УНИВЕРСАЛЬНЫЙ МОДУЛЬ ЧАСТОТНОГО ИНТЕГРИРУЮЩЕГО РАЗВЁРТЫВАЮЩЕГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ ДАТЧИКОВ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН Российский патент 2017 года по МПК H02M5/27 G01R23/09 G01D7/00 

Предлагаемое изобретение относятся к измерительной технике и может быть использовано при создании вторичных измерительных частотных преобразователей, работающих совместно с датчиками физических величин (температуры, давления, силы и др.) резистивного и емкостного типов.

Известны различные частотные интегрирующие развертывающие преобразователи [1-4], однако все они содержат различное количество дискретных элементов для получения тех или иных технических характеристик. Отсутствует универсальный модуль частотного интегрирующего развертывающего преобразователя, размещенный в одном корпусе, который позволял бы достаточно просто реализовывать не одну, а несколько различных электрических схем.

Применение частотных интегрирующих развертывающих преобразователей (ЧИРП) для работы с датчиками резистивного и емкостного типов, в силу их простоты в схемотехническом решении, представляет практический интерес. Они не требуют дополнительных настроек и программирования, имеют малое энергопотребление, частотный выходной сигнал. ЧИРП обладают большей помехозащищенностью по сравнению с аналоговыми преобразователями при передаче сигнала на большие расстояния. Кроме того, при работе с резистивными и емкостными датчиками ЧИРП не требуют стабилизированных источников питания измерительной цепи и при несложных схемотехнических решениях позволяют снизить температурную погрешность преобразователей.

Известны различные универсальные модули для различных целей. К примеру, известен универсальный присоединительный модуль [5], содержащий корпус, входящие в него электрические контактные выводы и другие элементы.

Известен также универсальный модуль информационно-измерительной системы, содержащий корпус, электрические контактные выводы, источник питания, процессор (содержащий операционные усилители, резисторы и конденсаторы), соединенный через порты с интерфейсным устройством, соединенным с системой управления [6]. Особенность изобретения состоит в том, что в нем имеется таймер, который соединен со входами коммутатора, процессора, формирователя сигнала и интерфейсного устройства, а выход коммутатора через процессор и формирователь сигналов соединен со входом интерфейсного устройства. Однако такой универсальный модуль для решения задачи вторичного измерительного преобразователя датчика физических величин имеет сложную структуру: он состоит из коммутатора, процессора, таймера, формирователя сигналов, интерфейсного устройства, блока памяти, стабилизированного источника питания. В нем сигналы от датчиков должны поступать в аналоговой форме и преобразуются аналого-цифровым процессором, после чего сигнал в цифровой форме подается на вход интерфейсного устройства. При передаче от датчиков сигналов в аналоговой форме линии связи, как правило, подвержены воздействию электромагнитных помех, которые накладываются на полезный сигнал и вносят погрешность в результаты измерения. Известный универсальный модуль не позволяет подключать к нему емкостные датчики, он является аналого-цифровым преобразователем сигнала. В связи с этим, он имеет ограниченные функциональные возможности и недостаточно универсален.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является, выбранный в качестве прототипа универсальный (интерфейсный) модуль для контроля физической величины (температуры) [7]. Он содержит корпус, электрические контактные выводы, канал контроля измеряемого параметра, генератор стабильного тока, контроллер интерфейсов, схему управления и последовательно соединенные инструментальный усилитель, масштабирующий усилитель, аналого-цифровой преобразователь и буферное устройство (выполненные с использованием операционных усилителей, резисторов и конденсаторов). Этому устройству присущи такие же недостатки, как и предыдущему: ограниченные функциональные возможности, сложность конструкции, недостаточная универсальность.

Известные универсальные модули не в полной мере эффективны и применимы для реализации комплексных задач измерения физических величин (температуры, давления, силы и др.) резистивными и емкостными датчиками в системах измерения, контроля и управления.

Задачей предлагаемого изобретения является создание универсального модуля частотного интегрирующего развертывающего преобразователя (ЧИРП) для реализации комплексных задач измерения физических величин (температуры, давления, силы и др.) резистивными и емкостными датчиками в системах измерения, контроля и управления, позволяющего реализовывать не одну, а несколько различных электрических схем ЧИРП с минимальным количеством дополнительных радиоэлементов.

Техническим результатом изобретений является расширение функциональных возможностей, повышение универсальности, упрощение конструкции, повышение эффективности реализации в задачах измерения физических величин (температуры, давления, силы и др.) резистивными и емкостными датчиками систем измерения, контроля и управления.

