Цифровой многоточечный измерительный мост

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскивСоциалистическиеРеспублик и 938164(54) ЦИФРОВОЙ МНОГОТОЧЕЧНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙМОСТ 1Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении неэлектрических величин резистивными датчиками, например, при измерении деформаций и температур5с помощью тензотерморезисторов в комплекте с микро-ЭВМ.Известен цифровой измерительный мост, содержащий мостовую схему, одноплечо которой образовано измерительным резистором, источник питания, изменяющий свою полярность, включенный в одну диагональ, усилитель, включенный в другую диагональ, аналого-цифровой преобразователь, подключенный к выходу усилителя и содержащий формирователь и измеритель временных интервалов 1 1.Недостатком известного устройства является низкое быстродействие, 20 так как время одного измерения не может быть меньше периода сетевого . напряжения, Быстродействие ограничивается также измерителем временных 2интервалов, разрешающая способность которого прямо пропорциональна изме. ряемому интервалу и частоте заполняющих импульсов.Наиболее близким по технической сущности является цифровой многоточечный измерительный мост, содержащий мостовую схему, одно плечо которой образовано измерительными резисторами, например тензорезисторами, включаемыми в плечо посредством коммутатора, а три плеча образованы постоянными резисторами два из которых являются образцовыми, источник питания, изменяющий свою полярность, включенный в диагональ, усилитель разбаланса, вклю" ченный в измерительную диагональ, цифровую проводимость, образованную разрядными резисторами и переключателями и подключенную к образцовым резисторам, регистр, подключенный к входам цифровой проводимости, регистр-счетчик, выходы которогосвязаны с управляющими входами. коммутатора, блок управления, соединен-.ный с входом регистра-счетчика иуправляющим входом регистра2,Недостатком этого устройства являются низкие быстродействие и помехозащищенность.Низкое быстродействие обусловливается тем, что раэнополярные импульсы питания, вырабатываемые накаждый такт уравновешивания, должныиметь длительность не меньшую, чемвремя переходных процессов, вызванных перепадами напряжения питания. Время переходных процессов,зависящее в первую очередь от длинысоединительных тензореэисторов, задает предел теоретически достижимого быстродействия.Практически быстродействие ограничивается также тем, цто в начале поразрядного уравновешивания, при коммутации старших разрядов цифровойпроводимости, усилитель работает смногократными перегрузками и входитв глубокое насыщение, Обычно быстродействие таких мостов не превышает 100 иэм/с,Низкая помехозащищенность обусловливается тем, что сигналы, образуоцие разность на выходе усрителя,формируются в разные моменты времени, отстоящие друг от друга на конечный интервал, в течение которогоамплитуда помехи может существенно,с точки зрения влияния на точностьизмерения, измениться.Цель изобретения - повышениебыстродействия и помехозащищенности.Для достижения поставленной целицифровой многоточечный измерительныймост, содержащий мостовую схему, одно плечо которой образовано измерительными резисторами, включаемыми вплечо посредством коммутатора, а триплеча - постоянными резисторами, дваиэ которых являются образцовыми;источник питания, включенный в диагональ питания мостовой схемы, усилитель, включенный в измерительнуюдиагональ мостовой схемы; цифровуюпроводимость, образованную разрядными резисторами и переключателями иподключенную к образцовым резисторам, регистр, подключенный к входамцифровой проводимости, регистрсчетчик, выходы которого соединеныс управляющими входами коммутатора;блок управления, соединенный с вхо 5 10 15 го г 5 Эю Э 5 40 45 50 55 дом регистр-счетчика и управляющийвходом регистра, снабжен преобразователем напряжение-частота (ПНЧ),вход которого соединен с выходомусилителя, а выход подключен к одному входу элемента И, реверсивнымсчетчиком, состоящим из и секций,соединенных посредством элементаИРИ и знакового триггера; блокомраспределения, выходы которого подключены к вторым входам элементаИЛИ, переключателем, два выхода которого подключены к входам блокараспределения, а один вход - к выхо.