Патент на изобретение №2200306
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
(57) Реферат: Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения пульсирующих давлений в системах технической диагностики взрывоопасного газокомпрессорного оборудования. Устройство содержит последовательно соединенные через линию связи дифференциальный индуктивный первичный измерительный преобразователь, ферритовый сердечник которого связан с упругим элементом, и вторичный измерительный преобразователь, соединенный выходом с системой диагностики, содержащий управляемый автогенератор высокочастотного напряжения, включающий колебательный контур, соединенный с выходом первичного измерительного преобразователя, и усилитель высокой частоты, снабженный источником постоянного напряжения смещения, соединенный выходом с трансформатором, вторичная обмотка которого соединена по цепи питания с первичным измерительным преобразователем, выход которого соединен по линии обратной связи со входом колебательного контура. На выход усилителя включен амплитудный детектор, снабженный RC-фильтром и соединенный с одним из входов операционного усилителя, второй вход которого соединен с источником постоянного напряжения смещения. Выход операционного усилителя и другой выход от источника напряжения смещения присоединены к контактам выдачи выходного сигнала вторичного измерительного преобразователя и выход операционного усилителя соединен с одним входом компаратора, а его второй вход через фарсирующее звено соединен с выходом усилителя. Выход компаратора соединен с входами двух формирователей коротких импульсов прямоугольной формы, их выходы через согласующие сопротивления соединены с сумматором их токов параллельно с третьей обмоткой трансформатора через согласующее сопротивление, образующие компенсирующую цепь обратной связи в колебательный контур. Техническим результатом заявленного устройства является создание новой схемы измерительного преобразователя высокочастотного входного сигнала в пропорциональный ему выходной биполярный сигнал постоянного тока, что обеспечивает линейность функциональной зависимости измерительного преобразования, подавление действия помех на внешнюю линию связи, повышение точности и передачу сигналов на расстояние, а формирование результирующего сигнала главной обратной связи на высокой частоте гальванически разделяет по постоянному току первичный измерительный преобразователь от внешних цепей, что допускает его установку на взрывоопасных объектах контроля технического состояния. 4 ил. Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для индикации и контроля пульсирующих давлений в системах технической диагностики текущего состояния оборудования с повышенным уровнем его выходного сигнала и гальванической развязкой, что обеспечивает передачу данных на расстояние и установку его первичных измерительных преобразователей на объектах с повышенной взрывоопасностью газокомпрессорных станций. Известен усилитель постоянного тока, который содержит во входной цепи мостовую измерительную схему, включающую варикапы и соединенную входом с источником измеряемого напряжения постоянного тока, а выходом с управляемым автогенератором высокочастотного переменного напряжения, содержащим колебательный контур, соединенный с усилителем высокой частоты, на выход которого включена первичная обмотка трансформатора, а его вторичная обмотка соединена с цепью питания входной измерительной схемы, его третья обмотка соединена со входом детектора, отсекающего и выделяющего вершины синусоидального переменного напряжения автогенератора, снабженного источником постоянного напряжения смещения его рабочей точки и вторым импульсным трансформатором, первичная обмотка которого включена на выход детектора последовательно с RC-фильтром постоянной составляющей импульсного тока детектора, соединенным с точкой выдачи выходного сигнала, а вторичная обмотка второго импульсного трансформатора включена в цепь компенсирующей обратной связи самовозбуждения автогенератора высокочастотного переменного напряжения (авт. св. 219906, М.Кл. G 01 L 7/00, 1968 г.). Недостатком данного устройства является установленный в нем детектор, отсекающий и выделяющий вершины от синусоидального выходного напряжения автогенератора в цепи формирования обратной связи и выходного сигнала, что, во-первых, не обеспечивает линейность и точность преобразования сигнала, поступающего на его вход, в выходной сигнал постоянного тока устройства, во-вторых, не имеет гальванической развязки по постоянному току его входа от всей схемы усилителя и его выходных цепей, что не позволяет его использовать на объектах контроля взрывоопасного оборудования, и, в-третьих, его выходной сигнал является однополярным, что не позволяет контролировать биполярные приращения входных величин. Наиболее близким техническим решением является устройство для измерения