастотных помех. На этом однократное измерение заканчивается и начинается следующее измерение.When working at the moment of time "
Известно, что в мостовых цепях с импульсным питанием удается получить высокую чувствительность, которая прямо пропорциональна амплитуде питающего тока. Повышение амплитуды питающего сигнала приводит к возрастанию мощности, выделяющейся на резистивных датчиках, разогреванию и возникновению температурной погрешности. В импульсном режиме разогрев производится средней мощностью, которая даже при большой амплитуде питающего сигнала невелика, особенно при значительной скважности питающих импульсов. Таким образом, использование биполярных импульсов позволяет существенно уменьшить разогрев резистивных датчиков и понизить температурную погрешность. Это особенно важно в случае использования малогабаритных резистивных датчиков или при измерениях в точке на малой площади (Передельский Г.И. Мостовые цепи с импульсным питанием - М.: Энергоатомиздат, 1988, 191 с.).It is known that in bridge circuits with pulse power it is possible to obtain high sensitivity, which is directly proportional to the amplitude of the supply current. An increase in the amplitude of the supply signal leads to an increase in the power released by the resistive sensors, heating and the appearance of a temperature error. In the pulsed mode, heating is carried out with an average power that is small even with a large amplitude of the supply signal, especially with a significant duty cycle of the supply pulses. Thus, the use of bipolar pulses can significantly reduce the heating of resistive sensors and lower the temperature error. This is especially important in the case of using small-sized resistive sensors or when measuring at a point on a small area (Peredelsky GI Bridge circuits with pulse power - M .: Energoatomizdat, 1988, 191 pp.).
При импульсном питании сигнал с выхода резистивных датчиков также импульсный. Для подавления низкочастотной помехи используется питание мостовой цепи парными биполярными импульсами и схема вычитания. Поскольку сигнал неравновесия моста биполярный, а помеха в течение длительности биполярного сигнала является однополярной и мало изменяется по значению, то она исключается. При питании мостовой цепи прямоугольными импульсами коммутация при многоканальных измерениях осуществляется проще. За начальной экспоненциальной частью импульсного сигнала следует плоский горизонтальный участок, определяющий равновесие моста. Влияние нежелательных паразитных параметров становится пренебрежимо малым через промежуток времени, соответствующий пяти и более постоянным времени цепи.With pulse power, the signal from the output of the resistive sensors is also pulsed. To suppress low-frequency noise, the bridge circuit is powered by paired bipolar pulses and a subtraction circuit. Since the bridge disequilibrium signal is bipolar, and the noise during the duration of the bipolar signal is unipolar and changes little in value, it is eliminated. When feeding a bridge circuit with rectangular pulses, switching with multi-channel measurements is simpler. The initial exponential part of the pulse signal is followed by a flat horizontal section determining the equilibrium of the bridge. The influence of unwanted parasitic parameters becomes negligible after a period of time corresponding to five or more time constants of the circuit.
Информативная часть импульсного измерительного сигнала расположена в его плоской вершине в установившемся режиме после окончания переходных процессов. Поэтому быстродействие преобразователя ограничено сверху длительностью переходного процесса, определяемого паразитными реактивностями первичного преобразователя (тензодатчика) и соединительного кабеля. При использовании в качестве линии связи провода БПВЛ с диаметром жилы 0,35 мм2 получим следующие характеристики линии связи: сопротивление линии RЛ=0,2 Ом/м, емкость СЛ=125 пФ/м, индуктивность LЛ=0,6 мГн/м. Длительность питающего импульса выбирается из условияThe informative part of the pulse measuring signal is located in its flat top in the steady state after the end of transient processes. Therefore, the speed of the converter is limited from above by the duration of the transient process, determined by the parasitic reactivities of the primary transducer (strain gauge) and the connecting cable. When using BPVL wires with a core diameter of 0.35 mm 2 as a communication line, we obtain the following characteristics of the communication line: line resistance R L = 0.2 Ohm / m, capacitance C L = 125 pF / m, inductance L L = 0.6 mH / m. The duration of the supply pulse is selected from the condition
Tи>τmax,T and > τ max ,
где τmax - максимальная постоянная времени входной цепи измерительного преобразователя.where τ max is the maximum time constant of the input circuit of the measuring transducer.
