Регистрирующий прибор Советский патент 1980 года по МПК G01R19/00 

1

Изобретение относится к измеритель ной технике, в частности к измерительным устройствам для регистрации в функции времени физических величин потока, преобразованных в электрические величины и может быть использовано в устройствах гидродинамики и аэродинамики и химической промышленности.

Известны регистрирующие приборы,, содержащие мостовую схему сравнения, в одно из плеч которой включен первичный датчик-преобразователь, а в измерительную-днагональ-преобразователь напряжение-ток, к которому через промежуточный усилитель постоянного тока подключен усилитель мощности,и блоки регистрации переменной и постоянной составляющих тока .

Изменение теплоотдачи первичного датчика-преобразователя, вследствие скоростных изменений потока, вызывает изменение его сопротивления, что обуславливает появление напряжения разбаланса (дифференциального напряжения), равного алгебраической сумме синфазных напряжений на выходе мостовой схемы сравнения. Напряжение разбаланса усиливается входным и промежуточным усилителем до максимально возможной для данного входного сигнала величины, практически равной величине выходного сигнала. Усилителем мощности, выполненным на эмиттерном повторителе, производится преобразование усиленного напряжения в величину тока.

Широкий диапазон изменения напря10жений в выходных цепях промежуточного усилителя мощности не позволяет получить высокую чувствительность и устойчивость устройства в широком спектре частот преобразуемых сигна15лов. Размах синфазных сигналов резко возрастает при попытке повысить чувствительность увеличением омического сопротивления первичного датчика-преобразователя. Широкий диапазон

20 изменения напряжений, возникающий на выходе промежуточного усилителя в условиях изменяющегося во времени потока и наличии.тепловой и электронной обратной связи, вызьтает коле25бания напряжений в узлах схемы,обусловленные наличием диффузионных и барьерных емкостей переходов полупроводниковых элементов, а также паразитных емкостей электромонтажных соединений. Колебания напряжений

30

узлах схемы порождают неустойчиость из-за фазовых задержек сигнала, ызывающих генерацию, а введение разичного рода корректируницих цепей (фильтров) ухудшает чувствительность полосе непропускания, что соответтвует ограничению спектра частот 5 реобразуемых сигналов.

Прибор сложен в эксплуатации, то обусловлено необходимостью тщаельной компенсации емкости кабельной линии, используемой для переда- «« и сигнала от первичного датчикапреобразователя ко входу устройства.

Кроме того,.известное устройство не позволяет обеспечить широкий диапазон изменения уровней преобразуелшх |$ сигналов без изменения уровня напряжения, питающего промежуточный усилитель постоянного тока, что вызвано необходимостью иметь на входе усилителя мощности, выполненного 20 на эмиттерном повторителе, широкий диапазон изменения напряжения.

Цель изобретения - упрощение конструкции, повшаение чувствительности и устойчивости в широком . 25 спектре частот-.

Поставленная цель достигается тем, что регистрирующий прибор, содержгшлий мостовую схему сравнения, в одно из плеч которой включен пер- JQ вичный датчик-преобразователь,а в измерительную - диагональ-преобразователь напряжение-ток, к которому через прсмлежуточный усилитель постоянного тока подключен усилитель мощ- е ности,и блоки регистрации переменной и постоянной составляющих тока, снабжен корректирующим и койшенсирующим источникатли тока, а преобразователь напряжение-ток,промежуточный усилитель и усилитель мощ- 40 ности выполнены двухканальными, причем прямой выход усилителя мощности соединен со входом мостовой схемы сравнения, с выходом корректирующего источника тока и с блоком регистра- 45 ции переменной составляющей тока, а инверсный - с компенсирукидим источником тока и блоком регистрации постоянной составляющей тока.

Кроме того, с целью расширения 50 уровней преобразуемых сигналов, преобразователь напряжение-ток вьшолнен в виде параллельно-балансного усилителя с источником тока в эмиттерной цепи, в коллекторные цепи -, которого включены диоды в прямом направлении.