давления, содержащее последовательно соединенные через линию связи первичный измерительный преобразователь, выполненный в виде размещенных на ферритовом сердечнике, связанном с упругим элементом, двух обмоток дифференциально-индуктивного датчика давления, включенного в цепь обратной связи усилителя с управляемым генератором высокочастотного переменного напряжения, в цепь управления амплитудой которого включен детектор выходного сигнала и вторичный функциональный преобразователь с интегратором, выходом соединенный с показывающим прибором, где в цепь его вторичного функционального преобразователя введены последовательно соединенные цепь искрозащиты, вход которой является входом функционального преобразователя, выход которого подключен к входу вторичного измерительного преобразователя, где усилитель с управляемым генератором высокочастотного переменного напряжения снабжен в качестве детектора его амплитуд пороговым элементом, связанного с первичной обмоткой трансформатора генератора высокочастотного переменного напряжения и усилителем импульсов тока с импульсным трансформатором, выходом связанного с управляющей цепью смещения порогового элемента, последовательно включенных в цепь первичной обмотки импульсного трансформатора усилителя импульсов тока, нагрузочного резистора, разделительного конденсатора и фильтра низких частот, выход которого является выходом первичного измерительного преобразователя, при этом вторичная обмотка импульсного трансформатора связана с вторичной обмоткой трансформатора генератора высокочастотного переменного напряжения, усилитель которого выполнен в виде операционного дифференциального усилителя (Патент СССР 1831668, М. Кл. G 01 L 9/10, 1992 г.). Недостатком данного устройства является то, что в нем применен в качестве детектора пороговый элемент, снабженный источником постоянного напряжения смещения и цепями, выполняющими в детекторе отсечку вершин от синусоидального высокочастотного переменного напряжения, генерируемого управляемым автогенератором, в виде косинусоидальных импульсов с амплитудой, зависящей от величины превышения амплитуды синусоидального напряжения над уровнем напряжения смещения, подаваемого на детектор, что не обеспечивает линейность функции преобразования входного сигнала, подаваемого от первичного измерительного преобразователя, в выходной сигнал устройства и, следовательно, снижает точность измерительного преобразования. В математическом описании отсекаемые пороговым элементом импульсы несут в себе составляющую 1-й гармоники  1 напряжения частоты высокочастотного автогенератора, действующую в цепи обратной связи его самовозбуждения, и постоянную составляющую 0, из которой формируется выходной сигнал постоянного тока. Согласно гармонического анализа идеального по форме усеченного на угле отсечки  косинусоидального импульса генератора (Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. “Советское радио”. М., 1964 г., с. 696, см. с. 346-350) получено отношение: которое в общем случае характеризует нелинейность функции преобразования, однако в пределах 0 < <20o отношение (1) имеет почти постоянное значение, равное 2, т. е. условно обеспечивается постоянство коэффициента обратной связи и, соответственно, коэффициента передачи вторичного измерительного преобразователя. Однако, во-первых, отсечка косинусоидального импульса и его формирование на р-n-переходе в транзисторе детектора протекает с искажениями его формы, что нарушает отношение (1) и принятое условие линеаризации и, во-вторых, существенные текущие изменения амплитуды выходного напряжения автогенератора, обусловленные принципом его работы в режиме управляемого по амплитуде генератора, приводят к изменениям напряжения питания входных измерительных цепей его первичного измерительного преобразователя, что также вызывает дополнительные нелинейные искажения при работе усилителя в режиме вторичного измерительного преобразователя, что приводит к нарушению прямой пропорциональности между его входным и выходным сигналами или к нарушению линейности его функции преобразования. Ограничение сверху предела угла отсечки не обеспечивает использование полного размаха амплитуды высокочастотного напряжения на выходе автогенератора в выходной сигнал устройства, что снижает диапазон возможных амплитуд выходного сигнала и, следовательно, снижает величины выходных сигналов по отношению к уровню действия на них внешних помех, что в сумме с учетом изложенного приводит, во-первых, к снижению точности работы устройства, во-вторых, его выходной сигнал является однополярным, что не позволяет контролировать биполярные приращения входных величин, и, в-третьих, взрывобезопасность устройства в нем достигается включением двух дополнительных блоков – по его цепям питания и по защите измерительных цепей, что осложняет изготовление устройства и повышает его габариты и стоимость.