На фиг.8 показан рассчитанный переходный процесс на одиночном тензодатчике при длинах линии связи 10, 25 и 50 м. Управление ключами выполнено на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС) Altera FLEX EPF10K10TC144 с соблюдением временных интервалов, а именно: по 12,5 мкс на положительный и отрицательный измерительный импульс и 25 мкс на паузу между измерениями. Таким образом, на один отсчет получаем Δτ=50 мкс, то есть максимальная частота измеряемого сигнала составитFig. 8 shows the calculated transient process on a single load cell with communication line lengths of 10, 25 and 50 m. Key management is performed on the Altera FLEX EPF10K10TC144 programmable logic integrated circuit (FPIC) with observance of time intervals, namely: 12.5 μs per positive and negative measuring pulse and 25 μs for a pause between measurements. Thus, for one reference, we obtain Δτ = 50 μs, i.e., the maximum frequency of the measured signal is
Оцифровка сигнала начинается в конце импульса питания после того, как закончится переходный процесс. При питании «импульсом+» измерение начинается через 10 мкс от переднего фронта импульса, когда закончится переходный процесс. При питании «импульсом-» - через 22,5 мкс после начала сигнала. Таким образом, даже при использовании 50-метровой линии связи переходный процесс на момент измерения практически заканчивается.Digitization of the signal begins at the end of the power pulse after the transition process ends. When powered by “pulse +”, the measurement begins after 10 μs from the leading edge of the pulse, when the transition process ends. When powered by “pulse-” - 22.5 μs after the start of the signal. Thus, even when using a 50-meter communication line, the transient at the time of measurement almost ends.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005100129/28A RU2292051C2 (en) | 2005-01-11 | 2005-01-11 | Transformer of resistive sensors' changing resistance into electric signal |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005100129/28A RU2292051C2 (en) | 2005-01-11 | 2005-01-11 | Transformer of resistive sensors' changing resistance into electric signal |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2005100129A RU2005100129A (en) | 2006-06-20 |
| RU2292051C2 true RU2292051C2 (en) | 2007-01-20 |
Family
ID=36713708
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005100129/28A RU2292051C2 (en) | 2005-01-11 | 2005-01-11 | Transformer of resistive sensors' changing resistance into electric signal |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2292051C2 (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2499237C2 (en) * | 2010-07-26 | 2013-11-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный университет путей сообщения" (СГУПС) | Quick-acting converter of resistive sensor resistance change into electric signal |
| RU2536329C1 (en) * | 2013-06-07 | 2014-12-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Device for dynamic deformation measurement |
| RU2619828C1 (en) * | 2015-12-24 | 2017-05-18 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный университет путей сообщения" (СГУПС) | High-speed converter of changing sensor resistance into electrical signal |
| RU186107U1 (en) * | 2018-10-24 | 2019-01-09 | Закрытое акционерное общество "Электронные и механические измерительные системы" (ЗАО "ЭМИС") | Sensor signal transducer in pressure sensor |
| RU2699303C1 (en) * | 2018-11-12 | 2019-09-04 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Bridge circuit imbalance voltage converter to frequency or duty ratio |
| RU2796609C1 (en) * | 2022-11-23 | 2023-05-26 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Measuring transducer of single resistors |
-
2005
- 2005-01-11 RU RU2005100129/28A patent/RU2292051C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2499237C2 (en) * | 2010-07-26 | 2013-11-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный университет путей сообщения" (СГУПС) | Quick-acting converter of resistive sensor resistance change into electric signal |
| RU2536329C1 (en) * | 2013-06-07 | 2014-12-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Device for dynamic deformation measurement |
| RU2619828C1 (en) * | 2015-12-24 | 2017-05-18 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный университет путей сообщения" (СГУПС) | High-speed converter of changing sensor resistance into electrical signal |
| RU186107U1 (en) * | 2018-10-24 | 2019-01-09 | Закрытое акционерное общество "Электронные и механические измерительные системы" (ЗАО "ЭМИС") | Sensor signal transducer in pressure sensor |
| RU2699303C1 (en) * | 2018-11-12 | 2019-09-04 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Bridge circuit imbalance voltage converter to frequency or duty ratio |
| RU2796609C1 (en) * | 2022-11-23 | 2023-05-26 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Measuring transducer of single resistors |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2005100129A (en) | 2006-06-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2292051C2 (en) | Transformer of resistive sensors' changing resistance into electric signal | |
| CN101828100A (en) | Temperature measurement circuit in flowmeter | |
| CN202582775U (en) | Temperature measuring circuit | |
| CN111175687A (en) | Nonlinear load standard electric energy meter | |
| CN206695925U (en) | A kind of multichannel RTD thermal resistance measurement modules | |
| CN117420359A (en) | Full-dynamic-range high-precision resistance measuring structure and measuring method thereof | |
| JP4511771B2 (en) | Voltage applied current measuring device and semiconductor test device | |
| US20050184221A1 (en) | Optical power meter | |
| CN220207745U (en) | High-precision full-automatic resistance measurement circuit | |
| SU900132A1 (en) | Strain gauge converter | |
| CN212160061U (en) | Nonlinear load standard electric energy meter | |
| CN211954363U (en) | Weighing system of strain type pressure sensor | |
| SU1594433A1 (en) | Multichannel meter | |
| SU1275230A1 (en) | Device for measuring temperature | |
| RU2469283C1 (en) | Multichannel measuring device for aerodynamic intramodel weights | |
| RU2176090C1 (en) | Device measuring electric resistance | |
| SU606114A1 (en) | Multichannel temperature measuring device | |
| SU951698A1 (en) | Multi-channel converter for measuring temperature | |
| SU978055A1 (en) | Current to voltage converter | |
| SU1634779A1 (en) | Apparatus for measuring geophysical parameters in borehole | |
| SU437978A1 (en) | Ohmmeter | |
| JP5190969B2 (en) | Voltage multiplier circuit | |
| RU2025675C1 (en) | Device for measuring temperature and temperature difference | |
| SU1112286A2 (en) | Digital measuring instrument | |
| SU1739212A2 (en) | Temperature measuring device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090112 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20101227 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150112 |