Электрохимический преобразователь механических колебаний в электрические Советский патент 1988 года по МПК G01H11/06 

(Л

««А«

ходных емкостей датчика и увеличение динамического диапазона за счет исключения влияния разности фоновых токов датчика. Преобразователь содержит электрохимический диффузионньй дифференциальный датчик 1, операционный усилитель 2, шину 3 нулевого потенциала, транзистор 4, источник 5 опорного напряжения, резистор 6, источник 7 питания, операционный усилитель 8, резисторы 9-13, резистив- ный делитель 14, интегратор 15 и резисторы 16 и 17. Сумма фоновых токов, потребляемых плечами датчика 1, контролируется цепью, содержащей операционный усилитель 8 с резисторами 6, 9-13 и источник тока на транзисторе 4. 1 ил.

Изобретение относится к измерительным преобразователям механических величин в электрические и может быть применено в сейсмометрах, акустических датчиках давления и других приборах, содержащих электрохимические первичные преобразователи. Цель изобретения - расширение частотного диапазона путем устранения влияния вы

1

Изобретение относится к измерительным преобразователям механически величин в электрические и может быть применено в сейсмометрах, акустических датчиках давления и других при- борах, содержащих электрохимические первичные преобразователи.

Цель изобретения - расширение частотного диапазона путем устранения влияния выходных емкостей датчика и увеличение динамического диапазона за счет искл}очения влияния разности фоновых токов датчика.

На чертеже приведена блок-схема предлагаемого преобразователя.

Преобразователь содержит электрохимический диффузионный дифференциальный датчик 1, операционный усилитель 2, шину 3 нулевого потенциала, транзистор 4, источник 5 опорного напряжения, резистор 6, источник 7 питания, операционный усилитель 8, резисторы 9-13, резистивный делитель 14, интегратор 15, резисторы 16 и 17

Катоды датчика 1 подключены к входам операционного усилителя 2, а аноды - к эмиттеру транзистора 4 типа п-р-п.

Коллектор транзистора 4.через резистор 6 подключен к положительному выводу источника 7 питания, отрицательный вьгоод которого соединен с общей шиной 3. Операционный усилитель 8 с инвертирующим входом подключен через резистор 9 к положитель ному вьшоду источника 7, а через резистор Ю - к своему- выходу. Неинвертирующий вход операционного усилителя 8 подключен к коллектору транзистора 4 и через резистор 11 сое- динен с общей шиной..

Преобразователь работает следующим образом.

На аноды датчика 1 подается напряжение от источника тока, представляющего собой эмиттерный повторитель на транзисторе 4, на базу которого подается относительно общей щины 3 положительное напряжение от источника 5 опорного напряжения.

Через резистор 6 протекает ток, одна составляющая которого равна току коллектора транзистора 4, а другая составляющая обусловлена напряжением на коллекторе и наличием резистора 11, Операционный усилитель 8 совместно с подключенными к нему резисторами 9-11 образуют дифференциальный усилитель, напряжение на выходе которого пропорционально току, потребляемому датчиком 1. Резистор 11 при этом обеспечивает нулевое напряжение на выходе усилителя 8 при токе датчика, равном нулю независимо от напряжения источника 7 питания.

Соотношение сопротивлений резисторов 6 и 9-11 определяется из равенства коэффициентов усиления по обоим входам:

()

R.1

R

Rfi + R.,

(1)

Преобразуя это выражение, получим

R

R,,

9

-Ь

R.

10 к

При этом резистор равенства ется датчиком тока, поэтому

- у

- - к.

Rio R,

(3)

На выходе усилителя 8 образуется отрицательное напряжение, пропорциональное току ij- . Сопротивления резисторов 12 и 13 равны между собой и выбираются из условия, что при напряжениях на катоДах датчика 1, равных нулю, ток, протекающий через каждый из резисторов 12 и 13, равен половине суммы фоновых токов плеч дат- чика 1, т.е.

ir 2

1,а Ii3

(А)

Iоткуда следует:

UK R

а с учетом (3)

R, R,, 2Rg

RIO

R«

Однако из-за того, что фоновые токи плеч не равны между собой, потенциалы на катодах датчика 1 будут от- личны от нуля. Этот разбаланс поступает на дифференциальный вход one- рационного усилителя 2, на выходе которого появляется напряжение, поступающее через резистивный делитель 14 на вход интегратора 15, имеющего па- рафазный выход. На выходах интегратора 15 возникают напряжения, противоположные друг другу по знаку и пропорциональные разности фоновых токов плеч датчика 1. Под действием этих напряжений через каждый из резисторов цепи стабилизации протекает

ток равный у (i, - i,), причем направления токов в резисторах 12 и 13 противоположны и определяются знаком этой полуразности. В результате потенциалы катодов датчика уравниваются.

