УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Российский патент 1999 года по МПК G01B7/14 

Предлагаемое изобретение относится к области электрических измерений и может быть использовано для измерения электрических и неэлектрических величин с помощью дифференциальных, например мостовых, измерительных преобразователей, питаемых переменным током. Наиболее целесообразно применение предлагаемого устройства совместно с индуктивными и емкостными первичными преобразователями для построения измерителей расстояний до металлической поверхности объекта в диапазоне от долей миллиметра до 40 - 100 мм как в статическом состоянии, так и перемещении объекта относительно устройства, например, зазоров в транспорте на магнитном подвесе, на воздушной подушке, толщины обрастания подводной части судов, а также различных неметаллических покрытий на металле и т.п. при размещении измерительных преобразователей в местах, труднодоступных и недоступных для обслуживающего персонала.

Известно устройство формирования выходного сигнала дифференциального измерительного преобразователя (см., например, кн. Эрлер Э., Вальтер Л. Электрические измерения неэлектрических величин полупроводниковыми тензорезисторами. Пер. с немецкого. Под ред. Малкова Я.В. - М.: Мир, 1974, с. 206-208, рис. 8.4), содержащее мостовой измерительный преобразователь, подключенный к источнику постоянного напряжения, компенсирующий источник напряжения и делитель напряжения, с помощью которого осуществляют регулирование упомянутого компенсирующего напряжения. Вычитание напряжений ветвей электрического моста осуществляется за счет подключения измерительного прибора между выходами ветвей моста последовательно с резистором, на котором создается напряжение компенсации небаланса мостового измерительного преобразователя. Недостатком такого устройства является различие характеристики источников компенсирующего напряжения и питания мостового измерительного преобразователя, приводящее к повышенной температурной и временной погрешности выходного сигнала.

Известно также устройство, (см., например, кн. Левшина Е.С., Новицкий П. В. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи). Учеб. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1983, с. 105, рис.5-17), содержащее мостовой измерительный преобразователь, балансировочное устройство в виде делителя напряжения с первым дифференциальным усилителем, выполненный в виде второго дифференциального усилителя блок вычитания напряжений, снимаемых с выходов ветвей измерительного преобразователя, блок суммирования напряжений, непосредственно формирующий выходное напряжение, а также источник питания измерительного преобразователя и балансировочного устройства.

Недостатком данного устройства являются различные значения температурных и временных зависимостей параметров элементов измерительного преобразователя и элементов цепи формирования компенсирующего напряжения, что приводит, помимо погрешности, обусловленной неполной идентичностью элементов измерительного преобразователя, к возникновению дополнительной погрешности измерений из-за влияния нестабильности параметров цепи компенсации небаланса преобразователя.

Наиболее близким к заявляемому по совокупности признаков является устройство для бесконтактного измерения расстояния (см., например, патент Российской Федерации N 1760310 МКИ G 01 B 7/14 от 11.08.89). Это устройство содержит источник переменного напряжения, измерительный преобразователь с двумя катушками индуктивности, два резистора, включенные последовательно с катушками индуктивности и подключенные входами к катушкам индуктивности, блок вычитания напряжений, подключенный к выходам двух детекторов, которые выпрямляют напряжения двух катушек индуктивности. Третий детектор подключен к одной из катушек индуктивности. В состав устройства может входить также блок линеаризации, выполненный, например, в виде блока деления напряжений.

Недостатком данного устройства, принятого за прототип, является отсутствие элементов балансировки измерительного преобразователя и связанная с этим погрешность, обусловленная изменением параметров измерительного преобразователя под влиянием возмущающих воздействий (времени, температуры, влажности и т. п. ). Начальная балансировка измерительного преобразователя может быть выполнена путем регулировки параметров одного из элементов измерительного преобразователя. Поэтому температурный и временной уход параметров измерительного преобразователя не может быть скомпенсирован в процессе эксплуатации устройства и приводит к увеличению погрешности измерений. Наиболее существенно этот недостаток проявляется в измерительных устройствах с первичными преобразователями, расположенными в местах, недоступных и труднодоступных для обслуживающего персонала.

Задачей изобретения является повышение точности измерений с помощью дифференциальных, например мостовых, измерительных преобразователей, питаемых переменным током. Указанная задача решается тем, что в устройстве формирования выходного сигнала дифференциального измерительного преобразователя, питаемого переменным током, содержащем дифференциальный измерительный преобразователь, по крайней мере два выпрямителя, присоединенные к выходам ветвей измерительного преобразователя, и дифференциальный усилитель, входы которого подключены к выходам выпрямителей, соединенных с выходами разных ветвей измерительного преобразователя, дополнительно введен переменный резистор, подключенный к выходу одного из выпрямителей, причем движок переменного резистора подключен к дополнительному входу дифференциального усилителя.

Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что оно снабжено переменным резистором, подключенным к выходу одного из выпрямителей, причем движок переменного резистора подключен к дополнительному входу дифференциального усилителя.

