Устройство для измерения относительного изменения сопротивления

(51) Я 2 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ е бюро Научинения "Энерский институт ц и В,А. С СССР977.ая электрониах, - Л.: Энер 2.14;а.СССР тель- тройров и яется измеой на К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОГО ИЗМЕНЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ Изобретение относится к измери ной технике и может применяться в ус ствах контроля и разбраковки резисто в тензометрии.Известно устройство измерения, содержащее мостовую схему, в одно из плеч которой включен измеряемый резистор, источник питания моста, инвертирующий усилитель и усилитель с управляемым коэффициентом усиления.Недостатком этого устройства явл влияние сопротивлений. линий связи ряемого резистора с мостовой схем точность измерения.Известно устройство для измерения относительного сопротивления, содержащее полумостовой датчик, подключаемый пятип(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах допускового контроля регистров и тензометрии. Целью изобретения является повышение точности измерения. Устройство для измерения относительного изменения сопротивления содержит измерительный 1 и компенсационный 2 резисторы, первый 3, 4 и второй 5 блоки преобразования, первый усилитель 10 с демодулятором, ключ 12 и генератор 13 прямоугольных импульсов, Введение в устройство операционного усилителя 3, третьего блока преобразования 6, переменного резистора 7 с центральным выводом, балластного резистора 8, источника постоянного напряжения 9 и второго усилителя 11 с демодулятором позволило исключить влия- ние сопротивления линии связи, обеспечить линейность, повысить чувствительность, а следовательно, и точность измерения. 2 ил. роводнои линиеи связи, источник напр жения и два операционных усилителя, 3Недостатком этого устройства является (Л отсутствие возможности работы с удален- (А) ными резисторами, нелинейность и сравнительно невысокая чувствительность ха ра ктеристики п реобра зова н и я.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения разности температур (абсолютногоо изменения сопротивления), содержащее последовательно соединенный измерительный и компенсационный резисторы, первый и второй блоки преобразования, первый усилитель с демодулятором, ключ и генератор прямоугольных импульсов, первый выход которого соединен с уп50 55 равляющим входом ключа, выход которого соединен с земляной шиной, первый и второй выходы генератора прямоугольных импульсов соединены соответственно с первыми и вторыми управляющими входами первого и второго блоков преобразования, каждый из которых выполнен в виде двух пар последовательно соединенных управляемых ключей, между общими точками которых включен запоминающий конденсатор, управляющие входы первой и второй пар управляемых ключей, попарно соединенных между собой, и являются соответственно первым и вторым управляющими входами блоков преобразования, первый и второй входы первой пары управляемых ключей являются соответственно первым и вторым входами блоков преобразования, первый и второй выходы второй пары управляемых ключей являются соответственно первым и вторым выходами блоков преобразования, первый и второй выводы компенсационного резистора соединены соответственно с первым и вторым входами второго блока преобразования, второй вход которого заземлен.Недостатком этого устройства является отсутствие возможности измерения относительного изменения сопротивления, так как его выходной сигнал пропорционален разности абсолютных значений сопротивлений,Целью изобретения является повышение точности измерения.Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее последовательно соединенные измерительный и компенсационный резисторы, первый и второй блоки преобразования, первый усилитель с демодулятором, ключ и генератор прямоугольных импульсов, первый выход которого соединен с управляющим входом ключа, выход которого соединен с земляной шиной, первый и второй выходы генератора прямоугольных импульсов соединены соАветственно с первыми и вторыми управляющими входами первого и второго блоков преобразования, каждый из которых выполнен в виде двух пар последовательно соединенных управляемых ключей, между общими точками которых включен запоминающий конденсатор, управляющие входы первой и второй пар управляемых ключей, попарно- соединенных между собой, и являются соответственно первым и вторым управляющими входами блоков преобразования, первый и второй входы первой пары управляемых ключей являются соответственно первым и вторым входами блоков преобразования, первый и второй выходы 5 10 15 20 25 30 35 40 45 второй пары управляемых ключей являются соответственно первым и вторым выходами блоков преобразования, первый и второй выводы компенсационного резистора соединены соответственно с первым и вторым входами второго блока преобразования, второй вход которого соединен с земляной шиной, дополнительно введены источник постоянного напряжения, операционный усилитель, третий блок преобразования, второй усилитель с демодулятором и последовательно соединенные балластный резистор и переменный резистор с центральным выводом, который соединен с вторым входом третьего блока преобразования, первый вход которого соединен с движком переменного резистора с центральным выводом, второй вывод которого соединен с земляной шиной, первый вывод балластного резистора соединен с выходом источника постоянного напряжения и неинвертирующим входом операционного