ИЗМЕРИТЕЛЬ-РЕГУЛЯТОР Российский патент 1995 года по МПК G05D23/19 

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в качестве измерительно-регулирующего элемента некоторой физической величины. Набор физических величин, которые можно измерять и регулировать, определяется набором датчиков измеряемых и регулируемых величин. В качестве датчика измеряемой и регулируемой величины используется резистивный элемент, который изменяет свое сопротивление при изменении измеряемой и регулируемой величины в месте нахождения этого резистивного элемента.

Аналогом измерителя-регулятора является регулятор температуры, в котором с помощью усилителя регулируется ток, протекающий в выходной цепи ключевого элемента, который, протекая по нагревателю, изменяет температуру рядом с нагревателем [1] К недостаткам этого технического решения относятся невозможность задания требуемой температуры с помощью опорного напряжения и автоматической установки температуры, низкая точность установки заданной температуры, неуниверсальность, изменения регулируемого параметра (температуры) при изменении питающих напряжений источника питания при отсутствии изменения управляющего воздействия.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является регулятор для установки заданной температуры, в котором с помощью интегральной схемы AD590 на резисторе R устанавливается зависящее от температуры напряжение, которое подается на неинвертирующий вход операционного усилителя [2] На инвертирующий вход операционного усилителя подано опорное напряжение. Выход операционного усилителя соединен с базой составного транзистора, в коллекторную цепь которого включен нагреватель.

К недостаткам прототипа относятся неуниверсальность невозможность использования для измерения и регулирования различных физических величин, изменения регулируемого параметра (температуры) при изменении питающих напряжений источника питания при отсутствии изменения управляющего воздействия.

Целью изобретения является создание измерителя-регулятора обладающего широкими возможностями по отношению к измерению и регулированию различных физических величин, независимости точности регулирования от изменений питающих напряжений, в первую очередь при изменении питающих напряжений при переключении на резервный источник напряжения, универсальностью, простой и возможностью изготовления микросхемы регулятора, которая бы позволила унифицировать изготовление различных регуляторов.

Это достигается тем, что измеритель-регулятор содержит датчик измеряемой и регулируемой величины, исполнительный орган и источник питания, в него введены первый и второй источники тока, резистор и дифференциальный каскад, причем выход первого источника тока соединен с первым выводом датчика измеряемой регулируемой величины и с первым соответствующим входом дифференциального каскада, второй вывод датчика измеряемой регулируемой величины соединен с общей шиной источника питания, выход второго источника тока соединен с вторым соответствующим входом дифференциального каскада и с первым выводом резистора, второй вывод резистора соединен с общей шиной источника питания, выход дифференциального каскада соединен с входом исполнительного органа.

Кроме того, в него введены пороговый элемент, дополнительный резистор и третий источник тока, причем выход дифференциального каскада соединен с входом исполнительного органа через пороговый элемент, второй вход которого соединен с выходом третьего источника тока, соединенного с первым выводом дополнительного резистора, второй вывод которого подключен к общей шине источника питания.

Второй вывод датчика измеряемой и регулируемой величины соединен с общей шиной источника питания через другой дополнительный резистор.

Источник тока содержит транзистор, первый резистор и источник опорного напряжения, выполненный в виде цепочки включенных последовательно в прямом направлении не менее двух диодов и соединенного последовательно с ней второго резистора, при этом первый вывод второго резистора соединен с базой транзистора, а второй вывод с общей шиной, эмиттер транзистора через первый соединен с вторым выводом цепочки диодов и шиной питания, а коллектор транзистора является выходом источника тока.

Первый резистор источника тока выполнен переменным; источник опорного напряжения является общим для всех источников тока; на выходах одного или нескольких источников тока установлены повторители напряжения; на выходах одного или нескольких источников тока установлены усилители с большим входным сопротивлением.

Дифференциальный каскад выполнен на операционном усилителе, инвертирующий вход которого соединен с соответствующим первым входом дифференциального каскада и со своим выходом, являющимся выходом каскада, через резисторы одинакового номинала, а неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с соответствующим вторым входом каскада через резистор меньшего номинала.

Исполнительный орган выполнен в виде последовательно соединенных ключевого элемента и исполнительного элемента.

