многоканальный измеритель сопротивлений

Формула изобретения

Многоканальный измеритель сопротивлений, содержащий измеритель напряжения, n контактов для подключения резистивных датчиков, два управляемых ключа на каждый контакт с нечетными номерами, первые выводы первых управляемых ключей каждой пары объединены и подключены к выходу источника постоянного тока, первые выводы вторых управляемых ключей каждой пары объединены между собой, управляющие входы управляемых ключей соединены с соответствующими выходами блока управления, отличающийся тем, что введены два дополнительных управляемых ключа на каждый контакт с четными номерами для подключения резистивных датчиков и дополнительный управляемый третий ключ, источник постоянного тока выполнен в виде управляемого источника постоянного тока, вход управления которого соединен с соответствующим выходом блока управления, каждый из контактов с нечетными номерами подключен ко вторым выводам соответствующих ему управляемых ключей непосредственно или через соответствующие первый и второй резисторы, каждый из контактов с четными номерами подключен ко вторым выводам соответствующих ему дополнительных управляемых ключей непосредственно или через соответствующие первый и второй дополнительные резисторы, первые выводы первых дополнительных управляемых ключей каждой пары объединены и подключены к точке соединения первых выводов первых управляемых ключей и к первому выводу третьего дополнительного управляемого ключа, второй вывод которого соединен с входом измерителя напряжения, на который поступает потенциал, пропорциональный величине сопротивления цепи, точка соединения первых выводов вторых управляемых ключей и первые выводы вторых дополнительных управляемых ключей каждой пары соединены между собой и подключены к общей шине устройства, управляющие входы дополнительных управляемых ключей и третьего дополнительного управляемого ключа соединены с соответствующими выходами блока управления.

Описание изобретения к патенту

зобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах дистанционного измерения сопротивлений резистивных датчиков.

Известен измеритель сопротивлений (см. авторское свидетельство СССР № 1283669 от 06.05.85, МКИ G 01 R 27/00. Устройство для дистанционного измерения сопротивлений, авторы С.А. Бекарюк и В.А.Пискунов, опубл. 15.01.87, БИ № 2), содержащий резистивный датчик, коммутатор, управляемый источник тока, блок управления, преобразователь напряжения - код, вычислительный блок, блок индикации, соединительные провода. Коммутатор содержит первый управляемый ключ и управляющий элемент. Управляемый источник тока содержит первый и второй источники тока и второй управляемый ключ. Первый вывод резистивного датчика подключен к первому выводу первого управляемого ключа и через соединительный провод - к первому выходу управляемого источника тока и к первому входу преобразователя напряжения - код. Второй вывод резистивного датчика соединен с вторым выводом первого управляемого ключа, а через последовательно соединенные управляющий элемент и второй соединительный провод - к второму выходу управляемого источника тока и ко второму входу преобразователя напряжения - код. Выход преобразователя напряжения - код соединен с первым выходом вычислительного блока, второй вход которого соединен с первым выходом блока управления, а выход соединен с блоком индикации. Второй выход блока управления соединен с входом управления управляемого источника тока. Первый вывод первого источника тока соединен с первым выводом второго управляемого ключа и с первым выходом управляемого источника тока, второй выход которого соединен с вторыми выводами первого и второго источников тока. Первый вывод второго источника тока соединен со вторым выводом второго управляемого ключа, вход управления которого соединен с входом управления управляемого источника тока.

