Патент на изобретение №2389977

(54) ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

(57) Реферат:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в приборостроении и автоматике. Измерительный преобразователь содержит дифференциальную измерительную цепь, вход которой соединен с выводом для подключения источника возбуждения, формирующую два сигнала. Разность этих сигналов функционально связана с измеряемой величиной. Входы коммутатора подключены к выходам дифференциальной измерительной цепи. В цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя включен резистор и два конденсатора. Первый конденсатор включен между неинвертирующим входом операционного усилителя и общим проводом. Технический результат заключается в повышении чувствительности измерительного преобразователя. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении и автоматике для построения измерительных преобразователей электрических и неэлектрических величин в машиностроении, химической и пищевой промышленности, например, для индуктивных датчиков угла поворота вискозиметров ротационного типа, используемых при измерении вязкости ньютоновских и неньютоновских жидкостей (полимерных растворов).

Известен измерительный преобразователь (см., например, кн. Левшина Е.С, Новицкий П.В. Электрические измерения неэлектрических величин: (Измерительные преобразователи). Учеб. пособие для вузов. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1983, рис.3-8 и 3-9, с.57-59), содержащий измерительную цепь в виде, по крайней мере, двух сопротивлений, подключенную к источнику возбуждающего сигнала, и операционный усилитель с отрицательной обратной связью, выходное напряжение которого содержит информацию о значении измеряемой величины. Недостатком такого измерительного преобразователя является формирование выходного сигнала в виде напряжения такого же вида, как и сигнал возбуждения. Это усложняет применение подобных измерительных преобразователей при использовании реактивных сопротивлений в измерительной цепи, так как требует применения фазочувствительных устройств обработки измерительного сигнала.

Наиболее близким к заявленному, который может быть принят за прототип, является измерительный преобразователь (см., например, кн. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник. – М.: Техносфера, 2006 г., рис.7.10, с.289), содержащий дифференциальную измерительную цепь, выполненную в виде, например, дифференциального трансформатора и подключенную к источнику возбуждающего генератора, синхронный демодулятор в виде коммутатора, управляемого сигналом фазосдвигающего устройства, сглаживающий RC-фильтр и операционный усилитель с отрицательной обратной связью.

Недостатками этого измерительного преобразователя является низкая чувствительность, обусловленная низким коэффициентом использования энергии полезного сигнала из-за работы измерительной цепи в режиме холостого хода и потерями энергии сигнала в сглаживающем RC-фильтре, сложность схемы из-за наличия фазосдвигающего устройства, а также отсутствие возможности балансировки с помощью электрического сигнала.

Задачей изобретения является повышение чувствительности измерительного преобразователя, упрощение его схемы, а также обеспечение возможности балансировки с помощью электрического сигнала.

Решение задачи достигается тем, что в измерительном преобразователе, содержащем дифференциальную измерительную цепь, подключенный к ней коммутатор и операционный усилитель с резистором в цепи отрицательной обратной связи, входы операционного усилителя подключены к выходам коммутатора и параллельно резистору обратной связи включен конденсатор.

Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что в нем конденсатор соединен параллельно с резистором цепи отрицательной обратной связи, а инвертирующий и неинвертирующий входы операционного усилителя подключены к выходам коммутатора.

Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что инвертирующий и неинвертирующий входы операционного усилителя подключены к выходам коммутатора, а второй конденсатор соединен параллельно с резистором цепи отрицательной обратной связи.

На чертеже приведена принципиальная электрическая схема предложенного измерительного преобразователя. Схема содержит включенные последовательно измерительную цепь 1, коммутатор 2 и операционный усилитель 3 DA1, между неинвертирующим входом которого и общим проводом включен первый конденсатор 4 C2, а между выходом и инвертирующим входом – соединенные параллельно резистор 5 R2 обратной связи и второй конденсатор 6 C1.

Измерительная цепь 1 в описываемом примере образована двумя сопротивлениями 7 Z1 и 8 Z2, точка соединения которых связана с выводом 9 для подключения источника возбуждения. По крайней мере, одно из этих сопротивлений представляет собой параметрический измерительный преобразователь и имеет сопротивление, зависимое от измеряемой величины. В таком случае сопротивления 7 и 8 представляют собой индуктивные, емкостные или резистивные первичные измерительные преобразователи измеряемой величины.