Исполнительный орган выполнен в виде группы транзисторов, базы которых через соответствующие резисторы соединены с входом исполнительного органа, эмиттеры соединены с общей шиной, коллекторы транзисторов соединены с первыми соответствующими полюсами дополнительных источников питания, введенных по числу транзисторов в группе, а исполнительный элемент включен между последовательно соединенными вторыми полюсами дополнительных источников питания и общим выводом эмиттеров транзисторов.

Кроме того, измеритель-регулятор содержит аккумуляторную батарею и развязывающие диоды, через которые соответствующие выводы аккумуляторной батареи и источника питания соединены с шиной питания, а другой вывод аккумуляторной батареи соединен с общей шиной источника питания, при этом выходное напряжение аккумуляторной батареи ниже выходного напряжения источника питания.

Измеритель-регулятор содержит два источника тока, управляемый напряжением резистивный элемент, выполненный в виде полевого транзистора, дифференциальный каскад и источник опорного напряжения, причем первый вывод датчика измеряемой и регулируемой величины соединен с выходом первого источника тока, а второй с общим выводом источника питания, первый вход дифференциального каскада соединен с выходом второго источника тока, а второй вход с выходом источника опорного напряжения, полевой транзистор включен между первым выходом второго источника тока и общей шиной источника питания, а его затвор соединен с выходом первого источника тока.

На фиг.1 изображен предложенный измеритель-регулятор; на фиг.2 измеритель-регулятор по п.2, формулы изобретения; на фиг.3,4 варианты выполнения первого и/или второго, и/или третьего источников тока, входящих в измеритель-регулятор; на фиг.5 показаны источники тока, которые могут иметь один общий источник опорного напряжения (в качестве источника опорного напряжения может вместо последовательно соединенных диодов использоваться, например, стабилитрон); на фиг.6, изображен измеритель-регулятор, в котором сигнал с выхода источника тока подается на вход дифференциального каскада через повторитель напряжения или усилитель с большим входным сопротивлением; на фиг.7 изображен дифференциальный каскад на операционном усилителе; на фиг.8 исполнительный орган, который состоит из ключевого элемента и включенного в его выходную цепь исполнительного элемента; на фиг.9 в качестве ключевого элемента транзисторы; на фиг. 10 измеритель-регулятор с резервным источником напряжения-аккумуляторной батареей; на фиг.11 изображен измеритель регулятор с полевым транзистором.

На чертежах приняты следующие обозначения: 1 датчик измеряемой регулируемой величины, который представляет собой резистивный элемент, изменяющий свое сопротивление при изменении измеряемой регулируемой величины; 2 первый источник тока; 3 второй источник тока; 4 первый резистор; 5 дифференциальный каскад; 6 исполнительный орган, который воздействует на измеряемый и регулируемый параметр при отклонении его от заданного воздействия; 7 пороговый элемент, который может быть включен, если необходимо импульсное воздействие исполнительным органом на регулируемую величину; 8 третий источник тока, 9 второй резистор; 10 резистор, который может быть включен в соответствии с п. 3 формулы изобретения и который можно считать составной частью датчика измерительной величины; 11 первый резистор, входящий в источник тока, 12 транзистор; 13 источник опорного напряжения между точкой питания источника тока и базой транзистора 12, 14 резистор, который ограничивает (задает) ток, протекающий через источник напряжения 13; 15 повторитель напряжения или усилитель с большим входным сопротивлением; 16 резисторы одинакового номинала; 17 резистор меньшего номинала (например R/2); 18 ключевой элемент; 19 исполнительный элемент, включенный в выходную цепь ключевого элемента; 20,22 транзисторы на которых может быть сделан ключевой элемент 18, 21, 23 дополнительные источники питания, входящие в ключевой элемент 18 на транзисторах 20, 22; 24 источник питания измерителя регулятора, 25 измеритель-регулятор; 26 развязывающие диоды; 27 автономный источник питания (аккумуляторная батарея); 28 полевой транзистор, используемый в качестве управляемого напряжением резистора.

Измеритель регулятор работает следующим образом.

