Тензометрический усилитель с автоматической установкой нуля

 

Изобретение может быть использовано в устройствах измерения незлектрических физических валичин,преобразующих входной сигнал в электрический с помощью резистор гьгх измерительных мостов, например тензорезисторных. Тензометрический усилитель с автоматической установкой нуля содержит измерительный усилитель 2,источник 3 питания, блок 5 управления, согласующий блок 6, тензомост I с резисторными плечами 7-10, Цифроаналоговьлй преобразователь 4, содеркащий резисториую матрицу 16, двухпозиционные ключи 17. Тензометрический усилитель имеет упрощенную электрическую схему, что дос-гагнуто использованием для балансировки пассивного элемента - резисторной матрицы, и повышенную точность преобразования за счет отсутствия систематической пог-. решности измерений, 1 з.п.ф-лы, 2ил« (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1 (19) (11) (5g 4 G 01 еере 17/1О

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ е (2 1 ) 3 9 65 6 95 / 24-2 1 (22 ) 1 8 е 1 0 ° 85

{ 46 ) 3 0 . 1 2 . 8 8 . Бюл . 112 4 8 (72 ) В . Н . Бор один, С . В . Мур зина, В . И . Иванченко, С, Б . Мирошнич енко и В . А . Аб акумов (53 ) 6 2 1 . 3 1 7 . 7 3 3 (088 . 8 ) { 5 6 ) Приборы и системы управления, 1 9 7 6, 112 1, с . 2 9-3 1 .

Автор ско е свидетельство СССР 112 1 0 95 03 ), кл . (т 0 1 В 7 / 1 б, l 984 . (54) ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ С АВТОМАТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ НУЛЯ (57) Изобретенче может быть использовано в устройствах измерения неэлектрических Физических величин,преобразующих входной сигнал в электрический с помощью резисторных измерительных мостов, например тензорезисторных. Тензометрический усилитель с автоматической установкой нуля содержит измерительный усилитель 2,источник 3 питания, блок 5 управления, согласующий блок 6, тензомост 1 с резисторными плечами 7-10. Цифроаналоговый преобразователь 4, содержащий резисториую матрицу 16, двухпозициоиные ключи 17. Тензометрический усилитель имеет упрощенную электрическую схему, что достигнуто использованием для балансировки пассивного элемента — резисторной матрицы, и повышенную точность преобразования sa счет отсутствия систематической пог-. реиности:иемеренир. I е.и.ф-ни, 2 пп. Я

1448287

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в устройствах измерения неэлектрических физических вели5 чин, преобразующих входной сигнал в электрический с помощью резисторных измерительных мостов, например тензорезисторных, а также в измерителях сопротивлений мостового типа. 10

Цель изобретения — повышение точНости преобразования и упрощение схемы з а сч ет устр ан е ни я пог р ешно ст ей преобразования из-за изменения тока двух смежных плеч моста и за счет 15 применения пассивного элемента — резисторной матрицы, На фиг.1 изображена схема тензометрического усилителя с автоматической установкой нуля; на фиг. 2 — эпю-. 20 ры напряжений при положительном (отрицательном) напряжении на выходе измерительного усилителя.

Устройство содержит тензомост .1, измерительный усилитель 2, источник 25

3 питания, цифроаналоговый преобразователь (IIAII) 4 автоматической балансировки, состоящий иэ блока 2 управления и согласующего блока 6, Тензомост имеет четыре резисторных плеча 7 — 10. Вершины соединения плеч 7 и 8, 9 и 10 образуют полюса диагонали питания„ а плеч 7 и

10, 8 и 9 - полюса измерительной диагонали. Измерительный усилитель 2 составлен из двух каскадов, Первый каскад представляет собой параллельную операционную схему, состоящую из операционного усилителя 11, охваченного отрицательной обратной связью с помощью резистора 12, входы операционного усилителя подключены к полюсам измерительной диагонали, а выход усилителя 11 соединен с вто-, рым каскадом 13, демодудирующим.

