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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Fernmessung des elektrischen Widerstands. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Messtechnik Der Autor schlägt eine Methode zur Messung des Widerstands eines variablen Widerstands, Thermistors oder Sensors einer beliebigen physikalischen Größe vor, dessen Ausgangsparameter der elektrische Widerstand ist. Der Abstand zwischen Messobjekt und Gerät kann mehrere hundert Meter betragen und für die Verbindung genügen nur zwei Drähte. Manchmal ist es notwendig, den elektrischen Widerstand eines weit entfernten Objekts zu messen. Wenn Sie beispielsweise eine Riemenscheibe auf die Achse eines variablen Widerstands legen und ein Kabel hindurchwerfen, an dessen einem Ende ein Schwimmer und am anderen Ende ein Gewicht befestigt ist, können Sie den Wasserstand in einem Tank oder Reservoir bestimmen. Ebenso können Sie den Öffnungsgrad von Fenstern, Luftklappen und Türen steuern. Für die Widerstandsfernmessung stehen zahlreiche Industriegeräte zur Verfügung. In manchen Fällen erweist sich ihr Einsatz jedoch als zu teuer, und vor allem verfügen sie nicht über einen Vandalismusschutz, und die kontrollierten Objekte befinden sich häufig an Orten, die vom Wartungspersonal selten besucht werden. Ich möchte einen kleinen und günstigen Sensor an ein Kabelpaar anschließen, das zu einem ein oder zwei Kilometer entfernten Messgerät führt. Verbindungsschemata, die eine größere Anzahl von Drähten erfordern, werden nicht berücksichtigt, da freie Drähte in vorhandenen Kommunikations- und Steuerkabeln immer Mangelware sind. Und die übliche Vierleiterschaltung zur Widerstandsmessung auf so langen Kommunikationsleitungen bietet aus mehreren Gründen nicht die erforderliche Genauigkeit. Ich schlage eine Methode zur Fernmessung des Widerstands vor, die nur eine Zweidraht-Kommunikationsleitung erfordert und der Widerstand der Drähte keinen Fehler in das Messergebnis einbringt. Das Messprinzip ist in Abb. 1 dargestellt. XNUMX, wo rx - gemessener Widerstand; Rn - Widerstand der Kommunikationsleitungen; GI1 - Stromquelle. Wenn sich der Schalter SA1 im Stromkreis in der oberen Position befindet, fließt der Quellenstrom durch die Kommunikationsleitung, die Diode VD1 und den gemessenen Widerstand. Voltmeter PV1 zeigt Spannung U an1=UVD1+ Ich (Rn+Rx), wo bist duVD1 - Durchlassspannungsabfall an der Diode VD1. Nachdem der Schalter SA1 in die untere Position gebracht wurde, fließt Strom durch die Kommunikationsleitung und die Diode VD2 und das Voltmeter PV1 zeigt die Spannung U an2=UVD2+I Rn, wo bist duVD2 - Durchlassspannungsabfall an der Diode VD2. Wenn die Dioden VD1 und VD2 identisch sind, dann UVD1=UVD2 и Rx= (U1-U2)/ICH.
In Abb. Abbildung 2 zeigt ein Diagramm der Umsetzung dieser Messmethode. Auf dem Transistor VT1 ist ein Stromstabilisator montiert. Auf dem DD1-Chip befindet sich ein Multivibrator, der die Betätigung des Schalters an den elektronischen Schlüsseln DD2 und DD3 steuert. Während an Pin 10 DD1 eine hohe Logikspannung anliegt, fließt der Strom vom Stabilisator durch den geschlossenen Schalter DD2.1, den ersten Draht der Verbindungsleitung, Diode VD1, gemessenen Widerstand Rx, die zweite Ader der Verbindungsleitung und den geschlossenen Schlüssel DD2.4 an die gemeinsame Ader. Der Spannungsabfall an diesem Stromkreis wird über den geschlossenen Schalter DD3.1 an den Kondensator C6 angelegt und lädt ihn auf die Spannung A auf.