Недостатками известного устройства являются низкая точность измерения в диапазоне малых сопротивлений резистивных датчиков и одноканальностъ (возможность измерения сопротивления только одного резистивного датчика). Низкая точность измерения в диапазоне малых сопротивлений резистивных датчиков связана с отсутствием компенсации сопротивления управляемого ключа, подключенного параллельно измеряемому резистивному датчику. В случае использования в качестве управляемого ключа электронной схемы с использованием в качестве коммутаторов полупроводниковых элементов необходимо учитывать, что сопротивление указанных элементов может быть соизмеримо или даже превышать измеряемое сопротивление резистивного датчика, а также имеет значительные величины технологического разброса и изменения в условиях эксплуатации. При этом, если не принять специальных мер по компенсации сопротивления управляемого ключа, точность измерения получается низкой. Использование в качестве управляемого ключа контакта электромагнитного реле позволяет снизить влияние ключа на точность измерения, однако резко снижает ресурс работы устройства по количеству допустимых коммуникаций, а также снижает быстродействие устройства.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков является многоканальный измеритель сопротивлений (см. авторское свидетельство СССР № 1697017 от 24.05.89, МКИ: G 01 R 27/00, Многоканальный измеритель сопротивлений резистивных датчиков, авторы Л.И. Макеева, В.Д. Шалынин, В.А. Тимченко, опубл. 07.12.91., Бюл. № 45), выбранный в качестве прототипа и содержащий n резистивных датчиков, коммутатор, источник постоянного тока, измеритель напряжения, дифференциальный усилитель, блок управления, линии связи, соединительные провода, n каналов, каждый из которых содержит клеммы (контакты) для подключения резистивных датчиков. Коммутатор содержит управляемые ключи по два на каждый резистивный датчик, при этом первые выводы каждой пары управляемых ключей соединены через соединительные провода с первыми выводами соответствующих резистивных датчиков, вторые выводы первых управляемых ключей объединены и через первую линию связи подключены к первому выходу источника постоянного тока, вторые выводы вторых управляемых ключей объединены и через вторую линию связи подключены к первому входу измерителя, управляющие входы каждой пары управляемых ключей объединены и соединены с соответствующими выходами блока управления. Вторые выводы каждого из резистивных датчиков с номерами с 1-ого по (n-1)-ый через соединительные провода соединены со вторыми выводами резистивных датчиков с номерами соответственно с 2-го по n-й. Второй вывод первого резистивного датчика через третью линию связи соединен с инверсным входом дифференциального усилителя. Второй вывод n-го резистивного датчика через четвертую линию связи соединен с выходом дифференциального усилителя. Прямой вход дифференциального усилителя, второй вход измерителя и второй выход источника постоянного тока соединены с общей шиной устройства.

В данном измерителе сопротивлений исключено влияние сопротивлений управляемых ключей на результат измерения сопротивлений резистивных датчиков за счет большого входного сопротивления измерителя напряжения и большего выходного сопротивления источника постоянного тока. Это дает возможность применять в качестве управляемых ключей электронные схемы с использованием в качестве коммутаторов полупроводниковых элементов и тем самым снять ограничения по количеству коммутаций ключей и повысить быстродействие устройства.

Недостатком известного измерителя сопротивлений являются его ограниченные функциональные возможности, связанные, во-первых, с невозможностью контроля сопротивления развязки между разобщенными цепями резистивных датчиков, так как вторые выводы разобщенных датчиков связаны соединительными проводами; во-вторых, с невозможностью подключения выводов резистивных датчиков к любым контактам устройства (например, нельзя подключать резистивный датчик между контактами с четными номерами).

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является создание многоканального измерителя сопротивлений, обладающего расширенными функциональными возможностями, которые позволяют:

- производить контроль сопротивления развязки между разобщенными цепями резистивных датчиков;

- снять ограничения на подключение резистивных датчиков к контактам измерителя сопротивлений.

Технический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей, достигается тем, что в многоканальный измеритель сопротивлений, содержащий измеритель напряжения, n контактов для подключения резистивных датчиков, два управляемых ключа на каждый контакт с нечетными номерами, первые выводы первых управляемых ключей каждой пары объединены и подключены к выходу источника постоянного тока, первые выводы вторых управляемых ключей каждой пары объединены между собой, управляющие входы управляемых ключей соединены с соответствующими выходами блока управления, введены два дополнительных управляемых ключа на каждый контакт с четными номерами для подключения резистивных датчиков и дополнительный управляемый третий ключ, источник постоянного тока выполнен в виде управляемого источника постоянного тока, вход управления которого соединен с соответствующим выходом блока управления, каждый из контактов с нечетными номерами подключен ко вторым выводам соответствующих ему управляемых ключей непосредственно или через соответствующие первый и второй резисторы, каждый из контактов с четными номерами подключен ко вторым выводам соответствующих ему дополнительных управляемых ключей непосредственно или через соответствующие первый и второй дополнительные резисторы, первые выводы первых дополнительных управляемых ключей каждой пары объединены и подключены к точке соединения первых выводов первых управляемых ключей и к первому выводу третьего дополнительного управляемого ключа, второй вывод которого соединен с входом измерителя напряжения, на который поступает потенциал, пропорциональный величине сопротивления цепи, точка соединения первых выводов вторых управляемых ключей и первые выводы вторых дополнительных управляемых ключей каждой пары соединены между собой и подключены к общей шине устройства, управляющие входы дополнительных управляемых ключей и третьего дополнительного управляемого ключа соединены с соответствующими выходами блока управления.