Важнейшей задачей в области измерительной техники и автоматизации производственных процессов является создание новых принципов построения вторичных измерительных преобразователей сигналов, поступающих от первичных измерительных преобразователей, обеспечивающих стабилизацию напряжения их высокочастотного источника питания в автогенераторе и линейность их функции преобразования путем амплитудного детектирования его выходного высокочастотного напряжения, его сравнения с уровнем опорного напряжения и усиления ошибки между выходом детектора и уровнем опорного напряжения в операционном усилителе, снабженным глубокой обратной связью, выход которого соединен с точкой выхода сигнала напряжения вторичного измерительного преобразователя во внешнюю цепь и с одним из входов компаратора, на второй вход которого через фарсирующее звено включен выход высокочастотного усилителя автогенератора, при этом в результате сравнения их напряжений на выходе компаратора, на его выходе формируются импульсы прямоугольной формы по моментам превышения и спада высокочастотного напряжения относительно уровня выходного сигнала измерительного преобразователя, по фронту и спаду которых в двух формирователях коротких импульсов возбуждаются импульсы прямоугольной формы, являющиеся источником сигнала главной компенсирующей обратной связи от выхода измерительного преобразователя на его вход в колебательный контур через согласующие сопротивления и сумматор их напряжений первых гармоник, выделяемых колебательным контуром. Формирование сигнала главной обратной связи в дискретных элементах формирователей коротких импульсов и дальнейшее их протекание в пассивных сопротивлениях и сумматоре их токов обеспечивает устойчивость к внешним условиям эксплуатации цепи главной обратной связи, а следовательно, и устойчивость всего измерительного преобразователя и его коэффициента передачи. При этом охват операционного усилителя местной глубокой обратной связью обеспечивает низкий выходной импеданс и, следовательно, повышение точности и помехоустойчивости передачи сигналов на расстояние; сравнение выходного сигнала с напряжением на выходе фарсирующего звена в пределах угла от 0 до  позволяет максимально использовать величину напряжения питания устройства в формировании биполярного выходного сигнала, что также повышает отношение сигнал/шум и, следовательно, помехоустойчивость передачи сигнала; возможность введения гальванической развязки по постоянному току и токам промышленной частоты между первичным и вторичным измерительными преобразователями, позволяет исключать проникновение в них блуждающих токов из контролируемого оборудования и возбуждение дополнительных помех, а также обеспечивать взрывобезопасность при установке первичных измерительных преобразователей на взрывоопасных объектах контроля, например, на газоперекачивающих компрессорных станциях. Созданием новой принципиальной схемы вторичного измерительного преобразователя входного сигнала в пропорциональный ему выходной биполярный сигнал напряжения постоянного тока обоснован новый принцип построения схемных решений измерительных преобразователей, обеспечивающих одновременно стабилизацию высокочастотного напряжения питания первичного измерительного преобразователя и получение линейной функциональной зависимости вторичного измерительного преобразования входного сигнала, поступающего от первичного измерительного преобразователя, в выходной биполярный сигнал напряжения постоянного тока в широком диапазоне напряжения источника питания устройства, что обеспечивает повышение точности и передачу сигналов на расстояние, а формирование внутреннего сигнала главной обратной связи на высокой частоте по возбуждению автогенератора высокочастотного переменного напряжения создает возможность введения гальванической развязки по постоянному току первичного измерительного преобразователя от цепей вторичного измерительного преобразователя и его питания, что допускает использование первичного измерительного преобразователя на взрывоопасных объектах контроля технического состояния.
