RU2796609C1

RU2796609C1 - Measuring transducer of single resistors

Info

Publication number: RU2796609C1
Application number: RU2022130363A
Authority: RU
Inventors: Юрий Константинович Блокин-Мечталин; Алексей Сергеевич Павлов; Владимир Юрьевич Заливако
Filing date: 2022-11-23
Publication date: 2023-05-26

Abstract

FIELD: measuring technology; electronics.

SUBSTANCE: invention is used for multichannel measurements of various physical quantities in studying strength and aerodynamics of aircraft structures and other industrial products. The multi-channel measuring transducer of single resistors contains a group of measuring resistors connected in series with one compensation resistor and a reference resistor; program-controlled source of stabilized power current for the group of measuring resistors with changeable polarity; program-controlled source of stabilized reference voltage converter with changeable polarity; program-controlled multi-channel measuring converter of resistances of measuring resistors into voltages, containing differential input measuring amplifiers, output measuring amplifiers; bipolar program-controlled digital-to-analogue converter that controls the source of stabilized power current for the group of measuring resistors and a source of stabilized reference voltage; multichannel precision analog-to-digital converter with serial output interface; temperature sensor of the multichannel program-controlled measuring converter of resistances of measuring resistors into voltages, connected to one of the inputs of the multichannel precision analog-to-digital converter; digital programmable device for controlling the operation of the multichannel measuring transducer of single resistors.

EFFECT: possibility of automated control of the value of the stabilized supply current of a group of measuring resistors, increasing the accuracy of the converter, possibility of using a converter with sensors based on single measuring resistors of various ratings to solve problems of measuring various physical quantities.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и электроники и служит для многоканальных измерений различных физических величин при исследовании прочности и аэродинамики конструкций летательной техники и других изделий промышленности.The invention relates to the field of measuring technology and electronics and is used for multichannel measurements of various physical quantities in the study of the strength and aerodynamics of aircraft structures and other industrial products.

Известны измерительные преобразователи сопротивлений одиночных тензорезисторов в напряжение (см. «Аппаратура для измерения деформаций и температур. Труды ЦАГИ, 1974, вып. 1599; Информационно-измерительная система «Прочность». Труды ЦАГИ, вып. 2105, 1981 г.; Устройство для преобразования изменения сопротивления в напряжение». (Пат. RU 2366966 С1, МПК G01R 27/02, 10.09.2009 г.).Measuring transducers of the resistance of single strain gauges into voltage are known (see “Instrument for measuring deformations and temperatures. Proceedings of TsAGI, 1974, issue 1599; Information and measuring system “Strength”. Proceedings of TsAGI, issue 2105, 1981; Device for converting changes in resistance to voltage "(Pat. RU 2366966 C1, IPC G01R 27/02, 10.09.2009).

К недостаткам известных преобразователей следует отнести: использование трансформаторов в схемах компенсации погрешностей от неинформативных составляющих сигнала, вносящих погрешности в результат измерений; применение коммутирующих элементов во входных цепях многоканальных преобразователей, вносящих погрешности в результаты измерений и усложняющих построение многоканальных измерительных систем.The disadvantages of known converters include: the use of transformers in error compensation circuits from non-informative signal components that introduce errors into the measurement result; the use of switching elements in the input circuits of multichannel converters, which introduce errors into the measurement results and complicate the construction of multichannel measuring systems.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения, принятого за прототип, является «Измерительный преобразователь «одиночного» тензодатчика с компенсационным тензорезистором». Датчики и системы, №5, 2011 г.The closest analogue of the proposed invention, taken as a prototype, is "Measuring transducer" single " strain gauge with compensation strain gauge". Sensors and systems, №5, 2011

