Устройство подключения параметрических датчиков
Использование: в телеметрических информационных системах измерения, управления и контроля различных физических величин на основе параметрических датчиков. Сущность: устройство содержит преобразователь ток - напряжение, клеммы для подключения генератора сигнала и параметрического датчика, два опорных резистора и два операционных усилителя, образующих плечи мостовой схемы. Особенностью устройства является то, что в одно из плеч мостовой схемы включено комплексное сопротивление с регулируемыми параметрами, а инвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя преобразователя ток - напряжение. Благодаря этому могут быть использованы не только резистивные, но и индуктивные и емкостные датчики; снижается влияние паразитной емкости соединительной линии. 3 ил.
Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для подключения параметрических датчиков различного типа (резистивных, индуктивных, емкостных, токовихревых и т.д.) к генератору сигнала и снятия информативных электрических сигналов для последующей обработки в различных информационно-измерительных телеметрических системах.
В большинстве известных схем для подключения параметрических датчиков на выходной сигнал значительное влияние оказывают параметры соединительной линии (индуктивность емкости и активное сопротивление). Для снижения влияния емкости кабеля [1, с.104 рис.52] используется мостовая схема с параметрическим емкостным датчиком дифференциального типа. Емкости дифференциального датчика составляют два плеча моста, два других плеча образованы или взаимосвязанными индуктивностями, или обмотками питающего трансформатора, с заземленной средней точкой, или низкоомные резисторы. Для исключения влияния емкости кабеля конденсаторы с емкостями, образованными токоведущими жилами и экранами кабелей, включают параллельно плечам отношений моста, а емкость выходного кабеля моста включена параллельно выходной диагонали моста. В некоторых случаях для снижения влияния емкости используют кабели с двойным экраном.
Недостатком рассмотренной схемы является влияние на выходной сигнал индуктивности и сопротивления кабеля, а также ограничения области применения дифференциальными емкостными датчиками.
С развитием техники интегральных операционных усилителей в схемах для подключения параметрических датчиков стали применяться мостовые цепи с автоматическим статическим уравновешиванием [2, с.58 рис.3.9]. Для случая измерения температуры параметрический датчик в виде медного терморезистора включается в одно из плеч моста, другие плечи образованы опорными резисторами с высокой термостабильностью. В качестве основного элемента схемы уравновешивания применен повторитель напряжения на операционном усилителе. Для устранения влияния на результат измерения сопротивления соединительной линии используют трех- или пяти-проводные соединительные линии [3, с.81 рис.2.14]. Кроме сложности соединительной линии (увеличение числа проводов) недостатком таких схем является их неприменимость для работы на переменном токе с индуктивными и емкостными датчиками.
В схеме для подключения параметрического датчика емкостного типа дифференциальный емкостной датчик непосредственно включается в мостовые измерительные цепи обычно с индуктивно-связанными цепями [2, с.145...146, рис.7.13.а]. Выходной сигнал подан на вход повторителя напряжения, выполненного на операционном усилителе. Емкости экранирующих проводов включены параллельно полуобмоткам трансформатора и не оказывают влияния. Для снижения влияния емкости кабеля, соединяющего датчик с выходным усилителем, применяется метод эквипотенциальной защиты и кабель с двойным экраном. Наружный экран подсоединен к земле, а внутренний к выходу повторителя напряжения. Ток с центрального на внутренний экран отсутствует. Емкость между внутренним и внешним экранами шунтируется малым выходным сопротивлением повторителя напряжения. Недостатками схемы являются ограниченные функциональные возможности (схема применима только для дифференциальных датчиков) и невысокая точность из-за влияния на выходной сигнал индуктивности и активного сопротивления линии связи.
Наиболее близким к предлагаемому устройству техническим решением является схема для точной обработки сигнала с параметрического тензорезистивного датчика [4, с.8...9, рис.4], содержащая (фиг.1) генератор сигнала ГС, симметричность выходного сигнала которого поддерживается с помощью сервисного операционного усилителя А1. Генератор сигнала ГС1 через клеммы 1К1 и 3К1 запитывает диагональ мостовой схемы, образованной опорными резисторами 2 и 3, повторителями напряжения на операционных усилителях 4 и 5 и двумя частями параметрического резистивного датчика ПД6 через клеммы К6. Выходной ток мостовой схемы преобразуется в напряжение с помощью преобразователя ток-напряжение ПТН7. Устранение влияния соединительных проводов при дистанционном измерении осуществляется, как и ранее, использованием трехпроводной линии связи (отдельными проводами соединяются с датчиком инвертирующий вход и выход операционных усилителей 4 и 5).
