Цифровой измерительный преобразователь Советский патент 1992 года по МПК G01D5/00 

Фиг.

Изобретение относится к области измерительной техники, к приборам для измерения величин, изменение которых может быть преобразовано в изменение активного электрического сопротивления резистив- ных преобразователей.

Известен измерительный преобразователь, построенный по мостовой схеме. Он содержит в трех плечах моста три эталонных резистора, а в четвертом - резистивный преобразователь, сопротивление которого зависит от измеряемой величины (температуры, освещенности, механического напряжения или перемещения и т.д.). В одну диагональ моста включен источник питания, а в другую - показывающий прибор, по которому отсчитывают измеряемую величину.

Недостатком известного устройства является невысокая точность измерений из-за влияния на показания прибора изменения напряжения питания моста.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является цифровой термометр, содержащий два источника напряжения, параллельно первому из которых подключены последовательно соединенные первый эталонный резистор и резистивный преобразователь, а параллельно второму - третий и четвертый после- довательно соединенные эталонные резисторы, три компаратора, два элемента И, генератор импульсов, дешифратор, счетчик импульсов и блок индикации, причем оба источника напряжения выполнены в виде источников синусоидального напряже- ния, фазовый сдвиг между которыми не равен 180°.

Низкая точность измерений в интересующем диапазоне изменения измеряемой величины является недостатком прототипа,

Целью изобретения является повышение точности измерений в интересующем диапазоне изменения измеряемой величины.

Поставленная цель достигается тем, чго в цифровой измерительный преобразователь, содержащий последовательно включенный первый источник напряжения, резистивный преобразователь и -первый эталонный резистор, последовательно сое- дмненные второй источник напряжения, второй и третий эталонные резисторы, причем первые выводы первого источника напряжения, резистивИого преобразователя, второго эталонного резистора и второго ис- точника напряжения соединены с общей шиной, первый компаратор, первый и второй входы которого подключены, соответственно, к общим точкам первого источника напряжения и первого эталонного резистора, второго источника напряжения и третьего эталонного резистора, а выход первого компаратора связан с первыми входами первого и второго элементов И, вторые входы которых подключены к выходу второго компаратора, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с общей точкой резистивного преобразователя и первого эталонного резистора, и с общей точкой второго и третьего эталонных резисторов, третий компаратор, который входами подключен параллельно второму источнику напряжения, а выходом связан с третьим входом первого элемента И, дешифратор, второй выход которого соединен с третьим входом второго элемента И, четвертым входом подключенный к выходу генератора импульсов, а выходом подключенный к первому счетному входу счетчика импульсов, вход разрешения загрузки которого соединен с первым выходом дешифратора, блок индикации, подключенный к выходу счетчика импульсов, при этом .первый и второй источники напряжения выполнены в виде источников синусоидального напряжения, фазовый сдвиг между которыми не равен 180°, введены четвертый ком- партор и запоминающее устройство, при этом четвертый компаратор входами подключен параллельно первому источнику напряжения, а выходом связан с пятым входом второго элемента И и со входом дешифратора, второй выход которого соединен также с пятым входом первого элемента И, четвертым входом подключенный к выходу генератора импульсов, а выходом подключенный ко второму счетному входу счетчика импульсов, вход загрузки которого подключен к выходу запоминающего устройства, причем .счетчик импульсов выполнен реверсивным, а отношение амплитуды напряжения первого источника напряжения к амплитуде напряжения второго источ- ника напряжения выбрано равным абсолютному значению косинуса угла сдвига фаз между напряжениями источников.

На фиг. 1 представлена блок-схема цифрового измерительного преобразователя; на фиг. 2 - векторная, а на фиг. 3 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Цифро вой измерительный преобразователь содержит (фиг. 1) резистивный преобразователь 1 (RX), второй эталонный резистор 2 (R2), первый 3 (Е1) и второй 4 (Е2) источники напряжения, первый 3 (Е 1) и второй 4 (Е2) источники напряжения, первый 5 (R1) и третий 6 (R3) эталонные резисторы, четвертый 7 (СА4), первый 8 (СА1), второй 9 (СА2) и третий 10 (САЗ) компараторы, дешифратор 11 (ДС), генератор 12 (G), первый

13 (ЭМИ1) и второй 14 (ЭМИ2) элементы И, счетчик импульсов 15 (СТ), запоминающее устройство 16 (М) и блок индикации 17 (БКИ).

