Устройство для преобразования физических параметров в электрический сигнал

 

Использование: в измерительной технике в частности в устройстве для преобразования физических параметров в электрический сигнал при измерении постоянного или меняющегося давления газообразных и жидких веществ или сыпучих материалов с помощью резисторных тензометров, например для контроля напорных магистральных трубопроводов. Сущность изобретения: для повышения точности оценки давления в широком диапазоне рабочих температур устройство содержит мостовую схему тензорезисторов, два генератора стабильного тока, усилитель постоянного тока с дифференциальными входом и выходом, два сумматора, два дифференциальных усилителя постоянного тока, выходной блок, задатчик тока, потенциометр. За счет использования мостовой схемы тензорезисторов в качестве термозависимого датчика достигается более точная компенсация погрешности устройства. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерений постоянного или меняющегося давления газообразных и жидких веществ или сыпучих материалов с помощью резисторных тензометров, и может быть использовано для контроля напорных магистральных трубопроводов.

Известно устройство для измерения давления, содержащее мостовую схему тензорезисторов, первый, второй и третий дифференциальные усилители, сумматор, источник питания и регулируемый усилитель [1] Это устройство обладает малой точностью работы.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является устройство для преобразования физических параметров в электрический сигнал, содержащее мостовую схему тензорезисторов, один вход которой подключен к выходу источника напряжения, другой вход к шине нулевого потенциала и через диод соединен с первым зажимом источника тока, второй зажим которого подключен к шине нулевого потенциала, выходы мостовой схемы тензорезисторов присоединены к входам первого дифференциального усилителя постоянного тока, выход которого через первый сумматор и выходной блок подключен к выходу устройства, последовательно соединенные согласующий усилитель и первый масштабирующий усилитель, выход которого подключен к второму входу первого сумматора, второй масштабирующий усилитель, вход которого подключен к выходу согласующего усилителя, а выход к входу источника напряжения [2] Основным недостатком прототипа является низкая точность работы из-за cущественного различия температурных характеристик диода и мостовой схемы.

Целью изобретения является повышение точности работы.

Для достижения цели в известное устройство для преобразования физических параметров в электрический сигнал, содержащее мостовую схему тензорезисторов, первый вход которой подключен к шине нулевого потенциала, первый генератор стабильного тока, первый сумматор, первый дифференциальный усилитель постоянного тока, потенциометр с движком и выходной измерительный блок, выход которого является выходом устройства, дополнительно введены последовательно соединенные задатчик тока и второй генератор стабильного тока, второй сумматор, усилитель постоянного тока с дифференциальными входом и выходом, первый и второй входы которого подключены соответственно к первому и второму выходам мостовой схемы тензорезисторов, а первый и второй выходы к первым входам cоответственно первого и второго сумматоров, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам первого дифференциального усилителя постоянного тока, выход которого подключен к входу выходного измерительного блока, а также введены второй дифференциальный усилитель постоянного тока, первый вход которого подключен к выходу первого генератора стабильного тока, второй вход к выходу второго генератора стабильного тока, а выход к второму входу первого сумматора, при этом первый вывод потенциометра подключен к выходу второго генератора стабильного тока, второй вывод к шине нулевого потенциала, а третий вывод, связанный с движком потенциометра, к второму входу второго сумматора, причем выход задатчика тока подключен к входу первого генератора стабильного тока, выход которого подсоединен к второму входу мостовой схемы тензорезисторов.

Введение задатчика тока для двух цепей, состоящих из последовательно соединенных генератора стабильного тока и резистора, причем величина эквивалентного сопротивления мостовой схемы тензорезисторов по диагонали питания равна сопротивлению потенциометра между первым и вторым выводами, позволяет определять изменение сопротивления тензорезисторов при изменении рабочей температуры и преобразовать его в разность потенциалов, которая затем во втором дифференциальном усилителе постоянного тока преобразуется в сигнал компенсации температурной погрешности, возникающей в измерительной диагонали мостовой схемы тензорезисторов. Этот сигнал компенсации подается на один из входов первого сумматора и компенсирует изменение разности потенциалов, вызванных изменением температуры, оставляя без изменения разность потенциалов, обусловленную в измерительной диагонали внешним давлением.