Это достигается тем, что в известном универсальном модуле, содержащем корпус, электрические контактные выводы, вмонтированные в корпус, операционные усилители, резисторы и конденсаторы, в соответствии с предлагаемым изобретением первый электрический контактный вывод соединен через первый резистор с инвертирующим входом первого операционного усилителя, второй вход которого соединен со вторым электрическим контактным выводом, третий электрический контактный вывод соединен через второй резистор с инвертирующим входом первого операционного усилителя, четвертый электрический контактный вывод соединен с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, пятый электрический контактный вывод соединен с инвертирующим входом третьего операционного усилителя, шестой электрический контактный вывод соединен с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, седьмой электрический вывод соединен с электрическими выводами минуса электрического питания первого, второго и третьего операционных усилителей, восьмой электрический контактный вывод соединен с выходом первого операционного усилителя, девятый электрический контактный вывод соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, десятый электрический контактный вывод соединен с выходом второго операционного усилителя, одиннадцатый электрический контактный вывод соединен с выходом третьего операционного усилителя, а двенадцатый электрический контактный вывод соединен с электрическими выводами плюса электрического питания первого, второго и третьего операционных усилителей, инвертирующий вход первого операционного усилителя соединен через первый конденсатор с выходом первого операционного усилителя, с инвертирующим входом второго операционного усилителя и с восьмым электрическим контактным выводом, а также соединен непосредственно с девятым электрическим контактным выводом, который через второй конденсатор соединен с выходом второго операционного усилителя и с десятым электрическим контактным выводом, соединенным через третий резистор с инвертирующим входом третьего операционного усилителя, выход которого через четвертый резистор соединен с инвертирующим входом третьего операционного усилителя, при этом три перечисленных операционных усилителя, четыре резистора и два конденсатора с установленными между ними электрическими соединениями размещены и выполнены внутри герметичного корпуса, причем электрическое сопротивление второго резистора R2 равно отношению или превышает его, но не более чем в 9 раз, где R1 - электрическое сопротивление первого резистора, ε_ном - номинальный разбаланс измерительной цепи (в относительных единицах), а электрическая емкость второго конденсатора С2 равна половине (0,5) емкости первого конденсатора С1 или меньше, но не менее одной десятой (0,1) емкости первого конденсатора С1 (не менее 0,1 С1).

На фиг. 1 показана обобщенная структурная схема ЧИРП с измерительной цепью (ИЦ) первичного преобразователя (датчика). Измерительная цепь (ИЦ) 1 имеет одну из схем включения: мостовая или в виде делителя напряжения (из резисторов или конденсаторов, конденсаторов с резисторами). В состав ЧИРП входит интегратор (ИНТ) 2, сравнивающее устройство (компаратор) 3 (СУ) и инвертирующий усилитель (ИУ) (с переменным коэффициентом передачи) 4, который может быть использован как инвертор (с коэффициентом передачи, равным единице), либо как второй компаратор. Отрицательные обратные связи, показанные пунктиром, используются для питания датчиков в зависимости от их типов и схем включения в ИЦ 1.

Анализ обобщенной структурной схемы и известных схемотехнических решений показал, что возможно создание универсального модуля ЧИРП с определенным, оптимальным набором элементов и связей между ними, на основе которого могут быть реализованы различные электрические схемы ЧИРП для резистивных и емкостных датчиков физических величин.

На фиг. 2 показан предлагаемый универсальный модуль частотного интегрирующего развертывающего преобразователя для датчиков физических величин. Он содержит корпус 5, электрические контактные выводы 6, вмонтированные в корпус. Операционные усилители, резисторы и конденсаторы установлены внутри корпуса 5.

Электрическая схема предлагаемого универсального модуля частотного интегрирующего развертывающего преобразователя (универсальный модуль) для датчиков физических величин изображена на фиг. 3. Первый электрический контактный вывод 7 соединен через первый резистор 8 (R1) (к примеру R1=10 кОм), с инвертирующим входом 9 первого операционного усилителя 10 (ОУ1), второй вход 11 которого соединен со вторым электрическим контактным выводом 12. Третий электрический контактный вывод 13 соединен через второй резистор 14 (R2) (к примеру, R2=500 кОм) с инвертирующим входом 9 первого операционного усилителя 10 (ОУ1). Четвертый электрический контактный вывод 15 соединен с неинвертирующим входом 16 второго операционного усилителя 17 (ОУ2). Пятый электрический контактный вывод 18 соединен с инвертирующим входом 19 третьего операционного усилителя 20 (ОУ3). Шестой электрический контактный вывод 21 соединен с неинвертирующим входом 22 третьего операционного усилителя 20. Седьмой электрический вывод 23 соединен с электрическими выводами 24, 25 и 26 минуса электрического питания первого 10 (ОУ1), второго 17 (ОУ2) и третьего 20 (ОУ3) операционных усилителей. Восьмой электрический контактный вывод 27 соединен с выходом 28 первого операционного усилителя 10 (ОУ1). Девятый электрический контактный вывод 29 соединен с инвертирующим входом 9 первого операционного усилителя 10 (ОУ1). Десятый электрический контактный вывод 30 соединен с выходом 31 второго операционного усилителя 17 (ОУ2). Одиннадцатый электрический контактный вывод 32 соединен с выходом 33 третьего операционного усилителя 20 (ОУ3), а двенадцатый электрический контактный вывод 34 соединен с электрическими выводами 35, 36 и 37 плюса электрического питания первого 10 (ОУ1), второго 17 (ОУ2) и третьего 20 (ОУ3) операционных усилителей. Инвертирующий вход 9 первого операционного усилителя 10 (ОУ1) соединен через первый конденсатор 38 (С1) (к примеру, С1=20 пФ) с выходом 28 первого операционного усилителя 10 (ОУ1), с инвертирующим входом 39 второго операционного усилителя 17 (ОУ2) и с восьмым электрическим контактным выводом 27, а также соединен непосредственно с девятым электрическим контактным выводом 29, который через второй конденсатор 39 (С2) (к примеру, С2=5 пФ) соединен с выходом 31 второго операционного усилителя 17 (ОУ2) и с десятым электрическим контактным выводом 30, соединенным через третий резистор 40 (R3) (к примеру, R3=10 кОм) с инвертирующим входом 19 третьего операционного усилителя 20 (ОУ3). Выход 33 третьего операционного усилителя 20 (ОУ3) через четвертый резистор 41 (R4) (к примеру, R4=10 кОм) соединен с инвертирующим входом 19 этого же операционного усилителя 20 (ОУ3). При этом три перечисленных операционных усилителя 10, 17 и 20 (ОУ1, ОУ2, ОУ3), четыре резистора 8, 14, 40, 41 (R1-R4) и два конденсатора 38, 39 (C1, С2) с установленными между ними электрическими соединениями (связями) размещены и выполнены внутри герметичного корпуса 5. Причем электрическое сопротивление второго резистора 14 (R2) равно отношению:

или превышает это отношение, но не более чем в 9 раз, где R1 - электрическое сопротивление первого резистора 8 (R1), ε_ном - номинальный разбаланс измерительной цепи (в относительных единицах, обычно равен 0,01) при номинальном значении измеряемого параметра физической величины.

Электрическая емкость второго конденсатора 39 (С2) равна половине (0,5) емкости первого конденсатора 38 (С1) или меньше, но не менее одной десятой (0,1) емкости первого конденсатора 38 C1 (не менее 0,1 C1).

Электрические сопротивления резисторов 40 (R3) и 41 (R4) определяют коэффициент передачи инвертирующего усилителя на операционном усилителе 20 (ОУ3), который (для примера) равен 1 при R3=R4.

В большинстве случаев практического применения универсального модуля с резистивными датчиками, собранными по мостовой схеме включения, номинальная величина разбаланса измерительной цепи (тензомоста) ε_ном не превышает ±0,01 (ε_ном≤±0,01). Для того чтобы частота выходного сигнала изменялась от заданного среднего значения (при ε=0) в одну и другую стороны при отрицательном и положительном разбалансе тензомоста (±ε), необходимо выполнение соотношения . Это соотношение определяет нижнюю границу частотного диапазона при отрицательном разбалансе тензомоста. Если же это соотношение не выполняется, то нижняя граница частотного диапазона будет усеченной и не будет соответствовать -ε. Верхняя граница частотного диапазона, с учетом максимального положительного разбаланса тензомоста +ε, ограничена амплитудно-частотной характеристикой операционных усилителей (обычно максимальная частота кГц, а начальная частота при этом должна быть равной не более половины ). К примеру, сопротивление резистора 14 (R2) должно быть в 50 раз больше сопротивления резистора 8 (R1) при разбалансе тензомоста ε_ном=0,01. (При R1=10 кОм, R2=500 кОм).

Следует отметить, что резистор 14 (R2) используется при подключении универсального модуля к дифференциальному тензорезистивному (емкостному) датчику, собранному по мостовой схеме включения, и служит для задания начальной частоты выходного сигнала при нулевом разбалансе тензомоста (при ε=0) или при равенстве емкостей емкостного делителя измерительной цепи.

Соотношение емкостей конденсаторов С1 и С2 определяет величину скачка амплитуды выходного напряжения интегратора при смене полярности выходного сигнала универсального модуля (с -U₀ на +U₀). При величина скачка амплитуды выходного напряжения интегратора равна 2U₀. Если величина скачка амплитуды выходного напряжения интегратора будет больше, то операционный усилитель 10 (ОУ1) будет работать в режиме насыщения (ограничения сигнала по амплитуде) и увеличится погрешность нелинейности. Поэтому С2 должно быть для устойчивой работы интегратора на операционном усилителе 10 (ОУ1). Наиболее оптимальное соотношение , которое обеспечивает максимальную линейность преобразования. При увеличении емкости С2 (39) увеличивается чувствительность преобразователя, но уменьшается амплитуда выходного сигнала интегратора на операционном усилителе 10 (ОУ1), что может отрицательно сказываться на работе компаратора на операционном усилителе 17 (ОУ2). В общем случае отношение должно быть в интервале от 2 до 10. То есть, электрическая емкость второго конденсатора 39 (С2) должна быть равна половине (0,5) емкости первого конденсатора 38 (С1) или меньше, но не менее одной десятой (0,1) емкости первого конденсатора 38 С1 (не менее 0,1 С1).

