Устройство для измерения физических величин Советский патент 1980 года по МПК G01R17/02 

(54) УСТРОЙСТЮ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

1 Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназна чено для использования при реализации автоматического отображения величины влияющего на преобразователь физического параметра - температуры, давления, силы, освещенности и т.п., а также величины сопротивления преобразователя. Известно устройство для измерения физических величин, в частности сопротивления датчика деформации (тензодатчика), выполненное на основе резистивного первичного преобразователя и двух источников тока включенных в основную и вспомогател ную электрические цепи . Процедура определения величины деформации с помощью известного уст ройства предполагает построение для каждого тензодатчика градуировочног графика деформации как функции вели чины изменения сопротивления датчика. Измеряемый физический параметр находят из соответствующего графика поэтому общее время определения параметра оказывается значительным. К ме того, известное устройство не может быть использовано для автоматического измерения абсолютной вели чины сопротивления датчика, что требуется, например, в случае выполнения термометра сопротивления.. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для измерения физических величин, содержащее резистивный первичный преобразователь с тремя выводами,первый из которых соединен с одной из вькодных клемм источника тока, вторичный прибор/ резисторы 2. Основной недостаток указанного устройства связан с тем, что оно может с достаточной точностью отобраикать измеряемую физическую величину лишь в том случае, если градуировочная характеристика первичного преобразователя линейна. Однако характеристики преобразователей многих физических величин, например температуры (термометр сопротивления и термисторы), освещенности (фоторезисторы) и др., являются нелинейнь&ш. В случае измерения физической величины с помощью преобразователя с нелинейной характеристикой известное устройство настраивается на воспроизведение линейной зависимости, оптимально аппроксимирующей реальную нелинейную зависимость. Показания вторичного прибора устройства при этом оказываются приближенными с точностью аппроксимации. Эта точность зависит от степени нелинейности характеристики преобразователя и от интервала из мёнений.измеряемой величины.

Цель изобретения - повышение точности измерительного устройства.

.Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения физических величин, содержащее резистивный первичный преобразователь с тремя выводами, первый из которых соединен с одной из выходных клемм источника тока, вторичный прибор, резисторы, введены два полевых транзистора и три операционных усилителя, причем сток одного полевого транзис- тора непосредственно, а сток другого полевого транзистора / через первый из резисторов соединены со вторым и третьим выводами резистив ного первичного преобразователя,ийтоки полевых транзисторов через второй и третий резисторы подключеньз к другой выходной клемме источника тока, входы первого операционного усилителя соединены со вторым и третьим выводами резистивного первичного преобразователя, а выход через четвертый резистор - с клеммой управления источника тока, инвертирующий вход второго операционного усилителя и неинвертирующий вход третьего операционного усилителя подключены к истоку одного полевого транзистора, а неинвертирующий вход второго операционного усилителя и инвертирующий вход третьего операционного усилителя соединены с истоком другого полевого транзистора, выходы второго и третьего операционных усилителей подключены к затворам полевых транзисторов, между стоками которых включен вторичный прибор.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства для измерения физических величин, например температуры (t°),давления (Р), силы (F) и т.п.

Устройство содержит источник 1 тока, резистивный первичный преобразователь 2, резистор 3 смещения,полевью транзисторы 4 и 5, вторичный прибор б, операционный усилитель 7, резистор 8 степени нелинейности, опо ные резисторы 9 и 10 и операционные усилители И и 12.

Устройство работает следующим образом.

Ток источника 1 разветвляется в трехпроводном резистивном первичном преобразователе 2 на две части, проч теканнцие через полевые транзисторы 4 и 5 и опорные резисторы 9 и 10. Выходные напряжения операционных уси лителей 11 и 12, входы которых подключены к.опорным резисторам, про- порциональны разности падений напряжений на них. Поскольку выходные напряжения операционных усилителей 11 и 12 управляют проводимостью полевых транзисторов 4 и 5 в противофазе с входными напряжениями, то два полевых транзистора 4 и 5 с опорными резисторами 9 и 10 и операционными усилителями 11 и 12 образуют систему обеспечивакнцую автоматическое поддержание одинаковых падений напряжений на опорных резисторах 9 и 10. При одинаковых значениях сопротивлений опорных резисторов 9 и 10 это соответствует одинаковым величинам токов , протекающих в цепях полевых транзисторов 4 и 5.

Таким образом, обеспечивается протекание равных по величине токов в двух цепях резистивного первичного преобразователя 2. Схема деления тока, однажды настроенная, осуществляет автоматическое деление тока произвольной (в известных пределах) величины на две строго равные части независимо от величины сопротивлений различных преобразователей и их соединительных проводов, подключаемых в эти цепи. При высоких коэффициентах усиления, реализуемых в операционных усилителях, токи в двух цепях одинаковы с точностью, с которой подобраны опорные резисторы, и не зависят от изменений напряжения питания и окружающей температуры.

