ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 1996 года по МПК G01D5/00 

Изобретение относится к измерительной технике, к приборам для измерения величин, изменение которых может быть преобразовано в изменение активного или реактивного сопротивления элементов электрической цепи.

Известен измерительный преобразователь цифровой термометр, содержащий последовательно включенные первый источник напряжения, резистивный преобразователь и первый резистор, последовательно соединенные второй источник напряжения, второй и третий резисторы, причем первый и второй источники напряжения выполнены в виде источников переменного напряжения, а их первые выходы и первые выходы резистивного преобразователя и второго резистора соединены с общей шиной [1] Преобразователь содержит также три компаратора, два элемента И, генератор и счетчик импульсов, дешифратор и блок индикации. Выход первого компаратора подключен к первому входу элемента И, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами генератора импульсов и второго компаратора, а выход подключен к счетному входу счетчика импульсов. Третий компаратор и дешифратор предназначены для управления работой элемента И и счетчика ммпульсов и представляют собой по-обществу блок управления. Два входа блока управления подключены к двум выходам второго источника напряжения, а первый и второй его выходы соединены соответственно с четвертым входом элемента И и обнуляющим входом счетчика импульсов.

С помощью известного устройства осуществляется фазометрическое измерение температур. Изменение температуры резистивного преобразователя преобразуется в изменение разности фаз между двумя электрическими сигналами. Один из этих сигналов наблюдается между первым и вторым входами первого компаратора, а другой между первым и вторым входами второго компаратора. С помощью компараторов, генератора импульсов и элемента И фазовый сдвиг между сигналами преобразуется в число импульсов, накапливаемых в счетчике импульсов, пропорциональное измеряемой величине, которую можно считывать с блока индикации.

Недостатком известного устройства является невысокая точность измерений, что обусловлено нелинейностью градуировочной характеристики.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является цифровой измерительный преобразователь, содержащий последовательно включенные первый источник напряжения, первый и второй резисторы, последовательно соединенные второй источник напряжения, третий и четвертый резисторы, причем источники напряжения выполнены в виде источников переменного напряжения, их первые выходы и первые выходы первого и третьего резисторов соединены с общей шиной, сопротивление первого резистора зависит от измеряемой величины, а сопротивление второго, третьего и четвертого резисторов не зависит от нее [2] Преобразователь содержит первый и второй компараторы, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам элемента И, третий вход которого соединен с выходом генератора импульсов, а выход подключен к счетному входу счетчика импульсов, соединенного с запоминающим устройством. Преобразователь содержит также блок управления, включающий компаратор и дешифратор. Блок управления подключен входом параллельно первому источнику напряжения, а два его выхода соединены соответственно с входом загрузки счетчика импульсов и с четвертым входом элемента И.

При работе преобразователя фаза опорного сигнала, наблюдаемого между первым и вторым входами первого компаратора, не изменяется от измеряемой величины, а фаза сигнала, наблюдаемого между первым и вторым входами второго компаратора, зависит от нее. При этом фазовый сдвиг между сигналами на входах первого и второго компараторов преобразуется ими с помощью генератора импульсов, элемента И, запоминающего устройства и блока управления в число импульсов, накапливаемых в счетчике импульсов, равное измеряемой величине, которую считывают с блока индикации.

Недостатком этого преобразователя является невысокая точность измерений. Это обусловлено следующими причинами. Для получения достаточно хорошей чувствительности измерений необходимо выбирать угол фазового сдвига α между напряжениями первого и второго источников, равным 8-15^о. При этом фазовый сдвиг между сигналами на входах первого и второго компараторов, по которому судят о измеряемой величине, в значительной степени зависит от угла α и при изменении последнего под воздействием различных мешающих факторов в результат измерения вносится значительная погрешность. Кроме того, ошибку в результат измерения вносит нелинейность градуировочной характеристики.

Другим недостатком преобразователя является узость его функциональных возможностей, например невозможность измерения разности двух величин, коррекции показаний по величине, вносящей погрешность, или невозможность измерения величины, изменение которой может быть преобразовано в изменение электрической емкости или индуктивности.

Целью изобретения является повышение точности и расширение функциональных возможностей устройства.