Первый источник напряжения 3 (Е1), ре- зистивный преобразователь 1 и первый эта- лонный резистор 5 включены последовательно, также последовательно соединены второй источник напряжения 4 (Е2) второй 2 и третий 6 эталонные резисторы, первые выводы источников напряжения

3и 4, резистивного преобразователя 1 и второго эталонного резистора 2 подключены к общей шине, четвертый компаратор 7 присоединен параллельно первому источнику напряжения 3, а его выход связан с пятым входом второго элемента И 14 и со входом дешифратора 11, второй выход которого соединен с третьим входом второго элемента И 14 и с пятым входом первого элемента И 13, четвертым входом подключенный к выходу генератора импульсов 12, а выходом подключенный ко второму счетному входу счетчика импульсов 15, вход загрузки которого подключен к выходу запоминающего устройства 16. Первый вход первого компаратора 8 подключен к общей точке первого источника 3 напряжения и первого эталонного резистора 5, второй вход - к общей точке второго источника

4напряжения и третьего эталонного резистора 6, выход этого компаратора соединен с первыми входами элементов И 13 и 14, вторые входы которых подключены к выходу второго компаратора 9, первый вход которого связан с общей точкой резистивного преобразователя 1 и первого эталонного резистора 5, а второй вход - с общей точкой второго и третьего эталонных резисторов 2 и 6. Третий компаратор 10 входами подключен параллельно второму источнику 4 напряжения, а выходом - к третьему входу первого элемента И 13. Первый выход дешифратора 11 соединен со входом разрешения загрузки счетчика 15 импульсов, первым счетным входом связанного с выходом второго элемента И 14, к четвертому входу которого подсоединен выход генератора 12 импульсов. Выход счетчика 15 импульсов подключен ко входу блока 17 индикации.

Цифровой измерительный преобразователь построен на известных элементах - аналоговых и цифровых микросхемах, выпускаемых отечественной промышленностью. В качестве резистивного преобразователя может быть использован терморезистор, если цифровой измерительный преобразователь применяется для измерения температуры. Фоторезистор - для измерения освещенности, тензорезистор - для измерения механического усилия и т.д.

На примере использования в качестве резистивного преобразователя термометра

сопротивления, применяемого в настоящее время для измерения температуры с помощью измерительного преобразователя на базе мостовой схемы, работа предлагаемого цифрового измерительного преобразователя осуществляется следующим образом.

Напряжение Е1, которому на фиг. 2 соответствует вектор А1 с амплитудой А1 (фиг. За), поступает на последовательно соединенные резистивный преобразователь (термометр сопротивления) 1 и первый эталонный резистор 5, а также на вход четвертого компаратора 7, на выходе которого в отрицательные полупериоды напряжения

Е1 (с амплитудой А1) формируются импульсы (фиг. Зв). Напряжение Е2. сдвинутое по фазе относительно напряжения Е1 на угол, не равный 180, с выхода второго источника 4 (вектор А2 на фиг. 2 с амплитудой А2 на

фиг. За) поступает на последовательно включенные второй 2 и третий 6 эталонные резисторы, а также на вход третьего компаратора 10, на выходе которого в положительные полупериоды напряжения Е2 (с

амплитудой А2) формируются импульсы (фиг. 36). На входе первого компаратора 8 будет напряжение A3 (фиг. За), равное разности напряжений А2 и А1, что показано на фиг.2, где вектор A3 получен как разность векторов А2 и А1, на выходе первого компаратора 8 образуются в отрицательные полупериоды напряжения A3 импульсы (фиг. Зг).

Сопротивление первого эталонного резистора 5 выбирается таким, чтобы ограничить ток через термометр сопротивления 1 величиной порядка 5-7 мА, чтобы исключить его самонагрев, сопротивление второго эталонного резистора 2 выбирается равным сопротивлению резистивного преобразователя в средней точке диапазона изменения измеряемой величины. Сопротивление третьего эталонного резистора 6 выбирают равным сопротивлению первого эталонного резистора 5.

Падению напряжения на втором эталонном резисторе 2 соответствует вектор В2 на фиг. 2 с амплитуд В2 (фиг. Зж, Зк, Зм).

