Преобразователь величины силы воздействия в напряжение

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. Преобразователь величины силы воздействия в напряжение содержит инструментальный усилитель с подключенным к нему первым резистором, а также измерительный мост, состоящий из второго и третьего резисторов, датчика и компенсирующего элемента. Преобразователь также содержит источник питания, генератор импульсов, первый и второй логические элементы 4 И-НЕ. В преобразователь введены двоичный реверсивный счетчик, цифроаналоговый преобразователь, первый и второй источники опорного напряжения, логические элементы 8 И-НЕ и 8 ИЛИ. Добавлены буферный формирователь, первый и второй операционные усилители, первый и второй компараторы, четвертый и пятый резисторы. Преобразователь дополнительно содержит входную шину, первую и вторую выходную шины. Техническим результатом изобретения является повышение точностных характеристик. 1 ил.

 

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

Известен инвариантный измерительный мост [1]. Известен также преобразователь механических величин в электрический сигнал, представляющий собой наиболее близкое техническое решение к предлагаемому изобретению [2].

Основным недостатком этого преобразователя является высокая погрешность измерений малых сигналов. Этот недостаток значительно снижает точностные характеристики преобразователя.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точностных характеристик во всем диапазоне измеряемых величин. Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь величины силы воздействия в напряжение, далее - преобразователь, содержащий инструментальный усилитель 8 с подключенным к нему первым резистором 6, а также измерительный мост, состоящий из второго и третьего резисторов 2 и 3, соответственно, датчика 4 и компенсирующего элемента 5, причем входы второго и третьего резисторов 2 и 3, соответственно, объединены между собой и являются первым входом питания измерительного моста, выход второго резистора 2 связан с входом датчика 4 и первым входом инструментального усилителя 8, выход третьего резистора 3 соединен с входом компенсирующего элемента 5 и вторым входом инструментального усилителя 8, выходы датчика 4 и компенсирующего элемента 5 объединены между собой и являются вторым входом питания измерительного моста. Преобразователь дополнительно содержит источник 1 питания, генератор 7 импульсов, первый и второй логические элементы 9 и 10, соответственно, 4И-НЕ. В преобразователь также введены двоичный реверсивный счетчик 11, цифроаналоговый преобразователь 12, первый и второй источники 13 и 14, соответственно, опорного напряжения, логические элементы 15 и 17 8И-НЕ и 8ИЛИ, соответственно. В преобразователь также добавлены буферный формирователь 16, первый и второй операционные усилители 18 и 23, соответственно, первый компаратор 19, а также второй компаратор 20, четвертый и пятый резисторы 21 и 22, соответственно. Преобразователь также дополнительно содержит входную шину 24, первую выходную шину 25 и вторую выходную шину 26. Первый выход источника 1 питания соединен с первым входом питания измерительного моста, а второй выход - с вторым входом питания измерительного моста и общей шиной. Выход инструментального усилителя 8 подключен к U_оп - входу цифроаналогового преобразователя 12, выходы которого связаны с входами первого операционного усилителя 18. Выход первого операционного усилителя 18 соединен с входом обратной связи цифроаналогового преобразователя 12 и через четвертый резистор 21 - с первым входом второго операционного усилителя 23. Первый вход второго операционного усилителя 23 подключен через пятый резистор 22 с объединенными между собой выходом второго операционного усилителя 23, первыми входами первого и второго компараторов 19 и 20, соответственно, и второй выходной шиной 26. Вторые входы первого и второго компараторов 19 и 20, соответственно, связаны с выходами первого и второго источников 13 и 14, соответственно, опорного напряжения. Выходы первого и второго компараторов 19 и 20, соответственно, соединены с четвертыми входами второго и первого логических элементов 10 и 9, соответственно, 4И-НЕ, а третьи входы этих элементов подключены к выходам логических элементов 17 и 15, соответственно, 8ИЛИ и 8И-НЕ. Выход первого логического элемента 9 4 И-НЕ связан с+1-входом двоичного реверсивного счетчика 11, -1-вход этого счетчика подключен к выходу второго логического элемента 10 4И-НЕ. Кодовый выход двоичного реверсивного счетчика 11 связан с объединенными между собой входами логического элемента 15 8И-НЕ, логического элемента 17 8ИЛИ, буферного формирователя 16 и цифроаналогового преобразователя 12. Первые входы первого и второго логических элементов 9 и 10, соответственно, 4И-НЕ соединены с входной шиной 24, а вторые - с выходом генератора 7 импульсов. Второй вход второго операционного усилителя 23 связан с общей шиной, а кодовые выходы буферного формирователя 16 подключены к первой выходной шине 25.