Техническим результатом заявленного устройства для измерения давления является создание на его основе единой схемы для конструкций устройств вторичного измерительного преобразователя, позволяющего его использование в контрольно-измерительных приборах различного назначения, что обеспечивает в них стабилизацию высокочастотного напряжения питания первичного измерительного преобразователя и получение линейной функциональной зависимости вторичного измерительного преобразования входного сигнала, поступающего от первичного измерительного преобразователя, в выходной биполярный сигнал напряжения постоянного тока в широком диапазоне напряжения источника питания устройства, имеющем низкий выходной импеданс вторичного измерительного преобразователя, что также обеспечивает подавление действия внешних помех на линию связи, повышение точности и передачу сигналов на расстояние, а формирование внутренней главной обратной связи на высокой частоте по возбуждению автогенератора высокочастотного переменного напряжения создает возможность введения гальванической развязки по постоянному току первичного измерительного преобразователя от цепей вторичного измерительного преобразователя и его питания, что допускает использование первичного измерительного преобразователя на взрывоопасных объектах контроля технического состояния.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения давления, содержащем последовательно соединенные через линию связи первичный измерительный преобразователь, выполненный в виде размещенных на ферритовом сердечнике, связанном с упругим элементом, двух обмоток, соединенных последовательно и по линии связи со вторичным измерительным преобразователем, соединенным выходом с показывающим прибором и средствами автоматизации, содержащий управляемый по амплитуде автогенератор высокой частоты переменного напряжения, включающий колебательный контур, соединенный входом по линии связи с точкой соединения обмоток первичного измерительного преобразователя и выходом – с первым входом усилителя высокой частоты, второй вход которого соединен с источником постоянного напряжения смещения, а выход усилителя высокой частоты соединен с первичной обмоткой трансформатора, к вторичной обмотке которого по цепи питания подключены обмотки первичного измерительного преобразователя, создающие измерительную мостовую схему, диагональ которой образует цепь обратной связи самовозбуждения автогенератора высокочастотного переменного напряжения, соединенную с его колебательным контуром, где на выход усилителя высокой частоты автогенератора высокочастотного переменного напряжения включен амплитудный детектор, снабженный сглаживающим RC-фильтром и соединенный выходом с одним из входов операционного усилителя, второй вход операционного усилителя соединен с выходом одного постоянного напряжения от источника смещения, а выход операционного усилителя, охваченного обратной связью, и другой выход от источника постоянного напряжения смещения присоединены к контактам выдачи выходного сигнала по напряжению вторичного измерительного преобразователя и выход операционного усилителя соединен с первым входом компаратора, а его второй вход соединен с выходом усилителя высокой частоты через фарсирующее звено, выход компаратора соединен со входами двух формирователей импульсов прямоугольной формы и длительностью, меньшей полупериода частоты автогенератора высокочастотного переменного напряжения, их выходы через согласующие сопротивления соединены с сумматором их токов в колебательном контуре, к которому также подключена через согласующее сопротивление третья обмотка трансформатора, при этом они в их сумме образуют компенсирующую цепь обратной связи, по отношению к обратной связи, исходящей от первичного измерительного преобразователя в колебательный контур, что обеспечивает стабилизацию высокочастотного напряжения питания первичного измерительного преобразователя и получение линейной функциональной зависимости вторичного измерительного преобразования входного сигнала, поступающего от первичного измерительного преобразователя, в выходной биполярный сигнал напряжения постоянного тока в широком диапазоне напряжения источника питания устройства, имеющем низкий выходной импеданс вторичного измерительного преобразователя, что также обеспечивает подавление действия внешних помех на линии связи, повышение точности и передачу сигналов на расстояние, а формирование внутреннего сигнала обратной связи на высокой частоте по возбуждению автогенератора высокочастотного переменного напряжения создает возможность введения гальванической развязки по постоянному току первичного измерительного преобразователя от цепей вторичного измерительного преобразователя и его питания, что допускает использование первичного измерительного преобразователя на взрывоопасных объектах контроля технического состояния.
Сущность изобретения состоит в том, что полученный технический результат, достигнутый в заявленном изобретении, основан на использовании в устройстве для измерения давления и в его вторичном измерительном преобразователе найденного нового способа формирования сигнала обратной связи, обеспечивающего представление в нем выходного сигнала напряжением постоянного тока и получение прямо пропорционального ему внутреннего сигнала главной обратной связи с высокочастотным напряжением, заключающегося в том, что на выход автогенератора высокочастотного переменного напряжения включен амплитудный детектор, снабженный сглаживающим RC-филътром и соединенный выходом с одним из входов операционного усилителя, второй вход операционного усилителя соединен с выходом одного постоянного напряжения от источника смещения, а выход операционного усилителя, охваченного обратной связью, и другой выход от источника постоянного напряжения смещения присоединены к контактам выдачи выходного сигнала по напряжению вторичного измерительного преобразователя и выход операционного усилителя соединен с первым входом компаратора, а его второй вход соединен с выходом усилителя высокой частоты через фарсирующее звено, выход компаратора соединен со входами двух формирователей импульсов прямоугольной формы и длительностью, меньшей полупериода частоты автогенератора высокочастотного переменного напряжения, их выходы через согласующие сопротивления соединены с сумматором первых гармоник их токов в колебательном контуре, к которому также подключена через согласующее сопротивление третья обмотка трансформатора, при этом они в их сумме образуют компенсирующую главную цепь обратной связи, по отношению к обратной связи, исходящей от первичного измерительного преобразователя в колебательный контур, что обеспечивает, в полученном таким образом замкнутом контуре структуры автоматического регулирования вторичного измерительного преобразователя, стабилизацию высокочастотного напряжения питания первичного измерительного преобразователя и получение линейной функциональной зависимости вторичного измерительного преобразования входного сигнала, поступающего от первичного измерительного преобразователя, в выходной биполярный сигнал напряжения постоянного тока в широком диапазоне напряжения источника питания устройства, имеющем низкий выходной импеданс вторичного измерительного преобразователя, что также обеспечивает подавление действия внешних помех на линию связи, повышение точности и передачу сигналов на расстояние, а формирование внутренней главной обратной связи на высокой частоте по возбуждению автогенератора высокочастотного переменного напряжения создает возможность введения гальванической развязки по постоянному току первичного измерительного преобразователя от цепей вторичного измерительного преобразователя и его питания, что допускает использование первичного измерительного преобразователя на взрывоопасных объектах контроля технического состояния.
