Устройство для измерения физических величин

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЙ

К АВТОРСКОМУ СВИ ИТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. сеид-ву (22) Заявлено 150179 (21) 2718756/18-21 (51) М

Союз Советскик

Социалистических

Республик с присоединением заявки М (23) Приоритет

G 01 R 17/02, Государственный комитет

СССР по делам изобретеиий и открытий

Опубликовано 231280, Бюллетень 14о 47

Дата опубликования описания 23. 12. 80 (53) УДК621 ° 317. . 73 (088. 8) (72) Автор изобретения

В.Е. Попов

Физико-технический институт низких температур

АН Украинской ССР (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ

ВЕЛИЧИН

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования при реализации автоматического отображения величины влияющего на преобразователь физического параметра — температуры, давления, силы, освещенности и т.п., а также величины сопротивления преобразователя.

Известно устройство для измерения физических величин, в частности сопротивления датчика деформации (тензодатчика), выполненное на основе резистивного первичного преобразователя и двух источников тока, 15 включенных в основную и вспомогательную электрические цепи (1g .

Процедура определения величины деформации с помощью известного устройства предполагает построение для 20 каждого тенэодатчика градуировочного графика деформации как функции величины изменения сопротивления датчика. Измеряемый физический параметр находят иэ соответствующего графика, 2э поэтому общее время определения параметра оказывается значительным. Кроме того, известное устройство не может быть использовано для автоматического измерения абсолютной вели- эО чины сопротивления датчика, что требуется, например, в случае выполнения термометра сопротивления., Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для измерения физических величин, содержащее реэистивный первичный преобразователь с тремя выводами,первый иэ которых соединен с одной из выходных клемм источника тока, вторичный прибор, резисторы (2 ).

Основной недостаток указанного устройства связан с тем, что оно может с достаточной точностью отображать измеряемую физическую величину лишь в том случае, если градуировочная характеристика перви ного преобразователя линейна. Однако характеристики преобразователей многих физических величин, например температуры (термометры сопротивления и термисторы), освещенности (фоторезисторы) и др., являются нелинейными.

В случае измерения физической величины с помощью преобразователя с нелинейной характеристикой известное. устройство настраивается на воспроизведение линейной зависимости, оптимально аппроксимирующей реальную нелинейную зависимость. Показания вто789763 ричного прибора устройства при этом оказываются приближенными с точностью аппроксимации. Эта точность зависит от степени нелинейности характеристи ки преобразователя и от интервала изменений измеряемой величины.

Цель изобретения — повышение- точности измерительного устройства. .Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения физических величин, содержащее резистивный первичный преобразователь с тремя выводами, первый иэ которых соединен с одной из выхОдных клемм источника тока, вторичный прибор, резисторы, введены два полевых транзистора и три операционных усилителя, причем сток одного полевого транзис:тора непосредственно а сток другого полевого транзистора через первый из резисторов соединены со вторым и третьим выводами реэистив ного первичного преобразователя, истоки полевых транзисторов через второй и третий резисторы подключены к другой выходной клемме источника тока, входы первого операционного усилителя соединены со вторым и третьим выводами резистивного первичного преобразователя, а выход через четвертый резистор — с клеммой управления источника тока, инвертирующий вход второго операционного усилителя и неинвертирующий вход третьего операционного усилителя подключены к истоку одного полевого транзистора, а неинвертирующий вход второго операционного усилителя и инвертирующий вход третьего операционного усилителя соединены с истоком другого полевого транзистора, выходы второго и третьего операционных усилителей подключены к затворам полевых транзисторов, между стоками которых включен вторичный прибор.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства для измерения физических величин, например температуры (t ),давления (P), силы (F) и т.п.

Устройство содержит источник 1 тока, резистивный первичный преобразователь 2, резистор 3 смещения, полевые транзисторы 4 и 5, вторичный прибор б, операционный усилитель 7, резистор 8 степени нелинейности, опор ные резистрры 9 и 10 и операционные усилители 11 и 12.

Устройство работает следующим образом.

Ток источника 1 разветвляется в трехпроводнрм реэистивном первичном преобразователе 2 на две части, про текающие через полевые транзисторы

4 и 5 и опорные резисторы 9 и 10.

Выходные напряжения операционных уси лителей 11 и 12, входы которых подключены к .опорным резисторам, про- . порциональны разности падений напряжений на них. Поскольку выходные на= пряжения операционных усилителей 11 и 12 управляют проводимостью полевых транзисторов 4 и 5 в противофазе с входными напряжениями, то два полевых транзистора 4 и 5 с опорными резисторами 9 и 10 и операционными усилителями 11 и 12 образуют систему, обеспечивающую автоматическое поддержание одинаковых падений напряжений

© на опорных резисторах 9 и 10. При одинаковых значениях сопротивлений опорных резисторов 9 и 10 зто соответствует одинаковым величинам токов, протекающих в цепях полевых транзисторов 4 и 5. 5 таким образом, обеспечивается протекание равных по величине токов в двух цепях резистивного первичного преобразователя 2. Схема деления тока, однажды настроенная, осуществля1 ет автоматическое деление тока произвольной (в известных пределах) величины на две строго равные части независимо от величины сопротивлений различных преобразователей и их соединительных проводов, подключаемых в зти цепи. При высоких коэффициентах усиления, реализуемых в операционных усилителях, токи в двух цепях одинаковы с точностью, с которой подобраны опорные резисторы, и не зависят от изменений напряжения питания и окружающей температуры.