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства; на фиг.2 принципиальная схема входного каска да.«О

Регистрирукядий прибор содержит мостовую схему 1 сравнения в одно из плеч которой включен первичный датчик-преобразователь 2, преобразователь напряжение-ток 3, промежуточный усилитель 4 постоянного тока, усилитель 5 мощности, причем, прямой выход усилителя мощности соединен со входом схемы сравнения, с выходом корректирунядего источника б тока и с блоком 7 регистрации переменной составляющей тока, а инверсный - с компенсирующим источником 8 тока и с блоком 9 регистрации постоянной составлякнцей тока.

Входной каскад, выполненный в виде параллельно-балансного каскада, состоит из транзисторов 10 и 11, базовь@ выводы которых образуют точки подключения входного сигнала 12 и 13 эмиттерные выводы соединены с источником 14 тока, а коллекторные соединены соответственно с включенньвш в прямом направлении диодами 15,16 и образуют точки съема выходного дифференциального сигнала 17 и 18.

При нулевой скорости потока на вход предварительно сбалансированной мостовой схемы 1 сравнения поступает ток от прямого выхода усилителя 5 мощности и ток от корректирующего источника 6 TijKa, величина которого определяет начальный перегрев первичного датчика-ПЕЮОбразователя в функции от температуры потока. Компенсирующим источником 6 тока компенсируется ток -на инверсном выходе усилителя Ь мощности, соответствующий нулевому потоку. Скоростные изменения потока вызывают изменение теплоотдачи первичного датчика-преобразователя 2,а,слеяовательно, и изменение его сопротивления, что обуславливает появление напряжения разбаланса, которое выделяется как дифференциальное Vt из разности синфазных V , Vc2 соответствующих выходах мостовой схемы 1 сравнения, т.е.

С-1)

,.

Дифференциальный сигнал .,поступающий через точки подключения входного сигнала 12 и 13 на преобразователь напряжение-ток 3, обуславливает распределение общего эмиттерного тока, генерируемого источником 14 тока, между коллекторами транзисторов 10 и 11. При условии, что коэффициенты передачи тока d. транзисторов 10 и 11 равных между собой и равны 1, т.е. л распределение тока между коллекторами может быть определено следующими выражениями, полученными из формулы, связывсоощей напряжения в идеальном р°°п переходе.