Недостатки рассмотренной схемы:
- ограниченные функциональные возможности, схема пригодна для подключения параметрических датчиков только резистивного типа;
- невысокая точность вследствие значительных погрешностей из-за влияния индуктивности и емкости соединительной линии при воздействии на схему переменного тока.
Предлагаемое изобретение направлено на расширение функциональных возможностей и повышение точности за счет устранения влияния параметров соединительной линии.
Это достигается тем, что в одно из плеч мостовой схемы для подключения параметрических датчиков, содержащей преобразователь ток-напряжение, клеммы для подключения генератора сигнала и параметрического датчика, два опорных резистора и два операционных усилителя, образующих плечи мостовой схемы, включено комплексное сопротивление с регулируемыми параметрами, причем первая клемма для подключения параметрического датчика соединена с инвертирующим входом первого операционного усилителя, охваченного отрицательной обратной связью через первый опорный резистор, и неинвертирующим входом операционного усилителя преобразователя ток-напряжение, вторая клемма для подключения параметрического датчика соединена с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, охваченного стопроцентной отрицательной обратной связью, и клеммой для подключения генератора сигнала, выход первого операционного усилителя через комплексное сопротивление с регулируемыми параметрами соединен с инвертирующим входом операционного усилителя преобразователя ток-напряжение и одним из выводов второго опорного резистора, второй вывод которого соединен с выходом второго операционного усилителя; клеммы для подсоединения экранирующих оплеток соединительной линии и общей шины генератора сигнала соединены с общей шиной устройства для подключения параметрических датчиков.
Введение новых элементов и связей расширяет функциональные возможности (позволяет осуществить подключение и преобразование параметров не только резистивных, но индуктивных и емкостных параметрических датчиков) и повышает точность преобразования. Повышение точности достигается за счет введения комплексного сопротивления с регулируемыми параметрами, что снижает аддитивную составляющую погрешности из-за влияния сопротивления и индуктивности соединительной линии. Снижение погрешности из-за влияния паразитной емкости соединительной линии достигается соединением инвертирующего входа первого операционного усилителя с неинвертирующим входом операционного усилителя преобразователя ток напряжение.
На фиг.2 приведена функциональная схема заявляемого устройства.
На фиг.3 приведена схема, поясняющая принцип компенсации параметров линии связи.
Устройство (фиг.2) содержит клеммы К1 для подключения генератора сигнала 1, первый 2 и второй 3 опорные резисторы, первый 4 и второй 5 операционные усилители, клеммы К6 для подключения параметрического датчика ПД6 через линию связи ЛС, преобразователь ток-напряжение 7, комплексное сопротивление 8 с регулируемыми параметрами. Для удобства рассмотрения на схеме приведены представленный эквивалентной схемой параметрический индуктивный датчик ПД, линия связи ЛС, генератор сигнала ГС. По этой же причине раскрыта структура преобразователя ток-напряжение: выделены операционный усилитель ОУЗ и опорный резистор R03.
Первая клемма 2К6 для подключения параметрического датчика индуктивного типа соединена с инвертирующим входом первого операционного усилителя 4, охваченного отрицательной обратной связью через первый опорный резистор 2, и неинвертирующим входом операционного усилителя ОУЗ преобразователя ток-напряжение 7, вторая клемма 3К6 для подключения параметрического датчика соединена с неинвертирующим входом второго операционного усилителя 5, охваченного стопроцентной отрицательной обратной связью, и клеммой 1К1 для подключения генератора сигнала 1, выход первого операционного усилителя 4 через комплексное сопротивление 8 с регулируемыми параметрами соединен с инвертирующим входом операционного усилителя ОУЗ преобразователя ток-напряжение 7 и одним из выводов второго опорного резистора 3, второй вывод которого соединен с выходом второго операционного усилителя 5; клеммы 1К6 для подключения экранирующих оплеток соединительной линии и общей шины 2К1 генератора сигнала 1 соединены с общей шиной устройства для подключения параметрических датчиков.
