RU2818785C1 - Устройство для дистанционного измерения сопротивления - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к промышленной электронике, автоматике и информационно-измерительной технике и может быть использовано для измерения сопротивления удаленных объектов. Устройство включает измеряемый резистор, два токовых соединительных провода, образцовый резистор, при этом измеряемый резистор соединен двумя токовыми соединительными проводами. Устройство дополнительно снабжено верхним и нижним ветвями, третьим потенциальным соединительным проводом, трехконтактным разъемом, двумя образцовыми резисторами, генератором напряжения, тремя парами повторителей напряжения, тремя дифференциальными усилителями, тремя сумматорами, множителем с коэффициентом умножения минус 2, блоком сбора и обработки данных измерения, при этом трехконтактный разъем включен в первое плечо верхней ветви крайними контактами, а образцовый резистор включен во второе плечо этой ветви, и оба плеча нижней ветви соединены с двумя образцовыми резисторами, причем два первых повторителя напряжения соединены входами с первым плечом верхней ветви, а выходами с входами первого дифференциального усилителя, выход которого соединен с первым входом первого сумматора. Два вторых повторителя напряжения входами соединены с первым плечом нижней ветви, а выходами с входами второго дифференциального усилителя, выход которого соединен с первым входом третьего дифференциального усилителя, вторые входы первых двух сумматоров соединены с выходом генератора напряжения, выходы первого сумматора соединены с верхней ветвью, а выходы второго сумматора с нижней ветвью, причем два токовых соединительных провода одними концами соединены с крайними контактами разъема, а третий потенциальный соединительный провод соединен одним концом с нижним токовым соединительным проводом и с резистором, а другим со средним контактом разъема, один из третьей пары повторителей напряжения входом соединен с верхним контактом разъема, а выходом с первым входом третьего сумматора. Причем другой, из третьей пары повторителей напряжения, соединен со средним контактом разъема, а выходом с входом множителя, выход которого соединен с вторым входом третьего сумматора, выход которого соединен с вторым входом третьего дифференциального усилителя, выход которого соединен с входом блока сбора и обработки данных измерения, а его выход соединен с образцовым резистором первого плеча нижней ветви. Техническим результатом технического решения является повышение быстродействия устройства, точность и достоверность дистанционного измерения сопротивления, а также расширение функциональных возможностей и областей его применения. 1 ил.

Description

Изобретение относится к промышленной электронике, автоматике и информационно-измерительной технике и может быть использовано для измерения сопротивления удаленных объектов.

Известно устройство для дистанционного измерения электрического сопротивления, включающее двухпроводную линию связи с объектом, первый и второй диоды, генератор импульсного напряжения треугольной формы, первый и второй источники постоянного напряжения, стабилизатор тока, первый и второй накопительные конденсаторы, первый и второй электронные ключи, измеритель разности напряжений (см. патент RU №2616852, МПК (2006.01) G01R 27/00, опубл. 18.04.2017).

Недостатками данного устройства являются сложность технической реализации из-за применения двух источников постоянного напряжения, стабилизатора тока и недостаточная точность измерения сопротивления в связи с применением двухпроводной линии связи с объектом, сопротивление которого измеряется.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство для дистанционного измерения сопротивления, включающее измеряемый резистор, два токовых соединительных провода, образцовый резистор, при этом измеряемый резистор соединен двумя соединительными проводами (см. авторское свидетельство СССР №968771, МПК Кл.³ G01R 27/00, опубл. 23.10.82).

Недостатками устройства являются ограниченный диапазон измерения, низкое быстродействие из-за коммутации образцового и измеряемого резисторов, влияние на точность измерения сопротивлений соединительных проводов в зависимости от их длины.

Технический результат предложенного технического решения заключается в расширении диапазона измерения и повышении быстродействие устройства, а также в повышении точности и достоверности дистанционного измерения сопротивления вне зависимости от длины соединительных проводов резистора, расширении функциональных возможностей и областей его применения.