Коммутатор 2 в наиболее простом варианте выполнен в виде четырех диодов 10 VD1, 11 VD2, 12 VD3 и 13 VD4, включенных по кольцевой схеме. Возможно также применение транзисторного коммутатора, управляемого, например, сигналом возбуждения измерительной цепи 1. Выходные выводы 14 и 15 коммутатора 2 подключены к неинвертирующему и инвертирующему входам операционного усилителя 3.

Параллельно первому конденсатору 4 может быть включен резистор 16 R3.

К инвертирующему входу операционного усилителя 3 может быть подключен формирователь тока 17, выполненный в данном случае в виде резистора, через который с вывода 18 для подключения источника напряжения смещения подается ток для электрической балансировки измерительного преобразователя.

Измерительный преобразователь работает следующим образом. Под действием внешнего источника переменного напряжения или тока, подключаемого к входу 9 измерительной цепи 1, через сопротивления 7 и 8 протекают переменные токи, которые зависят от этих сопротивлений. Коммутатор 2 осуществляет переключение указанных токов таким образом, что заряд каждого из конденсаторов 4 и 6 осуществляется поочередно током одного сопротивления 7 или 8, а разряд – током другого. При исполнении коммутатора 2 в виде диодов положительные полуволны этих токов текут через диоды 10 и 13 соответственно, заряжая конденсаторы 4 и 6. Отрицательные полуволны токов упомянутых сопротивлений текут соответственно через диоды 11 и 12, разряжая конденсаторы 4 и 6.

В сбалансированном состоянии измерительной цепи 1 сопротивления 7 и 8 одинаковы, токи, протекающие через них, равны друг другу. Поэтому токи заряда и разряда конденсаторов 4 и 6 одинаковы, напряжения на них, а также и выходное напряжение операционного усилителя 3 равны нулю.

При изменении какого-либо сопротивления 7 или 8 измерительной цепи 1 происходит изменение соответствующего тока. Равенство токов заряда и разряда конденсаторов 4 и 6 нарушается, что приводит к изменению на них постоянных напряжений, а следовательно, к изменению выходного напряжения операционного усилителя 3.

Например, при увеличении сопротивления 7 уменьшаются ток положительной полуволны, заряжающий конденсатор 6 через диод 10, и ток отрицательной полуволны, разряжающий конденсатор 4 через диод 11. Если сопротивление 8 остается неизменным, то токи, протекающие через диоды 12 и 13, практически не изменяются. Ток вывода 14 коммутатора 2 будет содержать отрицательную (втекающую) постоянную составляющую, а ток вывода 15 коммутатора 2 – положительную (вытекающую) постоянную составляющую. Ток вывода 15 заряжает конденсатор 4, создавая на сопротивлениях 7 и 8 постоянную составляющую напряжения, которая частично уравновешивает влияние уменьшения тока сопротивления 7. Одновременно происходит увеличение втекающей постоянной составляющей тока вывода 14, которая течет далее через резистор 5. В результате на выходе операционного усилителя 3 формируется напряжение, определяемое изменением сопротивлений измерительной цепи 1.

При одновременном увеличении сопротивления 7 и уменьшении сопротивления 8 аналогичные изменения токов и напряжений проявляются в большей степени.

При отсутствии постоянной составляющей в сигнале возбуждения измерительной цепи 1 на выводе 9 напряжение на конденсаторе 4 в сбалансированном состоянии измерительного преобразователя практически равно нулю, и необходимость в резисторе 16 отсутствует.

Если в качестве сигнала возбуждения использовано напряжение, содержащее постоянную составляющую, например однополярное, то при равных сопротивлениях резисторов 5 и 16 в сбалансированном состоянии измерительной цепи 1 на них создаются одинаковые падения напряжений, равные постоянной составляющей напряжения возбуждения на выводе 9. Благодаря тому что в схеме происходит вычитание указанных падений напряжений, выходное напряжение операционного усилителя равно нулю. Изменение сопротивлений 7 и 8 приводит к формированию разных падений напряжений на резисторах 5 и 16, и на выходе операционного усилителя вырабатывается напряжение, пропорциональное отклонению измеряемой величины от значения, которое было при сбалансированном состоянии измерительного преобразователя.

