Преобразователь линейных перемещений в напряжение с автоматическим выбором диапазона

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при разработке различного рода систем контроля, в частности, при проектировании автоматизированного измерительного комплекса, используемого для определения физико-механических свойств материалов методом кинетического индентирования. Устройство содержит измерительный мост и инструментальный усилитель с подключенным к нему резистором. Измерительный мост состоит из двух резисторов, датчика и компенсирующего элемента. Также устройство содержит источник питания, первый и второй триггеры, логические элементы 4И-НЕ и 8И-НЕ, генератор импульсов, двоичный счетчик, первый и второй операционные усилители, источник опорного напряжения, компаратор, дополнительно два резистора, цифроаналоговый преобразователь, первую и вторую входные шины, а также первую и вторую выходные шины. Технический результат - повышение точностных характеристик преобразователя. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при разработке различного рода систем контроля, в частности, при проектировании автоматизированного измерительного комплекса, используемого для определения физико-механических свойств материалов методом кинетического индентирования.

Известен инвариантный измерительный мост [1]. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является преобразователь механических величин в электрический сигнал [2]. Недостатком этого преобразователя является высокая погрешность измерений в области малых линейных перемещений. Целью предлагаемого изобретения является повышение точностных характеристик преобразователя. Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь линейных перемещений в напряжение с автоматическим выбором диапазона (см. чертеж), содержащий измерительный мост, состоящий из первого и второго резисторов 2 и 3 соответственно, датчика 4 и компенсирующего элемента 5, а также инструментального усилителя 10 с подключенным к нему резистором 8, причем первый вход инструментального усилителя 10 соединен с первым выходом измерительного моста, т.е. с объединенными между собой выходом первого резистора 2 и входом датчика 4, а второй вход - с вторым выходом измерительного моста, т.е. с объединенными между собой выходом второго резистора 3 и входом компенсирующего элемента 5, дополнительно введены источник 1 питания, первый и второй триггеры 6 и 16 соответственно, логический элемент 94 И-НЕ, а также логический элемент 12 8И-НЕ. Преобразователь также дополнительно содержит двоичный счетчик 11, первый и второй операционные усилители 14 и 18 соответственно, источник 19 опорного напряжения и компаратор 20. Дополнительными компонентами преобразователя также являются третий и четвертый резисторы 15 и 17 соответственно, цифроаналоговый преобразователь 13, первую и вторую входные шины, первую и вторую выходную шины 21, 22, 23 и 24 соответственно. При этом первый выход источника 1 питания соединен с первым входом питания измерительного моста, а второй выход - с вторым входом питания этого же моста, а также с вторым входом второго операционного усилителя 18 и общей шиной. Выход инструментального усилителя 10 подключен к U_оп-входу опорного напряжения цифроаналогового преобразователя 13, первый и второй выходы которого связаны с первым и вторым входами соответственно, первого операционного усилителя 14, выходом соединенного с входом обратной связи цифроаналогового преобразователя 13 и через резистор 15 - с первым входом второго операционного усилителя 18, который также подключен через резистор 17 к объединенным между собой выходом второго операционного усилителя 18, первым входом компаратора 20 и второй выходной шиной 24. Второй вход компаратора 20 связан с выходом источника 19 опорного напряжения, а выход - с S-входом второго триггера 16, -выход которого соединен с первым входом логического элемента 9 4И-НЕ. Q-выход первого триггера 6 подключен к четвертому входу логического элемента 9 4И-НЕ и R-входам второго триггера 16 и двоичного счетчика 11. Третий вход логического элемента 9 4И-НЕ связан с выходом генератора 7 импульсов, а выход - с счетным +1-входом двоичного счетчика 11. Кодовый выход двоичного счетчика 11 соединен с кодовым входом цифроаналогового преобразователя 13, с входами логического элемента 12 8И-НЕ и первой выходной шиной 23. Выход логического элемента 12 8И-НЕ подключен к второму входу логического элемента 9 4И-НЕ. D-вход первого триггера 6 соединен с первой входной шиной 21, а С-вход - с второй входной шиной 22.