Падению напряжения на термометре сопротивления 1 соответствуют векторы на фиг. 2: В1Н с амплитудой В 1Н (фиг. Зж)- в начальной точке диапазона измерений; В 1С амплитудой В 1 с (фиг, Зк) - в средней точке диапазона измерений: В 1В с амплитудой

В 1.i (фиг. Зм) - в конечной точке диапазона измерений. При этом на входе второго компаратора 9 будет напряжение, равное разности падения напряжения В2 и падения напряжения на термометре сопротивления 1. Этому напряжению соответствует вектор ВЗн (фиг. 2) с амплитудой ВЗн (фиг. Зж), или вектор ВЗС (фиг. 2) с амплитудой ВЗС (фиг, Зк), или вектор ВЗВ (фиг. 2) с амплитудой ВЗВ (фиг. Зм) в зависимости от того в начальной, средней или конечной точке диапазона производятся измерения. Фазы напряжений ВЗн и ВЗВ относительно напряжения A3 обозначены трзн и 1рэъ соответственно (рис. 2). На выходе второго компаратора 9 в поло- жительные полупероды его входного напряжения формируются импульсы (фиг, Зз, Зл, Зн).

На вход дешифратора 11 поступают импульсы с выхода четвертого компаратора 7 (фиг, Зв), а на его выходах формируются импульсы длительностью равной периоду переменного напряжения источников 3 и 4 (фиг. Зд, Зе). Дешифратор 11 распределяет эти импульсы последовательно по 16-ти вы- ходам (выходы дешифратора 3-16 не показаны), Импульс с первого выхода дешифратора 11 (фиг. Зд) поступает на вход разрешения загрузки счетчика импульсов

15,при этом число,хранящееся в запомина- ющем устройстве 16,зэписывается в счетчик импульсов 15. Импульс со второго выхода дешифратора 11 (фиг, Зе) поступает на входы элементов И 13 и 14, разрешая прохождение импульсов с выхода генератора импульсов 12 через эти элементы И 13 и 14

в случае, если на их остальных входах также присутствуют сигналы (единичные потенциалы). Сигналы с выходов 13-16 дешифратора 11 не используются. С приходом 17 импульса на вход дешифратора 11 появится снова импульс на его первом выходе (фиг, Зд)и цикл повторяется. В счетчик импульсов 15 по сигналу с первого выхода дешифратора 11 в каждом цикле будет записываться число с выхода запоминающего устройства

16,Это число равно среднему значению измеряемой величины, в данном конкретном случае, это число равно среднему из дизпазна измерений значению измеряемой темпе- ратуры Тс.

Если измеряемая температура равна Тс, то напряжения на входах первого и второго компараторов 8 и 9 совпадают по фазе (векторы A3 и ВЗс совпадают по направлению (фиг.2), а их выходные импульсы (фиг, Зг и Зл) не совпадают во времени, поэтому через элементы И 13 и 14 не будут проходить импульсы с выхода генератора импульсов 12 на вход счетчика импульсов15 Таким образом, когда измеряемая величина равна Тс. число 1С, записанное в счетчик импульсов 15, не будет изменяться и это число можно наблюдать на блоке индикации 17, отсчитывая измеряемую величину, т.е. температуру Тс.

Если значение измеряемой величины меньше среднего, например, оно равно начальной точке диапазне измерений Тн, то падение напряжения на резистивном пре- образвателе 1 (термометре сопротивления) будет меньше (В1Н на фиг. Зж и вектор В1Н на фиг. 2), в результате чего напряжение ВЗн (фиг, Зж) на входе второго компаратора 9 не будет совпадать во времени с напряжением на входе первого компаратора 8 A3 (фиг. За), вектор В3ц будет образовывать угол рт относительно вектора A3 (фиг, 2), При этом, выходные импульсы первого и второго компараторов 8 и 9 (фиг, Зг и Зз) будут частично совпадать во времени. Поэтому в момент времени, когда на втором выходе дешифратора 11 будет сигнал (фиг, Зе), через элемент И 13 в течение интервала времени tM (фиг. Зи) будут проходить импульсы с выхода генератора импульсов 12 на второй счетный вход счетчика импульсов 15. Этот вход реверсивного счетчика 15 является входом меньше, т.е. с приходом каждого импульса на его второй счетный вход содержимое счетчика 15 уменьшается на 1. Таким образом, когда измеряемая величина меньше Тс, например, равна Тн содержимое счетчика импульсов 15 уменьшится на число импульсов, прошедших с выхода генератора импульсов 12 через элемент И 13 на второй счетный вход счетчика 15. Эти импульсы уменьшают содержимое счетчика импульсов 15, т.е. число Тс настолько, что в нем остается число, соответствующее измеряемой величине, т.е. в данном примере, число Тн. Это число, сформированное во время наличия сигнала на втором выходе дешифратора 11 (фиг. Зе), будет наблюдаться на блоке индикации 17 в течение времени, когда будут присутствовать сигналы на выходах 3-16 дешифратора 11, а с появлением сигнала на его первом выходе (фиг. Зд) в счетчик 14 снова запишется число Тс и если измеряемая величина не изменится, то во время наличия сигнала на втором выходе дешифратора 11 (фиг. Зе) в счетчике снова сформируется число Тн и т. д в цикле.