Преобразователь работает следующим образом. При отсутствии силы воздействия на датчик 4 на выходе измерительного моста и, соответственно, на входе инструментального усилителя 8 дифференциальное напряжение будет равно нулю. Это приведет к формированию нулевого уровня на выходе инструментального усилителя 8 и, соответственно, на U_оп - входе цифроаналогового преобразователя 12. Цифроаналоговый преобразователь 12, операционные усилители 18 и 23, а также резисторы 21 и 22 с представленными на чертеже их взаимосвязями образуют управляемый усилитель, коэффициент усиления которого определяется величиной кода, поступающего на вход цифроаналогового преобразователя 12 с кодового выхода двоичного реверсивного счетчика 11. Нулевой уровень с U_оп - входа цифроаналогового преобразователя 12 поступит на первые входы первого и второго компараторов 19 и 20, соответственно. Выходное напряжение второго источника 14 опорного напряжения устанавливается ниже максимально допустимого напряжения на выходной шине 26, тогда нулевой уровень на первом входе второго компаратора 20 сформирует разрешающий сигнал на выходе этого компаратора и, соответственно, на четвертом входе первого логического элемента 9 4И-НЕ. При наличии разрешающего сигнала на входной шине 24 и выходного кода, не равного 11...1, двоичного реверсивного счетчика 11 импульсы с выхода генератора 7 импульсов через первый логический элемент 9 4И-НЕ будут поступать на +1-вход двоичного реверсивного счетчика 11, увеличивая его выходной код на «единицу» с каждым импульсом. При достижении величины этого кода значения 11...1 коэффициент усиления управляемого усилителя будет максимальным, а на выходе логического элемента 158 И-НЕ будет сформирован сигнал, который запретит прохождение импульсов с выхода генератора 7 импульсов через первый логический элемент 9 4И-НЕ на +1-вход двоичного реверсивного счетчика 11. При воздействии силы на датчик 4 на выходе измерительного моста формируется дифференциальное напряжение, которое усиливается инструментальным усилителем 8, коэффициент усиления которого определяется величиной первого резистора 6, и далее усиливается управляемым усилителем с установленным максимальным коэффициентом усиления (код 11...1). Выходное напряжение источника 13 опорного напряжения равно максимально допустимому напряжению на второй выходной шине 26 и при достижении усиленного дифференциального напряжения с выхода измерительного моста величины, равной величине выходного напряжения первого источника 13 опорного напряжения, на выходе первого компаратора 19 будет сформирован сигнал, который, при наличии разрешающего сигнала на входной шине 24, обеспечит прохождение импульсов с выхода генератора 7 импульсов через второй логический элемент 10 4И-НЕ на -1-вход реверсивного двоичного счетчика 11. Очередным импульсом выходной код двоичного реверсивного счетчика 11 будет уменьшен на «единицу», что приведет к уменьшению коэффициента усиления управляемого усилителя и, соответственно, уменьшению напряжения на второй выходной шине 26 и первых входах первого и второго компараторов 19 и 20, соответственно, до величины ниже порога срабатывания этих компараторов. Дальнейшее увеличение дифференциального напряжения с выхода измерительного моста вновь приведет к уменьшению выходного кода двоичного реверсивного счетчика 11 и, соответственно, уменьшению коэффициента усиления управляемого усилителя. Уменьшение же дифференциального напряжения с выхода измерительного моста ниже порога срабатывания второго компаратора 20 приведет к формированию на выходе этого компаратора сигнала, разблокирующего первый логический элемент 9 4И-НЕ, в результате чего очередным импульсом с выхода генератора 7 импульсов выходной код двоичного реверсивного счетчика 11 будет увеличен и, соответственно, увеличен коэффициент усиления управляемого усилителя. Таким образом, во всем диапазоне дифференциальных напряжений на второй выходной шине 26 будет автоматически поддерживаться напряжение, по величине предельно близкое к максимальному, а на выходной шине 25 - двоичный код коэффициента усиления управляемого усилителя, на который необходимо разделить величину напряжения на второй выходной шине 26 для получения ее действительного значения. Логический элемент 17 8ИЛИ необходим для запрета дальнейшего вычитания двоичным реверсивным счетчиком 11 после формирования кода 00...0 на его выходе. Для получения однозначного кода на первой выходной шине 25 на входной шине 24 устанавливается логический "0", который блокирует первый и второй логические элементы 9 и 10, соответственно, 4И-НЕ, исключая переходные процессы двоичного реверсивного счетчика 11 на время действия этого логического "0".