Подобное решение могло бы быть получено, например, введением в измерительный преобразователь аналогового множительного устройства, в котором использован принцип логарифмирования сигналов на р-n-переходах транзисторных цепей, но это решение не отвечает математической точности преобразования, поскольку моделирование логарифмической функции в них выполняется приближенно.
Проведенный заявителем анализ по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволяет установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существующим признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию “новизна” по действующему законодательству.
Для проверки соответствия заявленного изобретения требованиям изобретательского уровня, заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличными от признаков прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию “изобретательский уровень”.
Устройство для измерения давления изображено на чертежах: на фиг.1 показана структурная схема базового устройства; на фиг.2 – время-импульсные диаграммы работы схемы; на фиг.3 – векторная диаграмма формирования сигнала главной обратной связи устройства; на фиг.4 – принципиальная схема осуществления устройства.
Сущность устройства состоит в том, что устройство для измерения давления содержит последовательно соединенные через линию связи первичный измерительный преобразователь Д 1, выполняющий функцию датчика давления, со вторичным измерительным преобразователем, соединенным выходом с показывающим прибором и средствами автоматизации (фиг.1, 4). Упругий элемент первичного измерительного преобразователя Д 1 связан с его ферритовым сердечником, расположенным в двух последовательно соединенных обмотках, подключенных к источнику высокочастотного напряжения по цепи питания ЦП 7 к вторичной обмотке трансформатора Тр 6, а их средняя точка с элементами вторичного измерительного преобразователя образует мостовую схему, соединенную цепью обратной связи ОС 8 по возбуждению с колебательным контуром КК 3 автогенератора АГ 2, содержащим усилитель Увч 4 высокой частоты, источник Uсм 5 постоянных напряжений смещения и трансформатор Тр 6, включенный на выход усилителя Увч 4. Перемещение сердечника вызывает изменения уровня сигнала обратной связи ОС 8, что нарушает баланс обратных связей в управляемом генераторе УГ 2 и требует для поддержания амплитуды выходного сигнала автогенератора АГ 2 на заданном уровне от источника напряжения смещения Uсм 5. В новой схеме вторичного измерительного преобразователя формирование главной обратной связи, компенсирующей это нарушение баланса, выполняется на частоте автогенератора АГ 2 и действует во всем диапазоне размаха амплитуд его напряжения с прямой пропорциональностью ее величины относительно уровня выходного сигнала, что обеспечивает получение биполярного выходного сигнала с напряжением постоянного тока в широком диапазоне от напряжения источника питания устройства с линейной функциональной зависимостью от приращений величины входного сигнала в цепи ОС 8. Это достигается тем, что колебательный контур КК 3 соединен входом по линии связи с точкой соединения обмоток первичного измерительного преобразователя Д 1 и выходом – с первым входом усилителя высокой частоты Увч 4, второй вход которого соединен с источником постоянного напряжения смещения Uсм 5, а выход усилителя высокой частоты Увч 4 соединен с первичной обмоткой трансформатора Тр 6, к вторичной обмотке которого по цепи питания ЦП 7 подключены обмотки первичного измерительного преобразователя Д 1, создающие измерительную мостовую схему, диагональ которой образует цепь обратной связи самовозбуждения автогенератора АГ 2 высокочастотного переменного напряжения, соединенную с его колебательным контуром КК 3. На выход усилителя высокой частоты Увч 4 автогенератора АГ 2 высокочастотного переменного напряжения включен амплитудный детектор АД 9, снабженный сглаживающим RC-фильтром RC 10, который соединен выходом с одним из входов операционного усилителя ОУ 11, его второй вход соединен с выходом одного постоянного напряжения от источника смещения Uсм 5, а выход операционного усилителя ОУ 11, охваченного обратной связью, обеспечивающей ему низкий выходной импеданс, и другой выход от источника постоянного напряжения смещения Uсм присоединены к контактам 12 и 13 выдачи выходного сигнала по напряжению вторичного измерительного преобразователя. Выход операционного усилителя ОУ 11 также соединен с первым входом компаратора К 14, а его второй вход соединен с выходом усилителя высокой частоты