В универсальном модуле для датчиков физических величин (фиг. 3) образован интегратор, собранный на операционном усилителе 10 (ОУ1) с конденсатором 38 (к примеру, С1=20 пФ) в отрицательной обратной связи, резисторами 8 и 14 (к примеру, R1=10 кОм и R2=500 кОм) с дозирующей емкостью 39 (к примеру, С2=5 пФ), включенной между инвертирующим входом 9 интегратора и выходом 31 компаратора, собранного на операционном усилителе 17 (ОУ 2); инвертирующий усилитель на операционном усилителе 20 (ОУ 3) с коэффициентом передачи, задаваемым отношением сопротивлений резисторов 40 и 41 (R4/R3) (к примеру, R4=R3=10 кОм). Электрическое питание универсального модуля осуществляется от двухполярного источника постоянного напряжения +U и -U (в диапазоне от 5 до 15В). В зависимости от схем подключения измерительной цепи (ИЦ) с датчиком физических величин и задания необходимых параметров диапазона изменения частоты выходного сигнала и чувствительности ЧИРП возможно подключение навесных элементов к электрическим контактным выводам универсального модуля с целью изменения номиналов конденсаторов 38, 39 (C1, С2) и резисторов 8, 14, 41 (R1, R2 и R4).

На фиг. 4 представлена схема подключения универсального модуля к резистивному датчику температуры 42 (R7) через дополнительный резистор 43 (к примеру, R6=200 кОм, который может быть и больше). Следует отметить, что чем выше номинал данного резистора R6 (на несколько порядков выше сопротивления датчика R7), тем меньше погрешность нелинейности. Дополнительно к модулю подключены навесные элементы: конденсатор 44 (к примеру, С3=30 пФ, параллельно конденсатору С1=20 пФ) и резистор 45 (к примеру, R5=10 кОм, параллельно R4=10 кОм). На фиг. 5 показаны временные диаграммы, иллюстрирующие работу данной схемы. Верхняя строка временных диаграмм отражает форму сигнала на выходе интегратора, а вторая и третья - формы сигналов на выходе операционных усилителей 17 (ОУ2) и 20 (ОУ3), соответственно.

Функция преобразования для данной схемы включения:

Параллельно резистору 41 (R4) универсального модуля (см. фиг. 4) подключен навесной резистор 45 (R5) (к примеру, того же номинала, что и R4=10 кОм), в связи с чем напряжение на выходе инвертирующего усилителя 20 (ОУ 3), подаваемое на измерительную цепь из резисторов 42, 43 (R6, R7), равно половине напряжения с выхода компаратора 17 (ОУ 2) и в формуле (3) нужно считать сопротивление R4 как параллельное соединение R4||R5. К конденсатору 38 (С1) также подключен параллельно конденсатор 44 (к примеру, С3=30 пФ) и аналогично нужно считать C1 в формуле (3) как С1||С3 (С1||С3=50 пФ). При условии, что R6>>R1 (на несколько порядков), формулу (3) можно записать:

где - частота выходного сигнала ЧИРП, а K - коэффициент преобразования, имеющий размерность [1/Ом⋅с] и определяемый соотношением:

Таким образом, подбирая номиналы резисторов и конденсаторов в функции преобразования (3), можно получить необходимые параметры выходного сигнала ЧИРП для разных типов датчиков в заданном диапазоне измеряемых температур.

На фиг. 6 показан график изменения частоты выходного сигнала (Гц) в зависимости от изменения сопротивления резистора 42 (R7) датчика температуры в диапазоне от 200 Ом до 1 кОм (при указанных номиналах элементов схемы ЧИРП).

Следующая схема подключения универсального модуля, представлена фиг. 7. Она предназначена для измерения давления с помощью резистивных тензодатчиков, собранных по мостовой схеме включения измерительной цепи. На фиг. 8 показаны временные диаграммы сигналов на выходах интегратора (28, 27), компаратора (31, 30) и инвертирующего усилителя (33, 32), иллюстрирующие работу универсального модуля в данной схеме.

Питание тензомоста (фиг. 7) из резисторов 46 (R5), 47 (R6), 48 (R7) и 49 (R8) осуществляется двухполярным сигналом прямоугольной формы типа «меандр» с выхода 31 компаратора на операционном усилителе 17 (ОУ2). Инвертирующий усилитель на операционном усилителе 20 (ОУ3) в данной схеме можно использовать как дополнительный, выходной сигнал которого инвертирован по отношению к сигналу с выхода 31. Дополнительный навесной резистор 50 (R9) подключен последовательно к резистору 8 (R1) интегратора на операционном усилителе 10 (ОУ1), а конденсатор 51 (С3) - параллельно конденсатору 39 (параллельно дозирующей емкости конденсатора С2).

