Быстродействующий датчик физических величин с потенциальным выходом



Быстродействующий датчик физических величин с потенциальным выходом
Быстродействующий датчик физических величин с потенциальным выходом
Быстродействующий датчик физических величин с потенциальным выходом
Быстродействующий датчик физических величин с потенциальным выходом
Быстродействующий датчик физических величин с потенциальным выходом

 


Владельцы патента RU 2517682:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") (RU)

Изобретение относится к области информационно-измерительной техники и автоматики и может быть использовано в датчиках, обеспечивающих измерение различных физических величин. Техническим результатом является повышение быстродействия датчика за счет минимизации влияния внутренней емкости 2 сенсора 1 на переходный процесс, связанный со «скачкообразным» изменением измеряемой величины. Быстродействующий датчик физических величин с потенциальным выходом содержит сенсор (1) с внутренней емкостью (2) и внутренним сопротивлением (3), включенный по переменному току между входом (4) инвертирующего буферного усилителя напряжения (5), выход (6) которого является выходом устройства, и общей шиной источника питания (7). Выход устройства (6) соединен со входом (4) инвертирующего буферного усилителя напряжения (5) через последовательно соединенные корректирующий конденсатор (8) и дополнительный инвертирующий усилитель тока (9). 4 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области информационно-измерительной техники и автоматики и может быть использовано в датчиках, обеспечивающих измерение различных физических величин.

По физической природе измеряемых сигналов датчики классифицируются на электрические, электромагнитные, акустические, оптические и т.д., и, в этой связи, они присутствуют в разных классах МПК. Заявляемое техническое решение относится одновременно ко многим из перечисленных датчиков, выходной электрический сигнал которых функционально связан с измеряемым физическим параметром тех или иных объектов техники, физики, химии, биологии, медицины, ближнего и дальнего космоса и т.п. [1-18].

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является датчик физических величин (светового потока) с потенциальным выходом, представленный в патенте US 6.906.325, который содержит сенсор 1 (фотодиод) с внутренней емкостью 2 и внутренним сопротивлением 3, включенный по переменному току между входом 4 инвертирующего буферного усилителя напряжения 5, выход 6 которого является выходом устройства, и общей шиной источника питания 7.

Аналогичную архитектуру имеют датчики других направлений измерительной техники - акселерометры, датчики температуры, датчики деформации, датчики оптического излучения, датчики удара, радиации, датчики акустических сигналов, датчики тока и т.п.

Существенный недостаток известного датчика-прототипа состоит в том, что его быстродействие ограничивается внутренней емкостью 2, являющейся неотъемлемой частью сенсорного элемента 1, генерирующего электрический сигнал, пропорциональный измеряемой физической величине.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении быстродействия датчика за счет минимизации влияния внутренней емкости 2 сенсора 1 на переходный процесс, связанный со «скачкообразным» изменением измеряемой величины.

Поставленная задача решается тем, что в датчике физических величин с потенциальным выходом фиг.2, содержащем сенсор 1 с внутренней емкостью 2 и внутренним сопротивлением 3, включенный по переменному току между входом 4 инвертирующего буферного усилителя напряжения 5, выход 6 которого является выходом устройства, и общей шиной источника питания 7, предусмотрены новые элементы и связи - выход устройства 6 соединен со входом 4 инвертирующего буферного усилителя напряжения 5 через последовательно соединенные корректирующий конденсатор 8 и дополнительный инвертирующий усилитель тока 9.

На чертеже фиг.1 приведена схема устройства-прототипа.

На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.

На чертеже фиг.3 приведена практическая схема датчика на инвертирующих функциональных узлах в среде PSpice.

На чертеже фиг.4 показана зависимость времени установления выходного импульса напряжения датчика от значения емкости Ck при сопротивлении R0=10Ком и ΔIф=ΔI1=60 мкА. Из рисунка видно, что за счет введения новых связей время установления переходного процесса выходного напряжения уменьшается. Чем ближе значение Ck=C8 к C2, тем меньше становится tуст. При Ck=C8≈C0 время установления уменьшается на несколько порядков.

Быстродействующий датчик физических величин с потенциальным выходом (фиг.2) содержит сенсор 1 с внутренней емкостью 2 и внутренним сопротивлением 3, включенный по переменному току между входом 4 инвертирующего буферного усилителя напряжения 5, выход 6 которого является выходом устройства, и общей шиной источника питания 7. Выход устройства 6 соединен со входом 4 инвертирующего буферного усилителя напряжения 5 через последовательно соединенные корректирующий конденсатор 8 и дополнительный инвертирующий усилитель тока 9.

Рассмотрим работу датчиков фиг.1 и фиг.2.

Комплексная передаточная функция и верхняя граничная частота fВ (по уровню -3 дБ) датчика физических величин - прототипа фиг.1 определяются формулами

W ( j ω ) = U ˙ в ы х I ˙ ф = R 3 1 + j ω τ в , ( 1 )

f в = 1 2 π τ в , ( 2 )

где τв=R3C2 - постоянная времени сенсора 1;

R3 - эквивалентное внутреннее сопротивление сенсора 1, учитывающее входное сопротивление инвертирующего буферного усилителя напряжения 5;

C2 - внутренняя емкость сенсора 1.