Технический результат достигается тем, что устройство для дистанционного измерения сопротивления объекта, включающее измеряемый резистор, два токовых соединительных провода, образцовый резистор, при этом измеряемый резистор соединен двумя токовыми соединительными проводами, согласно изобретению, дополнительно снабжено верхним и нижним ветвями, потенциальным соединительным проводом, трех контактным разъемом, вторым и третьим образцовыми резисторами, генератором напряжения, тремя парами повторителей напряжения, тремя дифференциальными усилителями, тремя сумматорами, множителем с коэффициентом умножения минус 2, блоком сбора и обработки данных измерения, при этом трехконтактный разъем включен в первое плечо верхней ветви крайними контактами, а образцовый резистор включен во второе плечо этой ветви, и оба плеча нижней ветви соединены с двумя образцовыми резисторами, причем два первых повторителя напряжения соединены входами с первым плечом верхней ветви, а выходами соединены с входами первого дифференциального усилителя, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, два вторых повторителя напряжения входами соединены с первым плечом нижней ветви, а выходами соединены с входами третьего дифференциального усилителя, выход которого соединен с первым входом второго дифференциального усилителя, вторые входы первых двух сумматоров соединены с выходом генератора напряжения, выходы первого сумматора соединены с верхней ветвью, а выходы второго сумматора с нижней ветвью, причем два токовых соединительных провода одними концами соединены с крайними контактами разъема, а потенциальный соединительный провод соединен одним концом с нижним токовым соединительным проводом и с измеряемым резистором, а другим концом соединен со средним контактом разъема, один из третьей пары повторителей напряжения входом соединен с верхним контактом разъема, а выходом соединен с первым входом третьего сумматора, причем другой из третьей пары повторителей напряжения соединен со средним контактом разъема, а выходом соединен с входом множителя, выход которого соединен со вторым входом третьего сумматора, выход которого соединен со вторым входом второго дифференциального усилителя и со вторым входом второго сумматора, причем выход второго дифференциального усилителя соединен с входом блока сбора и обработки данных измерения, выход которого соединен с образцовым резистором первого плеча нижней ветви.

Данное устройство для дистанционного измерения электрического сопротивления объекта позволит расширить диапазон измеряемых величин сопротивления и повысить его быстродействие, а также повысить точность и достоверность измерения сопротивления объекта при его удаленном расположении, расширить функциональные возможности и области его применения.

Сущность устройства для дистанционного измерения сопротивления поясняется чертежом, где на чертеже представлена его структурная схема.

Структурная схема состоит из верхней ветви ab, которая состоит из двух плеч ас и cb. Плечо ас включает трехконтактный разъем 1 с тремя контактами 2, 3, 4, с которыми соединены три провода для связи устройства с измеряемым резистором 5, сопротивление которого Rx. При этом токовые соединительные провода 6 и 7, сопротивления которых Rл1 и Rл2, соединены с контактами 2 и 4 разъема 1, а потенциальный соединительный провод 8, сопротивление которого Rл3, соединен одним концом с контактом 3 разъема 1, а вторым концом с нижним токовым соединительным проводом 7 и измеряемым резистором 5. Второе плечо верхней ветви cb содержит образцовый резистор 9, сопротивление которого R2. Устройство также включает в себя нижнюю ветвь а'b', состоящую из двух плеч a'd и db', в которые включены образцовые резисторы 10 и 11, сопротивления которых соответственно R3 и R4. Устройство также снабжено первыми двумя повторителями 12 и 13 напряжения, вторыми двумя повторителями 14 и 15 напряжения и третьей парой повторителей 16 и 17 напряжения, дифференциальными усилителями 18, 19 и 20, сумматорами 21, 22 и 23, генератором 24 напряжения, множителем 25, блоком сбора и обработки данных измерения 26. При этом первые два повторителя 12 и 13 напряжения соединены входами соответственно с контактами 2 и 4 разъема 1, а выходами - с входами дифференциального усилителя 18, выход которого соединен с одним из входов сумматора 21. Вторые два повторителя 14 и 15 напряжения соединены входами соответственно с первым плечом нижней ветви устройства, а выходами - с входами дифференциального усилителя 20, выход которого соединен с одним из входов дифференциального усилителя 19, другой вход которого соединен с выходом сумматора 23. Вход одного из повторителей напряжения третьей пары 16 соединен со вторым контактом 2 разъема 1, а выход его соединен с одним из входов сумматора 23, выход которого соединен с одним из входов дифференциального усилителя 19 и с одним из входов сумматора 22. Вход второго из повторителей напряжения третьей пары 17 соединен с контактом 3 разъема 1, а его выход соединен с входом множителя 25, выход которого соединен с одним из входов сумматора 23. Выход генератора напряжения 24 соединен с одними входами сумматоров 21 и 22, причем выходы сумматора 21 соединены с верхней ветвью устройства, а выходы сумматора 22 соединены с нижней ветвью устройства. Выход дифференциального усилителя 19 соединен с входом блока сбора и обработки данных измерения 26, один выход которого соединен с образцовым резистором 10 нижней ветви для управления его величиной в случае работы устройства в режиме уравновешивания, а другой выход служит для передачи обработанных данных измерения на ЭВМ верхнего уровня.

