Фотодатчик

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

«н789681 (б1) Дополнительное к авт. сеид-ву (22) Заявлено 0504,79 (21) 2747575/18-28 с присоединением заявки М (23) Приоритет

Опубликовано 2312,80. бюллетень М 47

Дата опубликования описания 2312,80 р )м. км:з

G 01 В 11/02 (53) УДК 531. 717 (088.8) Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (71) Заявитель прокатного и трубного производства (Опытное предпр

"Уралчерметавтоматика") (54у ФОТОДАТЧИК

Изобретение относится к измерительной технике в черной металлургии и может быть использовано для контроля положения, например, горячего проката труб н применено в системах комплексной автоматизации технологических процессов в прокатном и труб" ном производстве.

Известно устройство для бесконтактного измерения размеров объектов, состоящее из операционного усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, фотодиодов, подключенных через резисторы к инвертирующему входу операционного усилителя 11 .

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является фотодатчик, содержащий двухполярный источник питания, операционный уси- 20 литель, неинвертирующий вход которого соединен с общим проводом, резистор обратной связи, включенный между выходом и инвертирующим входом усилителя, фотодиод, один из выводов ко-25 торого подключен к инвертирующему входу усилителя Pj .

Недостатком этих устройств является невысокая температурная стабильность. 30

Цель изобретения — повьваение температурной стабильности.

Поставленная цель достигается тем, что фотодатчик снабжен блокоМ регулировки двухполярного напряжения, подключенным .к источнику питания, и двумя последовательно соединенными резисторами,включенныки между выходом блока регулировки напря.жения и общим проводом, общая точка, которых подключена ко второму выводу

Фотодиода.

На чертеже приведена схема устройства.

Фотодатчик содержит источник 1 питания, операционный усилитель 2 (ОУ), резистор 3 обратной связи,включенный между выходом и инвертирующим входом усилителя 2, фотодиод 4,. один из выводов которого подключен к инвертирующему входу усилителя 2, блок 5 регулировки двухполярного напряжения, последовательно соединенные резисторы 6, 7 включенные между выходом блока 5 и общим проводом

Фотодатчик питается от источников напряжения +U и -11,».

Блок 5 регулировки напряжения позволяет плавно менять íà его выходе

789681 напряжение от p Uh до — 0 с переходом через нуль.

Величины напряжений U составляют единицы нольт.

Однако величины напряжений, подаваемых в фотодиод 4, должны составлять десятые и сотые доли милливольт., Такое уменьшение (в 104 -10 раз) регулируемого напряжения (при сохранении плавной регулировки) достигается, например, включением двух резисторов по схеме делителя напряжения.

Кроме того, введение резисторов позволяет обеспечить режим работы фотодиода, близкой к короткому замыканию, независимо от величины регулируемого напряжения. Резистор 3 выбирается по величине того же порядка, что входное сопротивление операционного усилителя 2(0,5-5,0 Ом), В этом случае фотодиод 4 является генерато- . ром фототока. Фототок. в значительно меньшей степени,чем фотоЭДС зависит от изменения температуры фотодатчика 4.

Фотодатчик работает следующим образом.

При исходной температуре окружающей среды То ОУ 2 сбалансирован известными методами, и напряжение на инвертирующем входе усилителя 1 равно нулю, ток через резистор 3 не протекает, выходное напряжение 0 Ц,= О.

При этом напряжение 0к на точКе соединения резисторов б и 7 устанавливается U = О. При засветке появляется фототок 3ФО генерируемый фотодиодом 4. Для сбалансированной схемы

) =Д R

ЬЬ1Х фо Ъ где 3 — сопротинление резистора 3.

Если температура фотодиода 4 и ОУ

2 увеличивается, напряжение на инвертирующем входе усилителя унеличивается, и баланс нарушается. Энак напряжения н точке AUA u его величина заранее неизвестны, и определяются, в частности, разбросом параметров

Оу 2, изменением внутреннего сопротивления фотодиода 4. Если сопротивление фотодиода 4 при исходной температуре Т равно Рф, а при повышенной температуре Т-Q>, то ток, протекающий через фотодиод 4 при температуре Т, равен

„О т (1)

l р где 0рт- напряжение на инверсном входе ОУ 2 при температуре Т.