Устройство работает следующим образом.
С выхода задающего генератора сигнала ГС1 снимается синусоидальный опорный сигнал:
где U0 - амплитуда; ω0 - угловая частота опорного сигнала на выходе генератора сигнала ГС.
На выходе первого операционного усилителя 4, охваченного ООС через первый опорный резистор 2, имеем сигнал, определяемый параметрами параметрическою датчика ПД индуктивного типа и соединительной линии СЛ (подробнее см. приложение 1):
где R0 - значение сопротивления первого опорного резистора 2; ϕ1(R01; Z∑) - сдвиг фаз напряжения на выходе первого операционного усилителя 4;
ZЛ=RЛ+ω0·LЛ, RЛ и LЛ - полное комплексное, активное сопротивление и индуктивность соединительной линии СЛ; ZДО=(R+ω0·L)/ω0·C(R+ω0L+1/ω0С) - полное комплексное сопротивление параметрического датчика ПД индуктивного типа в исходном состоянии; ΔZД - изменение комплексного сопротивления параметрического датчика ПД индуктивного типа, вызванное воздействием измеряемой величины, в исходном состоянии ΔZД=0; Z∑=ZЛ+ZД - суммарное комплексное сопротивление, включенное во входную цепь первого операционного усилителя 4, охваченного ООС через первый опорный резистор 2.
Второй операционный усилитель 5 включен в режиме повторителя напряжения и повторяет выходной сигнал генератора сигнала ГС1, обеспечивая согласование сопротивлений и предотвращая самовозбуждение и переход схемы в режим генерации.
Выходное напряжение операционного усилителя ОУЗ преобразователя ток-напряжение 7 можно представить в виде:
где R02 и R03 - соответственно значения сопротивлений второго опорного резистора 3 и резистора в цепи ООС операционного усилителя ОУЗ преобразователя ток-напряжение 7; Zk - значение полного комплексного сопротивления 8 с регулируемыми параметрами.
При отсутствии воздействия на вход параметрического датчика это напряжение должно быть равно нулю:
Выполнение этого равенства достигается выбором и регулировкой параметров комплексного сопротивления 8 с регулируемыми параметрами (см. приложение 1). Выходное напряжение преобразователя ток-напряжение 7 равно нулю:
UПТН7(t)=0, когда 
и ϕ′1(R01; Z∑)+ϕ2(R03; Zk)=0, т.е. комплексное сопротивление 8 должно регулироваться по двум параметрам, компенсируя модуль и фазу выходного напряжения преобразователя ток-напряжение 7.
При воздействии входной величины на параметрический датчик ПД появляется сигнал рассогласования:
Например, в индуктивных токовихревых вибродатчиках [5] изменение полного сопротивления обратно пропорционально отклонению (перемещению) объекта. При наиболее простой гармонической вибрации с малой амплитудой:
где δ - отклонение объекта; k1 - коэффициент пропорциональности; Ω - частота вибрации.
На выходе преобразователя ток-напряжение 7 имеем сигнал:
интенсивность которого изменяется пропорционально отклонению объекта от исходного положения.
Для подключения параметрического датчика емкостного типа одна из клемм 3К6 для подключения параметрического датчика отсоединяется от клеммы 1К1 для подключения генератора сигнала ГС1 и подсоединяется к выходу первого операционного усилителя 4, к инвертирующему входу которого подключен первый опорный резистор 2, отсоединенный от выхода первого операционного усилителя 4 и соединенный с клеммой 1К1 для подключения генератора сигнала ГС1, выход первого операционного усилителя 4 через второй опорный резистор 3 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя преобразователя ток-напряжение 7 и одним из выводов комплексного сопротивления 8 с регулируемыми параметрами, второй вывод которого соединен с выходом второго операционного усилителя 5. Работа устройства аналогична рассмотренной.
В приложении 1 дан полный вывод уравнения преобразования заявляемого устройства.
При составлении описания учтены литературные источники [6, с.216...246], [7, с.21...41; 76...112].
Литература
1. Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара: Справочник. В 2-х кн. Кн.1 / Под ред. В.В.Клюева. - М.: Машиностроение, 1978. - 448 с.
2. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения неэлектрических величин: (Измерительные преобразователи). Уч. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат ЛО, 1983. - 320 с.
3. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - 2-е изд. - Л.: Энергоатомиздат ЛО, 1988. - 304 с.
4. Применение развязывающих усилителей для точной обработки сигналов с датчиков. (Приборы и элементы автоматики и вычислительной техники. Экспресс-информация. - М.: ВИНИТИ, 1992, вып.11. - С. 2...11 (фиг.1 - прототип).)
5. Герасимов В.Г., Клюев В.В., Шатерников В.Е. Методы и приборы электромагнитною контроля промышленных изделий. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 272 с.
6. Дж.Фрайден. Современные датчики. Справочник. Серия: Мир электроники. - М.: Техносфера, 2005. - 592 с.
7. Основы построения информационно-измерительных систем: Пособие по системной интеграции / Под ред. Свиридова В.Г. - М.: Изд-во МЭИ, 2004. - 268 с.
Приложение 1
На фиг.3 приведена схема, поясняющая принцип компенсации параметров линии связи (сопротивление 2ZЛ) и начальных параметров параметрического датчика ПД индуктивного типа (сопротивление ZДО). Как видно из начертания, это уравновешенная относительно выходной диагонали (инвертирующие входы первого операционного усилителя 4 и операционного усилителя преобразователя ток-напряжение 7) мостовая схема, плечи которой составляют следующие элементы: первое плечо - сопротивление Z1 (параметрический датчик ПД индуктивного типа и линии связи ЛС сопротивлением ZДО+2ZЛ); второе плечо - сопротивление Z2 (первый опорный резистор 2 сопротивлением R01 с параллельно включенным операционным усилителем 4); третье плечо - сопротивление Z3 (операционный усилитель 5 и второй опорный резистор 3 сопротивлением R′′0); четвертое плечо - сопротивление Z4 (комплексное сопротивление 8 с регулируемыми параметрами сопротивлением Zk). Уравнения выходных напряжений имеют вид. Выходное напряжение первого операционного усилителя 4:
где U0 - амплитуда выходного напряжения генератора сигнала ГС1.
Напряжение на выходе операционного усилителя ОУЗ преобразователя ток-напряжение 7:
где UПН5 - напряжение на выходе второго операционного усилителя (повторителя напряжения) 5; ZМ - выходное сопротивление мостовой схемы.
Для балансировки мостовой схемы необходимо, чтобы:
или (ZДО+2ZЛ)·Z4-Z2·Z3=0. При Z2=R01 и Z3=R02 произведение сопротивлений плеч должно быть положительным (ZДО+2ZЛ)·Z4>0, т.е. параметры линии связи ЛС и параметрического датчика ПД индуктивного типа можно скомпенсировать только параллельной RC цепью с переменными параметрами (фиг.3).
Если мостовая схема уравновешена, то сигнал рассогласования, с учетом конкретной схемы, можно определить по формуле:
С учетом этого чувствительность схемы относительно информативного параметра (индуктивности параметрического датчика ПД):
В абсолютных единицах:
Таким образом, выходное напряжение операционного усилителя преобразователя ток-напряжение 7 определяет изменение индуктивности параметрического датчика ПД.
Устройство подключения параметрических датчиков, содержащее преобразователь ток-напряжение, клеммы для подключения генератора сигнала и параметрического датчика, два опорных резистора и два операционных усилителя, образующих плечи мостовой схемы, отличающееся тем, что в одно из плеч мостовой схемы включено комплексное сопротивление с регулируемыми параметрами, причем первая клемма для подключения параметрического датчика соединена с инвертирующим входом первого операционного усилителя, с первым опорным резистором в цепи отрицательной обратной связи и неинвертирующим входом операционного усилителя преобразователя ток-напряжение, вторая клемма для подключения параметрического датчика соединена с неинвертирующим входом второго операционного усилителя со стопроцентной отрицательной обратной связью, и клеммой для подключения генератора сигнала, выход первого операционного усилителя через комплексное сопротивление с регулируемыми параметрами соединен с инвертирующим входом операционного усилителя преобразователя ток-напряжение и одним из выводов второго опорного резистора, второй вывод которого соединен с выходом второго операционного усилителя.