Нулевое значение выходного напряжения (балансировка измерительного преобразователя) при неравных друг другу сопротивлениях 7 и 8 (несбалансированной измерительной цепи 1) может быть получено введением в схему измерительного преобразователя формирователя тока 17, выполненного, например, в виде резистора, и установкой соответствующего напряжения на выводе 18 или регулированием сопротивления формирователя тока 17. При этом разность токов сопротивлений 7 и 8 компенсируется током формирователя тока 17. Эффект балансировки обеспечивается при подключении формирователя тока 17 как к инвертирующему, так и к неинвертирующему входу операционного усилителя 3. Благодаря подключению формирователя тока 17 в цепь выхода коммутатора 2 балансировка достигается с помощью постоянного тока, что облегчает дистанционное управление измерительным преобразователем. Формирователь тока 17 может быть выполнен также в виде нелинейного сопротивления – регулируемого стабилизатора или источника тока, например, на основе диодного оптрона, транзистора, включенного по схеме с общей базой, и т.п.

При использовании в качестве сопротивлений 7 и 8 индуктивностей и/или активных сопротивлений на зажим 9 можно подавать переменное напряжение синусоидальной, прямоугольной, пилообразной или другой формы. Амплитудные значения токов сопротивлений 7 и 8 не достигают больших значений, и благодаря интегрирующему действию конденсаторов 4 и 6 пульсации выходного напряжения достаточно малы. При использовании в качестве сопротивлений 7 и 8 емкостей на зажим 9 можно подавать переменное напряжение синусоидальной, пилообразной, трапециидальной формы, т.е. такое, которое не имеет крутых перепадов напряжения, создающих через емкости импульсы тока с большой амплитудой.

В качестве сопротивлений 7 и 8 измерительной цепи 1 могут быть использованы дифференциальные индуктивные, емкостные и резистивные первичные измерительные преобразователи. В качестве одного из сопротивлений 7 или 8 возможно применение одиночных первичных измерительных преобразователей. В таком случае в качестве другого сопротивления (соответственно 8 или 7) включается сопротивление сравнения. Последнее может иметь любой характер реактивности, однако при одинаковом характере реактивности обеспечиваются минимальные зависимость показаний от частоты возбуждающего сигнала и пульсации выходного напряжения.

В зависимости от исполнения сопротивлений 7 и 8 измерительной цепи 1 предложенный измерительный преобразователь может выполнять различные функции, в частности:

– дифференциального индуктивного (токовихревого) измерительного преобразователя (при выполнении сопротивлений в виде катушек индуктивного датчика);

– дифференциального емкостного измерительного преобразователя (при использовании в качестве сопротивлений элементов емкостного датчика);

– измерительного преобразователя частоты в постоянное напряжение (при использовании в качестве сопротивлений элементов с различным характером реактивного сопротивления и подаче на вход 9 переменного напряжения с измеряемой частотой);

– измерительного преобразователя приращения полного сопротивления (с любым характером реактивности) в постоянное напряжение.

Из изложенного очевидно, что по сравнению с прототипом предложенный измерительный преобразователь имеет следующие преимущества:

– более простую схему за счет исключения фазосдвигающего устройства и выполнения коммутатора на диодах вместо транзисторов;

– больший коэффициент использования полезного сигнала в связи с тем, что разность токов сопротивлений 7 и 8 измерительной цепи 1 полностью протекает через резистор обратной связи 5, создавая выходное напряжение. Благодаря этому достигается более высокая чувствительность измерительного преобразователя;

– при подключении формирователя тока 17 достигается балансировка измерительного преобразователя сигналом постоянного тока.

Использование предложенного технического решения в измерительном преобразователе вискозиметра ротационного типа для измерения динамической вязкости полимерных растворов, характеризуемого малой энергией полезного сигнала, позволило по отношению к прототипу упростить схему, повысить точность и чувствительность прибора, а также реализовать автоматическую компенсацию аддитивной погрешности.

Формула изобретения

1. Измерительный преобразователь, содержащий дифференциальную измерительную цепь, вход которой соединен с выводом для подключения источника возбуждения, и формирующую два сигнала, разность которых функционально связана с измеряемой величиной, коммутатор, входы которого подключены к выходам дифференциальной измерительной цепи, операционный усилитель, в цепь отрицательной обратной связи которого включен резистор, и два конденсатора, первый из которых включен между неинвертирующим входом операционного усилителя и общим проводом, отличающийся тем, что инвертирующий и неинвертирующий входы операционного усилителя подключены к выходам коммутатора, а второй конденсатор соединен параллельно с резистором цепи отрицательной обратной связи.

2. Измерительный преобразователь по п.1, отличающийся тем, что снабжен вторым резистором, включенным между неинвертирующим входом операционного усилителя и общим проводом.

3. Измерительный преобразователь по п.1, отличающийся тем, что снабжен формирователем тока, включенным между одним из входов операционного усилителя и выводом для подключения источника смещения.

РИСУНКИ