Функция преобразования данной схемы ЧИРП (фиг. 7):

где: - частота выходного сигнала ЧИРП (Гц); ε=ΔR/R - относительное изменение сопротивления тензомоста (из резисторов 46-49); R_и - электрическое сопротивление интегратора (R_и = R1 + R9, Ом); С_д - емкость дозирующего конденсатора (С_д = С2 + С3, пФ). К примеру, R_и = R1 + R9 = 100 кОм + 10 кОм = 110 кОм; С_д = С2 + С3=5 пФ + 5 пФ = 10 пФ, а формулу (6) можно записать как

При разбалансе тензомоста ε=(0,0014÷0,01) с указанными выше параметрами (для схемы фиг. 7), график изменения частоты выходного сигнала ЧИРП имеет вид, представленный на фиг. 9.

Однако следует заметить, что данную схему (фиг. 7) можно использовать только при одностороннем разбалансе тензомоста, а при стремлении разбаланса к нулевому уровню частота выходного сигнала также стремится к нулю и схема перестает работать. К тому же, данная схема не учитывает влияние изменения температуры окружающей среды на погрешность преобразования. Поэтому данную схему включения можно применять для измерения абсолютного давления при нормальных условиях окружающей среды (например, при комнатной температуре).

Для измерения дифференциального давления в более широком диапазоне температур рекомендуется использовать схему подключения универсльного модуля к измерительной цепи с резистивным датчиком дифференциального давления, представленную на фиг. 10. На фиг. 11 показаны временные диаграммы сигналов на выходах интегратора (28), компаратора (31) и инвертирующего усилителя (33), а также частота выходного сигнала (при выбранных параметрах элементов).

Измерительная цепь данной схемы (фиг. 10) содержит тензометрический мост из резисторов 52-55 (R5-R8) и резисторов 56 и 57 (R9 и R10), включенных последовательно с диагональю питания тензомоста к выходу 31 компаратора на ОУ2. Дополнительные навесные элементы - конденсаторы 58 (С3) и 59 (С4) (к примеру, С3=60 пФ и С4=25 пФ), включенные параллельно конденсаторам С1 и С2 универсального модуля, и резисторы 60 и 61 (R11 и R12) (к примеру R11=90 кОм и R12=800 кОм), включенные последовательно с резисторами 8 и 14 (R1 и R2) интегратора на ОУ1, соответственно.

На фиг. 11 представлен график зависимости частоты выходного сигнала схемы (фиг. 10) от разбаланса тензомоста в диапазоне ε=(-0,01÷0,01) при выбранных параметрах элементов. Функция преобразования описываемой схемы включения в общем виде имеет вид:

где - частота выходного сигнала (Гц); ε_R=ΔR/R - разбаланс тензомоста; R - сопротивление тензомоста (к примеру, R=700 Ом); R_и - сопротивление интегратора (к примеру, R_и = R11 + R1=90 кОм + 10 кОм=100 кОм); R₀ - дополнительное электрическое сопротивление интегратора для задания начальной частоты выходного сигнала при нулевом разбалансе тензомоста (к примеру, R0 = R12 + R2 = 800 кОм + 500 кОм = 1,3 МОм); m=R9/R; n=R10/R (к примеру, R9=R10=700 Ом); С_д - емкость дозирующего конденсатора (к примеру, С_д=С2+С4=5 пФ + 25 пФ = 30 пФ).

Из выражения (8) видно, что при нулевом разбалансе тензомоста (ε_R=0) и равенстве сопротивлений дополнительных резисторов R9 и R10 (n=m) начальная частота выходного сигнала преобразователя может задаваться с помощью величин емкости дозирующего конденсатора С_д и сопротивления R₀ интегратора и равна

а девиация частоты выходного сигнала

Тогда формулу (8) можно представить в виде

На фиг. 12 представлена зависимость частоты выходного сигнала от разбаланса тензомоста. Частота изменяется в диапазоне от 2,5 кГц до 7,5 кГц при разбалансе тензомоста ε=(-0,01÷0,01) и равна 5 кГц при нулевом разбалансе тензомоста, когда R5=R6=R7=R8=R=700 Ом.

Соотношение резисторов R₀ и R_и можно определить из условия равенства выражений (9) и (10), учитывая при этом (11) и, что m может принимать значения 0, 1, 2, 3 и т.д. (кратное сопротивлению тензомоста):

откуда видно, что при разбалансе тензомоста ε=0,01 и m изменяющейся от 0 до 4-х, R₀ должно быть в 50÷450 раз больше R_и. То есть электрическое сопротивление R₀ соответствует отношении: , или превышает его, но не более чем в 9 раз.

Следует подчеркнуть, что в данном случае резистор 14 (R2) универсального модуля использован совместно с резистором 71 (R10) для задания начальной частоты выходного сигнала при нулевом разбалансе тензомоста (при ε=0). На фиг. 13 представлен график зависимостей частоты выходного сигнала от разбаланса тензомоста ε для различных соотношений R₀ и R_и, который наглядно показывает, что только при определенном соотношении возможно получение соответствия частоты выходного сигнала разбалансу тензомоста ε, как при положительном, так и при отрицательном его значении (±ε).

Универсальный модуль может работать не только с резистивными датчиками, но и с емкостными.