Повышение точности измерений достигается тем, что в измерительный преобразователь, содержащий последовательно включенные первый источник напряжения, первый и второй резисторы, последовательно соединенные второй источник напряжения, третий и четвертый резисторы, причем источники напряжения выполнены в виде источников переменного напряжения, их первые выходы и первые выходы первого и третьего резисторов соединены с общей шиной, сопротивление первого резистора зависит от измеряемой величины, а сопротивление второго, третьего и четвертого резисторов не зависит от нее, элемент И, первый, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами первого компаратора, второго компаратора и генератора импульсов, а выход подключен к счетному входу счетчика импульсов, выход которого соединен с первым входом запоминающего устройства, а обнуляющий вход подключен к первому выходу блока управления, второй выход которого соединен с четвертым входом элемента И, а вход подключен параллельно первому источнику напряжения, и блок индикации, дополнительно введены пятый и шестой резисторы, последовательно соединенные с первым источником напряжения, седьмой и восьмой резисторы, последовательно подключенные к второму источнику напряжения, девятый и десятый резисторы, последовательно соединенные с первым источником напряжения, одиннадцатый и двенадцатый резисторы, последовательно подключенные к второму источнику напряжения, при этом сопротивления всех дополнительно введенных резисторов не зависят от измеряемой величины, первые выходы пятого, седьмого, девятого и одиннадцатого резисторов соединены с общей шиной, сумматор, первый и второй входы которого подключены соответственно к общей точке первого и второго резисторов и к общей точке третьего и четвертого резисторов, третий и четвертый входы соединены соответственно с общей точкой пятого и шестого резисторов и с общей точкой седьмого и восьмого резисторов, а первый и второй выходы подключены соответственно к первому и второму входам второго компаратора, причем первый и второй входы первого компаратора соединены соответственно с общей точкой девятого и десятого резисторов и с общей точкой одиннадцатого и двенадцатого резисторов, а третий выход блока управления подключен к второму входу запоминающего устройства, выход которого соединен с входом блока индикации.

Расширение функциональных возможностей устройства достигается тем, что часть резисторов измерительного преобразователя с сопротивлением, не зависящим от измеряемой величины, или все они выполнены так, что их сопротивления зависят от измеряемой или другой интересующей величины.

Расширение функциональных возможностей достигается также тем, что часть резисторов или все они выполнены в виде элементов электрической цепи, обладающих чисто реактивными или смешанными (активным и реактивными) сопротивлениями, зависимыми или независимыми от измеряемой или другой интересующей величины.

Введение в измерительный преобразователь дополнительных резисторов и сумматора позволяет получить на выходе последнего суммарный сигнал, а на входе первого компаратора опорный сигнал и судить об измеряемой величине по фазовому сдвигу между этими сигналами. При этом для получения достаточно хорошей чувствительности измерений нет необходимости выбирать угол α равным 8-15^о, как по прототипу, а можно выбрать его большим, например равным 60-120^о. Тогда небольшие изменения угла α, проявляющиеся, например, в виде флуктуаций, неизбежных в реальных устройствах, будут оказывать на результат измерения гораздо меньшее влияние, что и обеспечит выигрыш в точности измерений с помощью предлагаемого измерительного преобразователя по сравнению с прототипом.

Точность измерений повышается также за счет того, что в предлагаемом устройстве выход счетчика импульсов связан с входом блока индикации не непосредственно, как в прототипе, а через запоминающее устройство. Это позволяет скорректировать нелинейность градуировочной характеристики, присущую фазометрическим измерительным преобразователям, и тем самым повысить точность измерений.

Эффект расширения функциональных возможностей измерительного преобразователя проявляется, например, в том, что его можно использовать в качестве расходомера жидкости в трубопроводе с сужающим устройством, основанного на регистрации перепада давлений до и после него. Для этого, например первый резистор выполняется в виде реактивного сопротивления (индуктивности), зависящего от давления, и помещается с одной стороны от сужающего устройства, третий резистор, выполненный аналогично первому, помещается с другой стороны от сужающего устройства, а девятый и двенадцатый резисторы выполняются зависимыми от температуры с целью коррекции показаний измерительного преобразования по температуре жидкости, расход которой измеряется (поскольку от температуры зависит плотность жидкости, что вносит дополнительную погрешность в измерении).

На фиг. 1 представлена структурная схема измерительного преобразователя; на фиг. 2 векторная схема; на фиг. 3 временные диаграммы, поясняющие его работу; на фиг. 4 структурная схема блока управления; на фиг 5 временная диаграмма, поясняющая его работу.

Измерительный преобразователь содержит (фиг. 1) девятый 1 (R9), пятый 2 (R5), первый 3 (R1), третий 4 (R3), седьмой 5 (R7), одиннадцатый 6 (R11) резисторы, первый 7 и второй 8 источники напряжения, десятый 9 (R10), шестой 10 (R6), второй 11 (R2), четвертый 12 (R4), восьмой 13 (R8) и двенадцатый 14 (R12) резисторы, блок 15 управления, первый 16 и второй 20 компараторы, сумматор 17, генератор 18 импульсов, элемент И 19, cчетчик 21 импульсов, запоминающее устройство 22 и блок 23 индикации.

