Параметрический преобразователь неэлектрических величин в электрический сигнал Советский патент 1989 года по МПК G01R17/10 

Pi/«./

Изобретение относится к измерительной технике и в частности, может быть применено в устройствах, в которых параметры диэлектрических материалов преобразуются с помощью кварцевого резонатора в электрический сигнал по эквивалентному активному сопротивлению цепи кварцевый резЬнатор - диэлектрический датчик (индуктивный или емкостный).

Цель изобретения - расширение диапазона преобразования неэлектри- ческргх величин путем повышения максимальной величины и расширения диа- пазона изменения активного сопротивления цепи кварцевый резонатор диэлектрический датчик и сокращение времени преобразования неэлектрических величин в электрический сиг- нал в результате уменьшения времени готовности устройства к работе при его включении.

На фиг. 1 приведена принципиаль- ная схема устройства; на фиг. 2 - зависимости максимальной величины выходного параметра преобразователя и диапазона изменения выходного парметра от величины сопротивления резисра, подключенного параллельно цепи ква цевый резонатор - датчик.

Назначение конденсатора, подключаемого вместе с резистором параллельно цепи кварцевый резонатор - датчик, - предотвращение попадания постоянного тока на элементы измерительного моста, его сопротивление на частоте автоколебаний в схеме ма и.в дальнейшем не учитывается.

При отсутствии резистора с конденсатором, шунтирующих кварцевый резонатор с диэлектрическим датчиком, пределы изменения выходного параметра преобразователя, т.е. эквивалентного активного сопротивления цепи кварцевый резонатор - датчик, определяются выражениями

С

- R /-П - R

cp

R

cp

- R

к АЛИИ

К макс j

(О

(2)

где

к мин

минимальное и максималь- ное сопротивление компенсационной цепочки; сопротивление плеча сравнения;

R1

мокс

АЛИИ

максимальное и минимальное активные сопротивления цепи кварцевый резонатор - диэлектрически датчик без щунтирукчцего их резистора .

При введении в измерительное плечо измерительного моста согласно изобретению резистора и конденсатора максимальная и минимальная величины активных сопротивлений цепи кварцевый резонатор - датчик определяются из выражений

fC

н

J

RUJ

1

RUI

J

RMOKC J

R АЛИН

;

(3)

(4)

где R

u

сопротивление резистора включенного параллельно цепи кварцевый резонатор - датчик.

Подставляя (J) в (З) и (2) в (4) получают выражения для пределов изменения выходного параметра преобразователя ( и Алин Р шунтировании цепи кварцевый резонатор - датчик резистором с конденсатором

- Кщ( ср - 1)сллин /

RUI СР

+ R

(5)

(смйн

5

R

КшСВ

ср R

кмдкс/

(6)

мин

ы - Rep

+ R

к МО КС

Из (5) и (6) видно, что пределы изменения сопротивления цепи кварцевый резонатор - датчик предлагаемого устройства будут больше соответствующих пределов без шунтирующих эту цепь резистора и конденсатора

R

макс

R ы

R1

мокс

(7)

мим R

(8)

Так как R к ««

то из (7)

. f- -m

И (8) видно, что максимальная граница диапазона изменения выходного параметра предлагаемого устройства увеличивается по сравнению с этой границей у известного в большей степени, чем минимальная граница.этого диапазона, что и обеспечивает расширение диа51

пазона измерения неэлектрических величин.

Шунтирование цепи кварцевый резонатор - диэлектрический датчик резистором с конденсатором обеспечивает уменьшение времени возбуждения колебаний при включении устройства, так как большое емкостное сопротивление статической емкости невозбужденного кварцевого резонатора, препятствующее возбуждению колебаний, шунтируется активным резистором с сопротивлением, соизмеримь1м с сопротивлениями резисторов в измерительном мосте.

Шунтирование цепи кварцевый резонатор - датчик целесообразно при необходимости получения максимального предела изменения сопротивления цепи кварцевый резонатор - датчик

макс

R.