3|.f, /УЛ/ 1 °

/JiiiX 3. Ш

о., .у .р() где .Л токи в коллекторах транзисторов 10 и - ток, генерируемый источником тока 14 Ч e/kT k - постоянная Больцмана; е - заряд электрона; Т - температура в гргщусах Кельвина. Коллекторные токи , Оц, проходя через соответствующие диоды 15 и 16, создают на них пгщения напряжений (синфазные напряжения),которые могут быть определены следующим в ыраже н иями: , - I. р;„ М5 П 3. V.,- синфазные напряжен на диодах соответственно 15 и 16; - ТОКИ насыщения дио дов 15 и 16. Дифференциальный выходной сигнгш % ььы снимаемый с точек 17 и 18,оп деляется как разность синфазных на пряжений с диодов 15 и 16 (J.febl - Ч5 -Jfe Подставляя значения синфазных напр жений из (4) и (5)в выражение (6) учетом (2) и (3) и принимая, что токи насыщения Зэт 15, J 9Т16 Рэвны между собой, получим q.bbiK, - j. Из уравнения 7 следует, что преобразователь напряжение-ток 3 не дает усиления по напряжению, а пов торяет дифференциальный входной сигнал и перемещает его на другой уровень. Кроме того, дифференциаль ный выходной сигнал У.ьк вьаделяется из разности синфазных сигна лов , которые равны величине пащения напряжения на открытых диодах, включенных в прямом направлении. Вследствие этого сигналы мгшо меняются в процессе переключения эмитте ного тока. Промежуточным усилителем 4 постоянного тока производится уси ление дифференциального напряжения Н %-ьък ло некоторой номинальной дифференциальной величины, определяемо свойствами кансшов, которая в неско кй раз меньше размаха синфазных напряжений. Это обусловлено тем,что в двухкаиальной системе синфазные напряжения, поступающие по разным каналам рзаимно компенсируются. Уси лителем 5 мощности производится пре образование усиленного дифференциал Його напряжения в прямой и инверсны выходные сигналы, причем прямой выходной сигнал меняет величину тока через мостовую схему таким образом,что ее равновесие восстанавливается.При этом, переменная составляющая выходного сигнала с прямого выхода усипителя 5 мощности фиксируется блоkOM 7 регистрации переменной составляющей тока, а постоянная составляющая выходного сигнала фиксируется блоком 9 регистрации постояннрй составляющей тока. Малый размах синфазных напряжений ;и ограниченная величина дифференци|альных сигнсшов, возникающих на вы|Ходе преобразователя напряжение-ток 3 и на выходе промежуточного усилителя 4 постоянного тока, где режимные токи невелики, уменьшает влияние диффузионных и барьерных емкостей р-п переходов, а также паразитных емкостей монтажных соединений, что значительно уменьшает задержку прохождения сигнала по каналам. Уменьшение времени прохождения сигнаша по кана- . лам и отсутствие значительных флуктуации напряжений, обусловленных инвариантностью системы по отношению к влияющим факторам (промышленная помеха, температура и возбуждение) увеличивают запас по фазе устойчивой работы устройства и исключают необходимость установки корректирующих цепей с большой постоянной времени, которые могут ограничить спектр преобразуемых частот и вызвать переходные выбросы напряжений (увеличить время восстановления системы при импульсном воздействии сигнала, возникающем при турбулентных срывах потока). Увеличение запаса по фазе устойчивой работы и исключение пере- ходных выбросов напряжения повышает чувствительность устройства в широком спектре частот преобразуемых сигналом и уменьшает влияние емкости кабельной линии. Дальнейшее уменьшение влияния емкости кабельной линии может быть ограничено изменением постоянной составляющей каждого из каналов усиления без использования дополнительных реактивных цепей,что значительно упрощает конструкцшо. Малый размах синфазных напряжений на открытых диодах 15 и 16 практически исключает насыщение коллекторных переходов преобразователя напряже- i ние-ток 3 при увеличении синфазных сигналов на его входах 12 и 13, что |позволяет расширить уровень преобразуемых сигналов, уменьшить величину барьерной емкости коллекторного перехода, практически исключить влияние изменения напряжения коллекторного вывода на величину емкости коллекторного перехода и тем самым исклю чить модуляцию ширины базы (эффект Эрли).

Введение в устройство корректирующего и компенсирующих источников тока и выполнение преобразователя напряжение-ток, промежуточного усилителя постоянного тока и усилителя мощности двухканальными,выгодно отличают предлагаемый регистрирующий прибор от известного, так как повышает чувствительность и устойчивость устройства в широком спектре частот, а также упрощает конструкцию,что обусловлено уменьшением времени прохождения сигналов по каналам и уменьшением времени восстановления при импульсном воздействии сигнала за счет небольших колебаний синфазных и дифу фер циальных сигналов.

Включение в коллекторные цепи параллельно-балансного каскада диодов в прямом направлении расширяет уровень преобразуемых сигналов без увеличения напряжения коллекторного питания, а также уменьшает динами- ческую емкость коллекторного перехода.

Формула изобретения

1. Регистрирующий прибор,содержащий мостовую схему сравнения,в одно из плеч которой включен первичный датчик-преобразователь, а в измерительную - диагональ-преобразователь напряжение-ток,к которому

через промежуточный усилитель постоянного тока подключен усилитель мощности, и блоки регистрации пере менной и постоянной составляющих тока, отличающийся тем, - что, с целью упрощения конструкции, повышения чувствительности и устойчивости в широком спектре частот,он снабжен корректирующим и компенсирующим источниками тока, а преобразователь напряжение-ток,промежуточный усилитель и усилитель мощности выполнены двухканальными,причем прямой выход усилителя мощности соединен со входом мостовой схемы сравнения, с выходом корректирующего источника тока и с блоком регистрации переменной составляющей тока, а инверсный - с компенсирующим источником тока и блоком регистрации постоянной составляющей тока.

0 2. Регистрирующий прибор по п.1, отличающийся тем, что, с целью расширения уровней преобразуемых сигналов, преобразователь напряжение-ток выполнен в виде

5 параллельно-балансного усилителя с источниксгм тока в змиттерной цепи, в коллекторные цепи которого включены диоды в прямом направлении.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Battery-Operated Anemometr, Dira Type 55, 005 Drawing № 09055, D3293.