ду элемента И, нормирующим генератором, выход которого подключен к второму входу переключателя, а входсоединен с блоком управления, умножителем частоты, вход которогосоединен с сетью промышленного напряжения, а выход подключен к входублока управления, регистр-счетчиквыполнен из двух секций, соединенныхпосредством дополнительного тригге-,ра, выход которого также соединен суправляющими входами источника питания и переключателя, выходы первых(и) секций реверсивного счетчикаи знакового триггера подключены квходам регистра, установочные входыреверсивного счетчика связаны с блоком управления и выходом дополнительного триггера регистр-счетчика, управляющие входы блока распределения, усилителя и второй вход элемента И соединены с блоком управления.На фиг, 1 изображена схема предлагаемого устройства; на фиг, 2временные диаграммы работы устройства; на фиг. 3 - характеристика преобразования напряжение-код,Мостовая схема устройства образована образцовыми резисторами 1 и 2,постоянным резистором 3 и тензорезистором 4, вклюценным посредствомкоммутатора 5. Источник б питаниявключен,одну диагональ мостовойсхемы, в другую диагональ которойвключен усилитель 7. К трем вершинам мостовой схемы, смежным с образцовыми резисторами 1 и 2, подключена цифровая. проводимость 8, образованная разрядными резисторами 9,знаковым резистором 10 и переключателями 11. К выходу усилителя 7подключен преобразователь 12 напряжение-частота (ПНЧ), выход которогочерез элемент 13 И соединен с однимвходом переключателя 14, выходы ко938164 5торого подключены к входам 15 и 16блока 17 распределения. Реверсивный счетчик 18 состоит из секций19, 20 и 21, соединенных посредством элементов ИЛИ 22, и знаковоготриггера 23. Входы 24-29 счетчика18 соединены, соответственно, с выходами 30-35 блока 17 распределения, управляющие входы 36-38 которой подключены к блоку 39 управления.Выходы секций 20 и 21 и триггера23 счетчика 18 связаны с входамицифровой проводимости 8 через регистр 40. Установочные входы В, Бсчетчика 18 соединены с выходамиэлемента 41 установки. Регистрсчетчик 42 состоит из секций 43и 44, соединенных посредством дополнительного триггера 45. Выходы секций 43 и 44 связаны с управляющимивходами коммутатора 5. Выход дополнительного триггера 45 подключенк управляющим входам источника 6питания, переключателя 14 и элемента 41 установки. Нормирующий генератор 46 подключен к второму входупереключатепя 14. Вход умножителя47 частоты связан через формирователь 48 с сетью промышленного напряжения. Блок 39 управления соединен с выходом умножителя 47 частоты, с входами элемента 41 установки, регистр-счетчика 42, нормирующего генератора 46, регистра 40, управляющим входом усилителя 7 и установочными входами триггера 23,В устройстве уравновешивание мостовой схемы цифровой проводимостью8 осуществляется с использованиемпромежуточного преобразования напряжение-код,Преобразователь напряжение-код(ПНК) образуют ПНЧ, счетчик 18 иблок 39 управления, формирующий временные интервалы.Напряжение раэбаланса мостовойсхемы связано с сопротивлением плечследующей зависимостью О = 0 (1)Р 0 (К+Ц)(К 12.) где О - напряжение источника 6 пиотания;сопротивления резисторов 15 4учетом того, что В = Й, выражение (1) примет вид О 4 - ъ,(2)2("5+ К 4 ) о О 5 20 25 Зо 35 ю 45 50 55 6При уравновешивании мостовой схемы цифровой проводимостью на разрядных переключателях код уравновешивания связан с сопротивлением резисторов 3 и 4 следующей зависи- мостью в - 4 в(з )14+ кзКак видно иэ выражений (2) и(3), код М" связан линейной зависимостью с напряжением разбаланса.Это обстоятельство облегчает измерительный процесс, сочетающий уравновешивание мостовой схемы с промежуточным преобразованием напряжениекод,Устройство работает следующим образом.выхода формирователя 48 навход умножителя 47 частоты поступают импульсы, частота которых равна частоте сетевого напряжения Г, .выхода умножителя 47 частоты навход блока 39 управления поступаетчастотаГ =а Ео, (4)где а - коэффициент передачи умножителя 47 частоты.