Преобразователь содержит группу последовательно соединенных одиночных измерительных резисторов с одним общим компенсационным резистором и опорным резистором, источник стабилизированного тока питания группы резисторов, источник стабилизированного опорного напряжения, многоканальный измерительный преобразователь сопротивлений измерительных резисторов в напряжения, содержащий входные дифференциальные измерительные усилители и выходные измерительные усилители. Схема построения преобразователя обеспечивает компенсацию неинформативной постоянной составляющей падения напряжения на измерительных резисторах и дифференциальную термокомпенсацию показаний измерительных резисторов относительно показаний компенсационного резистора.The converter contains a group of series-connected single measuring resistors with one common compensation resistor and a reference resistor, a source of stabilized supply current for a group of resistors, a source of stabilized reference voltage, a multi-channel measuring resistor measuring resistance to voltage converter, containing input differential measuring amplifiers and output measuring amplifiers. The converter design scheme provides compensation for the non-informative constant component of the voltage drop across the measuring resistors and differential thermal compensation of the readings of the measuring resistors relative to the readings of the compensation resistor.

К недостаткам прототипа следует отнести:The disadvantages of the prototype include:

- влияние термо-ЭДС в линиях связи измерительных резисторов с преобразователем,- the influence of thermo-EMF in the communication lines of measuring resistors with the converter,

- погрешность преобразования за счет изменения коэффициентов усиления дифференциальных измерительных усилителей преобразователя от изменения температуры окружающей среды,- conversion error due to a change in the gain coefficients of the differential measuring amplifiers of the converter due to changes in the ambient temperature,

- количество подключаемых измерительных резисторов к источнику стабилизированного тока ограничивается величиной номинальных значений сопротивлений применяемых резисторов,- the number of connected measuring resistors to the stabilized current source is limited by the value of the nominal values of the resistances of the applied resistors,

- ограничено применение преобразователя с датчиками на основе одиночных резисторов для различных задач измерений.- the use of a converter with sensors based on single resistors for various measurement tasks is limited.

Техническим результатом изобретения является:The technical result of the invention is:

- уменьшение погрешности от термо-ЭДС и других аддитивных погрешностей за счет питания группы последовательно включенных измерительных резисторов от программно-управляемого источника стабилизированного тока с автоматизированным изменением полярности,- reduction of error from thermo-EMF and other additive errors due to the power supply of a group of series-connected measuring resistors from a program-controlled source of stabilized current with an automated polarity change,

- возможность автоматизированного управления величиной стабилизированного тока питания группы измерительных резисторов, в зависимости от номинальных значений и количества измерительных резисторов в измерительном преобразователе,- the possibility of automated control of the value of the stabilized supply current of a group of measuring resistors, depending on the nominal values and the number of measuring resistors in the measuring transducer,

- уменьшение погрешности измерений и упрощение измерительной системы за счет исключения коммутирующих элементов в измерительных цепях многоканального измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения,- reduction of measurement error and simplification of the measuring system due to the exclusion of switching elements in the measuring circuits of the multichannel measuring converter of the resistances of the measuring resistors into voltages,

- схемная компенсация неинформативной постоянной составляющей падения напряжения на измерительных резисторах и дифференциальная термокомпенсация показаний группы измерительных резисторов относительно одного общего компенсационного резистора при изменяющихся полярности и уровне тока питания группы резисторов,- circuit compensation of the non-informative constant component of the voltage drop across the measuring resistors and differential thermal compensation of the readings of a group of measuring resistors relative to one common compensation resistor with changing polarity and supply current level of a group of resistors,

- компенсация температурной погрешности от изменения коэффициентов усиления измерительных усилителей преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения по результатам показаний датчика температуры,- temperature error compensation from changes in the gains of the measuring amplifiers of the converter of the resistances of the measuring resistors into voltages based on the results of the temperature sensor readings,

- возможность применения многоканального измерительного преобразователя с датчиками на основе одиночных измерительных резисторов различных номиналов для решения задач измерений различных физических величин.- the possibility of using a multichannel measuring transducer with sensors based on single measuring resistors of various ratings for solving problems of measuring various physical quantities.