На чертеже приведена электрическая функциональная схема предлагаемого устройства для преобразования физических параметров в электрический сигнал.

Устройство содержит второй дифференциальный усилитель 1 постоянного тока, первый генератор 2 стабильного тока, задатчик 3 тока, второй генератор 4 стабильного тока, мостовую схему 5 тензорезисторов, потенциометр 6 с движком; усилитель 7 постоянного тока с дифференциальным входом и выходом, первый сумматор 8, второй сумматор 9, первый дифференциальный усилитель 10 постоянного тока, выходной измерительный блок 11.

Предлагаемое устройство для преобразования физических параметров в электрический сигнал содержит первый генератор 2 стабильного тока, мостовую схему 5 тензорезисторов, первый вход которой подключен к шине нулевого потенциала, второй вход к выходу первого генератора 2 стабильного тока, последовательно соединенные усилитель 7 постоянного тока с дифференциальными входом и выходом, первый дифференциальный усилитель 10 постоянного тока и выходной блок 11, выход которого является выходом устройства, последовательно соединенные задатчик 3 тока, второй генератор 4 стабильного тока и потенциометр 6 с движком, второй вывод которого подключен к шине нулевого потенциала, выход задатчика 3 тока подключен к входу первого генератора 2 стабильного тока, второй дифференциальный усилитель 1 постоянного тока, первый и второй входы которого подключены к выходам соответственно первого 2 и второго 4 генераторов стабильного тока, а выход подключен к второму входу первого сумматора 8, второй сумматор 9, первый вход которого подключен к второму выходу усилителя 7 постоянного тока с дифференциальными входом и выходом, второй к третьему выводу потенциометра 6 с движком, а выход к второму входу первого дифференциального усилителя 10 постоянного тока, первый и второй выходы мостовой схемы 5 тензорезисторов подключены к соответствующим входам усилителя 7 постоянного тока с дифференциальными входом и выходом.

Работа предлагаемого устройства для преобразования физических параметров в электрический сигнал происходит следующим образом.

На поверхности тела, деформацию которого под действием внешнего давления следует оценить и поставить в соответствие с величиной давления, расположены четыре тензорезистора RI.R4, включенных в мостовую схему 5. Один из входов диагонали питания подключен к шине нулевого потенциала, а другой ее вход подключен к выходу первого генератора 2 стабильного тока, в результате чего мостовая схема 5 запитывается в процессе работы стабильным током. Величина этого тока устанавливается задатчиком 3 тока в соответствии с его оптимальным значением, указанным в паспортных данных на тензорезистивный мост 5. Такая же величина тока устанавливается задатчиком 3 тока и на выходе второго генератора 4 стабильного тока, который протекает через потенциометр 6, постоянное сопротивление между 1 и 2 выводами которого равно эквивалентному сопротивлению мостовой схемы 5 тензорезисторов в диагонали питания. Таким образом, в исходном состоянии при номинальной температуре потенциалы на выходах первого 2 и второго 4 генераторов стабильного тока одинаковы. Эти потенциалы подаются соответственно на первый и второй входы второго дифференциального усилителя 1 постоянного тока и, следовательно, на его выходе в исходном состоянии имеется нулевой уровень сигнала или некоторый постоянный начальный уровень (начальное напряжение смещения), который подается на второй вход первого сумматора 8. Потенциалы с первого и второго выходов измерительной диагонали мостовой схемы 5 тензорезисторов подаются соответственно на первый и второй входы усилителя 7 постоянного тока с дифференциальными входом и выходом, где происходит усиление информационного сигнала до необходимого уровня. В исходном состоянии мостовая схема 5 сбалансирована так, что на выходе ее измерительной диагонали разность потенциалов равна нулю.