Увч 4 через фарсирующее звено ФЗ 15. Выход компаратора К 14 соединен со входами двух формирователей импульсов ФИ 16 и ФИ 17 прямоугольной формы и длительностью, меньшей полупериода частоты автогенератора АГ 2 высокочастотного переменного напряжения. Их выходы через согласующие сопротивления Сг 18 и Сг 19 соединены с сумматором  20 их токов в колебательном контуре КК 3, к которому также подключена через согласующее сопротивление Сг 21 третья обмотка трансформатора, предназначенная для обеспечения исходного уровня сигнала на самовозбуждение автогенератора. При этом они в их сумме образуют компенсирующую цепь КЦ 22 главной обратной связи, по отношению к обратной связи ОС 8, исходящей от первичного измерительного преобразователя Д 1 в колебательный контур КК 3. Это обеспечивает автоматическую компенсацию приращения сигнала, поступающего от первичного измерительного преобразователя Д 1, и стабилизацию высокочастотного напряжения на первичной обмотке трансформатора Тр 6 и напряжения питания первичного измерительного преобразователя Д 1 и, следовательно, получение линейной функциональной зависимости вторичного измерительного преобразования входного сигнала, поступающего от первичного измерительного преобразователя, в выходной биполярный сигнал напряжения постоянного тока в широком диапазоне напряжения источника питания устройства, имеющем низкий выходной импеданс вторичного измерительного преобразователя, что также обеспечивает подавление действия внешних помех на линии связи, повышение точности и передачу сигналов на расстояние, а формирование внутреннего сигнала обратной связи на высокой частоте по возбуждению автогенератора высокочастотного переменного напряжения создает возможность введения гальванической развязки по постоянному току первичного измерительного преобразователя от цепей вторичного измерительного преобразователя и его питания, что допускает использование первичного измерительного преобразователя на взрывоопасных объектах контроля технического состояния. Все позиции устройства (фиг.1), показанного на принципиальной схеме (фиг.4) его осуществления, соответствуют указанным и дополнены поз. 23-46, уточняющими его конструкцию. Здесь конденсатор 23 полностью обеспечивает гальваническую развязку цепей первичного измерительного преобразователя от внешних цепей питания и линий связи. Катушки 24 введены в измерительную мостовую схему Д 1 и предназначены для баланса ее нуля. Конденсатор 25 и резистор 26 образуют входную цепь и обратную связь на Увч 4 и обеспечивают согласование фаз сигналов обратных связей с выходным напряжением усилителя. Конденсатор 27 – разделительный по постоянному току. Резисторы 28, 29 и 30 со стабилитроном 31 и блокирующим конденсатором 32 образуют источник напряжений Uсм 5 с выходом на точку 33, соединенную с неинвертирующим входом Увч 4. Точка соединения КТ 13 резисторов 28 и 29 и точка КТ 12 являются выходом вторичного измерительного преобразователя по напряжению постоянного тока. Диод 34, конденсатор 35 и резистор 36 образуют амплитудный детектор АД 9 со сглаживающим RC-фильтром, включающим резистор 37 с конденсатором 38 цепи обратной связи на инвертирующий вход операционного усилителя ОУ 11. Его выход соединен с транзистором 39, выполняющим функцию эмиттерного повторителя и вместе с этим и резистором 40 – генератора тока в выходной цепи 41 при необходимости передачи сигналов унифицированным сигналом тока на внешнюю цепь нагрузки Rн. Конденсатор 42 с резистором 43 образуют фарсирующее звено ФЗ 15, включенное выходом на один вход компаратора К 14, соединенного также с точкой Uст 33, относительно которой развивается амплитуда колебаний автогенератора ~Uaг, а на второй вход компаратора включен через эмиттерный повторитель 39 операционного усилителя ОУ 11 от КТ 12. Конденсатор 44 – блокирующий по переменной составляющей точку Uст 33 на общий провод питания. Выход компаратора К 14 через диод 45 и резистор 46, обеспечивающие четкость нулевого уровня выходного сигнала компаратора, параллельно соединены со входами двух формирователей ФИ 16 и ФИ 17 коротких импульсов, один из которых работает по фронту, а другой – по спаду импульса компаратора К 14. Их согласующие резисторы Сг 18 и Сг 19 выполнены составными для обеспечения плавности настройки. Сумматор 20 здесь представлен низкоомным резистором, включенным последовательно с конденсатором колебательного контура КК 3, что одновременно стабилизирует его параметр качества Q, что необходимо для расширения полосы пропускания контролируемых частот входного сигнала.