К входам операционного усилителя 7 прилагается напряжение, пропорциональное сопротивлению преобразовате;ля 2. Выходное напряжение операционного усилителя 7 через резистор 8 степени нелинейности воздействует на чувствительный вход источника 1 тока и, наряду с имеющимся в последнем токозадающим резистором,управлкет величиной тока, отдаваемого источником в нагрузку. В связи с этим в предлагаемом устройстве измерительный ток (т.е. ток преобразователя) является переменной величиной, зависящей от сопротивления первичного преобразователя 2, т.е. от измеряемой физической величины. Характер зависимости - ускорение или замедление роста измерительного тока (а с ним и выходного напряжения) с ростом сопротивления преобразователя 2 и его скорость (степень) - определяется фазой входного напряжения операционного усилителя 7, его коэффициентом усиления и величиной сопротивления резистора 8, предназначенного для регулировки степени нелинейности.

Осуществление указанной зависимости в устройстве приводит к тому,что величина измерительного тока 3 в цепях преобразователя 2 определяется законом

, (1)

3-3o(,1tKU

пр

где . «Jo начальная величина

тока, соответствующая нулевому сопротивлеjn нию преобразователя; ±К-Тр - коэффициент управлени Р током;

- сопротивление первичпрного преобразователя Выходное напряжение (на клеммах вторичного прибора 6) равно алгебраической сумме падений напряжения на сопротивлении преобразователя 2 и резисторе 3 смещения с сопротивлением Rj.

ВЫЧ Р + сгл (Чр1 ,)(

Знак минус при RCM возникает в то случае, если для отображения конкретной характеристики преобразователя 2 резистор 3 смещения включается во вспомогательную цепь преобразователя (такое включение резистора смещения показано на схеме пунктиром) . Это имеет место,-например, при измерении с термометрами сопротивлания температуры, выраженной в градусах Цельсия.

Подставляя в формулу (2) выражение для величины тока с учетом влияния управления, имеем

вых-З .)--3o C-l4KRnpMRT p- RcH3)

Полученное выражение (3) для выходного напряжения содержит член во второй степени, что свидетельствует о нгшичии нелинейнрй зависимости Ug) от или величины физического параметра от сопротивления преобразователя 2.

Принимая выражение (3) за аналитическую функцию, аппроксимирующую реальную нелинейную характеристику преобразователя 2, следует определить значения констант Зо k и RCK при которых реализуется наилучшее совпадение реальной кривой и аналитического вырс1жения (3). Эти величины находят решением системы уравнений, получаемых подстановкой в выражение (3) нескольких пар значений физической величины и величины сопротивления преобразователя 2 из градуировочной кривой или таблицы. По найденным величинам констант производится затем аналитическая проверка на погрешность аппроксимации во всем рабочем интервале значений физической величины.

При измерении физических величин с преобразователями, имеющими линейную градуировочную характеристику, величина измерительного тока является постоянной. Это достигается снятием управляющего сигнала с чувстви;тельного входа источника 1 тока,например отключением резистора 8 степения нелинейности.

Формула изобретения

Устройство, для измерения физичес5ких величин,содержащее резистивный первичный преобразователь с тремя выводами, первый из которых соединен с одной из выходных клемм источника тока, вторичный прибор, резисторы,

0 отличающееся тем, что, с целью повышения точности, введены два полевых транзистора и три операционных усилителя, причем сток одного полезного транзистора непосред5ственно, а сток другого полевого транзистора через первый из резисторов соединены со вторым и третьим выводами резистивного первичного преобразо-. вателя, истоки полевых транзисторов через второй и третий резисторы под0ключены к другой выходной клемме источника тока, входы первого операционного усилителя соединены со вторым и третьим выводами резистивного первичного преобразователя, а выход че5рез четвертый резистор - -с клеммой управления источника тока, инвертирующий вход второго операционного усилителя и неинвертирующий вход третьего операционного усилителя подклю- .

0 чены к истоку одного полевого транзистора, а неинвертирующий вход второго операционного усилителя и инвертирующий вход третьего операционного усилителя соединены с истоком д;ругого полевого транзистора, выходы второго

5 и третьего операционных усилителей подключены к затворам полевых транзисторов, между стоками, которых Включен вторичный прибор.

Источники информации,

0 принятые во внимание при экспертизе

1. Патент Франции № 2126345, ;кл. G 01 R 17/00, 1972. 1 2. Авторское свдитёльство СССР 679884, кл. G 01 R, 17/02, 1977.