Сигналы с первого и второго дифференциальных выходов усилителя 7 поступают на первые входы соответственно первого 8 и второго 9 сумматоров, где они суммируются с сигналами, поступившими на их вторые входы соответственно от второго дифференциального усилителя 1 постоянного тока и с движка потенциометра 6. Изменяя положение движка потенциометра 6 в исходном состоянии устройства, добиваются равенства потенциалов на выходах первого 8 и второго 9 сумматоров, тем самым компенсируя влияние начального уровня на выходе второго дифференциального усилителя 1 постоянного тока на выходной сигнал устройства.

С выходов первого 8 и второго 9 сумматоров сигналы поступают соответственно на первый и второй входы первого дифференциального усилителя 10 постоянного тока, в котором формируется сигнал, пропорциональный разности потенциалов, и происходит его усиление до необходимого уровня. Далее этот сигнал поступает на вход выходного измерительного блока 11, предназначенного для согласования с линией передачи, и затем на выход устройства.

Под действием оцениваемого физического параметра давления происходит деформация тела, на котором расположена мостовая схема 5 тензорезисторов, и происходит изменение сопротивлений тензорезисторов. На измерительной диагонали мостовой схемы 5 формируется разность потенциалов, пропорциональная коэффициенту тензочувствительности и величине внешнего давления. Эта разность потенциалов усиливается сначала в усилителе 7 постоянного тока с дифференциальными входом и выходом, затем в первом дифференциальном усилителе 10 постоянного тока, и через выходной измерительный блок 11 сигнал, пропорциональный величине давления, поступает на выход устройства.

Если в зоне расположения мостовой схемы 5 тензорезисторов изменилась температура рабочей среды, то вследствие технологического разброса температурных коэффициентов сопротивлений тензорезисторов происходит разбалансировка мостовой схемы 5 и на измерительной диагонали моста 5 изменяется разность потенциалов из-за изменения температуры. Эта разность потенциалов усиливается в усилителе 7 постоянного тока с дифференциальными входом и выходом и поступает на первые входы первого 8 и второго 9 сумматоров.

Одновременно при изменении температуры изменяется и эквивалентное сопротивление мостовой схемы 5 в диагонали питания, поэтому потенциал на выходе первого генератора 2 стабильного тока изменился относительно потенциала на выходе второго генератора 4 стабильного тока. Эта разность потенциалов приводит к изменению уровня сигнала на выходе второго дифференциального усилителя 1 постоянного тока, который подается на второй вход первого сумматора 8 для компенсации приращения потенциала на его первом входе из-за изменения температуры. Коэффициент передачи дифференциального усилителя 1 постоянного тока имеет такое значение, которое позволяет осуществлять компенсацию температурной нестабильности потенциалов во всем динамическом диапазоне рабочих температур устройства.

Таким образом производится компенсация температурной зависимости выходного сигнала устройства для преобразования физических параметров в электрический сигнал и тем самым повышается точность его работы в диапазоне рабочих температур.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИГНАЛ, содержащее мостовую схему тензорезисторов, первый вход которой подключен к шине нулевого потенциала, первый генератор стабильного тока, первый сумматор, первый дифференциальный усилитель постоянного тока, потенциометр с движком и выходной измерительный блок, выход которого является выходом устройства, отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные задатчик тока и второй генератор стабильного тока, второй сумматор, усилитель постоянного тока с дифференциальными входом и выходом, первый и второй входы которого подключены соответственно к первому и второму выходам мостовой схемы тензорезисторов, а первый и второй выходы к первым входам соответственно первого и второго сумматоров, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам первого дифференциального усилителя постоянного тока, выход которого подключен к входу выходного измерительного блока, а также введены второй дифференциальный усилитель постоянного тока, первый вход которого подключен к выходу первого генератора стабильного тока, второй вход к выходу второго генератора стабильного тока, а выход к второму входу первого сумматора, при этом первый вывод потенциометра подключен к выходу второго генератора стабильного тока, второй вывод к шине нулевого потенциала, а третий вывод, связанный с движком потенциометра, к второму входу второго сумматора, причем выход задатчика тока подключен к входу первого генератора стабильного тока, выход которого подсоединен к второму входу мостовой схемы тензорезисторов.

РИСУНКИ

Рисунок 1