Указанная совокупность признаков позволяет расширить функциональные возможности многоканального измерителя сопротивлений, которые позволяют:

- производить контроль сопротивления развязки между разобщенными цепями резистивных датчиков;

- снять ограничения на подключение резистивных датчиков к контактам устройства за счет исключения влияния входных цепей многоканального измерителя на величину сопротивления развязки между контактами и на величину сопротивления резистивных датчиков.

На чертеже приведена принципиальная электрическая схема многоканального измерителя сопротивлений.

Многоканальный измеритель сопротивлений содержит контакты 1-1, 1-2,... 1-n для подключения резистивных датчиков, первые резисторы 2-1, 2-2,... 2-n, вторые резисторы 3-1, 3-2,... 3-n, первые управляемые ключи 4-1, 4-2,... 4-n, вторые управляемые ключи 5-1, 5-2,... 5-n, третий управляемый ключ 6, блок 7 управления, измеритель 8 напряжения, общую шину 9, управляемый источник 10 постоянного тока, электронно-вычислительную машину (ЭВМ) 11, четвертый управляемый ключ 12 и пятый управляемый ключ 13, резистор 14. Питание управляемого источника 10 осуществляется от источника 15 постоянного напряжения. Управляемый источник 10 постоянного тока содержит первый 16 и второй 17 управляемые ключи, резистор 18 и источник 19 постоянного тока. Каждый из контактов 1-1, 1-2,... 1-n непосредственно или через резистор 2-1, 2-2,... 2-n и резистор 3-1, 3-2,... 3-n подключен к второму выводу соответствующего управляемого ключа 4-1, 4-2,... 4-n и управляемого ключа 5-1, 5-2,... 5-n, первые выводы управляемых ключей 4-1, 4-2,... 4-n объединены и подключены к выходу управляемого источника 10 постоянного тока и первому выводу управляемого ключа 6, второй вывод которого подключен к входу измерителя 8 напряжения, первые выводы управляемых ключей 5-1, 5-2,... 5-n объединены и подключены к общей шине 9 устройства.

Управляющие входы управляемых ключей 4-1, 4-2,... 4-n и управляемых ключей 5-1, 5-2,... 5-n подключены к соответствующим выводам блока 7 управления. Вход управления управляемого источника 10 постоянного тока подключен к соответствующему выходу блока 7 управления. Первый вывод управляемого ключа 12 подключен к выходу управляемого источника тока 10, второй вывод которого подключен к первому выводу управляемого ключа 13 и через резистор 14 к общей шине 9 устройства. Второй вывод управляемого ключа 13 соединен с входом измерителя напряжения 8, выход которого соединен с входом ЭВМ 11. Управляющие входы управляемого ключа 12, управляемого ключа 13 и измерителя 8 напряжения подключены к соответствующим выходам блока 7 управления. Выход ЭВМ 11 соединен с входом блока 7 управления. Вход управляемого источника 10 постоянного тока подключен к источнику 15 постоянного напряжения. Выход источника 19 постоянного тока соединен с первым выводом управляемого ключа 17, второй вывод которого является выходом управляемого источника 10 постоянного тока и соединен с вторым выводом управляемого ключа 16, первый вывод которого через резистор 18 подключен к входу источника 19 постоянного тока, который является входом управляемого источника 10 постоянного тока. Управляющие входы управляемого ключа 16 и управляемого ключа 17 объединены и являются входом управления управляемого источника 10 постоянного тока.