Через датчик измеряемой регулируемой величины 1, от первого источника тока 2 пропускается заданный ток I₁. Так как датчик 1 представляет собой резистивный элемент, изменяющий свое сопротивление при изменении измеряемой регулируемой величины U, то зависимость напряжения на датчике 1 и, следовательно, напряжение на первом входе дифференциального каскада 5, от величины U определяется выражением
V₁ R(U) * I₁, (1) где R(U) зависимость сопротивления датчика 1 от величины U.

Напряжение на втором входе дифференциального каскада 5 определяется из выражения
V₂ R₁ * I₂, (2)
где R₁ сопротивление резистора 4; l₂ ток, задаваемый в резисторе 4 источником тока 3.

Если обозначить K_d коэффициент усиления дифференциального каскада 5, а
dU F*dV_вх, (3) где F оператор, характеризующий преобразование изменения входного напряжения dV_вх на входе исполнительного органа 6, в изменение величины U. Напряжения на входе исполнительного органа 6 V_вх можно определить из выражения:
V_вх Kd*(R(U) * I₁ R₁ * I₂) (4)
Учитывая выражение (4), формулу (3) можно переписать следующим образом:
dU F * Kd * I₁ * dR(U)/dU * dU (5)
Из (5) можно сделать вывод, что для регулирования величины U необходимо, чтобы всегда
-1 < F * Kd * I₁ * dR(U)/dU < 0 (6)
Легко понять, что в случае регулирования напряжения V₁ является мерой (содержит информацию об величине) величины U и может служить для измерения величины U, а V₂ может служить для задания регулируемой величины U.

Отрицательность левой части выражения (6) легко обеспечивается выбором первого входа дифференциального каскада инвертирующим или неинвертирующим при условии, что в области регулирования величины U от U_min до U_max произведение F I₁ * dR(U)/dU только положительно или только отрицательно в выбранной области U.

Работа измерителя-регулятора по остальным пунктам аналогична за исключением того, что регулирующее воздействие исполнительного органа можно сделать импульсным, а измерение регулируемой величины непрерывным. Для этого достаточно выход дифференциального каскада соединить с входом исполнительного органа через один вход порогового элемента, а на другой вход порогового элемента подать опорное напряжение (см.фиг.2).

Кроме этого, измеритель-регулятор можно сделать автономным от сетевого напряжения (см.фиг.10), в случае выключения сети, измеритель-регулятор продолжает работу от аккумуляторной батареи.

Изобретение относится к электронике и может быть использовано в качестве измерительно регулирующего элемента некоторой физической величины. В первую очередь это относится к измерению регулирования температуры. Для упрощения построения различных измерителей регуляторов и уменьшения их размеров на основе изобретения может быть изготовлена микросхема, которая осуществляет измерительно регулирующие функции. Измеритель регулятор содержит - датчик измеряемой регулируемой величины, который представляет собой рbзистивный элемент, изменяющий свое сопротивление при изменении измеряемой регулируемой величины; первый источник тока; второй источник тока, первый резистор, дифференциальный каскад, исполнительный орган, который воздействует на измеряемый и регулируемый параметр при отклонении его от заданного воздействия; пороговый элемент, который может быть включен, если необходимо импульсное воздействие исполнительным органом на регулируемую величину; третий источник тока; второй резистор; резистор, который можно считать составной частью датчика измерительной величины; первый резистор, входящий в источник тока; транзистор; источник опорного напряжения между точкой питания источника тока и базой транзистора резистор, который ограничивает (задает) ток, протекающий через источник напряжения; повторитель напряжения или усилитель с большим входным сопротивлением; резисторы одинакового номинала; резистор меньшего номинала (например R /2); ключевой элемент; исполнительный элемент, включенный в выходную цепь ключевого элемента; транзисторы, на которых может быть выполнен ключевой элемент; источник питания измерителя регулятора; измеритель-регулятор; развязывающие диоды; автономный источник питания (аккумуляторная батарея), полевой транзистор, используемый в качестве управляемого напряжением резистора. 2 с. и 11 з. п. ф-лы, 11 ил.

