ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 1996 года по МПК G01L9/04 G01D5/16 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для преобразования неэлектрических величин с мостовым чувствительным элементом в электрические сигналы.

Известен измерительный преобразователь неэлектрической величины с мостовым чувствительным элементом в ток [1] В этом устройстве входная диагональ мостового чувствительного элемента включена между выходом вспомогательного усилителя и общей точкой стабилизатора напряжения, а его выходная диагональ подключена ко входам дифференциального усилителя. Устройство снабжено схемой компенсации нелинейности изменения напряжения на выходной диагонали в функции неэлектрической величины.

Недостатком известного измерительного преобразователя является то, что он содержит большое число прецизионных резисторов, которые с учетом разброса требуемых напряжений питания моста и разброса нелинейностей мостового чувствительного элемента не могут быть изготовлены в интегральном исполнении, и погрешности этих резисторов неизбежно снижают точность измерительного преобразователя.

Наиболее близким к изобретению является измерительный преобразователь [2] в котором используется интегральная схема трансмиттер. Трансмиттер содержит стабилизатор напряжения, дифференциальный усилитель, вспомогательный усилитель, выход которого подключен к управляющему электроду транзистора, преобразователь напряжения в выходной сигнал (ток), делитель напряжения и токозадающий резистор (два последние элемента в известном устройстве не используются). Трансмиттер типа АD693 из [2] имеет много аналогов, в том числе выпускающаяся в СНГ микросхема У2УП1851 [3] В качестве транзистора, подключенного к вспомогательному усилителю, могут выступать как биполярный [2] так и полевой [3] транзисторы. В устройстве [2] входная диагональ мостового чувствительного элемента включена между эмиттером транзистора, соединенного с инвертирующим входом вспомогательного усилителя и общей точкой стабилизатора напряжения, выход которого соединен с коллектором транзистора. Выходная диагональ мостового чувствительного элемента подключена ко входам дифференциального усилителя. Неинвертирующий вход вспомогательного усилителя подключен к двум внешним по отношению к трансмиттеру резисторам, свободные концы которых подключены соответственно к выходу и общей точке стабилизатора напряжения.

Недостатком данного измерительного преобразователя является то, что он содержит как минимум два внешних по отношению к трансмиттеру прецизионных резистора, которые уменьшают точность преобразования. Прецизионные резисторы могут также понадобиться для уменьшения нелинейности преобразования.

Дополнительным недостатком известных устройств является снижение точности преобразования вследствие недостаточно высокого коэффициента ослабления синфазных входных напряжений дифференциального усилителя (подробный анализ этой составляющей погрешности дан в [2]).

Целью изобретения является повышение точности преобразования неэлектрической величины в электрические сигналы.

Это достигается тем, что в измерительном преобразователе, содержащем стабилизатор напряжения, мостовой чувствительный элемент, выходная диагональ которого соединена со входом дифференциального усилителя, выход которого соединен со входом преобразователя напряжения в выходной сигнал, вспомогательный усилитель, выход которого соединен с базой транзистора, причем стабилизатор напряжения, дифференциальный усилитель и вспомогательный усилитель питаются от внешнего источника, делитель напряжения, токозадающий резистор, согласно изобретению неинвертирующий вход вспомогательного усилителя соединен с выходом делителя напряжения, входы которого соединены соответственно с выходом и общей точкой стабилизатора напряжения, инвертирующий вход вспомогательного усилителя соединен с токозадающим резистором, первым и вторым дополнительными резисторами, причем второй конец первого дополнительного резистора соединен с эмиттером транзистора и первой точкой входной диагонали мостового чувствительного элемента, а вторая точка этой диагонали соединена с коллектором транзистора и через третий дополнительный резистор связана с выходом стабилизатора напряжения, общая точка которого соединена со вторым концом токозадающего резистора, второй конец второго дополнительного резистора соединен с выходом дифференциального усилителя.

Вариант структурной схемы измерительного преобразователя приведен на чертеже, где изображены стабилизатор напряжения 1, мостовой чувствительный элемент 2, дифференциальный усилитель 3, преобразователь напряжения в выходной сигнал 4, вспомогательный усилитель 5, транзистор 6, внешний источник 7, делитель напряжения 8, токозадающий резистор 9, дополнительные резисторы 10-12.

Измерительный преобразователь работает следующим образом.

Внешний источник 7 обеспечивает питание стабилизатора напряжения 1, дифференциального усилителя 3 и вспомогательного усилителя 5. Стабилизатор напряжения 1 с помощью делителя напряжения 8 задает потенциал на неинвертирующем входе вспомогательного усилителя 5. Практически тот же потенциал возникает и на инвертирующем входе вспомогательного усилителя 5 благодаря действию отрицательной обратной связи, охватывающей этот усилитель через токозадающий резистор 9 и первый дополнительный резистор 10. В схемах трансмиттеров напряжение U₁ стабилизатора напряжения 1, делитель напряжения 8, вспомогательный усилитель 5 и сопротивление токозадающего резистора 9 подбираются таким образом, чтобы обеспечить с высокой точностью и стабильностью напряжение U₉ на токозадающем резисторе 9 и ток 19 по этому резистору. Входной ток по инвертирующему входу вспомогательного усилителя 5, входные токи дифференциального усилителя 3 и ток управляющего электрода транзистора (реально это ток базы составного биполярного транзистора или ток затвора полевого транзистора) обычно пренебрежимо малы. Ток по второму дополнительному резистору 11 в режиме покоя также несущественен, поскольку обычно можно подобрать близкими друг другу напряжения на неинвертирующем входе вспомогательного усилителя 5 и на выходе дифференциального усилителя 3. При сделанных допущениях напряжение на входной диагонали мостового чувствительного элемента оказывается равным
U_м.вх U₁ U₉ I₉ (R₁₀ + R₁₂ ),(1)
где R₁₀ и R₁₂ соответственно сопротивления первого и третьего дополнительных резисторов.