Управляемые ключи 4-1, 4-2,... 4-n; 5-1, 5-2,... 5-n; 6; 12; 13; 16; 17 могут быть выполнены на микросхеме 564КТ3, инверсию сигнала управления, поступающего на ключ 16, можно получить при использовании инвертора.

Блок 7 управления можно построить по схеме, описанной в книге "Сто схем с индикаторами", Ю.А.Быстров, Г.М.Персианов. - М.: Радио и связь, 1991, 272 с., рис.2.3. Вместо индикатора, показанного на рис.2.3, нужно подключить входы управления многоканального измерителя сопротивлений. Блок 7 управления можно также построить на микроконтроллере Н1830ВЕ51/31.

Измеритель 8 напряжения можно выполнить на микросхеме Н572ПВЗ, являющейся АЦП. В качестве измерителя 8 напряжения можно также использовать цифровой вольтметр В7-38.

В качестве ЭВМ 11 можно использовать персональный компьютер IBM PC/XT/AT либо другое электронное устройство на базе микропроцессора.

Источник 19 постоянного тока и источник 15 постоянного напряжения могут быть построены по известным схемам, описанным в книге "Искусство схемотехники", т.1, п.Хорвиц, У.Хилл, изд. 4-е. - М.: Мир, 1993, с. 15.

Многоканальный измеритель сопротивлений работает следующим образом.

При включении питания блок 7 управления устанавливает на всех управляющих входах управляемых ключей 4-1, 4-2,... 4-n и управляемых ключей 5-1, 5-2,... 5-n сигналы, соответствующие закрытому состоянию всех вышеупомянутых управляемых ключей. Управляемые ключи 6, 12, 13 тоже закрыты. Измерителю 8 напряжения запрещено проводить измерение. Такое состояние многоканального измерителя далее по тексту называется "исходным состоянием". После задания блоку 7 управления рабочей программы либо по фиксированному алгоритму работы блок 7 управления начинает формировать сигналы, необходимые для измерения сопротивления между контактами 1-1, 1-2,... 1-n. Допустим, измеряется сопротивление между контактами 1-1 и 1-n. Блок 7 управления сигналами управления открывает управляемый ключ 17, закрывает управляемый ключ 16, тем самым он подключает источник 19 постоянного тока к выходу управляемого источника 10 постоянного тока. Сигналами управления открывается одна из пар управляемых ключей 4-1, 5-1; 4-n, 5-n; 4-1, 5-n; 4-n, 5-1; а также управляемый ключ 6. Ток от управляемого источника 10 постоянного тока через открытую пару ключей протекает на общую шину 9 устройства. На вход измерителя 8 напряжения через управляемый ключ 6 поступает потенциал, пропорциональный величине сопротивления цепи, включенной между выходом управляемого источника 10 постоянного тока и общей шиной 9 устройства. Измеритель 8 напряжения должен иметь высокое входное сопротивление, тогда сопротивление управляемого ключа 6 не будет влиять на результат измерения. После временной паузы, достаточной для окончания переходных процессов в цепях, подключенных к выходу управляемого источника 10 постоянного тока, блок 7 управления сигналом управления разрешает измерителю 8 напряжения начать измерение. Результат измерения измеритель 8 напряжения представляет в виде числа в двоичном коде. С выхода измерителя 8 напряжения результат измерения считывается в ЭВМ 11, где он обрабатывается и запоминается. После того как результат измерения передан в ЭВМ 11, многоканальный измеритель сопротивления переходит в исходное состояние.

Процесс измерения производится аналогично описанному выше для каждой открытой пары ключей: 4-1, 5-1; 4-n, 5-n; 4-1, 5-n; 4-n, 5-1. В итоге получаются четыре результата измерения. Используя полученные четыре результата измерения, ЭВМ 11 вычисляет сопротивление резистивного датчика. Если число на выходе измерителя 8 напряжения во время измерения сопротивления превышает некоторое граничное число, блок 7 управления с помощью сигнала управления изменяет ток, вырабатываемый управляемым источником 10 постоянного тока. Для этого закрывается управляемый ключ 17 и открывается ключ 16. Блок 7 управления сигналами управления открывает пару управляемых ключей 4-1, 5-n; либо 4-n, 5-1 и управляемый ключ 6. Остальные управляемые ключи закрыты. Производится одно измерение. После того как результат измерения передан в ЭВМ 11, многоканальный измеритель сопротивления переходит в исходное состояние. ЭВМ 11 производит расчет сопротивления резистивного датчика.