In der nächsten Halbwelle des Multivibrators fließt der Strom durch den geschlossenen Schalter DD2.3, den zweiten Draht der Verbindungsleitung, die Diode VD2, den ersten Draht der Verbindungsleitung und den geschlossenen Schalter DD2.2 zum gemeinsamer Draht. Der Spannungsabfall in diesem Stromkreis durch den geschlossenen Schalter DD3.2 lädt den Kondensator C7 auf die Spannung U2 auf. Die Schaltkreise R4C5VD3 und R5C4VD4 verzögern die Schließmomente der Schalter DD3.1 und DD3.2 um die Zeit, die zur Dämpfung transienter Prozesse in der Kommunikationsleitung erforderlich ist. Das hochohmige Voltmeter PV1 misst das proportionale Rx Spannungsunterschied zwischen Kondensatoren. Wenn Sie den Ausgangsstrom des Stabilisators auf 1 mA einstellen, entsprechen die Voltmeterwerte in Volt numerisch dem gemessenen Widerstand in Kiloohm. Unter realen Bedingungen kann die Kommunikationsleitung über Telefon- und Signalkabel mit unterschiedlichen elektrischen Parametern verlaufen. Die Amplitude transienter Prozesse in ihnen kann 3 V (tatsächlich gemessener Wert) erreichen. Diese Vorgänge machen sich insbesondere dann bemerkbar, wenn der gemessene Widerstand einen erheblichen induktiven Anteil aufweist. Wenn es sich beispielsweise um eine Relaisspule handelt, die als Temperatursensor verwendet wird. In einigen Fällen können vorübergehende Prozesse recht lang sein. Um ihren Einfluss zu beseitigen, ist es notwendig, die Schwingungsdauer des Multivibrators und die Zeitkonstanten der Verzögerungsschaltungen zu erhöhen. Als Kommunikationsleitung wird empfohlen, ein verdrilltes Adernpaar mit minimalem Leckstrom zu wählen. Es sollte nicht nur zwischen den Adern des Paares liegen, sondern auch zwischen ihnen und den anderen Adern des verwendeten Kabels. Wenn man bedenkt, dass in dem Moment, in dem ein Anruf an einen Teilnehmer gesendet wird, die Spannung in der Telefonleitung 120 V überschreitet, dann ist klar, dass bereits ein kleines Leck schwere Störungen verursachen und sogar das Widerstandsmessgerät beschädigen kann. Beim Einrichten des Messgeräts geht es hauptsächlich um die Einstellung des Stromstabilisators. Unterbrechen Sie dazu das Kabel, das den Stromstabilisator mit den elektronischen Schlüsseln verbindet, an der im Diagramm mit einem Kreuz markierten Stelle und schalten Sie ein Milliamperemeter zwischen den Punkten A und B ein. Stellen Sie den erforderlichen Strom (z. B. 1 mA) ein, indem Sie den Widerstand R3 auswählen. Wenn Sie dies nicht tun, kann es passieren, dass Sie versehentlich den für die Tasten der Mikroschaltung K561KT3 zulässigen Strom überschreiten. Die Mikroschaltung funktioniert möglicherweise auch nach einer Überlastung weiter, die Messergebnisse werden jedoch seltsam. Nachdem Sie dann die Verbindung des Stromstabilisators mit den Tasten wiederhergestellt haben, schließen Sie einen Widerstand mit genau bekanntem Widerstand als Rx an das Gerät an und wählen Sie schließlich den Widerstand R3 gemäß den Messwerten des Voltmeters PV1 aus. Nun zu den Fehlerkomponenten der betrachteten Methode. Der erste ist der unterschiedliche Spannungsabfall an den Dioden VD1 und VD2. Dieser Fehleranteil macht sich bei der Messung eines Widerstandes von 200 Ohm deutlich bemerkbar und nimmt mit abnehmendem Wert zu. Um ihn zu senken, müssen Sie Dioden mit demselben Spannungsabfall bei einem bestimmten Messstrom auswählen und versuchen, ihnen die gleichen Temperaturbedingungen zu bieten. Die zweite Fehlerkomponente hängt mit der geringen Qualität der Stromstabilisierung zusammen. Es manifestiert sich bei hohen Werten des gemessenen Widerstands. Um diese zu reduzieren, sollte man als VT1 einen Feldeffekttransistor mit möglichst niedriger Schwellenspannung und möglichst hoher Steilheit der Kennlinie wählen. Wenn eine erhöhte Messgenauigkeit erforderlich ist, sollte am Operationsverstärker ein Stromstabilisator verwendet werden. Die dritte Fehlerkomponente hängt mit der Streuung des Widerstands der geschlossenen Schalter der Mikroschaltung K561KT3 zusammen, die ±5 Ohm erreichen kann. Wenn Sie diesen Fehler beheben müssen, verbinden Sie die Leitungen der Diode VD2 miteinander und achten Sie auf die Messwerte des Voltmeters PV1. Wenn eine positive Spannung angezeigt wird, schalten Sie den Ausgleichswiderstand in Reihe mit der Taste DD2.2 oder DD2.3 und wählen Sie ihn so aus, dass die Messwerte Null werden. Zeigt das Voltmeter einen negativen Wert an, muss der Ausgleichswiderstand in Reihe mit der Taste DD2.1 oder DD2.4 geschaltet werden. In Abb. Abbildung 3 zeigt ein Diagramm der Implementierung der betrachteten Methode der Fernwiderstandsmessung mithilfe eines Mikrocontrollers, bei dem es sich um alles handeln kann, das über einen integrierten ADC verfügt. Im Gegensatz zum Diagramm in Abb. 2, um das Schalten zu vereinfachen, werden hier zwei Stromstabilisatoren verwendet, die identisch sein sollten. AN0 ist der Eingang eines ADC, der nicht im Mikrocontroller-Diagramm dargestellt ist (dies könnte beispielsweise PIC16F8T3A sein), RA1 und RA2 sind dessen diskrete Allzweck-Ein-/Ausgangsleitungen. Der Mikrocontroller wird mit 5 V versorgt.