Первый 3 и второй 11 резисторы последовательно включены с первым источником 7 напряжения, последовательно с которым соединены пятый 2 и шестой 10 резисторы. Третий 4 и четвертый 12 резисторы соединены последовательно с вторым источником 8 напряжения, последовательно которому подключены седьмой 5 и восьмой 13 резисторы. Девятый 1 и десятый 9 резисторы последовательно соединены с первым источником 7 напряжения, а одиннадцатый 6 и двенадцатый 14 резисторы последовательно подключены к второму источнику 8 напряжения. Первые выходы первого 7 и второго 8 источников напряжения, девятого 1, пятого 2, первого 3, третьего 4, седьмого 5 и одиннадцатого 6 резисторов соединены с общей шиной (на фиг. 1 не обозначена). Блок 15 управления входами подключен параллельно первому источнику 7 напряжения, а его первый, второй и третий выходы соединены соответственно с обнуляющим входом счетчика 21 импульсов, с четвертым входом элемента И 19 и с вторым входом запоминающего устройства 22. Первый и второй входы первого компаратора 16 соединены соответственно с общей точкой девятого 1 и десятого 9 резисторов и с общей точкой одиннадцатого 6 и двенадцатого 14 резисторов, а его выход подключен к первому входу элемента И 19. Первый и второй входы сумматора 17 подключены соответственно к общей точке первого 3 и второго 11 резисторов и к общей точке третьего 4 и четвертого 12 резисторов, его третий и четвертый входы соединены соответственно с общей точкой пятого 2 и шестого 10 резисторов и с общей точкой седьмого 5 и восьмого 13 резисторов, а первый и второй выходы подключены соответственно к первому и второму входам второго компаратора 20, соединенного выходом с вторым входом элемента И 19, третий вход которого подключен к выходу генератора 18 импульсов, а выход соединен со счетным входом счетчика 21 импульсов. Первый вход запоминающего устройства 22 подключен к выходу счетчика 21 импульсов, а выход соединен с входом блока 23 индикации.

Измерительный преобразователь построен на известных элементах аналоговых и цифровых микросхемах, выпускаемых отечественной промышленностью. В качестве элементов электрической цепи с сопротивлениями, независимыми от измеряемой величины, используются радиодетали, а с сопротивлениями, зависимыми от нее или от другой интересующей величины, могут быть использованы терморезисторы для измерения температуры, индуктивности для измерения перемещений, емкости для измерения, например, влажности, толщины материала, уровня жидкости и т.д.

На примере применения полупроводникового термосопротивления (терморезистора) в качестве первого резистора 3, сопротивление которого зависит от измеряемой величины (температуры), работа предлагаемого измерительного преобразователя осуществляется следующим образом.

В результате протекания тока по первому резистору 3 на нем образуется сигнал А1 (фиг. 3а), которому соответствует вектор (фиг. 2), а в результате протекания тока по третьему резистору 4 на нем образуется сигнал А3 (фиг. 3а), которому соответствует вектор (фиг. 2). Фазы сигналов А1 и А3 не совпадают, а сдвинуты на угол α (фиг. 2) угол фазового сдвига между напряжениями источников 7 и 8. Сигнал А1 изменяется по амплитуде в результате изменения сопротивления первого резистора 3 из-за изменения измеряемой величины. На нижней границе диапазона измерений этому сигналу соответствует вектор (фиг. 2). Сигнал В1 (фиг. 3а), которому соответствует вектор (фиг. 2), равный разности сигналов А1 и А3, наблюдается между общей точкой первого 3 и второго 11 резисторов и общей точкой третьего 4 и четвертого 12 резисторов. Сигнал В1 изменяется по амплитуде и по фазе из-за изменения сигнала А1, т.е. в результате изменения измеряемой величины. Этому сигналу на нижней границе диапазона измерений соответствует вектор BI_н(фиг. 2). Аналогично, как разность сигналов на пятом и седьмом резисторах, образован сигнал В (фиг. 3б), которому соответствует вектор (фиг. 2), однако этот сигнал не изменяется от измеряемой величины. Сигнал В наблюдается между общей точкой пятого 2 и шестого 10 резисторов и общей точкой седьмого 5 и восьмого 13 резисторов.