Технический результат достигается тем, что в измерительном преобразователе одиночных резисторов, содержащем группу последовательно включенных одиночных измерительных резисторов с одним общим компенсационным резистором и опорным резистором, источник стабилизированного тока питания группы измерительных резисторов, источник стабилизированного опорного напряжения, многоканальный измерительный преобразователь сопротивлений измерительных резисторов в напряжения, содержащий входные дифференциальные измерительные усилители и выходные измерительные усилители, источник стабилизированного тока питания группы измерительных резисторов выполнен программно-управляемым с изменяемой полярностью, источник стабилизированного опорного напряжения выполнен программно-управляемым с изменяемой полярностью, многоканальный измерительный преобразователь сопротивлений измерительных резисторов в напряжения выполнен программно-управляемым, а также преобразователь дополнительно содержит двухполярный программно-управляемый цифро-аналоговый преобразователь, многоканальный прецизионный аналого-цифровой преобразователь, датчик температуры многоканального программно-управляемого измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения, цифровое программируемое управляющее устройство. Выход программно-управляемого источника стабилизированного тока питания группы измерительных резисторов с изменяемой полярностью соединен с группой последовательно включенных резисторов. Выход программно-управляемого источника стабилизированного опорного напряжения с изменяемой полярностью соединен с опорными входами входных дифференциальных измерительных усилителей. Входы программно-управляемых источников стабилизированного тока питания группы измерительных резисторов и стабилизированного опорного напряжения соединены с выходом двухполярного программно-управляемого цифро-аналогового преобразователя. Вход двухполярного программно-управляемого цифро-аналогового преобразователя соединен с цифровым программируемым управляющим устройством. Входы программно-управляемых источников стабилизированного тока питания группы измерительных резисторов и стабилизированного опорного напряжения соединены также с управляющим выходом многоканального прецизионного аналого-цифрового преобразователя. Выходы входных дифференциальных измерительных усилителей соединены с неинвертирующими входами выходных измерительных усилителей многоканального программно-управляемого измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения. Инвертирующие входы выходных измерительных усилителей соединены между собой и с выходом дифференциального измерительного усилителя компенсационного резистора. Выходы выходных измерительных усилителей соединены с входами многоканального прецизионного аналого-цифрового преобразователя. Датчик температуры многоканального программно-управляемого измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения соединен с одним из входов многоканального прецизионного аналого-цифрового преобразователя. Выход опорного резистора, включенного в цепь питания, соединен с опорным входом многоканального прецизионного аналого-цифрового преобразователя. Последовательные выходы многоканального прецизионного аналого-цифрового преобразователя соединены с соответствующими входами цифрового программируемого управляющего устройства.The technical result is achieved by the fact that in the measuring transducer of single resistors, containing a group of single measuring resistors connected in series with one common compensation resistor and a reference resistor, a source of stabilized supply current for the group of measuring resistors, a source of stabilized reference voltage, a multichannel measuring converter of the resistances of the measuring resistors into voltages, containing input differential measuring amplifiers and output measuring amplifiers, the source of the stabilized supply current of the group of measuring resistors is made program-controlled with changeable polarity, the source of the stabilized reference voltage is made program-controlled with changeable polarity, the multichannel measuring converter of resistances of measuring resistors into voltages is made program-controlled, and also the converter additionally contains a bipolar program-controlled digital-to-analog converter, a multi-channel precision analog-to-digital converter, a temperature sensor of a multi-channel program-controlled measuring converter of resistances of measuring resistors to voltages, a digital programmable control device. The output of a program-controlled source of stabilized supply current of a group of measuring resistors with changeable polarity is connected to a group of resistors connected in series. The output of the program-controlled source of stabilized reference voltage with changeable polarity is connected to the reference inputs of the input differential measuring amplifiers. The inputs of the program-controlled sources of stabilized supply current of the group of measuring resistors and the stabilized reference voltage are connected to the output of the bipolar program-controlled digital-to-analog converter. The input of the bipolar program-controlled digital-to-analog converter is connected to a digital programmable control device. The inputs of the program-controlled sources of stabilized supply current of the group of measuring resistors and the stabilized reference voltage are also connected to the control output of the multichannel precision analog-to-digital converter. The outputs of the input differential measuring amplifiers are connected to the non-inverting inputs of the output measuring amplifiers of the multichannel program-controlled measuring converter of the measuring resistors resistances into voltages. The inverting inputs of the output measuring amplifiers are connected to each other and to the output of the differential measuring amplifier of the compensation resistor. The outputs of the output measuring amplifiers are connected to the inputs of a multichannel precision analog-to-digital converter. The temperature sensor of the multichannel program-controlled measuring converter of measuring resistors resistances into voltages is connected to one of the inputs of the multichannel precision analog-to-digital converter. The output of the reference resistor included in the power circuit is connected to the reference input of a multichannel precision analog-to-digital converter. The serial outputs of the multichannel precision analog-to-digital converter are connected to the corresponding inputs of the digital programmable control device.