Im ersten Messzyklus konfiguriert das Mikrocontrollerprogramm die Leitung RA2 als Ausgang und die Leitung RA1 als Eingang mit hohem Eingangswiderstand. Es setzt den RA2-Ausgang auf einen niedrigen Logikpegel. Infolgedessen fließt der Stabilisatorstrom am Transistor VT1 entlang der Kommunikationsleitung durch die Diode VD1 und den gemessenen Widerstand Rxund fließt dann über den niederohmigen Ausgang RA2 in die gemeinsame Leitung. Nach einer für den Abschluss transienter Vorgänge notwendigen Pause misst der ADC des Mikrocontrollers die Spannung U1. Im zweiten Zyklus ändern sich die Funktionen der Leitungen RA1 und RA2 gegenseitig. Infolgedessen fließt der Stabilisatorstrom am Transistor VT2 entlang der Kommunikationsleitung über die Diode VD2 und gelangt über den niederohmigen Ausgang RA1 in die gemeinsame Leitung. Der ADC misst die Spannung U2. Dann ermittelt das Programm die Differenz U1-U2, berechnet Rx, danach wird der Vorgang wiederholt. Der Strom eines der Stabilisatoren (z. B. am Transistor VT1) wird durch Auswahl des Widerstands R1 gemäß der zuvor beschriebenen Methode eingestellt. Dann wird ein variabler Widerstand von 1 kOhm in Reihe mit der Unterbrechung eines beliebigen Drahts der Kommunikationsleitung und als R geschaltetx Schließen Sie einen Widerstand mit bekanntem Widerstand an. Durch die Auswahl des Widerstands R2 erreichen wir einen minimalen Einfluss des variablen Widerstands (über den gesamten Bereich seiner Widerstandsänderungen) auf das Messergebnis. Zenerdioden VD3, VD4 schützen die Mikrocontroller-Eingänge bei einer Unterbrechung des Messkreises. Die Dioden VD5, VD6 entkoppeln die Spannungsmesskreise U1 und du2. Die Untergrenze des gemessenen Widerstandes liegt in beiden betrachteten Fällen praktisch bei Null. Die Obergrenze für ein Gerät, das nach der in Abb. gezeigten Schaltung aufgebaut ist. 2, bei einem Strom von 1 mA - etwa 7 kOhm. Bei einem weiteren Anstieg des gemessenen Widerstands aufgrund einer Verletzung der Stromstabilisierung steigt der Fehler stark an. Für die Schaltung in Abb. In 3 entspricht der maximale Spannungsabfall über Rx der zulässigen ADC-Eingangsspannung (5 V). Daher kann bei einem Strom von 1 mA ein Widerstand von maximal 5 kOhm gemessen werden. Es ist zu beachten, dass Sie mit der betrachteten Methode die Differenz zwischen zwei Widerständen messen können, von denen einer in Reihe mit der Diode VD1 und der zweite mit der Diode VD2 geschaltet ist. Dies ist beispielsweise praktisch, wenn als Temperatursensor ein Thermistor verwendet wird, dessen Widerstand bei einer Temperatur 0 beträgt оC ist ungleich Null. Wenn Sie den Thermistor als Rx (in Reihe mit der Diode VD1) einschalten und in Reihe mit der Diode VD2 einen Kompensationswiderstand einschalten, dessen Widerstandswert dem Widerstand des Thermistors bei Nulltemperatur entspricht, sind die Messwerte des Geräts positiv bei Temperaturen über Null und negativ, wenn sie unter Null liegen. Im praktisch umgesetzten Gerät befanden sich der gemessene Widerstand und die Dioden VD1, VD2 in einer Entfernung von etwa 700 m vom Messgerät. Um sie zu verbinden, wurde ein loses verdrilltes Paar Telefonkabeladern verwendet. Die Instrumentenwerte waren instabil, bis eine Messverzögerung für die Dauer transienter Prozesse eingeführt wurde. Die Praxis hat gezeigt, dass es besser ist, die Schaltfrequenz des Messstroms zu verringern, wenn keine dringende Notwendigkeit einer hohen Messgeschwindigkeit besteht. Autor: L. Elizarov
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