Рассмотрим работу преобразователя на его конкретном использовании в составе автоматизированного комплекса, предназначенного для определения физико-механических свойств материалов методом кинетического индентирования. В исходном состоянии первый триггер 6 с Q-выхода устанавливает логический "0" на R-входах второго триггера 16 и двоичного счетчика 11, а также на четвертом входе логического элемента 9 4И-НЕ. При этом на -выходе второго триггера 16 будет установлена логическая "1", работа логического элемента 9 4И-НЕ будет заблокирована логическим "0" на его четвертом входе. Логический "0" на R-входе двоичного счетчика 11 приведет к формированию на кодовом выходе этого счетчика кода 0...0. "Единичное" состояние первого триггера 6 разрешит работу логического элемента 9 4И-НЕ и двоичного счетчика 11, а также установку в "единичное" состояние второго триггера 16 по его S-входу. От установки калибровочного линейного перемещения на датчике 4 на выходах измерительного моста и соответственно на входах инструментального усилителя 10 будет сформировано дифференциальное напряжение, которое усилится этим усилителем и поступит на U_оп-вход цифроаналогового преобразователя 13. Необходимый коэффициент усиления инструментального усилителя 10 устанавливается путем подключения резистора 8 соответствующей величины к предусмотренным для этого входам этого усилителя. Цифроаналоговый преобразователь 13 и первый операционный усилитель 14 с их связями образуют функционально законченный цифроаналоговый преобразователь (ЦДЛ), который при подключении к нему резисторов 15 и 17, а также второго операционного усилителя 18, представляет собой усилитель с устанавливаемым коэффициентом усиления. Выходной код двоичного счетчика 11, поступающий на кодовый вход цифроаналогового преобразователя 13, определяет коэффициент этого усилителя. Импульсы с выхода генератора 7 импульсов, пройдя через разблокированный логический элемент 9 4И-НЕ на суммирующий +1-вход двоичного счетчика 11, увеличивают на "1" выходной код этого счетчика по каждому импульсу. Таким образом, выходной код цифроаналогового преобразователя 13 будет изменяться от 00 до FF₁₆ (восьмиразрядный двоичный счетчик 11). По мере увеличения кода на выходе второго операционного усилителя 18, а также на второй выходной шине 24 и первом входе компаратора 20 будет формироваться нарастающее пилообразно-ступенчатое напряжение. Величина увеличения этого напряжения по каждому импульсу составляет U=U_вх.·1/256·К_ус, где К_ус - коэффициент усиления второго операционного усилителя 18, U_вх. - напряжение на U_оп-входе цифроаналогового преобразователя 13, 1/256 - величина минимального изменения входного восьмиразрядного кода. В тот момент, когда напряжение на выходе второго операционного усилителя 18 достигнет уровня выходного напряжения источника 19 опорного напряжения, на выходе компаратора 20 установится "0", что приведет к установке в "единичное" состояние второго триггера 16 и запрету прохождения импульсов с выхода генератора 7 импульсов через логический элемент 9 4И-НЕ на суммирующий +1-вход двоичного счетчика 11. Таким образом, на выходе двоичного счетчика 11 будет зафиксирован двоичный код любой калибровочной величины линейного перемещения датчика 4 и преобразованной в электрический сигнал, величина которого максимально приближена к диапазону с минимальной погрешностью измерения. При малых величинах калибровочных линейных перемещений, не обеспечивающих достижение на выходе второго операционного усилителя 18 напряжения, превышающего величину напряжения источника 19 опорного напряжения при максимальном выходном коде FF₁₆ двоичного счетчика 11, этот код будет зафиксирован формированием на выходе логического элемента 12 8И-НЕ запрещающего сигнала.

Таким образом, компоненты преобразователя с их взаимосвязями обеспечивают автоматический выбор диапазона выходного напряжения, при котором погрешность его измерения минимальна, в полном диапазоне величин линейных перемещений.

Источники информации

[1] Патент РФ №2117304 от 27.09.93 г.

[2] Патент РФ №2071065 от 13.04.93 г.

Преобразователь линейных перемещений в напряжение с автоматическим выбором диапазона, содержащий инструментальный усилитель с подключенным к нему резистором, а также измерительный мост, состоящий из первого и второго резисторов, датчика и компенсирующего элемента, причем входы первого и второго резисторов объединены между собой и являются первым входом питания измерительного моста, выход первого резистора связан с входом датчика и первым входом инструментального усилителя, выход второго резистора соединен с входом компенсирующего элемента и вторым входом инструментального усилителя, выходы датчика и компенсирующего элемента объединены между собой и являются вторым входом питания измерительного моста, отличающийся тем, что дополнительно содержит источник питания, первый и второй триггеры, логические элементы 4И-НЕ и 8И-НЕ, генератор импульсов, двоичный счетчик, первый и второй операционные усилители, источник опорного напряжения, компаратор, третий и четвертый резисторы, цифроаналоговый преобразователь, первую и вторую входные шины, а также первую и вторую выходные шины, причем первый выход источника питания соединен с первым входом питания измерительного моста, а второй выход - с вторым входом питания этого же моста, вторым входом второго операционного усилителя и общей шиной, выход инструментального усилителя подключен к U_оп-входу опорного напряжения цифроаналогового преобразователя, первый и второй выходы которого связаны с первым и вторым входами, соответственно, первого операционного усилителя, выходом соединенного с входом обратной связи цифроаналогового преобразователя и через третий резистор - с первым входом второго операционного усилителя, который также подключен через четвертый резистор к объединенным между собой выходу второго операционного усилителя, первому входу компаратора и второй выходной шине, второй вход компаратора связан с выходом источника опорного напряжения, а выход - с S-входом второго триггера, -выход которого соединен с первым входом логического элемента 4И-НЕ, Q-выход первого триггера подключен к объединенным между собой R-входу двоичного счетчика, четвертому входу логического элемента 4И-НЕ и R-входу второго триггера, третий вход логического элемента 4И-НЕ связан с выходом генератора импульсов, а выход - с суммирующим +1-входом двоичного счетчика, кодовый выход которого соединен с кодовым входом цифроаналогового преобразователя, с входами логического элемента 8И-НЕ и первой выходной шиной, выход логического элемента 8И-НЕ подключен к второму входу логического элемента 4И-НЕ, D-вход первого триггера соединен с первой входной шиной, а С-вход - со второй входной шиной.