1. ИЗМЕРИТЕЛЬ-РЕГУЛЯТОР, содержащий датчик измеряемой и регулируемой величины, исполнительный орган и источник питания, отличающийся тем, что в него введены первый и второй источники тока, резистор и дифференциальный каскад, причем выход первого источника тока соединен с первым выводом датчика измеряемой и регулируемой величины и первым соответствующим входом дифференциального каскада, второй вывод датчика измеряемой и регулируемой величины соединен с общей шиной источника питания, выход второго источника тока соединен с вторым соответствующим входом дифференциального каскада и первым выводом резистора, второй вывод резистора соединен с общей шиной источника питания, выход дифференциального каскада соединен с входом исполнительного органа. 2. Измеритель-регулятор по п. 1, отличающийся тем, что в него введены пороговый элемент, дополнительный резистор и третий источник тока, причем выход дифференциального каскада соединен с входом исполнительного органа через пороговый элемент, второй вход которого соединен с выходом третьего источника тока, соединенного с первым выводом дополнительного резистора, второй вывод которого подключен в общей шине источника питания. 3. Измеритель-регулятор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что второй вывод датчика измеряемой и регулируемой величины соединен с общей шиной источника питания через другой дополнительный резистор. 4. Измеритель-регулятор по пп. 1 3, отличающийся тем, что источник тока содержит транзистор, первый резистор и источник опорного напряжения, выполненный в виде цепочки включенных последовательно в прямом направлении не менее двух диодов и соединенного последовательно с ней второго резистора, при этом первый вывод второго резистора соединен с базой транзистора, а второй вывод с общей шиной, эмиттер транзистора через первый резистор соединен с вторым выводом цепочки диодов и шиной питания, а коллектор транзистора является выходом источника тока. 5. Измеритель-регулятор по пп. 1 4, отличающийся тем, что первый резистор источника тока выполнен переменным. 6. Измеритель-регулятор по пп. 1 5, отличающийся тем, что источник опорного напряжения является общим для всех источников тока. 7. Измеритель-регулятор по пп. 1 6, отличающийся тем, что на выходах одного или нескольких источников тока установлены повторители напряжения. 8. Измеритель-регулятор по пп. 1 7, отличающийся тем, что на выходах одного или нескольких источников тока установлены усилители с большим входным сопротивлением. 9. Измеритель-регулятор по пп. 1 8, отличающийся тем, что дифференциальный каскад выполнен на операционном усилителе, инвертирующий вход которого соединен с соответствующим первым входом дифференциального каскада и со своим выходом, являющимся выходом каскада, через резисторы одинакового номинала, а неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с соответствующим вторым входом каскада через резистор меньшего номинала. 10. Измеритель-регулятор по пп. 1 9, отличающийся тем, что исполнительный орган выполнен в виде последовательно соединенных ключевого элемента и исполнительного элемента. 11. Измеритель-регулятор по пп. 1, 3 10, отличающийся тем, что исполнительный орган выполнен в виде группы транзисторов, базы которых через соответствующие резисторы соединены с входом исполнительного органа, эмиттеры соединены с общей шиной, коллекторы транзисторов соединены с первыми соответствующими полюсами дополнительных источников питания, введенных по числу транзисторов в группе, а исполнительный элемент включен между последовательно соединенными вторыми полюсами дополнительных источников питания и общим выводом эмиттеров транзисторов. 12. Измеритель-регулятор по пп. 1 10, отличающийся тем, что содержит аккумуляторную батарею и развязывающие диоды, через которые соответствующие выводы аккумуляторной батареи и источника питания соединены с шиной питания, а другой вывод аккумуляторной батареи соединен с общей шиной источника питания, при этом выходное напряжение аккумуляторной батареи ниже выходного напряжения источника питания. 13. Измеритель-регулятор, содержащий датчик измеряемой и регулируемой величины, источник питания и исполнительный орган, отличающийся тем, что содержит два источника тока, управляемый напряжением резистивный элемент, выполненный в виде полевого транзистора, дифференциальный каскад и источник опорного напряжения, причем первый вывод датчика измеряемой и регулируемой величины соединен с выходом первого источника тока, а второй с общим выводом источника питания, первый вход дифференциального каскада соединен с выходом второго источника тока, а второй вход с выходом источника опорного напряжения, полевой транзистор включен между первым выходом второго источника тока и общей шиной источника питания, а его затвор соединен с выходом первого источника тока, выход дифференциального каскада соединен с входом исполнительного органа.