Синфазное входное напряжение дифференциального усилителя 3 при равенстве сопротивлений всех плеч мостового чувствительного элемента 2
U_сф.вх 0,5U₁ + 0,5I₉ (R₉ +R₁₀ -R₁₂ ) (2)
Если выбрать
R₉ + R₁₀ R₁₂ (3)
то
U_сф.вх 0,5U1, (4)
а погрешность от недостаточно высокого коэффициента ослабления синфазного входного напряжения дифференциального усилителя отсутствует. Если коэффициент ослабления синфазных входных напряжений дифференциального усилителя 3 достаточно высок, то для упрощения схемы допустимо отходить от выполнения условия (3).

С помощью (1) с учетом (3) можно найти сопротивление R₁₀ и R₁₂, при которых напряжение U_м.вх принимает требуемое значение. Номинальный выходной ток измерительного преобразователя в режиме покоя обычно равен 4 мА.

При номинальном значении неэлектрической величины на выходе измерительного преобразователя номинальное значение тока обычно составляет 20 мА.

Вследствие нелинейности мостового чувствительного элемента 2 при отсутствии второго дополнительного резистора 11 выходное напряжение дифференциального усилителя 3, а следовательно и выходной сигнал являются нелинейной функцией неэлектрической величины. Обычно вторая производная этой функции отрицательна, а приращение сигнала на выходе дифференциального усилителя 3 положительно. При наличии второго дополнительного резистора 11 изменение тока в этом резисторе пропорционально изменению выходного напряжения дифференциального усилителя 3. Это изменение проходит по первому дополнительному резистору 10, вызывая увеличение напряжения на выходе мостового чувствительного элемента. При соответствующем выборе сопротивления второго дополнительного резистора 11 зависимость выходного тока измерительного преобразователя от неэлектрической величины можно сделать практически свободной от второй производной, то есть существенно более линейной. Поскольку сопротивление второго дополнительного резистора 11 влияет на работу схемы только при подаче сигнала, то в качестве этого резистора может быть выбран сравнительно грубый (т. е. дешевый) резистор без существенного снижения общей точности преобразования.

Таким образом, по сравнению с исходной (обычно весьма малой) погрешностью трансмиттера добавляется погрешность резисторов 10 и 12. Если принять относительные погрешности этих резисторов равными и обозначить их через δ_R (в качестве этой погрешности могут выступать допустимые отклонения от номинального сопротивления, ТКС и т.д.), то соответствующая относительная погрешность измерительного преобразователя

Если, например, задаться типичными значениями U₁ 8 В, U₉ 1,8 В, U_м.вх 4 В, то из (5) находим
δ_пр= 0,55δ_R. (6)
Если, например, δ_R 0,25% то δ_пр 0,14% что несколько превышает типичную собственную погрешность трансмиттера на уровне 0,1% [3]
Для схемы прототипа [2] погрешность преобразователя при тех же допущенных составит
т.е. в 1,8 раза больше.

Дополнительная приведенная к диапазону 16 мА погрешность из-за недостаточно высокого коэффициента ослабления синфазных входных напряжений для известной схемы [2] составит в соответствии с приведенным в [2] расчетом 0,12% Это значение соизмеримо с погрешностями собственно трансмиттера при нормальных условиях.

Использование: изобретение относится к измерительной технике. Сущность изобретения: применение токозадающих цепей трансмиттера для питания напряжением мостового чувствительного элемента с обеспечением среднего напряжения на выходе моста, равным половине напряжения стабилизатора трансмиттера. Устройство содержит внешний источник, стабилизатор напряжения, дифференциальный и дополнительный усилители, транзистор, мостовой чувствительный элемент, преобразователь напряжения в выходной сигнал, делитель напряжения, резисторы, соединенные соответствующим образом. 1 ил.

Измерительный преобразователь, содержащий стабилизатор напряжения, мостовой чувствительный элемент, выходная диагональ которого соединена с входом дифференциального усилителя, выход которого соединен с входом преобразователя напряжения в выходной сигнал, вспомогательный усилитель, выход которого соединен с базой транзистора, причем стабилизатор напряжения, дифференциальный усилитель и вспомогательный усилитель питаются от внешнего источника, делитель напряжения, токозадающий резистор, отличающийся тем, что неинвертирующий вход вспомогательного усилителя соединен с выходом делителя напряжения, входы которого соединены соответственно с выходом и общей точкой стабилизатора напряжения, инвертирующий вход вспомогательного усилителя соединен с токозадающим резистором, первым и вторым дополнительными резисторами, причем второй конец первого дополнительного резистора соединен с эмиттером транзистора и первой точкой входной диагонали мостового чувствительного элемента, а вторая точка этой диагонали соединена с коллектором транзистора и через третий дополнительный резистор связана с выходом стабилизатора напряжения, общая точка которого соединена с вторым концом токозадающего резистора, второй конец второго дополнительного резистора соединен с выходом дифференциального усилителя.