Источник 3 питания содержит генератор 14 тока, подключенный к верхнему полюсу. диагонали питания, и операционный усилитель 15, выход которого подключен к нижнему полюсу диагонали питания, неинвертирующий вход — к общей шине, а инвертирующий — к тому полюсу измерительной диагонали, к которому подключен неинвертирующий вход операционного усилителя 11. ЦАП содержит резисторную

55 матрицу 16, ветви которой подключены к переключающим контактам двухпозиционных ключей 17; соединенные вместе одноименные нормально замкнутые и нормально разомкнутые контакты ключей 17 образуют соответственно выходы 18,19 преобразователя 4, которые подключены к полюсам измерительной диагонали тензомоста 1 °

Вход резисторной матрицы 16 соединен через согласующий блок 6 с источником 3 питания, Блок 6 содержит два компаратара 20 и 21, пороговое устройство 22, элемент 2И-НЕ 23, ключ 24, выполненный на элементе

ЗИ-НЕ, генератор 25 импульсов и реверсивный счетчик 26, имеющий счетный вход С и вход режима счета "+!

Инвертирующий вход компаратора 20 и неинвертирующий вход компаратора

21 подключены к выходу измерительного усилителя 2, неинвертирующий вход компаратора 20 подключен к положительному полюсу +оооо, а инвертирующий вход компаратора 21 — к отрицательному плюсу -11яор, порогового устройства 22. Выходы компараторов

20 и 21 подключены к входам элемента 2И-НЕ 23, кроме того, выход компаратора 20 подключен к входу режима счета "л.1" реверсивного счетчика 26. Генератор 25 импульсов подключен к первому входу ключа 24,на

)второй вход которого подается коман1I 11 да Балансировка, а к третьему входу подключен выход элемента 23. Выход ключа 24 подключен к счетному входу С реверсивного счетчика 26, выходы которого подключены к кличам

17 ЦАП 4, 1

Тензометрический усилитель с автоматической балансировкой работает следующим образом.

От генератора 14 тока к тензомосту 1 и согласующему блоку 6 подводится стабильный ток Т, (фиг.2a).Часть этого тока подводится к ЦАП 4 через согласующий блок 6, который поддерживает на входе резисторной матрицы

16 стабильное напряжение Up@ . Ток

lg втекающий в матрицу 16, распределяется ключами 17 между токовыми выходами 18 и 19 и используется для балансировки, а его значение определяется выражением

1-!оп

Ig

R где В н — входное сопротивление резисторной матрицы 16.

48287

4 нию) тока на его выходе 19 (фиг.2к), увеличению (уменьшению) тока на выходе 18 (фиг,2и) и, соответственно, уменьшению (увеличению) тока плеча 9 и увеличению (уменьшению) тока плеча 10. При этом сигнал раэбаланса

Ip (фиг.2л) моста уменьшается, а выходной сигнал Бьы (фиг.2б) изме10 рительного усилителя 2 линейно убывает (возрастает), В момент, когда выходной сигнал Uq«, станет меньше (больше) порогового. +П„ р (-Баоа ), т.е. выполнится условие +Uoop>U> <

15 )-Ппор, на выходах компараторов 20 и 21 установятся сигналы "1" (фиг.2в, г), которые установят на выходе элемента 23 сигнал "0" (фиг.2д). Зтот сигнал закроет ключ 24 и запретит

20 прохождение сигналов (фиг,2ж) с генератора 25 импульсов на реверсивный счетчик 26. На входах счетчика 26 зафиксируется код, соответствующий сбалансированному состоянию тензо25 усилителя.

В этом состоянии выходной сигнал измерительного усилителя 2 равен нулю Uqaz, = О, следовательно, равен нулю и сигнал разбаланса тенэомоста

30 1 Ip = О, а так как к верхнему полюсу диагонали питания в ЦАП подводится стабильный по значению ток

I<, то такой же ток отводится от нижнего полюса.

В

При воздействии измеряемой физической величины на тензорезистор

его сопротивление изменяется. Если этот тензорезистор включен в плечо

8 (7) то выходной сигнал азы тен40 зоусилителя связан с изменением его . сопротивления выражением

К верхнему полюсу диагонали питания тензомоста 1 подводится остальной ток, равный I -Ig.