На фиг. 14 представлена схема подключения универсального модуля к емкостному датчику перемещения в виде конденсатора 62 (С3), который функционально связан с измеряемой величиной (перемещением). В этой схеме включения имеется емкостной мост из конденсаторов 62-66 (С3-С6). Каждый из этих конденсаторов емкостного моста может быть функционально связан с измеряемой физической величиной. К двум противоположным плечам емкостного моста подключены постоянные резисторы 67 и 68 (R5 и R6). Питание емкостного моста также осуществляется двухполярным электрическим напряжением типа «меандр» ±U₀ с выхода 31 компаратора на операционном усилителе 17 (ОУ2). В диагональ питания емкостного моста включены дополнительные резисторы 69 (R7) и 70 (R8), а к инвертирующему входу интегратора на операционном усилителе 10 (ОУ1) подключен последовательно резистору 14 (R2) (входящему в универсальный модуль) добавочный резистор 71 (R10) для задания начальной частоты при нулевом разбалансе моста, так же подключен последовательно резистору 8 (R1) (входящему в универсальный модуль) добавочный резистор 72 (R9) (сопротивление интегратора R_и=R1+R9). Имеются дополнительные конденсаторы 73 (С7) и 74 (С8), подключенные параллельно конденсаторам 38 (C1) и 39 (С2) соответственно.

С помощью мостовой схемы (фиг. 14) изменение емкости конденсатора 62 (С3) преобразуется в напряжение, подаваемое на вход интегратора на операционном усилителе 10 (ОУ1). На выходе 32 универсального модуля генерируется сигнал прямоугольной формы типа «меандр» с частотой, пропорциональной измеряемому перемещению. Питание универсального модуля также осуществляется от двухполярного источника постоянного электрического напряжения, не требующего особой стабилизации, так как электрическое питание емкостного моста осуществляется напряжением с выхода 31 операционного усилителя 17 (ОУ2), амплитуда которого не влияет на частоту выходного сигнала универсального модуля.

В установившемся режиме работы с выхода компаратора на операционном усилителе 17 (ОУ2) следуют разнополярные импульсы амплитудой ±U₀. Пусть в момент времени t₀ произошла смена полярности выходного напряжения с -U₀ на +U₀. При этом напряжение на выходе интегратора на операционном усилителе 10 (ОУ1) обусловлено положительным «скачком» напряжения с одной из вершин измерительной диагонали емкостного моста, равным

где ε=ΔZ/Z - относительное изменение комплексного сопротивления Z емкостного моста при изменении перемещения, m=R7/Z и n=R8/Z - коэффициенты, равные отношению сопротивлений R7 и R8 к комплексному сопротивлению Z емкостного моста; и отрицательным "скачком" через конденсатор С_д=С2+С8, равным

(на фиг. 14 навесные конденсаторы С7 и С8 не показаны).

Напряжение питания емкостного моста U_cd при введенных дополнительных резисторах R7 и R8 будет определяться выражением

где k=1+m+n.

С учетом начальных условий имеем,

Под действием напряжения разбаланса моста, равного

и напряжения с резистора R₀=R2+R10, равного

напряжение на выходе интегратора на интервале от t₀ до t₁, который равен половине периода (T_к/2=t₁-t₀) колебаний выходного сигнала частотного преобразователя, будет увеличиваться до положительного порогового уровня компаратора на операционном усилителей ОУ2, равного

В момент (t₁) равенства порога срабатывания и напряжения на выходе интегратора вновь произойдет смена полярности выходного напряжения. При этом напряжение на выходе 31 интегратора будет равно

где R_и=R1+R9 и R₀=R2+R10 - соответственно сопротивления входных резисторов интегратора на операционном усилителе ОУ1, С_и=С1+С7 - емкость конденсатора в цепи отрицательной обратной связи интегратора, Т_к - период колебаний выходного сигнала.

Для момента равенства напряжений на выходе интегратора и порогового уровня компаратора справедливо выражение,

Решая выражение (21) относительно периода следования импульсов выходного сигнала Т_к, можно получить выражение для выходной частоты преобразователя

Из выражения (22) видно, что при нулевом разбалансе моста (ε_Z=0) и равенстве сопротивлений дополнительных резисторов R7 и R8 (n=m) начальная частота выходного сигнала преобразователя может задаваться с помощью величин емкости С_д=С2+С8 и сопротивления R₀=R2+R10 и равна

При разбалансе моста в ту или другую сторону величина относительного изменения комплексного сопротивления плеч моста будет изменяться в зависимости от измеряемого перемещения в диапазоне от -0,01 до +0,01 (ε=0÷±0,01), и учитывая то, что эта величина значительно меньше единицы, можно определить девиацию частоты выходного сигнала преобразователя

которая может задаваться и устанавливаться более точно с помощью дополнительных конденсаторов и резисторов.