Если значение измеряемой величины больше среднего, например, оно равно конечной точке диапазона измерений Тв, то падение напряжения на термометре сопротивления 1 будет больше (В1В на фиг. Зм и вектор В1В на фиг. 2), в результате чего. напряжение ВЗВ (фиг, Зм) на входе второго

компаратора 9 не будет совпадать во времени с напряжением на входе первого компаратора 8 A3 (фиг. За), вектор ВЗВ будет повернут на угол грзв относительно вектора A3 в сторону вектора - А1 (фиг. 2), При этом выходные импульсы первого и второго компараторов 8 и 9 (фиг, Зг и Зн) будут частично совпадать во времени. Поэтому, в то время, когда на втором выходе дешифратора 11 будет сигнал (фиг. Зе), через элемент И 14 в течение интервала времени te (фиг. Зс) будут проходить импульсы с выхода генератора импульсов 12 на первый счетный вход счетчика импульсов 15. Этот вход является входом больше, т.е. с приходом каждого импульса на первый счетный вход счетчика 15 его содержимое увеличивается на 1. Таким образом, когда измеряемая величина больше Тс, например, она равна Тв, содержимое счетчика импульсов 15 (число Тс) увеличится на число импульсов, пропорциональное интервалу времени t& и станет равным числу Тв, которое будет присутствовать на блоке индикации такое же время, как это было рассмотрено в предыдущем примере.

В процессе работы цифрового измерительного преобразователя измеряемая величина будет изменяться и практически пропорционально этой величине будет изменяться фазовый сдвиг (i/ зн или т/Лш) между суммарным сигналом A3 и суммарным сигналом ВЗ, три значения которого: ВЗН, ВЗс и ВЗВ показаны на фиг. Зз. Зк Зм, соотвестт- венно). Импульсы, кличество которых пропорционально этому фазовому сдвигу, будут проходить с выхода генератора импульсов 12 через элементы И 13 или 14 на второй или первый счетные входы реверсивного счетчика импульсов 15 и уменьшать или увеличивать записанное в нем ранее число, хранящееся в запоминающем устройстве 16, соответствующее среднему значению измеряемой величины. В результате этого в счетчике импульсов 15 окажется число, равное текущему значению измеряемой величины, которое можно наблюдать на блоке индикации 17.

Эффект повышения точности измерений в интересующем диапазоне, достигаемый предлагаемым устройством, поясним на конкретном примере использование цифрового измерительного преобразователя.

Пример. Измеряется температура тела человека. Интересующий диапазон изменения измеряемой величины составляет от 36 до 42°С. Измерения производятся с помощью прототипа и заявляемого устройства при использовании в них медного термометра сопротивления градуировки 23 (Р0 53 м). Сопротивления эталонных резисторов в схеме прототипа: R1 R3 1700 Ом; R2 53 Ом. Сопротивления эталонных рези- сторов в схеме заявляемого устройства: R1 R3 1700 Ом; R2 53,166 Ом. Поскольку диапазон измерений для прототипа должен быть симметричным относительно точки 0°С. то он составляет-от -42 до 2°С. Для

0 заявляемого устройства этот диапазон будет от 36 до 42°С со средней точкой 39°С.

Рассчитаем точные градуировочные характеристики прототипа и предлагаемого устройства и линеаризованные характери5 стики. Используя эти результаты, рассчитаем относительные погрешности измерений в фиксированных течках интересующего диапазона измерений. Абсолютные значения относительных погрешностей, обусловлен0 ных нелинейностью градуировочныххарактеристик прототипа и заявляемого устройства, представлены в таблице (погрешности выражены в сотых долях процента).