усилителя, выход которого соединен с первым выводом измерительного резистора и вторым входом первого блока преобразования, первый вход которого соединен с вторым выводом измерительного резистора, первый выход первого блока преобразования соединен с первым входом третьего блока преобразования и входом первого усилителя с демодулятором, выход которого является выходом устройства, второй выход третьего блока преобразования соединен с вторым выходом второго блока преобразования и с земляной шиной, первый выход второго блока преобразования соединен с вторым выходом первого блока преобразования, входом ключа и входом второго усилителя с демодулятором, выход которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, первый и второй выходы генератора прямоугольных импульсов соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами первого и второго усилителей с демодуляторами и третьего блока преобразования. Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемое устройство, выполненное по предлагаемому техническому решению, отличается наличием новых блоков: операционного усилителя, дополнительных блока преобразования и усилителя с демодулятором, цепочки из постоянного и переменного резисторов и их связями с остальными элементами схемы.Таким образом, предлагаемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна",10 15 Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что блоки преобразования, усилитель с демодулятором известны, однако их введение в указанные связи с остальными элементами схемы в предлагаемое устройство для измерения относительного изменения сопротивления указанные выше блоки проявляют новые свойства, что приводит к повышению точности измерения. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".Н а фи г.1 п редста вл е на блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - схема блока преобразования,Устройство содержит последовательно соединенные измерительный 1 и компенсационный 2 резисторы, операционный усилитель 3, выход которого подключен к первому выводу измерительного резистора 1, первый 4, второй 5 и третий 6 блоки преобразования, последовательно соединенные переменный резистор 7 с центральным выводом и балластный резистор 8, верхний вывод которого подключен к выходу источника постоянного напряжения 9 и неинвертирующему входу операционного усилителя 3, первый 10 и второй 11 усилители с демодулятором, ключ 12 и генератор прямоугольных импульсов 13, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первыми и вторыми управляющими входами первого 4, второго 5 и третьего 6 блоков преобразования.Каждый блок преобразования (см, фиг.2) выполнен в виде двух пар последовательно соединенных управляемых ключей 14, 15 и 16, 17, между общими точками которых включен запоминающий конденсатор 18. Соединенные между собой управляющие входы ключей 14 и 16 образуют первый управляющий вход блока преобразования, соединенные между собой управляющие входы ключей 15 и 17 - второй управляющий вход блока преобразования. Входы ключей 14 и 16 являются соответственно первым и вторым входами блока преобразования, выходы ключей 15 и 17 - соответственно первым и вторым выходами блока преобразованияПервый вывод измерительного резистора 1 подключен к второму входу первого блока преобразования 4, первый вход которого соединен с вторым выводом измерительного резистора, Первый вывод компенсационного резистора 2 соединен с первым входом второго блока преобразования 5, второй вход которого подключен к второму выводу компенсационного рези 20 25 30 35 40 45 50 55 стора 2 и земляной шине. Центральный вывод и движок резистора 7, второй вывод которого соединен с земляной шиной, подключены соответственно к первому и второму входам третьего блока преобразования 6. Первые выходы первого 4 и третьего 6 блоков преобразования соединены между собой и подключены к входу первого усилителя 10 с демодулятором, выход которого является выходом устройства. Второй выход первого блока преобразования 4 и первый выход второго блока преобразования 5 соединены между собой и входом ключа 12, второй вывод которого соединен с общей, шиной и входом второго усилителя 11 с демодулятором, выход которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 3, вторые выходы второго 5 и третьего б блоков преобразования, соединенные между собой, подключены к общейшине.Схема блока преобразования (см. фиг.2)работает следующим образом.В первый полупериод выходного напряжения генератора 13 ключи 14 14 16 открываются и конденсатор 18 заряжается доуровня входного напряжения, а ключи 15 и17 закрываются. Во второй полупериод напряжения управления ключи 14 и 16 закрываются, а ключи 15 и 17 открываются. Приэтом запоминающий конденсатор 18 подключается к выходам блока преобразования.На входах блоков преобразования появляются прямоугольные импульсы с амплитудами равными;первого блока 4 - 04 = - .К 1; (1)второго блока 5 - 05 = К 2; (2)третьего блока 6 - 06 = 09 х К 7/(К 7+ Кв),(3),где- ток, протекающий через резисторы 1и 2;К 1, К 2, К 7, КВ - СООтвЕтСтвЕннО вЕличинысопротивления резисторов 1, 2, 7 и 8;х - относительное положение движкапеременного резистора 7, отсчитываемогоот его середины, -0,5 х0,5;04, 05, 06 и 09 - выходные напряженияблоков преобразования 4 - б и источника постоянного напряжения 9.На вход усилителя 10 периодически сосдвигом 180 подаются прямоугольные импульсы с амплитудами, соответственно равными04+ 05 =К 2- К 1) и 06, (4)а на вход усилителя 12 -05= К 2 и 0, (5).