Из входной частоты Г блок 39управления формирует синхронизирующие импульсы и временные интервалы,которыми осуществляется тактирование и управление узлов устройства,В начальный момент секция 43счетчика 42 и триггер 45 находятсяв нулевом состоянии, а в секции 44записан исходный код.Коды секций 43 и 44 определяютадрес (номер) измерительной точки,Под воздействием выходного сигнала триггера 45 устанавливается положительная полярность напряженияисточника 6, элемент 41 установкиподключает к блоку 39 управления установочный вход В счетчика 18, апереключатель 14 - выход элемента13 к входу 15 и выход генератора46 - к входу 16 блока распределения,В момент й(фиг. 2), совпадающий с началом формирования первоговременного интервала Т= 1/о, навход элемента 41 с блока 39 управления поступает импульс устанавливающий счетчик 18 в ноль. Одновременно на регистр 40 поступает сигнал разрешения записи. Регистр 40 иследовательно, цифровая проводимость 8 устанавливаются также в ну1 О 15 20 25 30 35 40 45 50 55 пульсы ИНЧ поступают на вход сложения секции 19 счетчика 18, и в моментв счетчике 18 формируетсятретий код,Поскольку третий код не подлежитдальнейшему уточнению, то выходы секции 19 не связаны с цифровой проводимостью 8, в которой, следовательно, отсутствуют в младших разрядов.Третий код можно считать кодом уравновешивания, поскольку первый и второй коды корректируются в последующих тактах, т,е. третий код содержит ошибку не более единицы младшего разряда счетчика 18.При положительной полярности питания мостовой схемы характеристикапреобразования напряжение-код описывается прямой 1 (фиг, 3).Третий код выводится на внешний накопитель, например в памятьмикро-ЭВМ.В момент т. с блока 39 управле 9ния на вход регистр-сцетцика 42 поступает счетный импульс в результате чего формируется код адреса следующей измерительной .точки,В последующих шести временныхинтервалах С происходит измерительный процесс, аналогичный описываемому, йосле чего на вход регистрсчетчика 42 вновь поступает импульссчета.Формируется код адреса очередной измерительной точки.Емкость секции 43 связана с коэффициентом умножения а количествомпреобразовательных тактов и и количеством интервалов 7;приходящихсяна один преобразовательный такт,чтобы окончание измерительного процесса К измерительной точки совпадал:с окончанием первого временного ин;тервала Т,По окончании опроса измерительной точки с К-адресом, происходитпереполнение секции 43, которая вернется в нулевое состояние, а триггер 45 перейдет в состояние ".1",В регистр-счетчике 42 вновь формиру"ется исходный код. Повторяется опрос измерительных точек с адресамиот исходного до К в течение второговременного интервала Т,Однако теперь выходной сигналтриггера 45 устанавливает отрицательную полярность источника 6. Крометого, триггер 45 воздействует на управляющие входы переключателя 14 и элемента 41 установки, в результате чего при повторном опросе в момент .разряды счетчика 18, регистра 40 и цифровой проводимости 8 устанавливаются в состояние "1", в момент знаковый триггер 23 устанавливается в состояние "0".Поскольку выход нормирующего генератора 46 подключен к входу 15 блока 17 распределения, а выход элемента 13 - к входу 16 блока 17 рас-, пределения, то импульсы ПНЧ в интервалах 7, Х 1, Х поступают на входы вычитания секций 21, 20 и 19, а нормирующие импульсы генератора 46 в интервалах Т; и Г - на входы сложения, При этом характеристика преобразования напряжение-код описывается прямой 11 (фиг. 3)Формирование двух измерительных кодов для каждой измерительной точки с изменением полярности питания мостовой схемы и жесткой привязкой к частоте сетевого напряжения позволяет получить высокую помехозащищенность измерительного моста.Точно также исключается погрешность из-за смещения "нулей" усилителя 7, ПНЧ, а также других факторов, обусловливающих аддитивную погреш,ность, при условии, что знак этой погрешности не зависит от полярности, напряжения питания мостовой схемы. Устройство работает одинаково, как при исходных сопротивлениях тензорезисторов, т.