Результаты, представленные в таблице,

5 показывают, что предлагаемое устройство выигрывает в точности измерений по сравнению с прототипом. Выбор отношения амплитуд напряжений источников напряжения таким образом, как это указано

0 в формуле изобретения позволяет получить градуировочную характеристику цифрвого измерительного преобразователя симметричную относительно средней точки диапазона измерений (в данном примере

5 относительно точки 39°С), что также улучшает линейность градуировочной характеристики, повышая тем самым точность.

Экономический эффект от применения предлагаемого изобретения рассчитаем на

0 примере его использвания в качестве измерителя в системах автоматического управления температурным режимом воздуха в теплице. Известно, что поддержание температуры воздуха в теплице на оптимальном

5 уровне позволяет дополнительно получить до 20% урожая, что составляет прибыль в размере 10...16 руб, с квадратного метра теплицы (3). Предположительно, за счет более высокой точности заявляемого устрой0 ства, можно получить до 1% or этой прибыли, т.е. 10 коп/м . Если использовать предлагаемое устройство на площади 700 га (площадь зимних теплицы в СССР), то будет получен экономический эффект в размере

5 0.1-10000700 700000 руб. в год.

Формула изобретения Цифровой измерительный преобразователь, содержащий последовательно включенные первый источник напряжения, резистивный преобразователь и первый

эталонный резистор, последовательно соединенные второй источник напряжения, второй и третий эталонные резисторы, причем первые выводы первого источника напряжения, резистивного преобразвателя, второго эталонного резистора и второго источника напряжения соединены с шиной общей, первый компаратор, первый и второй входы которого подключены соответственно к общим точкам первого источника напряжения и первого эталонного резистора, второго источника напряжения и третьего эталонного резистора, а выход соединен с первым входами первого и второго элементов И, вторые входы которых подключены к выходу второго компаратора, первый и второй входы которого соединены соответственно с общей точкой резистивного преобразователя и первого эталонного резистора, и с общей точкой второго и третьего эталонных резисторов, третий компаратор, подключенный входами параллельно второму источнику напряжения, а выходом связан с третьим входом первого элемента И, дешифратор, второй выход которого соединен с третьим входом второго элемента И, четвертым входом подключенный к выходу генератора импульсов, а выходом - к первому счетному входу счетчика импульсов, вход разрешения загрузки которого соединен с первым выходом дешифратора, блок индикации, подключенный- к

выходу счетчика импульсов, при этом первый и второй источники напряжения выполнены в виде источников синусоидального напряжения, фазовый сдвиг между которыми не равен 180°С, отличающийсятем,

что, с целью повышения точности измерений в заданном диапазоне изменения изме- ряемой величины, в него введены запоминающее устройство и четвертый компаратор, входами подключенный параллельно первому источнику напряжения, а выходом соединенный с пятым входом второго элемента И и с входом дешифратора, второй выход которого соединен с пятым входом первого элемента И, четвертым входом подключенным к выходу генератора импульсов, а выходом - к второму счетному входу счетчика импульсов, вход загрузки которого подключен к выходу запоминающего устройства, при этом счетчик импульсов выполней реверсивным, а отношение амплитуды напряжений первого и второго источников выбрано равным абсолютному значению косинуса угла сдвига фаз между напряжениями источников.

со

13

Изобретение относится к приборам для измерения величин, изменение которых преобразуется в изменение активного сопротивления. Цель изобретения - повышение точности измерений. Сущность изобретения: устройство содержит 2 источника напряжения (3 и 4), 4 резистора (1, 2, 5, 6), 2 компаратора (8 и 9), 2 элемента И (13 и 14), 1 генератор (12) импульсов, 1 реверсивный счетчик (15) импульсов, 1 блок(17)инди- кации, 1 запоминающее устройство (16), 1 дешифратор (11), 2 компаратора (7 и 10). 1-5-3-1,2-4-6-2, 3-7-11-15-17, 7-14-15, 1-9-14. 2-9.6-8, 13-14. Зил.

I i /Ц

&

fo /|p

б в

г д е

з

и

н о

-нь-Лг

Фиг. 3