Устройство для измерения сопротивления удаленных объектов работает следующим образом.

С помощью двух токовых 6 и 7 и одного потенциального 8 соединительных проводов измеряемый резистор соединяется с трехконтактным 2, 3, 4 разъемом 1, включенному в первое плечо ас верхней ветви устройства. Разделение устройства на верхнюю ab и нижнюю а'b' ветви выполнено с целью питания их разными напряжениями и исключения влияния на точность измерения устройства сопротивлений токовых соединительных проводов 6 и 7, влияние которых на точность измерения существенно, при дистанционных измерениях, при этом степень влияния зависит от длины токовых соединительных проводов 6, 7. Исключение этого влияния и обеспечение высокой точности измерения сопротивления предлагаемого устройства, подтверждается математическими выражениями, приведенными ниже. Верхняя ветвь ab питается суммой напряжений от генератора 24 напряжения и от первого плеча ас верхней ветви устройства, включающего в себя сопротивление измеряемого резистора 5 и сопротивления токовых соединительных проводов 6 и 7 и контактов разъема 2 и 4. Последнее напряжение формируется на выходе дифференциального 18 усилителя с использованием повторителей 12 и 13 напряжения. Таким образом, верхняя ветвь устройства питается напряжением, определяемым формулой:

,

где U_э - эталонное синусоидальное напряжение на выходе генератора 24 напряжения; R_x - сопротивление измеряемого резистора; R_л1 и R_л2 - сопротивления токовых соединительных проводов и контактов 2 и 4; R₂ - сопротивление образцового резистора 9 второго плеча верхней ветви cb.

После преобразований выше приведенного выражения формула напряжения питания верхней ветви имеет следующий вид:

.

Напряжение на выходе повторителя 16 напряжения равно:

U₁₆=U_ab(R_л1+R_x+R_л2)/(R_л1+R_x+R_л2+R₂),

а напряжение на выходе повторителя 17 напряжения - равно:

U₁₇=U_abR_л2/(R_л1+R_x+R_л2+R₂),

поэтому напряжение на выходе множителя 25 будет равно:

U₂₅=-2U_abR_л2/(R_л1+R_x+R_л2+R₂).

При обеспечении равенства R_л1=R_л2, что легко выполнимо при длинных соединительных проводах, напряжение на выходе сумматора 23 будет соответствовать выражению:

U₂₃=U₁=U_эR_х/R_л2.

Для достижения независимости точности измерения от сопротивлений токовых соединительных проводов 6 и 7, подключаемых к измеряемому резистору, нижняя ветвь а'b' устройства питается напряжением, равным сумме напряжения от генератора 24 напряжения и напряжения на выходе сумматора 23. Поэтому формула напряжения питания нижней ветви устройства имеет вид:

.

Тогда напряжение U₂ на выходе дифференциального усилителя 20, равное падению напряжения на втором плече нижней ветви устройства и, формируемое с использованием повторителей 14 и 15 напряжения, будет определяться по формуле:

,

где R₃ и R₄ - соответственно сопротивления образцовых резисторов 10 и 11, включенных в нижнюю ветвь а'b' устройства.

