ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2005 года по МПК G01L9/04 G01B7/16 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах, применяемых для измерения давления, деформаций и силы в областях народного хозяйства.

Известно тензометрическое устройство, содержащее тензометрический полумост, источники питания, включенные на вход полумоста, усилитель, ключи, две пороговые схемы и регистратор (АС №863997, МКИ G 01 В 7/16, опубл. 15.09.81, БИ №34).

Недостатком данного устройства является сложность схемы и низкая точность измерения.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является устройство, содержащее четыре тензорезистора, соединенных в мостовую схему, операционный усилитель, транзисторы, стабилитрон и резисторы, причем выводы измерительной диагонали мостовой схемы через первый и второй резисторы подключены соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам первого операционного усилителя, выход которого соединен с базой первого транзистора, выход второго операционного усилителя соединен с базой, а инвертирующий вход - с эмиттером второго транзистора, коллектор которого соединен с базой третьего транзистора, эмиттер которого соединен с первой выходной клеммой и через третий резистор с выходом второго операционного усилителя, коллектор третьего транзистора соединен с первыми выводами питания обоих операционных усилителей и катодом стабилитрона, анод которого соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен через четвертый резистор с катодом стабилитрона, первый вывод диагонали питания мостовой схемы подключен к второй выходной клемме и вторым выводам питания обоих операционных усилителей. (АС №1520366, МКИ G 01 L 9/04, опубл. 07.11.89, БИ №41).

Недостатком известного устройства является низкая точность измерения, обусловленная влиянием изменения величины напряжения питания мостовой схемы.

Целью изобретения является повышение точности измерения и упрощение устройства за счет введения новых конструктивных элементов и новых связей, обеспечивающих лучшую стабилизацию напряжения питания тензометрического моста при изменении напряжения питания устройства в широких пределах. Поставленная цель достигается тем, что оно снабжено вторым стабилитроном, катод которого соединен с катодом первого стабилитрона, первым выводом диагонали питания мостовой схемы, вторым выводом пятого резистора и первым выводом питания операционного усилителя, а анод первого стабилитрона подсоединен ко второму выводу диагонали питания мостовой схемы, базе первого транзистора и через шестой резистор соединен с анодом второго стабилитрона, вторым выводом питания операционного усилителя, коллектором второго транзистора и первым выводом седьмого резистора, второй вывод которого подсоединен к коллектору первого транзистора и базе второго транзистора, эмиттер первого транзистора соединен с выходом операционного усилителя, а эмиттер второго транзистора соединен с первой выходной клеммой устройства, вторая выходная клемма которого соединена с первым выводом пятого резистора.

Общими признаками прототипа и заявляемого устройства являются четыре тензорезистора, соединенных в мостовую схему, операционный усилитель, два транзистора, стабилитрон и резисторы, причем выводы измерительной диагонали мостовой схемы через первый и второй резисторы подключены соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам операционного усилителя, которые соответственно через третий и четвертый резистор соединены с первым и вторым выводами пятого резистора, а первый вывод шестого резистора соединен с анодом первого стабилитрона,

Отличительными признаками устройства является то, что оно снабжено вторым стабилитроном, катод которого соединен с катодом первого стабилитрона, первым выводом диагонали питания мостовой схемы, вторым выводом пятого резистора и первым выводом питания операционного усилителя, а анод первого стабилитрона подсоединен ко второму выводу диагонали питания мостовой схемы, базе первого транзистора и через шестой резистор соединен с анодом второго стабилитрона, вторым выводом питания операционного усилителя, коллектором второго транзистора и первым выводом седьмого резистора, второй вывод которого подсоединен к коллектору первого транзистора и базе второго транзистора, эмиттер первого транзистора соединен с выходом операционного усилителя, а эмиттер второго транзистора соединен с первой выходной клеммой устройства, вторая выходная клемма которого соединена с первым выводом пятого резистора.

Другие технические решения со сходными отличительными признаками в патентной и научно-технической литературе не обнаружены, следовательно, предлагаемое устройство обладает существенными отличиями.

На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема предлагаемого тензометрического устройства.

Тензометрическое устройство содержит операционный усилитель 14, четыре тензорезистора, соединенные в мостовую схему 15, выводы измерительной диагонали которой через первый 1 и второй 2 резисторы подключены соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам операционного усилителя 14, куда также соответственно через третий 3 и четвертый 4 резисторы подключены первый и второй выводы пятого резистора 5. Первый и второй выводы шестого резистора 6 соединены соответственно со вторым выводом диагонали питания мостовой схемы 15 и первым выводом седьмого резистора 7, второй вывод которого соединен с коллектором первого транзистора 11 и базой второго транзистора 12. Первый вывод пятого резистора 5 соединен со второй выходной клеммой 10. Эмиттер второго транзистора соединен с первой выходной клеммой 13. Катоды первого 8 и второго 9 стабилитронов соединены со вторым выводом пятого резистора 5, первым выводом диагонали питания мостовой схемы 15 и первым выводом питания операционного усилителя 14. Анод первого стабилитрона 9 соединен со вторым выводом диагонали питания мостовой схемы 15, а анод второго стабилитрона 8 соединен со вторым выводом шестого резистора 6, вторым выводом питания операционного усилителя 14, первым выводом седьмого резистора 7 и коллектором второго транзистора 12.

Тензометрическое устройство работает следующим образом.