- R

ср к мин Величина сопротивления щего резистора ограничена ным пределом

- R

к мин

При сопротивлении шунтирующего резистора меньшем, чем (Р. - Р,; „„„) в устройстве будут возбуждаться ко- ле бания без участия кварцевого ре- ,зонатора и диэлектрического датчика, т.е. преобразователь не будет работать по своему прямому назначению как преобразователь неэлектрических величин в электрическ1Й сигнал. Максимальная величина сопротивления шунтирующего резистора ограничена эффективностью введения резистора с конденсатором, так как с увеличением сопротивления резистора уменьшаются пределы изменения сопротивления цепи кварцевый резонатор - диэлектрический датчик, а значит, и диапазон изменения выходного параметра устройства, которые прибли -аются к аналогичным параметрам без шунтирующих резисторов и конденсатора.

Преобразователь содержит измерительный мост 1 (фиг.О, ветвь отношения которого состоит из активных постоянных резисторов 2 и 3. Измерительное плечо измерительного моста содержит компенсационный элемент 4, состоящий из диода 5, резистора 6 и конденсатора 7, последовательно с компенсационным элементом включены кварцевый резонатор 8 с диэлектрическим

0

5

ООАо

датчиком 9, параллельно которым включены резистор 10 и конденсатор 11. Плечо сравнения состоит из переменного акт1шного резистора 12 и конденсатора 13, выход измерительного моста соединен с усилителем 14, два выхода которого соединены с входами детектора 15 и фазоинвертора, вьтолненного в виде фазирующего трансформатора 16, первичная обмотка которого с конденсатором 17 представляет собой колебательный контур, выходы детектора соединены с входами усилителя 18 постоянного тока, выходы которого соединены с указателем 19 и с управляющим входом компенсационного элемента.

5

0

Кривые q , 5 ( а - Р

д -UP)

получены с помощью выражений (5) и (б) на частоте 100 кГц при следующих параметрах моста: сопротивление резистора в плече сравнения F (,. 7 кОм,

5

кмин 3i3 кОм; Р.,смагс

0

минимальное и максимальное сопротивления компенсационного элемента соответственно Р 5,5 кОм (фиг. 2

Устройство работает следующим образом .

При включении устройства переменное напряжение с частотой настройки колебательного контура в фазоинверто- ре 16, 17 подается на вход измерительного моста 1 . Благодаря резистору 10, включенному в измерительное гшечо моста 1 параллельно кварцевому резонатору 8 и диэлектрическому датчику 8, влияние емкостной составляющей цепи кварцевьй резонатор 8 - датчик 9 на частоту настройки колебательного контура ослаблено, т.е. его резонансная частота близка к резонансной частоте кварцевдго pe3Q- натора, что ускоряет его возбуждение и возбуждение автоколебаний в . схеме. Время преобразования неэлектрической величины;сокращается Воздействие неэлектрической величины на диэлектрический датчик 9 приводит к изменению его параметров, активная составляющая сопротивления цепи кварцевый резонатор 8 - диэлектрический датчик 9 изменяется.Общая величина сопротивления цепи кварцевый резонатор 8, диэлектрический g датчик 9, резистор 10, конденсатор II всегда меньше сопротивления цепи кварцевый резонатор 8 - датчик 9, ко- торое теперь может изменяться в любых пределах, так как подбором сопротив5

0

ления резистора 10 обеспечивается выполнение рабочего режима устройства, заключающееся в том, что сопротивление измерительного плеча моста меньше сопротивления плеча сравнения.Изменение активного сопротивления цепи кварцевый резонатор 8, датчик 9 с шунтирующими резистором 10 и конденсатором I1 из-за воздействия на датчик неэлектрической величины изменяет разбаланс измерительного моста 1 , выходное напряжение моста 1 изменяется, усиливается усилителем 14, детектируется детектором 15, усили - Бается усилителем 18 постоянного тока и подается на указатель 19, имеющий шкалу в единицах неэлектрической величины, например влажности воздуха или диэлектрических материалов. 20 Через резистор 20 выходное напряжение усилителя 18 подается на компенсационный элемент 4, сопротивление которого изменяется от подачи напряжевает максимальную величину выходного параметра преобразователя от 5 до 14 кОм, а диапазон изменения выходного параметра преобразователя примерно в 4 раза (от 3,3 до 12,1 кОм Без резистора Я и диапазон изменения выходного параметра устройства A,R 2,2 кОм, а его максимальная величина

10 woKc кОм. Следовательно, включение шунтирующего резистора параллельно цепи кварцевый резонатор - датчик повышает максимальную величину и диапазон изменения выходного па

15 раметра преобразователя, обеспечивая тем самым более широкий диапазон кон ролирования неэлектрических величин, т.е. расширяет возможности преобразователя .