Напряжения с выходов дифференциального усилителя 20 и сумматора 23 подаются на входы дифференциального усилителя 19, на выходе которого формируется напряжение, соответствующее формуле:

где G₂=1/R₂, G₃=1/R₃.

Полученная формула показывает линеаризованную выходную характеристику устройства относительно измеряемого сопротивления и проводимости второго плеча устройства. Одновременно формула показывает полную инвариантность выходного сигнала устройства к сопротивлениям токовых соединительных проводов 6, 7, т.е. полную независимость достоверности результатов измерения от сопротивлений токовых соединительных проводов 6, 7, а также от сопротивлений контактов соединения измеряемого резистора 5 с устройством. Таким образом, устройством обеспечивается высокая точность измерения сопротивления даже при использовании длинных соединительных проводов при использовании лишь одного дополнительного соединительного провода.

В устройстве второй и третий образцовые резисторы 10, 11 второй ветви используют для задания нескольких диапазонов измерения, что важно для создания устройств с широким диапазоном измерения. Образцовые резисторы 10, 11 используют также для работы устройства в режиме уравновешивания, при котором достигается максимальная точность измерения и расширение функциональных возможностей устройства. Для примера в режиме уравновешивания используют образцовый резистор 10 (см. чертеж). Там же показано, что управление величиной резистора 10 осуществляют выходными сигналами блока 26 (на чертеже обозначено пунктиром). С целью дополнительного расширения функциональных возможностей устройства в состав блока 26 включен масштабный усилитель (на чертеже не показан), также обеспечивающий повышение точности измерения и расширение диапазона измеряемых сопротивлений.

Областью применения предлагаемого изобретения является широкий спектр измерительных средств промышленной электроники, автоматики и информационно-измерительной техники, используемых для дистанционного измерения сопротивлений удаленных объектов, а также для исследования электрических характеристики свойств этих объектов.

Использование предлагаемого устройства для дистанционного измерения сопротивления позволит по сравнению с прототипом повысить быстродействие, а также точность и достоверность дистанционного измерения сопротивлений, расширить функциональные возможности и области его применения.

Claims (1)

1. Устройство для дистанционного измерения сопротивления, включающее измеряемый резистор, два токовых соединительных провода, образцовый резистор, при этом измеряемый резистор соединен двумя токовыми соединительными проводами, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено верхним и нижним ветвями, потенциальным соединительным проводом, трехконтактным разъемом, вторым и третьим образцовыми резисторами, генератором напряжения, тремя парами повторителей напряжения, тремя дифференциальными усилителями, тремя сумматорами, множителем с коэффициентом умножения минус 2, блоком сбора и обработки данных измерения, при этом трехконтактный разъем включен в первое плечо верхней ветви крайними контактами, а образцовый резистор включен во второе плечо этой ветви, и оба плеча нижней ветви соединены со вторым и третьим образцовыми резисторами, причем два первых повторителя напряжения соединены входами с первым плечом верхней ветви, а выходами соединены с входами первого дифференциального усилителя, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, два вторых повторителя напряжения входами соединены с первым плечом нижней ветви, а выходами соединены с входами третьего дифференциального усилителя, выход которого соединен с первым входом второго дифференциального усилителя, вторые входы первых двух сумматоров соединены с выходом генератора напряжения, выходы первого сумматора соединены с верхней ветвью, а выходы второго сумматора с нижней ветвью, причем два токовых соединительных провода одними концами соединены с крайними контактами разъема, а потенциальный соединительный провод соединен одним концом с нижним токовым соединительным проводом и с измеряемым резистором, а другим концом соединен со средним контактом разъема, один из третьей пары повторителей напряжения входом соединен с верхним контактом разъема, а выходом соединен с первым входом третьего сумматора, причем другой из третьей пары повторителей напряжения соединен со средним контактом разъема, а выходом соединен с входом множителя, выход которого соединен со вторым входом третьего сумматора, выход которого соединен со вторым входом второго дифференциального усилителя и со вторым входом второго сумматора, причем выход второго дифференциального усилителя соединен с входом блока сбора и обработки данных измерения, выход которого соединен с образцовым резистором первого плеча нижней ветви.