Изобретение поясняется фигурой 1.The invention is illustrated by figure 1.

Предлагаемый многоканальный измерительный преобразователь одиночных резисторов включает группу 1 последовательно включенных измерительных резисторов (R_T1…R_Tn) с общим компенсационным резистором (R_Тк) и опорным резистором (R_o), программно-управляемый источник стабилизированного тока питания группы измерительных резисторов с изменяемой полярностью 2, программно-управляемый источник стабилизированного опорного напряжения с изменяемой полярностью 3, двухполярный программно-управляемый цифро-аналоговый преобразователь 4, многоканальный программно-управляемый измерительный преобразователь сопротивлений измерительных резисторов в напряжения 5, содержащий входные дифференциальные измерительные усилители 6, выходные измерительные усилители 7, датчик температуры 8 многоканального программно-управляемого измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения, многоканальный прецизионный аналого-цифровой преобразователь 9, цифровое программируемое управляющее устройство 10.The proposed multi-channel measuring transducer of single resistors includes a group of 1 series-connected measuring resistors (R _T1 ... R _Tn ) with a common compensation resistor (R _Tk ) and a reference resistor (R _o ), a software-controlled source of stabilized supply current for a group of measuring resistors with changeable polarity 2 , software-controlled source of stabilized reference voltage with variable polarity 3, bipolar software-controlled digital-to-analog converter 4, multi-channel software-controlled measuring converter of resistances of measuring resistors to voltages 5, containing input differential measuring amplifiers 6, output measuring amplifiers 7, temperature sensor 8 multi-channel program-controlled measuring converter of resistances of measuring resistors into voltages, multi-channel precision analog-to-digital converter 9, digital programmable control device 10.

Работа предлагаемого многоканального измерительного преобразователя одиночных резисторов осуществляется под управлением цифрового программируемого управляющего устройства 10.The operation of the proposed multi-channel measuring transducer of single resistors is controlled by a digital programmable control device 10.

Изменение полярности программно-управляемого источника стабилизированного тока 2 питания группы измерительных резисторов 1 и полярности программно-управляемого источника стабилизированного опорного напряжения 3 многоканального программно-управляемого измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжение 5 осуществляется с помощью сигналов управления (АСХ и nACX) многоканального прецизионного аналого-цифрового преобразователя 9.Changing the polarity of the software-controlled source of stabilized current 2 power supply of the group of measuring resistors 1 and the polarity of the software-controlled source of the stabilized reference voltage 3 of the multichannel software-controlled measuring converter of the resistance of the measuring resistors to voltage 5 is carried out using the control signals (ACX and nACX) of the multichannel precision analog digital converter 9.