Операционный усилитель 11, осуществляющий виртуальное закорачивание измерительной диагонали, и операц(тонный усилитель 15 поддерживают на полюсах потенциалы, близкие к нулю. Кроме того, операционный усилитель 15 обеспечивает протекание через плечи 9 и 10 суммарного тока Т,»» заданного генератором 14 тока, независимо от их сопротивления, С порогового устройства 22 на комБьы„ (фиг.2б) положительной (или отрицательной) полярности. Зтот сигнал обусловлен протеканием тока Ip (фиг.2л) через резистор 12 обрат-, ной связи, который втекает (вытекает) в левый полюс измерительной диагонали и который является сигналом разбаланса тензомоста 1. Так как выходной сигнал больше (меньше) порогово-, го +УрОр (Беы„ (-U„ ), то срабатывает компаратор 20(21) и на его вы-.ходе устанавливается сигнал О

11 1! (фиг.2в,г), под действием которого реверсивный счетчик 26 установится в режим обратного счета "-1" (прямого счета "+1"), а на выходе элемента 23 появится сигнал "1 " (фиг.2д).

Сигнал "1" с элемента 23 поступит на третий вход ключа 24 и разрешит балансировку. При подаче команды "3aлансировка" — сигнала "i" (фиг.2ж) на второй вход ключа 24.сигналы с генератора 25 импульсов (фиг.2е) пройдут через ключ 24 (фиг,2з}, .поступят на счетный вход С реверсивного счетчика 26 и вызовут изменение кода его выходных сигналов. Изменение вы- ходных сигналов реверсивного счетчика 26 вызовет соответствующее срабатывание ключей 17 преобразователя, что приведет к уменьшению (увеличе50

55 параторы 20 и 21 подаются сигналы

+U»1ap и -Urtop соответственно, которые определяют зону сбалансированности тензоусилителя. Если выходной сигнал Upped измерительного усилителя 2 попадает в эту зону, т.е.

+Unoa > Uo„n > -И„рр, то тензоусилитель считается сбалансированным, а значение его выходного сйгнала принимается равным нулю, Если тензоусилитель разбалансирован, то на выходе измерительного усилителя 2 имеется выходной сигнал а если включен в плечо 10(9), то дВ г 1 gR

Пвы„=*Кт. — -- (1 — — — — — )»

R 2 R где К вЂ” коэффициент, определяемый параметрами элементов тен" зоусилителя

Io — суммарный ток, протекающий через плечи 9 и 10; (I +ХБ} — суммарный ток, протекающий через плечи 7 и 8;

Ig — балансировочный ток;

14,И

R.лил) ИИШ11ВЯ!@!

l8

ВНИИПИ Заказ 684Э/50 Тираж 772

Подписное

Произв.-полигр. пр-тие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

v — относительное изменение сопротивления тензорезистора.

Знак "-" перед правыми частями относится к плечам, указанным в скобках.

При использовании предложенного усилителя отсутствует систематическая погрешность измерений, обусловленная балансировкой тензомоста при питании его стабильным током, благо: даря использованию ЦАП с токовыми выходами, подключенными к обоим полюсам измерительной, диагонали; проще устройство автоматической балансировки, что достигнуто использованием для балансировки пассивного элемента — резисторной матрицы, входящей в состав ЦАП, обеспечивающего .получение, компенсирующего сигнала, совпадающего по форме и фазе с сигналом питания тензомоста.

Формул а и з о б р е т ения

1, Тензометрический усилитель с .автоматической установкой нуля, со, держащий тензомост, к измерительной, диагонали которого подключен измерительный усилитель, источник питания, 48287 6 подключенный к диагонали питания тензомоста, цифроаналоговый преобразователь и блок управления, о т л и—

5 ч ающий с я тем, что, с целью понышения точности пр ео бр аз ов анна и упрощения схемы, в него введен согласующий блок, вход которого соединен с вершиной диагонали питания тен10 зомоста, а выход — с входом цифроаналогового преобразователя, выходы которого соединены с соответствующими вершинами измерительной диагонали моста, а входы управления соединены с

15 соответствующими выходами блока управления.

2. Усилитель по п.1, о т л и ч а ю-. шийся тем, что цифроаналоговый преобразователь содержит резисторную

20 матрицу, выходы которой соединены с соответствующими переключающими контактами двухпоэиционных ключей, число которых равно числу разрядов цифроаналогового переключателя, при

26 этом вход резисторной матрицы является входом цифроаналогового преобразователя, а нормально замкнутые контакты двухпозиционных ключей соединены и являются первым выходом цифроанало30 гового преобразователя, .вторым выходом которого являются соединенные нормально разомкнутые контакты двухпозиционных ключей.