Включение резистора параллельно цепи статическая емкость кварцевого резонатора - датчик уменьшает суммарное емкостное сопротивление зтой цепи в момент включения (до возбужния постоянного тока так, чтобы вое- 25 дения колебаний в схеме), благодаря

вает максимальную величину выходного параметра преобразователя от 5 до 14 кОм, а диапазон изменения выходного параметра преобразователя примерно в 4 раза (от 3,3 до 12,1 кОм), Без резистора Я и диапазон изменения выходного параметра устройства A,R 2,2 кОм, а его максимальная величина

woKc кОм. Следовательно, включение шунтирующего резистора параллельно цепи кварцевый резонатор - датчик повышает максимальную величину и диапазон изменения выходного параметра преобразователя, обеспечивая тем самым более широкий диапазон контролирования неэлектрических величин, т.е. расширяет возможности преобразователя .

Включение резистора параллельно цепи статическая емкость кварцевого резонатора - датчик уменьшает суммарное емкостное сопротивление зтой цепи в момент включения (до возбуж

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для преобразования неэлектрических величин в электрический сигнал. Цель - расширение диапазона преобразования неэлектрических величин путем повышения максимальной величины и расширение диапазона изменения активного сопротивления цепи кварцевый резонатор-датчик. Для ее достижения в измерительный мост 1 параметрического преобразователя введены конденсатор 11 и резистор 10, сопротивление которого определяют из выражения, приведенного в описании изобретения. Параметрический преобразователь содержит также усилитель 18, фазоинвертор в виде фазирующего трансформатора 16, первичная обмотка которого с конденсатором 17 представляет собой колебательный контур, детектор 15, указатель 19 и компенсационный элемент 4, состоящий из диода 5, резистора 6 и конденсатора 7. 2 ил.

становить прежнюю величину разбаланса моста 1, обеспечивая постоянную амплитуду колебаний и стабильность работы усилителя 14. Конденсаторы 7 и 1 1 в измерительном плече моста I выбираются с большой величиной емкости, обеспечивающей минимальное влияние на активную составляющую измерительного плеча моста. Они слу- жат для предотвращения попадания постоянного тока на элементы измерительного моста 1. С помощью усилителя 18 постоянного тока любой участок диапазона Контролируемых преобразователем активных сопротивлений цепи кварцевый резонатор - датчик может быть усилен и выделен в поддиапазон, т.е. растянут на всю шкалу указателя 19. Кварцевый резонатор 8 может представлять собой датчик (-чувствительный элемент), на пьезоэлемент которого наносят контролируемое или чувствительное к неэлектриче- скрй величине вещество.В этом случае диэлектрический датчик 9 в схеме может отсутствовать.

Приведенные на фиг. 2 зависимости максимальной величины Рдлд,; (кривая а ) и диапазона Б. (кривая 6 выходного параметра преобразователя показывают, то уменьшение сопротивления резистора, шунтирующего цепь кварцевый резонатор - датчик, Rj от 15 до 5 кОм, т.е. в 3 раза увеличи5

чему уменьшаются разбаланс моста и расстройка частоты колебательного контура, что обеспечивает ускорение возбуждения автоколебаний в схеме,

0 сокращая время преобразования неэлектрических величин в электрический сигнал.

Благодаря расширению диапазона изменения выходного параметра преобразователя расширяется диапазон контролируемых неэлектрических величин. Например, при использовании в качестве датчика кварцевого резонатора, он становится менее критичным к коли0 честву чувствительного или контролируемого вещества, наносимого на пьезоэлемент резонатора, например, при исследовании реологических свойств крови.

5

Формула изобретения

Параметрический преобразователь неэлектрических величин в электриче- Q ский сигнал, содержащий измерительный мост, ветвь отношения которого состо- , ит из активных постоянных резисторов, выход моста соединен через последовательно вкпюченн|ае усилитель и фа- зоинвертор с его же входом, ыход усилителя соединен с входом детектора, а выход детектора - с входом указателя и управляющим входом компенсационного элемента, включенного в

5

в Ю 12 ;У Rtja.KOH Фиг. 2