Устройство для измерения давления работает следующим образом.
В нейтральном положении чувствительного элемента первичного измерительного преобразователя Д 1 и в состоянии полной сбалансированности сопротивлений его мостовой измерительной схемы выполняют путем регулирования согласующего сопротивления Сг 21, настройку автогенератора АГ 2 высокочастотного переменного напряжения на порог самовозбуждения (фиг.1, 4). В этом состоянии он обладает высокой чувствительностью к приращениям величины обратной связи по его цепи самовозбуждения, которые могут вызывать на его выходе или максимальные амплитуды колебаний (ограниченных напряжением питания), или их спад до нуля. В таком состоянии автогенератор АГ 2 высокочастотного переменного напряжения рассматривают как усилительный элемент с большим коэффициентом усиления по отношению к приращению сигнала обратной связи по его самовозбуждению. Стабилизацию амплитуды генерируемых им колебаний в нем достигают путем введения компенсирующей цепи КЦ 22 с автоматическим регулированием вводимого в колебательный контур КК 3 дополнительного компенсирующего сигнала главной обратной связи по возбуждению. Для этого амплитудный детектор АД 9 контролирует амплитуду колебаний на выходе усилителя высокой частоты Увч 4 и через сглаживающий RC-фильтр RC 10 выдает результат напряжением постоянного тока на один из входов операционного усилителя ОУ 11, где на его второй вход подается контрольное постоянное напряжение Uoп с источника смещения Uсм 5. Коэффициент усиления ОУ 11 жестко фиксирован его обратной связью, а разность напряжений между Uoп, снимаемого с точки КТ 13 источника Uсм 5, и выходом амплитудного детектора АД 9, после ее усиления в операционном усилителе ОУ 11 с фиксированным коэффициентом усиления, выводят на контакты 12 и 13, как напряжение Uвых выходного сигнала с низким выходным импедансом вторичного измерительного преобразователя. Это напряжение с точки 12 подается на один из входов компаратора К 14, где на его второй вход через фарсирующее звено ФЗ 15 подается для сравнения напряжение Uфз с выхода усилителя высокой частоты Увч 4 автогенератора АГ 2 высокочастотного переменного напряжения. В результате на время превышения амплитуды напряжения Uфз на выходе фарсирующего звена над уровнем выходного сигнала Uвых (фиг.2) компаратор К 14 формирует импульс прямоугольной формы, фронт и спад которого соответствуют моментам пересечения Uфз и Uвых. По моментам фронта и спада импульса на выходе компаратора К 14 формирователи импульсов ФИ 16 и ФИ 17 соответственно формируют короткие импульсы прямоугольной формы, первые гармоники которых U1 выделяются и суммируются в колебательном контуре, где они образуют компенсирующий сигнал главной обратной связи по возбуждению автогенератора АГ 2 высокочастотного переменного напряжения, приводящий его амплитуду колебаний в соответствие с величиной опорного напряжения Uoп с ошибкой регулирования, зависящей от заданного коэффициента усиления операционному усилителю ОУ 11, что обеспечивает стабилизацию высокочастотного напряжения питания первичного измерительного преобразователя. Величину фазового угла  форсирования фазы выходного напряжения Uфз в фарсирующем звене ФЗ 15 задают равным 1/2 от длительности  короткого импульса в координате  t диаграммы. В результате моменты пересечения напряжений Uфз и Uвых совпадают с осевыми линиями импульсов ФИ 16 и ФИ 17. В этом процессе также корректируют временные задержки в формированиях импульсов в электронных элементах устройства. Обозначив фазовый угол в отсчете от положения абсциссы вершины синусоиды до оси импульса ФИ 16 или ФИ 17, имеем соотношение:=arccos Uвых/Uфз, (2)где Uфз – амплитуда напряжения колебаний на выходе фарсирующего звена. Из векторного суммирования напряжений двух первых гармоник U1 коротких импульсов формирователей ФИ 16 и ФИ 17 (фиг.3) следует величина амплитуды результирующего действия компенсирующей обратной связи Uoc, поступающей в колебательный контур КК 3 по цепи КЦ 22: Uoc=2 U1 cos . (3)Откуда из (2) и (3) следует доказательство линейности функции преобразования во всем возможном диапазоне существования