К входам операционного усилителя

7 прилагается напряжение, пропорциональное сопротивлению преобразовате- ля 2. Выходное напряжение операционного усилителя 7 через реэистор 8 степени нелинейности воздействует на чувствительный вход источника 1 тока и, наряду с имеющимся в послед4Q нем токозадающим резистором,управляет величиной тока, отдаваемого источником в нагрузку. В связи с этим в предлагаемом устройстве измерительный ток (т.е. ток преобразователя)

4 является переменной величиной, зависящей от сопротивления первичного преобразователя 2, т.е. от измеряемой физической величины. Характер зависимости — ускорение или замедление роста измерительного тока (а с ним и выходного напряжения) с рос том сопротивления преобразователя

2 и его скорость (степень) — определяется фазой входного напряжения операционного усилителя 7, его коэффициентом усиления и величиной сопротивления резистора 8, предназначенного для регулировки степени нелинейности.

Осуществление укаэанной зависимости в устройстве приводит к тому,что величина измерительного тока 3 в цепях преобразователя 2 определяется законом о(" - Ю

789763

t0 где до — начальная величина тока, соответствующая нулевому сопротивлению преобразователя;

+К= > — коэффициент управления током;

Кдр — сопротивление первичного преобразователя 2

Выходное напряжение (на клеммах вторичного прибора 6) равно алгебраической сумме падений напряжения на сопротивлении преобразователя 2 и резисторе 3 смещения с сопротивлеием Ксм

0 = U + Ос.м J(Rpр+ Råì ) (2)

Знак минус при Кс возникает в том случае, если для отображения конкретной характеристики преобразователя 2 резистор 3 смещения включает» ся во вспомогательную цепь преобразователя (такое включение резистора смещения показано на схеме пунктиром). Это имеет место,-например, при измерении с термометрами сопротивления температуры, выраженной в градусах Цельсия.

Подставляя в формулу (2) выражение для величины тока с учетом влияния управления, имеем ()з,x ("пР+-Ксм = о (" р (К Р+ см) ) Полученное выражение (3) для выходного напряжения содержит член

К во второй степени, что свидетельствует о наличии нелинейной зависимости 0 ы от К„р или величины физического параметра от сопротивления преобразователя 2.

Принимая выражение (3) за аналитическую функцию, аппроксимирующую реальную нелинейную характеристику преобразователя 2, следует определить значения констант J k и К „, при которых реализуется наилучшее совпадение реальной кривой и аналитического выражения (3). Эти величины находят решением системы уравнений, получаемых подстановкой в выражение (3) нескольких пар значений физической величины и величины сопротивления преобразователя

2 из градуировочной кривой или таблицы. По найденным величинам констант производится затем аналитическая проверка на погрешность аппроксимации во всем рабочем интервале значений физической величины, При измерении физических величин с преобразователями, имеющими линейную градуировочную характеристику, величина измерительного тока является постоянной. Это достигается снятием управляющего сигнала с чувстви тельного входа источника 1 тока,например отключением резистора 8 степения нелинейности.

Формула изобретения

Устройство для измерения физических величин, содержащее резистивный первичный преобразователь с тремя выводами, первый из которых соединен с одной иэ выходных клемм источника тока, вторичный прибор, резисторы, 20 о т.л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, введены два полевых транзистора и три операционных усилителя, причем сток одного полезного транзистора непосредственно, а сток другого полевого транзистора через первый из резисторов соединены со вторым и третьим выводами резистивного первичного преобразователя, истоки полевых транзисторов через второй и третий резисторы подключены к другой выходной клемме источника тока, входы первого операционного усилителя соединены со вторым и третьим выводами резистивного первичного преобразователя, а выход через четвертый резистор †.с клеммой управления источника тока, инвертирующий вход второго операционного усилителя и неинвертирующий вход третьего операционного усилителя подклю- .

40 чены к истоку одного полевого транзистора, а неинвертирующий вход второго операционного усилителя и инвертирующий вход третьего операционного усилителя соединены с истоком другого

45 полевого транзистора, выходы второго и третьего операционных усилителей подключены к затворам полевых транзисторов, между стоками. которых.включен вторичный прибор.

50 Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент Франции Р 2126345, кл. G 01 R 17/00, 1972.

2 ° Авторское свдительство СССР

Р 679884, кл. G 01 К, 17/02, 1977.

789763

Тираж 1019 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Эаказ 9026/39 ьнпнаа ппп "патент". г. Ужгоооп. чл. Проектная,4

Составитель Л. Морозов

Редактор И. Николайчук Техред Н.Бабурка Корректор О. Ковинская