Сигнал В1 поступает на первый и второй входы сумматора 17, а на его третий и четвертый входы поступает в противофазе сигнал В. С помощью сумматора 17 сигнал В вычитается (суммируется в противофазе) из сигнала В1, в результате чего на выходе сумматора 17 образуется сигнал С (фиг. 3б), которому соответствует вектор (фиг. 2). Суммарный сигнал С изменяется по амплитуде и по фазе при изменении сигнала В1 из-за изменения измеряемой величины. На нижней границе диапазона измерений сигналу С соответствует вектор (фиг. 2).

Аналогично сигналу В образован сигнал 0 (фиг. 3б), которому соответствует вектор О (фиг. 2). Сигнал О равен разности сигналов на девятом 1 и одиннадцатом 6 резисторах и не изменяется при изменении измеряемой величины. Этот сигнал наблюдается между общей точкой девятого 1 и десятого резисторов и общей точкой одиннадцатого 6 и двенадцатого 14 резисторов.

Информацию об измеряемой величине несет фаза γ (фиг. 2) суммарного сигнала С, отсчитываемая от фазы сигнала О, принимаемой за начало отсчета. На нижней границе диапазона измерений этой фазе соответствует фазовый угол γ_н (фиг. 2).

Преобразование фазы γ, т.е. преобразование измеряемой величины в сигнал на выходе измерительного преобразователя, удобный для наблюдения, осуществляется следующим образом. Сигнал О поступает на первый и второй входы первого компаратора 16, на выходе которого образуются импульсы (фиг. 3в) длительностью Т/2 (Т период напряжения источников 7 и 8), а суммарный сигнал С поступает на первый и второй входы второго компаратора 20, на выходе которого формируются импульсы (фиг. 3г) такой же длительности. На выходах блока 15 образуются импульсы (фиг. 3д, е, ж) длительностью в несколько периодов Т (например, 2Т, как показано на фиг. 3), формируемые в результате изменения знака напряжения первого источника 7, поступающего на первый и второй входы блока 15. При этом такой импульс появляется сначала на первом выходе блока 15 управления (фиг. 3д), затем на его втором выходе (фиг. 3е), затем на третьем выходе (фиг. 3ж). После этого импульс снова появляется на первом выходе блока 15, затем на втором выходе и т.д. в цикле, которые повторяются в течение всего времени работы измерительного преобразователя. Импульс с первого выхода блока 15 поступает на обнуление счетчика 21 импульса, с второго выхода на четвертый вход элемента И 19, с третьего выхода на второй вход запоминающего устройства 22. За время импульса на втором выходе блока 15 (фиг. 3е) в каждом цикле работы измерительного преобразователя элемент И 19 пропускает импульсы с выхода генератора 18 импульсов на счетный вход счетчика 21, (фиг. 3з), причем за первый период Т₁ (фиг. 3е) пропускается число импульсов n₁, а за второй период Т₂ (фиг. 3е) n₂ импульсов (фиг. 3з). Каждое из чисел n₁ и n₂ пропорционально углам γ₁ и γ₂ (фиг. 3б). Наблюдаемым соответственно в течение периодов Т₁ и Т₂. Эти углы представляют собой измеренные мгновенные значения угла γ (фиг. 2), по которому судят о измеряемой величине, и хотя последняя в течение периода Т₁ имеет такое же значение, что и в течение периода Т₂(фиг. 3е) (измеряемая величина практически не изменяется за время 2Т), углы γ₁ и γ₂ и числа n₁ и n₂ могут быть не равны между собой из-за наличия случайных малых помех, носящих, например, характер флуктуаций. За суммарное время Т₁ и Т₂ в счетчике 21 импульсов накапливается число N импульсов, равное сумме чисел n₁ и n₂. Число N пропорционально углу γ и более точно отражает его в цифровом виде, чем каждое из чисел n₁ или n₂, поскольку в меньшей степени подвержено искажению флуктуационным помехам (из-за суммирования отсчетов).

Число N поступает с выхода счетчика 21 импульсов на первый вход запоминающего устройства 22, который является адресным входом. Устройство 22 представляет собой постоянное запоминающее устройство, в ячейках которого с номерами (адресами) от l-го до m-го запомнены (записаны) числа, равные дискретным значениям измеряемой величины в диапазоне от нижнего до верхнего значения. С приходом импульса (фиг. 3ж) с третьего выхода блока 15 на второй вход запоминающего устройства 22, на выход последнего из его ячейки под номером N поступает число, равное текущему значению измеряемой величины, которое индицируется на блоке 23. При изменении измеряемой величины изменяется угол γ, а следовательно, изменяется число N, определяющее номер ячейки устройства 22, так что число, записанное в N-й ячейке, всегда равно текущему значению измеряемой величины.