Именно введение в состав устройства переменного резистора, подключенного к выходу одного из выпрямителей, и соединение движка этого резистора с дополнительным входом дифференциального усилителя согласно предложению обеспечивает решение задачи изобретения.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволяет установить соответствие его критерию "новизна".

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию "существенные отличия".

Структурная схема устройства приведена на фиг. 1. Устройство содержит дифференциальный измерительный преобразователь 1, включающий по крайней мере две ветви 2 и 3. В состав преобразователя 1 могут входить также дополнительные ветви 4 (например, дополнительная обмотка дифференциального трансформатора). Питание измерительного преобразователя 1 осуществляется от источника 5 переменного напряжения. Переменные напряжения с выходов ветвей 2 и 3 поступают на два идентичных выпрямителя (детектора) 6 и 7, преобразующих эти напряжения в постоянные. К выходам выпрямителей 6 и 7 подключен дифференциальный усилитель 8, который формирует выходное постоянное напряжение. Устройство может содержать также третий выпрямитель 9, вход которого соединен с выходом одной из ветвей (2, 3 и 4) измерительного преобразователя 1. Переменный резистор 10 присоединен к выходу одного из выпрямителей 6, 7 или 9, а движок переменного резистора 10 соединен с дополнительным входом дифференциального усилителя 8.

На фиг. 2 в качестве примера приведена схема дифференциального усилителя 8 с дополнительным входом, выполненная на одном операционном усилителе 11. Резисторы 12 и 13 образуют основной дифференциальный вход, резисторы 14 и 15 являются элементами обратной связи, а резисторы 16 и 17 образуют дополнительный дифференциальный вход. Причем, через резистор 16 подается суммируемый сигнал, а через резистор 17 - вычитаемый. Неиспользуемый дополнительный вход заземляется.

Частным случаем построения дифференциального усилителя 8 с дополнительным входом является выполнение его в виде двух усилителей, включаемых последовательно: первого двухвходового дифференциального усилителя и второго двухвходового суммирующего или дифференциального (вычитающего) усилителя. Указанные усилители могут быть выполнены по известным схемам на операционных усилителях.

Работа предложенного устройства (на примере подключения переменного резистора 10 через выпрямитель 9 к выходу ветви 3 измерительного преобразователя 1) заключается в следующем. Под действием переменного напряжения источника 5 на выходах ветвей 2 и 3 создаются переменные напряжения U₁ и U₂. В общем случае для линейных характеристик преобразования ветвей 2 и 3 измерительного преобразователя 1 (или линеаризованных для нелинейных характеристик ветвей 2 и 3) эти напряжения могут быть записаны в виде:

где X - измеряемая физическая величина;
U_пит - напряжение источника 5 переменного напряжения;
α₁ и α₂ коэффициенты передачи ветвей 2 и 3 соответственно измерительного преобразователя 1;
γ₁ и γ₂ - коэффициенты нестабильности ветвей 2 и 3 соответственно под действием возмущающих факторов (температуры, влажности, времени и т.п.) и равные относительному изменению параметра ветви (сопротивления, индуктивности, емкости) под влиянием внешних воздействий;
k₁ и k₂ - коэффициенты чувствительности к измеряемой величине X ветвей 2 и 3 соответственно.

На выходах выпрямителей 6 и 7 формируются напряжения U₆ и U₇, равные

где U_в - падение напряжения на выпрямителях 6 и 7.

После вычитания этих напряжений дифференциальным усилителем 8 (без учета компенсирующего напряжения, подаваемого на его дополнительный вход) формируется составляющая выходного напряжения - разностное напряжение U_диф.:

где K_Д - коэффициент усиления дифференциального усилителя 8.

При использовании в качестве третьего выпрямителя 9 прецизионного выпрямителя, для которого U_в = 0, на выходе переменного резистора 10 вырабатывается компенсирующее напряжения U_к, равное
U_к = U_пит•α₂•α_к•(1+γ₂-k₂•X), (2)
где α_к - коэффициент передачи переменного резистора 10.

Прецизионный выпрямитель может быть выполнен по известной схеме на усилителе постоянного тока с диодом, охваченным отрицательной обратной связью.

Переменный резистор 10 может быть подключен также к выходу выпрямителя 7, который должен быть прецизионным. В таком случае для обеспечения равенства падений напряжений U_в выпрямитель 6 также должен быть прецизионным.

В связи с тем, что верхний и нижний участки переменного резистора 10 полностью идентичны (имеют одинаковую чувствительность к внешним воздействиям), коэффициент α_к , устанавливаемый при балансировке измерительного преобразователя, является величиной, не зависимой от внешних воздействий.

При подаче напряжения U_к на дополнительный (например, суммирующий) вход дифференциального усилителя 8 выходное напряжение U_вых устройства (с учетом усиления напряжения U_к в K_к раз) будет равно:
U_вых = U_диф + U_к • K_к.