Под действием входной измеряемой величины происходит изменение сопротивлений тензорезисторов мостовой схемы 15 и, следовательно, происходит изменение выходного напряжения на измерительной диагонали мостовой схемы, которое поступает на вход операционного усилителя 14, усиливается им и с помощью транзисторов 11 и 12 преобразуется в выходной сигнал устройства в виде тока, потребляемого устройством от внешнего источника питания. За счет использования цепи обратной связи по напряжению, выполненной на резисторах 3 и 4, на входе операционного усилителя 14 происходит сравнение выходного напряжения на измерительной диагонали мостовой схемы 15, поступающего на вход операционного усилителя 14 через резисторы 1 и 2, с падением напряжения на пятом резисторе 5, вызванного протекающим по нему током. С помощью схемы автоматического регулирования, выполненной на операционном усилителе 14, транзисторах 11 и 12 и резисторах 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 в резисторе 5 отслеживается ток, являющийся выходным сигналом устройства и прямо пропорциональный выходному напряжению на измерительной диагонали мостовой схемы 15. Стабилитроны 8, 9 и резистор 6 образуют параметрический стабилизатор напряжения питания мостовой схемы 15 и операционного усилителя 14. При постоянном значении сопротивления резистора 6 мостовая схема 15 работает в режиме заданного напряжения.

За счет введения в устройство дополнительного стабилитрона и новым электрическим связям отпадает необходимость в использовании стабилизатора напряжения, собранного на операционном усилителе, что упрощает схему, повышает ее надежность и точность измерения в широком диапазоне изменения напряжения питания.

Рассмотрим работу предложенного устройства, используя приведенную на Фиг.2 эквивалентную схему замещения и для которой можно записать:

Uст - напряжение стабилизации стабилитрона 9;

U1=Uст, U2, U3, U4, U5, U6 - напряжения в указанных точках относительно клеммы 2 на Фиг.2;

где R_T1, R_Т2, R_Т3, R_Т4 - сопротивления тензорезисторов мостовой схемы 15,

U₁-U₂=I_y×R₅.

При выполнении условий R4=R3 и R2=R1 можно записать:

и

При высоком коэффициенте усиления операционного усилителя (K_y→∞)и высоком входном сопротивлении операционного усилителя (R_вх→∞) можно принять, что входное напряжение операционного усилителя очень мало (Uвх=U₃-U₄→0), и тогда U₃=U₄ и

Откуда, после несложных преобразований и учитывая, что выходной ток устройства получим уравнение преобразования устройства в виде зависимости выходного тока устройства I_y от напряжения разбаланса ΔU=U₅-U₆ мостовой схемы:

Как видно из полученного выражения, предлагаемое устройство позволяет преобразовать напряжение разбаланса ΔU мостовой схемы в выходной ток I_y устройства с коэффициентом, определяемым значениями сопротивлений R5, R4 и R2 принципиальной схемы устройства.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах, применяемых для измерения давления, деформации и силы. Сущность: устройство содержит четыре тензорезистора, соединенных в мостовую схему, операционный усилитель, два транзистора, два стабилитрона и резисторы. Выводы измерительной диагонали мостовой схемы через первый и второй резисторы подключены к входам операционного усилителя, которые соответственно через третий и четвертый резисторы соединены с первым и вторым выводами пятого резистора. Первый вывод шестого резистора соединен с анодом первого стабилитрона. Катод второго стабилитрона соединен с катодом первого стабилитрона, первым выводом диагонали питания мостовой схемы, вторым выводом пятого резистора и первым выводом питания операционного усилителя. Анод первого стабилитрона подсоединен ко второму выводу диагонали питания мостовой схемы, базе первого транзистора и через шестой резистор соединен с анодом второго стабилитрона, вторым выводом питания операционного усилителя, коллектором второго транзистора и первым выводом седьмого резистора, второй вывод которого подсоединен к коллектору первого транзистора и базе второго транзистора. Эмиттер первого транзистора соединен с выходом операционного усилителя, а эмиттер второго транзистора соединен с первой выходной клеммой устройства, вторая выходная клемма которого соединена с первым выводом пятого резистора. Технический результат: повышение точности измерения и упрощение устройства. 2 ил.

Тензометрическое устройство, содержащее четыре тензорезистора, соединенных в мостовую схему, операционный усилитель, два транзистора, стабилитрон и резисторы, причем выводы измерительной диагонали мостовой схемы через первый и второй резисторы подключены соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам операционного усилителя, которые соответственно через третий и четвертый резисторы соединены с первым и вторым выводами пятого резистора, а первый вывод шестого резистора соединен с анодом первого стабилитрона, отличающееся тем, что оно снабжено вторым стабилитроном, катод которого соединен с катодом первого стабилитрона, первым выводом диагонали питания мостовой схемы, вторым выводом пятого резистора и первым выводом питания операционного усилителя, а анод первого стабилитрона подсоединен ко второму выводу диагонали питания мостовой схемы, базе первого транзистора и через шестой резистор соединен с анодом второго стабилитрона, вторым выводом питания операционного усилителя, коллектором второго транзистора и первым выводом седьмого резистора, второй вывод которого подсоединен к коллектору первого транзистора и базе второго транзистора, эмиттер первого транзистора соединен с выходом операционного усилителя, а эмиттер второго транзистора соединен с первой выходной клеммой устройства, вторая выходная клемма которого соединена с первым выводом пятого резистора.