Для узлов, к которым подключены катоды, при отсутствии сигнала справедливы выражения

1, ii3 + 160.

п

где , i,Yo токи через резисторы 16 и 17 при отсутствии сигнала.

Так как потенциалы катодов V,U, а на выходе операционного усилителя 8 напряжение U, то с учетом (5) из выражений (7) следует:

- 4. iLnik z 13+1.2 - -R-;;- -R7

1Э

Uj+U RO

-1 1,

(8)

что возможно только при ,j 0.

Таким образом, при отсутствии сигнала -.напряжения на катодах равны нулю, т.е. обеспечивается потенциоста- тический режим работы датчика 1.

При наличии механических колебаний на фоновые токи плеч датчика накладываются сигнальные токи, которые,

в силу дифференциальности датчика имеют противоположные направления, следовательно, ток одного плеча равен величине i +i, а ток второго

плеча

чс

Сумма этих токов ii+ic- -4-ic 1,+Ч

Поскольку потенциалы катода остаются равными, то составляющие токов плеч датчика суммируются с токами

1,60 и 0

«б

1,60 + 1с i

live IT

Учитывая, что коэффициент усиления операционного усилителя 12 волны, коэффициент передачи делителя 14 равен Кдр , а передаточная функция интегратора 15 описывается выражением

и,5(Р)

ОРУ-и.(Р) 1

UH(P)

1

Т Р и

(10)

где и,, и - напряжения на входе и выходе интегратора 15 J

Ту - постоянная времени интегратора 15;

Р - оператор Лапласа;

(7)

R,e

вых 2п,

и,

BtllX

2иаь,хКд,,(И)

(11)

ТцР

Т,Рн

Из формулы (11) видно, что на. выходе преобразователя будут иметь мес- то колебания напряжения, пропорциональные разности токов катодов датчика 1, причем на частотах ниже

. 1

aiTTu

Эти колебания будут подавляться. Следовательно, разность фоновых токов

i-a -i,4 - /iq Лб/ не будет влиять на величину нулевого Уровня на выходе. Изменения фоновых токов от температуры при старении датчика 1, а также технологический разброс величин 4 и i не скажутся на работе преобразователя в целом.

Физический смысл формулы (11) заже f колебания выходного напряжения, проходя через интегратор 15, 25 почти не ослабляются, и в противо- фазе поступают на входы усилителя 2. Отрицательная глубокая обратная связь подавляет колебания и,. На частотах выше fj, интегратор подавляет коле- зО бания напряжения, и отрицательная обратная связь влияет слабо.

Формула изобретения

Электрохимический преобразователь механических колебаний в электрические, содержащий электрохимический диффузионный дифференциальньй датчик, первый операционный усилитель, источ- ник опорного напряжения и шину нулевого потенциала, подключенную к отрицательному выводу источника опорного напряжения, выводы анодов электрохимического диффузионного дифферен- циального датчика объединены, а выводы его первого и второго катодов

подключены соответственно к прямому и инверсному входам первого-операционного усилителя, отличающийся тем, что, с целью расширения частотного и динамического диапазонов работы преобразователя, в него введены второй операционный усилитель, источник питания, транзистор, интегратор, резистивный делитель и восемь резисторов, положительный вывод источника питания подключен к первым выводам первого и . второго резисторов, вторые выводы которых подключены Соответственно к прямому и инверсному входам второго операционного усилителя, выход которого через третий резистор подключен к второму выводу второго резистора, первый вывод четвертого резистора подключен к прямому входу второго операционного усилителя и коллектору транзистора, база которого подключена к положительному вьюоду ис- тЬчника опорного напряжения, а эмиттер подключен к вьгооду анодов электрохимического диффузионного дифферен - циального датчика, первый и второй катоды которого подключены к первым выводам соответственно пятого, шестого, седьмого и восьмого резисторов, выход второго операционного усилителя подключен к вторым выводам пятого и седьмого резисторов, вторые вьгооды шестого и восьмого резисторов подключены соответственно к инверсному и прямому выходам интегратора, выход первого операционного усилителя подключен к первому крайнему вьшоду резистивного делителя, средний вывод которого подключен к входу интегратора, шина нулевого потенциала подключена к второму крайнему выводу резистивного делителя, второму вьшоду четвертого резистора и отрицательному вьюоду источника питания. .