В заявляемой схеме фиг.2 аналогичная передаточная функция

W ( j ω ) = R 3 1 + j ω C 2 R 3 ( 1 K ˙ i K ˙ y C 8 C 2 ) τ в , ( 3 )

где K ˙ i 1 - комплексный коэффициент передачи по току дополнительного инвертирующего усилителя тока 9;

K y 1 - комплексный коэффициент передачи по напряжению инвертирующего буферного усилителя напряжения 5;

C2, C8 - внутренняя емкость 2 и емкость корректирующего конденсатора 8.

Если в рабочем диапазоне частот обеспечить K ˙ y = K y 1 , K ˙ i = K i 1 , C8=C2, то в схеме фиг.2 реализуется в N-раз более высокие значения верхней граничной частоты

f в * 1 2 π С 2 R 3 ( 1 T ) , ( 4 )

N = f в * f в 1 1 T > > 1, ( 5 )

где f в * , f в - верхние граничные частоты предлагаемого ( f в * ) и известного ( f в ) устройств;

T = K i K y C 8 C 2 1 - петлевое усиление.

По мере приближения расчетных значений f в * заявляемого устройства к верхним граничным частотам инвертирующего буферного усилителя напряжения 5 (fв5) и дополнительного инвертирующего усилителя тока 9 (fв9) эффективность заявляемого устройства будет уменьшаться. Однако практическая реализация данных функциональных узлов с f в 5 > > f в * и f в 9 > > f в * , имеющих единичное усиление, не вызывает проблем для многих применений схемы фиг.2 с различными типами сенсоров 1.

Существенное увеличение f в * заявляемого устройства соответствует (во временной области) существенному уменьшению времени установления переходного процесса tуст (фиг.4), что характерно для линейных систем.

Таким образом, предлагаемый датчик характеризуется более высоким быстродействием.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патентная заявка US 2007/0126507.

2. Патент US 5.661.435, fig.1.

3. Патент US 6.714.082, fig.2.

4. Патент US 5.889.605, fig.1.

5. Патентная заявка US 2008/0309407.

6. Патент US 4.492.931, fig.2.

7. Патентная заявка US 2006/0109057, fig.1.

8. Патентная заявка US 2006/0220747.

9. Патентная заявка US 2010/0312080.

10. Патент RU 2339973, fig.2А.

11. Патент US 7.547.902.

12. Патент US 7.343.103.

13. Патент US 7.167.655.

14. Патентная заявка US 2008/0075473, fig.1.

15. Патент US 4.674.093, fig.1.

16. Патент US 5.343.034, fig.2.

17. Патент EP 0165312, fig.1.

18. Патент EP 0720729, fig.2.

Быстродействующий датчик физических величин с потенциальным выходом, содержащий сенсор (1) с внутренней емкостью (2) и внутренним сопротивлением (3), включенный по переменному току между входом (4) инвертирующего буферного усилителя напряжения (5), выход (6) которого является выходом устройства, и общей шиной источника питания (7), отличающийся тем, что выход устройства (6) соединен со входом (4) инвертирующего буферного усилителя напряжения (5) через последовательно соединенные корректирующий конденсатор (8) и дополнительный инвертирующий усилитель тока (9).



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области автоматики и телемеханики и может быть использовано в аппаратуре автоматической локомотивной сигнализации. Технический результат заключается в повышении достоверности работы приемника.

Изобретение относится к области систем передачи и приема дискретных сигналов. .

Изобретение относится к телеметрии и может быть использовано в системах передачи данных по каналам связи при летных испытаниях баллистических ракет (БР) и ракетно-космической техники (РКТ).

Изобретение относится к области контрольных устройств (систем) и может быть использовано при конструировании систем экологического мониторинга городов и регионов.

Изобретение относится к области воздушного мониторинга с применением беспилотных летательных аппаратов, и может быть использовано в системах дистанционного контроля состояния особо важных объектов различной конфигурации.

Изобретение относится к области геофизических исследований буровых скважин, в частности к способам передачи сигналов измерения из скважины на поверхность и может быть использовано в реализации протоколов связи цифровых связочных приборов.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для оперативного цифрового измерения угловых перемещений в условиях действия интенсивных электромагнитных помех от исполнительных устройств роботов.

Изобретение относится к системам, диагностирующим состояние железнодорожных устройств автоматики и телемеханики. .

Изобретение относится к экологическим системам сбора и обработки информации и может быть использовано для проведения мониторинга атмосферного воздуха промышленного региона.