Математическое моделирование устройства с учетом реально возможных значений параметров схемы и заданных диапазонов разбаланса моста позволило получить графическую зависимость выходного сигнала от изменения разбаланса моста. На фиг. 15 показана зависимость частоты выходного сигнала от разбаланса моста ε_z согласно выражению (22) в диапазоне от -0,01 до +0,01 (относительных единиц), без учета влияния температуры, при следующих параметрах схемы: емкость С3 в начальном состоянии равна 1870 пкФ, емкость постоянных конденсаторов С4, С5, С6 также равна 1870 пкФ; сопротивление двух резисторов R5, R6 в противоположных плечах моста равны 1 Мом; электрическое сопротивление интегратора R_и=R1+R9=50 кОм и R₀=R2+R10=500 кОм; емкость конденсатора С_и=С1+С7=200 пФ; емкость конденсатора С_д=С2+С8=40 пФ; сопротивление дополнительных резисторов R7=R8=2 кОм.

Из графика на фиг. 15 видно, что частота выходного сигнала от разбаланса моста изменяется от 11173 Гц при ε_Z=-0,01 до 11445 Гц при ε_Z=+0,01 и равна 11309 Гц при ε_R=0, носит линейный характер во всем диапазоне разбаланса (как в отрицательной, так и в положительной области). Схема, реализованная с использованием универсального модуля, работает при двухстороннем разбалансе моста (позволяет измерять перемещение в обе стороны от начальной точки).

На фиг. 16 изображена схема подключения универсального модуля к емкостному датчику влажности в виде конденсатора 73 (С4). В измерительную цепь датчика также входит конденсатор 74 (С3) и резистор 75 (R5). Конденсатор 76 (С5) - добавочная емкость к конденсатору 38 (С1) интегратора на операционном усилителе 10 (ОУ1). На фиг. 17 изображен график зависимости частоты выходного сигнала схемы, представленной на фиг. 16, от изменения значения емкости датчика (С4) в диапазоне от 100 до 101 пФ (при следующих параметрах элементов: С3=100 пФ; R5=10 кОм; С5=10 пФ).

Функция преобразования такой схемы включения емкостного датчика в общем случае имеет вид:

где R₀ - электрическое сопротивление входного резистора (R2 или R2 плюс внешнее добавочное электрическое сопротивление R6) интегратора на операционном усилителе 10 (ОУ1), служащее для задания начальной частоты при равенстве емкостей C3=С4.

Характерной особенностью всех описанных выше электрических схем является их инвариантность к изменению напряжения питания модуля (±U_пит.) и отсутствие жестких требований к стабильности емкости конденсатора 38 (С1) интегратора на ОУ1, так как она не входит в функции преобразования описанных схем.

Таким образом, предлагаемый универсальный модуль частотного интегрирующего развертывающего преобразователя для датчиков физических величин, благодаря определенной совокупности элементов и связей между ними, обладает универсальностью и обеспечивает построение различных электрических схем ЧИРП для резистивных и емкостных датчиков. Он позволяет унифицировать электронную компонентную базу измерительных преобразователей на основе ЧИРП.

С применением универсального модуля ЧИРП во многих случаях отпадает необходимость использования микропроцессоров и микропроцессорных систем, что позволяет снизить затраты, особенно на мелкосерийное производство. При этом могут быть получены достаточно высокие потребительские качества измерительных устройств.

Универсальный модуль частотного интегрирующего развертывающего преобразователя для датчиков физических величин может быть изготовлен в интегральном и гибридном исполнении с применением бескорпусных микромощных операционных усилителей.

Предлагаемое устройство, по сравнению с прототипом, позволяет расширить функциональные возможности, повысить универсальность, упростить конструкцию, повысить эффективность реализации в задачах измерения физических величин (температуры, давления, влажности, силы и др.) резистивными и емкостными датчиками.

Предлагаемый универсальный модуль выгодно отличается от известных ранее и может найти широкое применение при создании вторичных частотных измерительных преобразователей, работающих совместно с датчиками физических величин (температуры, давления, влажности, силы и др.) резистивного и емкостного типов при реализации комплексных задач измерения в системах измерения, контроля и управления.

Универсальный модуль частотного интегрирующего развертывающего преобразователя для датчиков физических величин обеспечивает создание ряда вторичных измерительных преобразователей резистивных и емкостных датчиков с частотным выходным сигналом.

Источники информации

1. Частотные преобразователи для датчиков давления на основе нано- и микроэлектромеханических систем: моногр. / В.А. Васильев, Н.В. Громков, А.Н. Головяшкин, С.А. Москалев; под ред. д.т.н., проф. В.А. Васильева. - Пенза: Изд-во ПТУ. - 130 с.

2. Васильев В.А., Громков Н.В. Частотный преобразователь сигнала разбаланса тензомоста. Патент RU 2396705, опубл. 10.08.2010. Бюл. №22.

3. Васильев В.А., Громков Н.В. Устройство для измерения давления с частотным выходом на основе нано- и микроэлектромеханической системы. Патент RU 2406985, опубл. 20.12.2010. Бюл. №35.

4. Васильев В.А., Громков Н.В. Частотный преобразователь сигнала разбаланса тензомоста с уменьшенной температурной погрешностью. Патент RU №2395060, опубл. 20.07.2010. Бюл. №20.