Подставляя напряжения U_диф и U_к из (1) и (2), получаем:

Для сбалансированного дифференциального измерительного преобразователя 1 при X = 0 напряжение U_вых должно быть равно нулю. Из выражения (3) следует, что для нормальных условий (т.е. когда влияние возмущающих факторов равно нулю и γ₁ = γ₂ = 0) это будет обеспечено при выполнении условия:
α₁-α₂+α₂•α_к•K_к/K_д = 0.
Решая это равенство относительно α_к, получаем:

После подстановки полученного значения α_к в (3) находим окончательное выражение для выходного напряжения устройства:
U_вых = U_пит•K_д•α₁•[(k₁+k₂)•X+(γ₁-γ₂)].
Таким образом, с помощью переменного резистора 10 в нормальных условиях при несимметричном дифференциальном измерительном преобразователе 1 выходной сигнал усилителя 8 будет равен нулю. Причем, влияние внешних возмущающих факторов будет определяться только неидентичностью ветвей измерительного преобразователя 1 - разностью (γ₁-γ₂) . Цепь балансировки дополнительной погрешности не вносит.

Как следует из (4), при α₁ > α₂ и одинаковых полярностях напряжений U_к и U1, U2 (а также при α₁ < α₂ и полярности напряжения U2, противоположной полярности напряжений U_к и U1) коэффициент α_к должен быть положительным. В этом случае необходимо разностное напряжение U_диф складывать с компенсирующим напряжением U_к и в дифференциальном усилителе 8 использовать суммирующий вход. При α₁ < α₂ и полярности напряжения U2, противоположной полярности напряжений U_к и U1 (а также при α₁ < α₂ и одинаковых полярностях напряжений U_к и U1 и напряжения U2) коэффициент α_к должен быть отрицательным и для правильного формирования выходного напряжения U_вых компенсирующее напряжение U_к необходимо вычитать из разностного напряжения U_диф. В этом случае в дифференциальном усилителе 8 должен быть использован вычитающий вход.

Выделение подстрочного элемента (переменного резистора 10) из цепи измерительного преобразователя 1 и перенос его в схему обработки сигнала позволяет выполнять периодическую балансировку измерительного преобразователя 1 при расположении последнего в местах, трудонодоступных для обслуживающего персонала, (например, в глубоких и узких нишах), а также при работе измерительного преобразователя 1 в тяжелых эксплуатационных условиях (под давлением, в агрессивных средах и т.п.), когда доступ к элементах преобразователя 1 может привести к нарушению целостности его защиты и последующему отказу.

При размещении измерительного преобразователя 1, источника 5 переменного напряжения и выпрямителей 6, 7 и 9 в корпусе первичного преобразователя, а остальных элементов и блоков устройства - в корпусе вторичного преобразователя индуктивность и емкость (наиболее нестабильные параметры) линии связи между первичным и вторичным преобразователями не накладывают никаких ограничений на ее длину при обеспечении высокой точности измерений.

Благодаря включению переменного резистора 10 в цепь постоянного тока и формированию выходного напряжения из выпрямленных сигналов исключает влияние фазовых сдвигов и гармонических составляющих напряжения источника 5 на точность балансировки измерительного преобразователя 1.

Под влиянием внешних воздействий одинаковые относительные изменения сопротивлений верхнего и нижнего участков переменного резистора 10 обеспечивают высокую стабильность коэффициента α_к . Использование для получения компенсирующего напряжения U_к напряжения с выхода одной из ветвей измерительного преобразователя 1, выпрямленного прецизионным выпрямителем, устраняет влияние напряжения питания измерительного преобразователя 1 на точность его балансировки.

Возможность балансировки измерительного преобразователя 1 с помощью элемента, удаленного от преобразователя 1, позволяет осуществлять подстройку передаточной характеристики устройства с учетом влияния предметов, расположенных вблизи измерительного преобразователя 1 даже при невозможности доступа оператора к нему.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет исключить влияние подстроечных элементов на погрешность измерений и получить меньший дрейф выходного напряжения при внешних возмущающих воздействиях, а следовательно, и более высокую точность измерений.

Изобретение может использоваться для измерения электрических и неэлектрических величин с помощью дифференциальных, например мостовых, измерительных преобразователей. Устройство, питаемое переменным током, содержит дифференциальный измерительный преобразователь, по крайней мере два выпрямителя, соединенных с выходами ветвей измерительного преобразователя, и дифференциальный усилитель, входы которого подключены к выходам выпрямителей. Дополнительно введен переменный резистор, подключенный к выходу одного из выпрямителей. Движок переменного резистора подключен к дополнительному входу дифференциального усилителя. Технический результат: получение более высокой точности измерения. 2 ил.

Устройство формирования выходного сигнала дифференциального измерительного преобразователя, питаемого переменным током, содержащее дифференциальный измерительный преобразователь, по крайней мере два выпрямителя и дифференциальный усилитель, входы которого подключены к выходам выпрямителей, соединенных с выходами ветвей измерительного преобразователя, отличающееся тем, что оно снабжено переменным резистором, подключенным к выходу одного из выпрямителей, причем движок переменного резистора подключен к дополнительному входу дифференциального усилителя.