Измерение сопротивления между другими контактами производится аналогично указанному выше.

Для повышения точности измерения сопротивлений резистивных датчиков и для вычисления коэффициента преобразования напряжение - число, который в дальнейшем используется при расчете сопротивления резистивного датчика, необходимо проводить калибровку устройства. Для этого многоканальный измеритель сопротивлений устанавливается в исходное состояние. Блок 7 управления сигналами управления открывает управляемые ключи 16 либо 17 (в зависимости от того, какой измерительный диапазон калибруется) и ключи 12, 13. Таким образом, постоянный ток от управляемого источника 10 постоянного тока протекает через ключ 12 и калибровочный резистор 14 на общую шину 9 устройства. На калибровочном резисторе 14, сопротивление которого известно, создается падение напряжения, которое через ключ 13 поступает на вход измерителя 8 напряжения. С выхода измерителя 8 напряжения результат измерения поступает в ЭВМ 11, где он обрабатывается и запоминается для дальнейшего использования при расчете измеряемых сопротивлений.

При измерении сопротивления резистивных датчиков последние могут подключаться к контактам 1-1, 1-2,... 1-n устройства в произвольном порядке. Покажем, что сопротивления управляемых ключей 4-1, 4-2,... 4-n, 5-1, 5-2,... 5-n, проводов связи между контактами 1-1, 1-2,... 1-n и вышеупомянутыми управляемыми ключами, а также сопротивления резисторов 2-1, 2-2,... 2-n, 3-1, 3-2,... 3-n, которые могут быть введены в устройство для защиты резистивных датчиков от опасных токов, появление которых возможно при одиночном отказе устройства, не оказывают влияния на результат измерения сопротивления резистивного датчика. В нижеприведенных расчетах сопротивления резисторов 2-1, 2-2,... 2-n, 3-1, 3-2,... 3-n включают в себя сопротивления вышеуказанных проводов связи. Пусть резистивный датчик с сопротивлением Rx подключен между контактами 1, n устройства. Измерение производится в четыре этапа. На первом этапе блок 7 управления замыкает ключи 4-1, 5-1, 6, 17; остальные ключи (4-2,... 4-n, 5-2,... 5-n, 12, 13, 16) разомкнуты. Стабильный ток I₀ от источника 19 протекает через замкнутый управляемый ключ 17, ключ 4-1, резисторы 2-1, 3-1, ключ 5-1 на общую шину 9. Измеритель 8 через открытый ключ 6 фиксирует напряжение А₁, при этом:

где K₁ - коэффициент преобразования измерителя 8 на первом этапе измерения;

R_4-1+R_5-1 - сопротивление открытых управляемых ключей соответственно 4-1 и 5-1;

R_2-1+R_3-1 - сопротивления резисторов соответственно 2-1, 3-1.

На втором этапе измерений открыты ключи 4-n, 5-n, 6, 17; ключи 4-1,... 4-(n-1), 5-1,... 5-(n-1), 12, 13, 16 закрыты. Ток от источника 19 протекает по пути: ключ 17, ключ 4-n, 2-n, 3-n ключ 5-n, шина 9. Измеритель 8 фиксирует напряжение А₂:

где К₂ - коэффициент преобразования измерителя 8 на втором этапе измерения;

R_4-n+R_5-n - сопротивление открытых управляемых ключей соответственно 4-n и 5-n;

R_2-n+R_3-n - сопротивление резисторов соответственно 2-n и 3-n.

На третьем этапе открыты ключи 4-1, 5-n, 6, 17; остальные ключи закрыты. Измеритель 8 фиксирует напряжение А₃:

где К₃ - коэффициент преобразования измерителя 8 на третьем этапе измерения;

R_x - сопротивление резистивного датчика.