Выходные напряжения усилителей 1011 с демодуляторами, пропорциональньн51015 20 25 30 35 40 45 50 55 разности амплитуд входных периодическихимпульсов, равны соответственноО 10 = К 10(О 4+ОБ-О 6) = К 101(В 2-В 1) - О 9"ХВ 7/(В 7+В 8) (6)О 11 = К 11.О 5 = К 11 В 2, (7)где О 10, О 11 - выходные напряжения соответственно усилителей 10 и 11;К 10, К 11 - коэффициенты передачи соответственно усилителей 10 и 11,Операционный усилитель 3 поддерживает равенство его входных напряжений,т,е,О 9 = О 11= К 11+В 2, (8)Откуда следует, что ток через резисторы1 и 2= О 9/К 11"В 2 (9)После подстановки выражения (9) в выражение (6) следует, что выходное напряжение устройства равноО 10 = О 9 К 11 К, В 1. (10)В 2 - В 1 хВ 7К 11В 2 В 7 + В 8Если принять, что К 11 = 1, В 1 = В 2+ Л В,где ЛВ - абсолютное приращение резистора 1, вызванное изменением измеряемогопараметра, то выходное напряжение устгройства примет видО 10 =О 9К 10( 8 В + )где е - относительное изменение сопротивления резистора В 1, е = ЛВ/В 2Таким образом, выходное напряжениеустройства пропорционально относительному сопротивлению резистора В 1 и не зависит от сопротивления линии связи, ачувствительность в два раза выше, чем вустройстве. Изменением положения движка переменного резистора 7 добиваются установки нулевого значения выходногосигнала при отсутствии измеряемого параметра (ЬВ = О), вызванного начальным разбросом сопротивлений резисторов В 1 и В 2,Был создан и испытан макет устройствадля измерения статических деформаций вдиапазоне + 10000 относительных единицдеформации при помощи проволочных тензорезисторов с номинальными значениямисопротивлений 100 - 700 Ом, Погрешностьизмерения не превышала + 0,1%. В качестве бесконтактных ключей использовалимикросхемы КР 59=КН 2, запоминающихконденсаторов - конденсаторы типа К 73-11емкостью 10 мкф, усилителя с демодулятором - микросхемы КР 544 уД 1 А,Демодулятор может быть выполнен посхеме инвертирующего усилителя с управляемыми ключами в цепи обратной связи,Устройство может найти применениевтех случаях, где требуется точное измерение изменения относительного сопротивления резисторов, удаленных на значительные,расстояния, например в тензометрии ипри допусковом контроле низкоомных резисторов. Использование устройства позволит исключить влияние сопротивлений линий связиобеспечить линейность, повысить чувствительность, а следовательно, и точность измерения.Формула изобретения Устройство для измерения относительного изменения сопротивления, содержащее последовательно соединенные измерительным и компенсаЦионный резисторы, первый и второй блоки преобразования, первый усилитель с демодулятором ключ и генератор прямоугольных импульсов, первый выход которого соединен с управляющим входрм ключа, выход которого соединен с земляной шиной, первый и второй выходы генератора прямоугольных импульсов соединены соответственно с первыми и вторыми управляющими входами первого и второго блоков преобразования, каждый из которых выполнен в виде двух пар последовательно соединенных управляемых ключей, между общими точками которых включен запоминающий конденсатор, управляющие входы первой и второй пар управляемых ключей попарно соединеных между собой, и являются соответственно первым и вторым управляющими входами блоков преобразования, первый и второй входы первой пары управляемых ключей являются соответственно первым и вторым входами блоков преобразования, первый и второй выходы второй пары управляемых ключей являются соответственно первым и вторым выходами блоков преобразования, первый и второй выводы компенсационного резистора соединены с первым и вторым входами второго блока преобразования, второй вход которого соединен с земляной шиной, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены источник постоянного напряжения, операционный усилитель, третий блок преобразования, второй усилитель с демодулятором и последовательно соединенные балластный резистор и переменный резистор с центральным выводом, который соединен с центральным выводом, который соединЕн с вторым входом третьего блока преобразования, первый вход которого соединен с движком переменного резистора с центральным выводом, второй вывод которого соединен с земляной шиной, первый вывод балластного резистора соединен с выходом источника постоянного напряжения и неинвертирующим1714534 10 Составитель В, ВолодинРедактор Т. Иванова ТехредМ.Моргентал Корректор Т. Палий За 691 Тираж ПодписноеИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно льский комби"Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 входом операционного усилителя, выход которого соединен с первым выводом измерительного резистора и вторым входом блока преобразования, первый вход которого соединен с вторым выводом измерительного резистора, первый выход первого блока преобразования соединен с первым входом третьего блока преобразования и входом первого усилителя с демодулятором, выход которого является выходом устройства, второй вход третьего блока преобразования соединен с вторым выходом второго блока преобразования и с земляной шиной, первый выход второго блока преобразования соединен с вторым выходом первого блока преобразования, входом ключа и входом 5 второго усилителя с демодулятором, выходкоторого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, первый и второй выходы генератора прямоугольных импульсов соединены соответственно с 10 первым и вторым управляющими входамипервого и второго усилителей с демодуляторами и третьего блока преобразования.