е. при ненагруженном ооъекте так и при наличии приращения сопротивлений тензорезисторов.При трехкратном измерительном процессе в каждом последующем такте происходит коррекция ошибки предыдущего такта. При этом величина этойошибки должна быть не более единицы дискретности предыдушей секции.Однако время-импульсный метод пре образования может давать погрешность на единицу счета, т.е. на ту же единицу дискретности. В этом случае усилитель 7 и РНЧ должны иметь высокую точность передаточной характеристики.Чтобы значительно снизить требование к упомянутым характеристикам, следует снизить весовое значение погрешности время-импульсного преобразования. Для этого можно, например, на выходе ПНЧ установить938164 дополнительный триггер-делитель, устанавливаемый в исходное состояние в чачале каждого такта.Это позволит. изменить весьма простые усилитель 7 и ПНЧ.Использование дополнительного триггера-делителя несколько усложняет счетчик 18, так как выход триггера-делителя должен переключаться на секции 20 и 19. Возможно более простое рещение этой задачи, для чего в устройстве, вместе с удвоением коэффициента передачи ПНЧ, увеличена на один разряд старшая секция 21, а нормирующий генератор 46 формирует в интервалах Г и Т 5 два нормирующих импульса вместо одного.Мгоноступенчатый процесс аналогоцифрового преобразования позволяет получить высокое быстродействие без снижения разрешающей способности.Таким образом, цифровой многоточечный измерительный мост целесообразно испольэовать при многоточечном тензометрировании и медленноменяющемся нагружении объекта испытаний, когда требуется обеспечить минимальное время опроса всех измерительных точек. 51 О1520 12проводимости, регистр-счетчик, выходы которого соединены с управляющими входами коммутатора, блок управления, соединенный с входом регистр"счетчика и управляющим входом регистра, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения быстродействия и помехозащищенности, он снабжен преобразователем напряжение-частота (ПНЧ), вход которого соединен с выходом усилителя, а ввод подключен к одному входу элемента И, реверсивным счетчиком, состоящим из и секций, соединенных посредством элемента ИЛИ и знакового триггера; блоком распределения, выходы которого подключены к вторым входам элемента ИЛИ, переключателем, два выхода которого подключены к входам блока распределения, а один вход - к еыходу элемента И, нормирующим генера. тором, выход которого подключен к второму входу переключателя, а вход соединен с блоком управления, умножителем частоты, вход которого соединен с сетью промышленного напряжения, а выход подключен к входу блока управления, регистр-счетчик выполнен из двух секций, соединен. ных посредством дополнительногоФормула изобретения 1.1 ифроеой многточечный измерительный мост, содержащий мостовую схему одно плечо которой образовано изнар тельными резисторами, включаемыми е плечо посредством коммутат=.эа, а три плеча - постоянными резисторами, два иэ которых являются о.,аэцоеыми, источник питания, еключе ц ь 1; в диагональ питания мостовой схемы. усилитель, включенный е иэмери. ьную диагональ мостовой схе 1 ы цифровую проводимость, образоеаннуг разрядными резисторами и переключателями и подключенную к образцовым резисторам, регистр, подключечный к входам циФровой 35 40 45 триггера, выход которого также соединен с управляющими входами источника питания и переключателя, выходы первых (и) секций реверсивного счетчика и знакового триггераподключены к входам регистра, установочные входы реверсивного счетчика соединены с блоком управления ивыходом дополнительного триггерарегистр-счетчика, управляющие входыблока распределения, усилителя ивторой вход элемента И соединены сблоком управления,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРИ 423055, кл. С 01 В 17/10, 1971,2. Авторское свидетельство СССРМ 746300, кл, 0 01 В 17/1 О, 1978938164 8 фЯ Редактор А. Ко Заказ 52/ 7 Тираж 71 ВНИИПИ Государственного комитета С по делам изобретений и открытий 11303ПодписР Москва, ЖРаушская наб., д, 4/5 ПП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, Фн ив Составитель В. СеменчукТехред А. Ач Корректор А. Гриценк