Изменение уровня тока питания группы измерительных резисторов 1 и уровня опорного напряжения многоканального программно-управляемого измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения 5 осуществляется с помощью двухполярного программно-управляемого цифро-аналогового преобразователя 4 от цифрового программируемого управляющего устройства 10. Для синхронизации процессов преобразования напряжение двухполярного программно-управляемого цифро-аналогового преобразователя 4 одновременно подается на входы программно-управляемого источника стабилизированного тока питания группы измерительных резисторов с изменяемой полярностью 2 и программно-управляемого источника стабилизированного опорного напряжения с изменяемой полярностью 3. Опорное напряжение подается на объединенные опорные входы (REF) входных дифференциальных измерительных усилителей 6 многоканального программно-управляемого измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения 5. В результате осуществляется компенсация неинформативной постоянной составляющей падения напряжения на измерительных резисторах, улучшающая точность преобразования изменяющихся сопротивлений измерительных резисторов.The change in the supply current level of the group of measuring resistors 1 and the level of the reference voltage of the multichannel software-controlled measuring converter of the resistances of the measuring resistors into voltages 5 is carried out using a bipolar software-controlled digital-to-analog converter 4 from a digital programmable control device 10. To synchronize the conversion processes, the voltage of the bipolar programmatically -controlled digital-to-analog converter 4 is simultaneously fed to the inputs of a software-controlled source of stabilized supply current of a group of measuring resistors with variable polarity 2 and a software-controlled source of stabilized reference voltage with variable polarity 3. The reference voltage is supplied to the combined reference inputs (REF) of the input differential measuring amplifiers 6 of the multi-channel software-controlled measuring converter of the resistance of the measuring resistors into voltages 5. As a result, the non-informative constant component of the voltage drop across the measuring resistors is compensated, which improves the accuracy of converting the changing resistances of the measuring resistors.

В многоканальном программно-управляемом измерительном преобразователе сопротивлений измерительных резисторов в напряжения 5 осуществляется схемная дифференциальная термокомпенсация показаний измерительных резисторов (R_T1…R_Tn) относительно показаний одного компенсационного резистора (R_Тк) следующим образом: выходы входных дифференциальных измерительных усилителей 6 соединены с неинвертирующими входами выходных измерительных усилителей 7, при этом инвертирующие входы выходных измерительных усилителей 7 объединены между собой и с выходом измерительного усилителя 6 канала компенсационного резистора (R_Тк). Схемная компенсация неинформативной постоянной составляющей падения напряжения на измерительных резисторах и дифференциальная термокомпенсация показаний измерительных резисторов уменьшают погрешности от внешних влияющих факторов.In the multichannel software-controlled measuring converter of the resistances of the measuring resistors into voltages 5, circuit differential thermal compensation of the readings of the measuring resistors (R _T1 ... R _Tn ) is carried out relative to the readings of one compensation resistor (R _Tk ) as follows: the outputs of the input differential measuring amplifiers 6 are connected to the non-inverting inputs of the output measuring amplifiers 7, while the inverting inputs of the output measuring amplifiers 7 are combined with each other and with the output of the measuring amplifier 6 channel compensation resistor (R _Tk ). Circuit compensation of the non-informative constant component of the voltage drop across the measuring resistors and differential thermal compensation of the readings of the measuring resistors reduce errors from external influencing factors.

Напряжение на опорном резисторе R_o, включенном в цепь питания резисторов, используется в качестве опорного напряжения (REF1) многоканального прецизионного аналого-цифрового преобразователя 9 для повышения точности измерения многоканального программно-управляемого измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения.The voltage across the reference resistor R _o included in the power supply circuit of the resistors is used as a reference voltage (REF1) of the multichannel precision analog-to-digital converter 9 to improve the measurement accuracy of the multichannel software-controlled measuring converter of the resistances of the measuring resistors to voltages.