Изобретение относится к области геофизических и геолого-технологических исследований скважин, в частности к способам передачи сигналов измерения из скважины на поверхность или между модулями станции геолого-технологического контроля, и может быть использовано для организации связи по кабельным, оптоволоконным и беспроводным каналам связи, а также при записи информации на цифровые носители. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости. Для этого в способе передачи информации, включающем передачу массива информации в виде пакетов, состоящих из слов данных, где каждый бит в каждом слове данных закодирован прямым и инверсным значением, согласно решению передача массива информации идет непрерывно в виде симметричного относительно нулевого уровня периодического непрерывного двухчастотного двухуровневого сигнала, при этом для разделения пакетов данных используют логический маркер, состоящий из битов, физически не отличающихся от остальных битов пакета. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к системе дистанционного управления железнодорожным транспортным средством. Технический результат заключается в повышении безопасности системы дистанционного управления, а именно в блокировании работы локомотива по командам от устройства дистанционного управления, которое еще не взяли в руку или которое уронили, т.е. с которым нет контакта оператора. Предлагаемая система дистанционного управления содержит устройство дистанционного управления, в котором использована гаптическая технология, выполненное с возможностью передачи сигналов на первый контроллерный модуль. Упомянутый первый контроллерный модуль установлен на железнодорожном транспортном средстве и выполнен с возможностью управления железнодорожным транспортным средством и осуществления текущего контроля его функций. Первый контроллерный модуль выполнен также с возможностью передачи информации на устройство дистанционного управления. Предлагаемая система дистанционного управления может также содержать переносный аварийный коммутатор, обеспечивающий для всякого индивидуума, находящегося вблизи железнодорожного транспортного средства, возможность передачи на первый контроллерный модуль сигнала остановки для остановки железнодорожного транспортного средства при возникновении опасной ситуации. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к телеметрии и может быть использовано в системах передачи данных по каналам связи. Достигаемый технический результат изобретения заключается в обеспечении 1) синфазности непосредственно сформированного и задержанного на время T0 сигнала с относительной фазовой модуляцией (ОФМ) при передаче символов «1» двоичного кода передаваемых сообщений; 2) в противофазности сформированного и задержанного на время T0 сигнала с ОФМ при передаче символов «0» двоичного кода передаваемых сообщений. Достигаемый технический результат также проявляется 1) в увеличении соотношения сигнал/шум на входе демодулятора сигналов при передаче символов «1» двоичного кода и компенсации помех при детектировании символов «0»; 2) в возможности уплотнения сигналов с ОФМ и частотной модуляцией (ЧМ) за счет того, что на передающей стороне они сменяют друг друга в соответствии с формируемыми уровнями логического двоичного кода, а при приеме временные интервалы отсутствия одной из частот ЧМ замещают соответствующими синусоидальными или косинусоидальными гармоническими колебаниями, вырабатываемыми местными генераторами частот. В способе на передающей стороне фазовую манипуляцию заменяют относительной фазовой модуляцией (ОФМ) первой и второй несущих частот, после чего формируют частотную модуляцию путем подключения к радиоканалу первой и второй несущей с относительной фазовой модуляцией по закону изменения основного цифрового группового сигнала с длительностью T0 символов двоичного кода. Далее передают вторую несущую с относительной фазовой модуляцией, а при приеме информации из восстановленных фрагментов формируют непрерывные первую и вторую несущие частоты, задерживают их на время, равное продолжительности минимальных по длительности импульсов соответствующих восстановленных копий цифровых групповых видеосигналов T0 и T0/2 и суммируют их для повышения соотношения сигнал/шум. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к системам передачи электрических сигналов и предназначено для организации каналов связи и передачи информации по трубопроводам, проложенным подземным, наземным и надземным способом. Техническим результатом изобретения является оптимизация энергетической связи и повышение КПД устройств передачи информационных сигналов по трубопроводному каналу связи. Способ передачи сигналов по трубопроводному каналу заключается в подключении передающего устройства к трубопроводному каналу через трансформатор связи на сердечнике с высокой магнитной проницаемостью, подключенный к участкам трубопроводного канала, электрически разделенным с помощью стандартной вставки электроизолирующей, которую закорачивают многовитковой вторичной обмоткой трансформатора связи, первичная обмотка которого согласует выходное сопротивление передающего устройства и нагрузок трубопроводных каналов. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к способам измерения и оценки состояния дискретных входов (ДВ) устройств релейной защиты и автоматики (РЗА). Техническим результатом является повышение надежности работы ДВ в части предотвращения отказов срабатываний и ложных срабатываний. Для этого в рамках способа предложен контроль падения напряжения на самом ДВ и уровня напряжения питания устройства с последующим учетом указанного напряжения при определении состояния ДВ. Это реализовано путем корректировки напряжения, подаваемого на два пороговых элемента с варьируемыми в зависимости от уровня постоянной составляющей напряжения питания устройства РЗА уставками, а также с помощью применения блокировки по уровню изменения указанного выше расчетного напряжения. Для заявленного способа предложено устройство ДВ, содержащее в себе помимо двух пороговых элементов и входного согласующего модуля дополнительны элементы: расчетный модуль, блокирующий модуль и логический модуль. 2 н.п. ф-лы, 19 ил.
Наверх