угла от 0 до :Uoc=2k U1 Uвых/Uaг. (4) Поскольку (4) справедливо во всем пределе размаха выходного напряжения фарсирующего звена Uфз, то здесь к нему с постоянным коэффициентом k расчетным путем приравнена амплитуда напряжения Uaг, действующая на выходе автогенератора АГ 2 от усилителя высокой частоты Увч 4, что не нарушает пропорциональности действия компенсирующей обратной связи в ответ на входные возмущения первичного измерительного преобразователя, и, следовательно, обеспечивающей линейность функции преобразования при большом коэффициенте усиления, имеющегося в управляемом по амплитуде автогенераторе АГ 2, стоящего в режиме на пороге самовозбуждения под действием автоматически регулируемой компенсирующей главной обратной связи. По своей структуре вторичный измерительный преобразователь с управляемым автогенератором рассматривается как статическая система автоматического регулирования, преобразующая входной высокочастотный сигнал  Uвх, поступающий от первичного измерительного преобразователя Д1, в выходной сигнал напряжения = Uвых постоянного тока, является структурно устойчивой. Ее первое динамическое звено – колебательный контур КК 3 с усилителем высокой частоты Увч 4 по отношению к процессу развития в нем амплитуды высокочастотных колебаний описывается уравнением апериодического звена первого порядка, его постоянная времени Т1 определяется качеством Q колебательного контура КК 3. Ее второе динамическое звено с амплитудным детектором АД 9, RC-фильтром RC 10 и операционным усилителем ОУ 11 представлено уравнением апериодического звена первого порядка, его постоянная времени Т2 задана в RC-фильтре RC 10. При этом выполняется условие, что Т1 << Т2. Их общий статический коэффициент передачи К в прямой цепи определяется качеством Q колебательного контура КК 3 и введением местных обратных связей в усилители Увч 4 и ОУ 11. Поскольку звено компенсирующей обратной связи содержит в себе все безынерционные элементы схемы: компаратор К 14, формирователи коротких импульсов ФИ 16 и ФИ 17, согласующие резисторы Сг 18, Сг 19 и сумматор 20, то оно является также безынерционным с коэффициентом передачи  , регулируемым в согласующих сопротивлениях Сг 18 и Сг 19, то путем задания величин К и обеспечиваются требуемые параметры качества и устойчивости системы регулирования в структуре вторичного измерительного преобразователя. Поскольку в аналогичных системах автоматического регулирования, замкнутых через контур их главной обратной связи, результирующий коэффициент передачи определяется величиной 1/ с малой зависимостью от К (при К >>1), то режимные изменения работы элементов прямой цепи фактически не отражаются на показателях системы, а элементы цепи обратной связи во вторичном измерительном преобразователе мало подвержены их изменениям, что обеспечивает высокую стабильность работы устройства в целом.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании изобретения следующей совокупности условий:устройство для измерения давления, воплощающее заявленное изобретение, для преобразования сигналов первичного измерительного преобразователя давления, как физической величины, в сигналы напряжения постоянного тока (или в сигналы тока) вторичного измерительного преобразователя обеспечивает линейность функции преобразования, повышение точности, передачу выходных сигналов на измерительные приборы и средства автоматики, гальваническую развязку первичного измерительного преобразователя от цепей вторичного измерительного преобразователя и искробезопасность при установке первичного измерительного преобразователя на взрывоопасных объектах контроля; для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеуказанных конструктивных решений и способов их реализации; устройство для измерения давления, воплощенное в заявленном изобретении, при его осуществлении способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию “Промышленная применимость”. Формула изобретения
РИСУНКИ
MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 04.05.2003
Номер и год публикации бюллетеня: 19-2004
Извещение опубликовано: 10.07.2004
|
||||||||||||||||||||||||||