5. Буссе Ральф Дитер, Нойметцлер Хайко, Штарк Йохим, Майер Филипп, Нейхуис Антони Присоединительный модуль распределителя. Патент RU №2569326 С2, опубл. 20.06.2015. Бюл. №32.

6. Карпов В.Н., Халатов А.Н., Юлдашев З.Ш., Котов А.В., Старостенков Ю.А., Подберезский В.А. Универсальный модуль информационно-измерительной системы. Патент RU №2439500 С2, опубл. 10.01.2012. Бюл. №1.

7. Горностаев А.И., Даныкин В.А. Интерфейсный модуль контроля температур». Патент RU №2562749 С2, опубл. 10.09.2015. Бюл. №25.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при создании вторичных измерительных преобразователей, работающих совместно с датчиками резистивного и емкостного типов, предназначенных для измерения различных физических величин (температуры, давления, влажности, силы и др.). Предложенный универсальный модуль частотного интегрирующего развертывающего преобразователя для датчиков физических величин содержит корпус, электрические контактные выводы, вмонтированные в корпус, операционные усилители, резисторы и конденсаторы. Первый электрический контактный вывод соединен через первый резистор с инвертирующим входом первого операционного усилителя, второй вход которого соединен со вторым электрическим контактным выводом. Третий электрический контактный вывод соединен через второй резистор с инвертирующим входом первого операционного усилителя. Четвертый электрический контактный вывод соединен с неинвертирующим входом второго операционного усилителя. Пятый электрический контактный вывод соединен с инвертирующим входом третьего операционного усилителя. Шестой электрический контактный вывод соединен с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя. Седьмой электрический вывод соединен с электрическими выводами минуса электрического питания первого, второго и третьего операционных усилителей. Восьмой электрический контактный вывод соединен с выходом первого операционного усилителя. Девятый электрический контактный вывод соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя. Десятый электрический контактный вывод соединен с выходом второго операционного усилителя. Одиннадцатый электрический контактный вывод соединен с выходом третьего операционного усилителя, а двенадцатый электрический контактный вывод соединен с электрическими выводами плюса электрического питания первого, второго и третьего операционных усилителей. Инвертирующий вход первого операционного усилителя соединен через первый конденсатор с выходом первого операционного усилителя, с инвертирующим входом второго операционного усилителя и с восьмым электрическим контактным выводом, а также соединен непосредственно с девятым электрическим контактным выводом, который через второй конденсатор соединен с выходом второго операционного усилителя и с десятым электрическим контактным выводом, соединенным через третий резистор с инвертирующим входом третьего операционного усилителя, выход которого через четвертый резистор соединен с инвертирующим входом третьего операционного усилителя. Технический результат – повышение функциональных возможностей устройства, повышение универсальности и упрощение конструкции. 17 ил.

Универсальный модуль частотного интегрирующего развертывающего преобразователя для датчиков физических величин, содержащий корпус, электрические контактные выводы, вмонтированные в корпус, операционные усилители, резисторы и конденсаторы, отличающийся тем, что первый электрический контактный вывод соединен через первый резистор с инвертирующим входом первого операционного усилителя, второй вход которого соединен со вторым электрическим контактным выводом, третий электрический контактный вывод соединен через второй резистор с инвертирующим входом первого операционного усилителя, четвертый электрический контактный вывод соединен с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, пятый электрический контактный вывод соединен с инвертирующим входом третьего операционного усилителя, шестой электрический контактный вывод соединен с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, седьмой электрический вывод соединен с электрическими выводами минуса электрического питания первого, второго и третьего операционных усилителей, восьмой электрический контактный вывод соединен с выходом первого операционного усилителя, девятый электрический контактный вывод соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, десятый электрический контактный вывод соединен с выходом второго операционного усилителя, одиннадцатый электрический контактный вывод соединен с выходом третьего операционного усилителя, а двенадцатый электрический контактный вывод соединен с электрическими выводами плюса электрического питания первого, второго и третьего операционных усилителей, инвертирующий вход первого операционного усилителя соединен через первый конденсатор с выходом первого операционного усилителя, с инвертирующим входом второго операционного усилителя и с восьмым электрическим контактным выводом, а также соединен непосредственно с девятым электрическим контактным выводом, который через второй конденсатор соединен с выходом второго операционного усилителя и с десятым электрическим контактным выводом, соединенным через третий резистор с инвертирующим входом третьего операционного усилителя, выход которого через четвертый резистор соединен с инвертирующим входом третьего операционного усилителя, при этом три перечисленных операционных усилителя, четыре резистора и два конденсатора с установленными между ними электрическими соединениями размещены и выполнены внутри герметичного корпуса, причем электрическое сопротивление второго резистора R2 равно отношению или превышает его, но не более чем в 9 раз, где R1 - электрическое сопротивление первого резистора, ε_ном - номинальный разбаланс измерительной цепи (в относительных единицах), а электрическая емкость второго конденсатора С2 равна половине (0,5) емкости первого конденсатора С1 или меньше, но не менее одной десятой (0,1) емкости первого конденсатора C1 (не менее 0,1С1).