На четвертом этапе открыты ключи 4-n, 5-1, 6, 17; остальные ключи закрыты. Измеритель 8 фиксирует напряжение А₄:

где К₄ - коэффициент преобразования измерителя 8 на четвертом этапе измерения.

Складываем почленно равенства (1) и (2), затем равенства (3) и (4), а затем из второго результата вычитаем первый. Считая, что характеристика преобразования измерителя 8 постоянна, так как все четыре измерения происходят за малый промежуток времени (миллисекундный), примем К₁=К₂=К₃=К₄=К, получим: A₃+A₄-A₂-A₁=K*I₀*2*R_x. Сопротивление R_x находится по формуле:

Из формулы (5) следует, что, зная коэффициент преобразования К и значение тока I₀, можно вычислить значение сопротивления датчика R_x, при этом на результат измерения не влияют сопротивления линий 2-1,3-1, 2-n, 3-n связи, а также сопротивления управляемых ключей 4-1, 5-1, 4-n, 5-n. Для повышения точности измерения значение К*I₀ можно уточнить, произведя калибровку канала измерения. По результатам измерения калибровочного резистора 14 вычисляется произведение К*I₀ и подставляется в формулу (5). При измерении сопротивлений развязки между разобщенными цепями резистивных датчиков устройство позволяет контролировать указанный параметр как для любой пары контактов 1-1, 1-2,... 1-n, так и при объединении этих контактов в группы. На результат измерения сопротивления развязки влияют токи утечки всех открытых и закрытых управляемых ключей схемы. Для уменьшения влияния на результат измерения токов утечки необходимо, чтобы измерительный ток был много больше токов утечки. При измерении сопротивления развязки управляемый источник 10 постоянного тока вырабатывает меньший постоянный ток, чем при измерении сопротивления резистивного датчика. Для этого блок 7 управления сигналами управления перестраивает управляемый источник 10 постоянного тока следующим образом: открывается ключ 16, закрывается ключ 17, при этом выходной ток (I_вых) источника 10 описывается формулой:

где U₀ - напряжение источника 15 постоянного напряжения;

R₁₈ - сопротивление резистора 18;

R_x - измеряемое сопротивление развязки.

Обратно-пропорциональная зависимость тока I_вых от сопротивления R_x позволяет расширить верхнюю границу диапазона измеряемых сопротивлений развязки. Выбором резистора R₁₈ осуществляется согласование диапазона входного напряжения на входе измерителя 8 с его рабочим диапазоном. Поскольку измеряемые сопротивления развязки по величине много больше сопротивлений управляемых ключей и сопротивлений линий связи, последние не оказывают ощутимого влияния на результат измерения, поэтому измерение производится в один прием. Например, если необходимо измерить сопротивление развязки между разобщенными цепями, подключенными к контактам 1-1 и 1-2, необходимо сигналами с блока 7 управления замкнуть ключи 4-1, 5-2,6; остальные ключи схемы разомкнуть. В этом случае ток I_вых от источника 10 протекает через ключ 4-1, линию 2-1 связи, сопротивление R_x, линию 3-2 связи, ключ 5-2 на шину 9.

Напряжение на входе измерителя (U_вых) 8 при этом равно:

Сопротивление R_x находится по формуле:

Для повышения точности измерения непосредственно перед измерением проводится калибровка измерительного канала. Для калибровки могут использоваться калибровочные резисторы разного номинала.

Из описанного выше следует, что резистивные датчики можно подключать между любыми контактами устройства, а также можно производить контроль сопротивления развязки между разобщенными цепями резистивных датчиков. Таким образом, расширяются функциональные возможности многоканального измерителя сопротивлений, которые позволяют:

- производить контроль сопротивления развязки между разобщенными цепями резистивных датчиков;

- снять ограничения на подключение резистивных датчиков к контактам устройства.

Изготовлен лабораторный макет многоканального измерителя сопротивлений, испытания которого подтвердили осуществимость и практическую ценность заявляемого объекта.