При увеличении температуры напряжение UA увеличивается, а сопротивле. ние Rô у мMеeнHь ш а еeтTс я, поэтому ток 3@ увеличивается, вследствие чего изме- няется выходное напряжение 0 <,при температуре Т оно,равно

« "М -р,.(2) ъьит Фт ъ R Э

Возникшее на выходе Оу 2 напряже. ние U» < компенсируют путем изменения напряжения на выходе блока 5 регулиронкиI таким образом, чтобы

0,, = О. При этом через фотодиод 4 протекает компенсационный ток

0 кт

Фт пРичем /Дд / = 3, знаки этих токов

10 противоположны. С учетом этого

SbNT 3 4п

3Ц

Ок

3 i к.о

ФО () «))к <Î р 3 ко +g

Фо (4) Сравним между собой выходное напряжение U L известного фотодатчика при повышенной температуре Т и выходное напряжение 0 „ О предложенно40 го фотодатчика при исходной температуре (различные температуры датчиков взяты с учетом того, что в каждом из них при соответствующих выбранных .температурах выходные напряжения не равны нулю и имеют максимальный температурный дрейф).

Принимая во внимание (2) и (4) имеем щ <à Яо

"лыко т к

Добиваясь (посредством блока 5) 0 = 0, получим (5) S5 7 у ц ) ф .0 4 >

Таким образом, иэ соотношения (5) следует, что температурная неста-.

40 бильность предложенного фотодатчика, характеризуемая величиной 0 при исходной температуре Те и при отсутствии нходного фотосигнала, меньше температурной нестабильности известного

65 фотодатчика, характеризуемая величиСледовательно, при повышенной

Я температуре Т = 50...70 C 0, = О, т.е. нестабильность фотодиода 4,возникающая от изменения температуры, устранена введением соответствующего компенсационного напряжения от бло20 ка5

При снижении температуры от Т до

Т, т.е. до исходной величины,ток фотодиода 3ф и напряжение на инвертирующем „.входе ОУ 2 UA уменьшается,со2 противление РФтувеличинается, компенсационный ток 3k уменьшается.

При исходной температуре Тц основные величины равны J — О,,так как

0д = 0, 789б81

Формула изобретения

Составитель В. Николаев

Редактор Ю. Ковач Техред Е,Гаврилешко Корректор.Ю. Макаренко.

Заказ 9019/34 Тираж 801 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 ной U т при повышенной температуре

Т в К = R /R раз.

Учитывая, что сопротивление германиевого фотодиода Rg уменьшается в 2 раза на каждые 10 С повышения температуры, то при повышении температуры фотодиода на 40ОС (от 20 до

60вС) из соотношения (5) следует, что К = 16.

Таким образом, если в предложенном фотодатчике при повышенной температуре Т будет установлен блоком 5 полный баланс, т.е. достигнуто

U = О, то при пониженной темпера-туре будем иметь температурную нестабильность, численно характеризуемую величиной U< ) О, однако эта 15 нестабильность в 10-15 раз меньше, чем температурная нестабильность известного фотодатчика при повышенной температуре Т, характеризуемая величиной 0 „, 20

Особенностью предложенного фотодатчика является то, что в нем фотодиод 4 выполняет две функции: основную - преобразователь светового излучения в ток, и дополнительную — стабилизатор работы фотодатчика при изменении температуры.

Кроме того, величины U< и U равны десятым или сотым долям милЛивольта, что не ухудшает и не меняет режима работы фотодиода, близкого к короткому замыканию. Использование данного фотодатчика предполагается при автоматизации трубопрокатных агрегатов.

Фотодатчик, содержащий двухполярный источник питания, операционный усилитель, неинвертирующий вход которОго соединен с общим проводом, резистор обратной связи, включенный между выходом и инвертирующим входом усилителя, фотодиод, один из выводов которого подключен к.инвертирующему входу усилителя, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения температурной стабильности,он снабжен блоком регулировки двухполярного напряжения, подключенным к источнику питания, и двумя последовательно соединенными резисторами,включенными между выходом блока регулировки напряжения и общим проводом,общая точка которых подключена ко второму выводу фотодыода.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент Франции Р 2220772, кл. C 01 В 11/02, 1974.

2. Рутковски Дж. Интегральные операционные усилители. М., "Мир", 1978, с. 310 (прототип).