Источники информации

1. Патент РФ №2117304 от 27.09.93 г.

2. Патент РФ №2071065 от 13.04.93 г.

Преобразователь величины силы воздействия в напряжение, содержащий инструментальный усилитель с подключенным к нему первым резистором, а также измерительный мост, состоящий из второго и третьего резисторов, датчика и компенсирующего элемента, причем входы второго и третьего резисторов объединены между собой и являются первым входом питания измерительного моста, выход второго резистора связан с входом датчика и первым входом инструментального усилителя, выход третьего 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, генератор импульсов, первый и второй логические элементы 4И-НЕ, двоичный реверсивный счетчик, логические элементы 8И-НЕ и 8ИЛИ, первый и второй источники опорного напряжения, первый и второй компараторы, цифроаналоговый преобразователь, первый и второй операционные усилители, четвертый и пятый резисторы, буферный формирователь, входную шину, а также первую и вторую выходные шины, при этом первый выход источника питания соединен с первым входом питания измерительного моста, второй выход - с вторым входом питания измерительного моста и общей шиной, выход инструментального усилителя подключен к U_оп - входу цифроаналогового преобразователя, первый выход которого связан с первым входом первого операционного усилителя, второй выход - с вторым входом первого операционного усилителя, выходом соединенного с входом обратной связи цифроаналогового преобразователя и через четвертый резистор - с первым входом второго операционного усилителя, первый вход второго операционного усилителя также подключен через пятый резистор к объединенным между собой выходом второго операционного усилителя, первыми входами первого и второго компараторов и второй выходной шиной, вторые входы первого и второго компараторов связаны с выходами первого и второго источников опорного напряжения соответственно выходы первого и второго компараторов соединены с четвертыми входами второго и первого логических элементов 4И-НЕ, соответственно, третьи входы первого и второго логических элементов, соответственно, 4И-НЕ подключены к выходам логических элементов 8И-НЕ и 8ИЛИ соответственно выход первого логического элемента 4И-НЕ связан с+1-входом двоичного реверсивного счетчика, а выход второго логического элемента 4И-НЕ - с-1-входом двоичного реверсивного счетчика, кодовым выходом подключенного к объединенным между собой входам логических элементов 8И-НЕ и 8ИЛИ, а также буферного формирователя и цифроаналогового преобразователя, первые входы первого и второго логических элементов 4И-НЕ соединены с входной шиной, а вторые - с выходом генератора импульсов, кодовые выходы буферного формирователя подключены к первой выходной шине.