Таким образом, в каждом цикле работы измерительного преобразователя сначала обнуляется счетчик 21 импульсов, затем в нем накапливается число N, а затем из ячейки N запоминающего устройства 22 на вход блока 23 поступает число, равное текущему значению измеряемой величины, которое можно наблюдать на нем визуально.

Блок 15 управления (фиг. 4) содержит третий компаратор 24, делитель 25 частоты и дешифратор 26. Входы компаратора 24 (фиг. 4) являются входами блока 15 управления (фиг. 1). Выход компаратора 24 подключен к входу делителя 25 частоты, выход которого соединен с входом дешифратора 26. Три выхода дешифратора 26 являются тремя выходами блока 15 управления.

В положительные полупериоды напряжения Е1 (фиг. 5а) первого источника 7 напряжения на выходе компаратора 24 образуются импульсы (фиг. 5б) длительностью Т/2. С помощью делителя 25 частоты, в качестве которого может быть использован двоичный счетчик, эти импульсы преобразуются в импульсы на его выходе (фиг. 5в) длительностью Т. Последние поступают на дешифратор 26, на трех выходах которого последовательно в цикле формируются импульсы (фиг. 5г, д, е).

Использование: в измерительной технике, в частности в устройствах для измерения величин, которые преобразуются в изменение активного или реактивного сопротивления электрических моментов. Сущность изобретения: измерительный преобразователь включает последовательно с источниками 7 и 8 переменного напряжения подключенные резисторы соотверственно: первый 3, второй 11, пятый 2, шестой 10, девятый 1, десятый 9 и третий 4, четвертый 12, седьмой 5, восьмой 13, одиннадцатый 6 и двенадцатый 14. При этом сопротивление первого резистора 3 зависит от измеряемой величины, а сопротивление остальных резисторов не зависит от нее. Информацию об измеряемой величине несет фаза суммарного сигнала на входе сумматора 17, отсчитываемая от фазы сигнала на входе первого компаратора 16, с помощью которого, а также второго компаратора 20, генератора 18 импульсов, элемента И 19 в счетчике 21 импульсов накапливается число, пропорциональное фазе суммарного сигнала. Это число является адресом ячейки в запоминающем устройстве 22, в которой хранится значение измеряемой величины, отсчитываемое с блока 23 индикации. Для управления работой измерительного преобразователя служит блок 15 управления. 5 ил.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий последовательно включенные первый источник напряжения, первый и второй резисторы, последовательно соединенные второй источник напряжения, третий и четвертый резисторы, причем источники напряжения выполнены в виде источников переменного напряжения, их первые выходы и первые выходы первого и третьего резисторов соединены с общей шиной, резисторы выполнены так, что сопротивление первого из них зависит от измеряемой величины, а сопротивления остальных не зависят от нее, элемент И, первый, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами первого компаратора, второго компаратора и генератора импульсов, выход подключен к счетному входу счетчика импульсов, выход которого соединен с первым входом запоминающего устройства, а обнуляющий вход подключен к первому выходу блока управления, второй выход которого соединен с четвертым входом элемента И, а вход подключен параллельно первому источнику напряжения, и блок индикации, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него дополнительно введены пятый и шестой резисторы, последовательно соединенные с первым источником напряжения, седьмой и восьмой резисторы, последовательно подключенные к второму источнику напряжения, девятый и десятый резисторы, последовательно соединенные с первым источником напряжения, одиннадцатый и двенадцатый резисторы, последовательно подключенные к второму источнику напряжения, при этом дополнительно введенные резисторы выполнены так, что их сопротивления не зависят от измеряемой величины, первые выходы пятого, седьмого, девятого и одиннадцатого резисторов соединены с общей шиной, сумматор, первый и второй входы которого подключены соответственно к общей точке первого и второго резисторов и общей точке третьего и четвертого резисторов, третий и четвертый входы соединены соответственно с общей точкой пятого и шестого резисторов и общей точкой седьмого и восьмого резисторов, а первый и второй выходы подключены соответственно к первому и второму входам второго компаратора, причем первый и второй входы первого компаратора соединены соответственно с общей точкой девятого и десятого резисторов и общей точкой одиннадцатого и двенадцатого резисторов, а третий выход блока управления подключен к второму входу запоминающего устройства, выход которого соединен с входом блока индикации.