Скомпенсированные выходные сигналы многоканального программно-управляемого измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения 5 и датчика температуры 8 оцифровываются многоканальным прецизионным аналого-цифровым преобразователем 9.The compensated output signals of the multichannel software-controlled measuring converter of the resistances of the measuring resistors into voltages 5 and the temperature sensor 8 are digitized by the multichannel precision analog-to-digital converter 9.

Синхронизация работы элементов многоканального программно-управляемого измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения 5 при изменении полярности и уровня тока питания группы измерительных резисторов 1 осуществляется программно с помощью цифрового программируемого управляющего устройства 10.Synchronization of the operation of the elements of the multichannel program-controlled measuring converter of the resistances of the measuring resistors into voltages 5 when the polarity and supply current level of the group of measuring resistors 1 is changed is carried out programmatically using a digital programmable control device 10.

Оцифрованные в многоканальном прецизионном аналого-цифровом преобразователе 9 сигналы многоканального программно-управляемого измерительного преобразователя сопротивлений измерительных резисторов в напряжения 5 регистрируются в цифровом программируемом управляющем устройстве 10. Цифровые сигналы передаются по последовательному интерфейсу многоканального прецизионного аналого-цифрового преобразователя 9.Digitized in the multichannel precision analog-to-digital converter 9, the signals of the multichannel software-controlled measuring converter of the resistances of the measuring resistors to voltages 5 are recorded in the digital programmable control device 10. The digital signals are transmitted over the serial interface of the multichannel precision analog-to-digital converter 9.

Благодаря наличию указанных отличительных признаков в совокупности (с указанными в ограничительной части формулы) достигается следующий технический результат:Due to the presence of these distinctive features in combination (with those indicated in the restrictive part of the formula), the following technical result is achieved:

Claims

Measuring transducer of single resistors, containing a group of series-connected single measuring resistors with one common compensation resistor and a reference resistor, a source of stabilized supply current for a group of measuring resistors, a source of stabilized reference voltage, a multichannel measuring converter of measuring resistor resistances into voltages, containing input differential measuring amplifiers and output measuring amplifiers, characterized in that the source of the stabilized supply current of the group of measuring resistors is made program-controlled with variable polarity, the source of the stabilized reference voltage is made program-controlled with changeable polarity, the multichannel measuring converter of the resistances of the measuring resistors into voltages is made program-controlled, and additionally contains a bipolar software-controlled digital-to-analog converter, a multi-channel precision analog-to-digital converter, a temperature sensor of a multi-channel software-controlled measuring converter of measuring resistor resistances into voltages, a digital programmable control device, while the output of a software-controlled source of stabilized current supply to a group of measuring resistors with changeable polarity is connected to a group of series-connected resistors, the output of a software-controlled source of stabilized reference voltage with variable polarity is connected to the reference inputs of input differential measuring amplifiers, the inputs of software-controlled sources of stabilized supply current of a group of measuring resistors and a stabilized reference voltage are connected to the output of a bipolar program-controlled digital-to-analog converter, the input of a bipolar program-controlled digital-to-analog converter is connected to a digital programmable control device, the inputs of program-controlled sources of stabilized supply current of a group of measuring resistors and a stabilized reference voltage are also connected to the control output of a multichannel precision analog-to-digital converter, the outputs of input differential measuring amplifiers are connected to non-inverting inputs of the output measuring amplifiers of the multichannel software-controlled measuring converter of the resistances of the measuring resistors into voltages, the inverting inputs of the output measuring amplifiers are connected to each other and to the output of the differential measuring amplifier of the compensation resistor, the outputs of the output measuring amplifiers are connected to the inputs of the multichannel precision analog-to-digital converter, temperature sensor of the multichannel software-controlled measuring converter of the resistances of the measuring resistors to voltages is connected to one of the inputs of the multichannel precision analog-to-digital converter, the output of the reference resistor included in the power circuit is connected to the reference input of the multichannel precision analog-to-digital converter, the serial outputs of the multichannel precision analog-to-digital converter converter are connected to the corresponding inputs of the digital programmable control device.