Устройство для измерения физических величин Советский патент 1982 года по МПК G01R17/02 

k - коэффициент управления током d3 . , dR«p , fL сопротивление резистора смещения. Недостатком известного устройства является сложность и невысокая точность измерения, что обусловлено осо бенностью работы источника тока в ре жиме с управляемым током, характеризующимся худшей стабильностью тока IB сравнении с режимом постоянного тока источника, а также необходимост использования операционных усилителей. . Целью изобретения является упрощение устройства и повышение точноети измерения физических величин. Поставленная цель достигается тем что в устройство для измерения физических величин, содержащее первый и второй полевые транзисторы, преобразователь, соединенный первым выводом с первым выводом первого источника .тока, первый, второй, третий и четве тый резисторы и измеритель, введены .пятый, шестой, седьмой, восьмой резисторы и второй источник тока, соед ненный первым выводом с первым выво дом первого источника тока, стоки пе вого и второго полевцх транзисторов соединены соответственно с .вторыми выводами первого и второго источнико тока, через пятый и шестой резисторы соответственно с первым и вторым вхо дами измерителя, соединенными соответственно через седьмой и восьмой резисторы с истоками первого и второ .го полевых транзисторов, затворы кот рых соединены через первый и второй резисторы со стоками, второй вывод преобразователя соединен через трети резистор с затвором первого полевого транзистора непосредственно, с истоком второго полевого транзистора, третий вывод через четвертый резистор - с истоком первого полевого транзистора. На чертеже приведена принципиальная схема устройства. Устройство содержит первый 1 и второй 2 источники тока, преобразователь 3, четвертый резистор 4, первый 5 и второй 6 полевые транзис-, торы СПТ), первый 7, второй 8 и тре тий 9 резисторы, измеритель 10, пятый 11,шестой 12, седьмой 13 и восьмрй 14 резисторы. / Преобразователь 3 содержит девяАйг 15, десятый 16, одиннадцатый 17 двенадцатый 18 резисторы, причем сопротивление резистора 16 зависит от измеряемой физической величины. Устройство работает следующим образом. Измеряемая физическая-величина воздействует на величину сопротивления резистора 16,-причем сопротивление резистора 16 меняется нелинейно, что без принятия соответствующих мер приводит к несоответствию показаний измерителя 10, не имеющего специальной школы или переводных таблиц,измеряемой величине-. Исследование полевых транзисторов 5 и б и резисторов 4, 7-9и10-12 позволяет создать напряжение поправки и измерить физическую с необходимой точностью. Ток источника 2 создает между истоком и стоком ПТ 6 падение апряжения, величина которого обусло влена током 3 источника 2 и внутренним сопротивлением ПТ 6 при изопотенциальных истоке и затворе. Ток источника 1 создает между истоком и стоком ПТ 5 падение напряжения,величина которого также обусловлена током 3 HCTO4HHka 1 и внутренним сопротивлением ПТ 5. Величина внутреннего сопротивления ПТ5 определяется действующим между затвором и истоком ПТ 5 напряжением Uj, равным сумме падений напряжения на сопротивлениях преобразователя 3 Rnp и резистора 4 .RCM. При одинаковых токах в обеих цепях использовании согласованной пары ПТ 5 и 6, равенстве нулю сопротивлений преобразователя 3 и резистора 4 исток и затвор ПТ 5 оказываются изопотенциальными. В зтом случае падение напряжения на ПТ падению напряжения на ПТ 6 U b|0ни вычитаются, и в результате показания измерителя 10 равны,нулю: w си5- UcM6 0. . . При неравных нулю сопротивлениях преобразователя .3 и резистора 4 выходное напряжение ЮвыхН 3(RnptRcM)+UcH3- Ucvi6(D Здесь произведение OlRnpif cM растет линейно с ростом сопротивления преобразователя Rfjp ; U.- постоянная величина; нелинейная функция R,,pi так как полевой транзистор обладает нелинейной зависимостью величины внутреннего сопротивления от напряжения исток-затвор. В связи с этим ; нелинейной является и зависимость выходного напряжения Ug(,,OT Rf,p (выражение 1). Поскольку эта зависимость является монотонной и гладкой, возможно аппроксимировать с ее помощью градуировочные характеристики резистивных преобразователей некоторых физических величин, описывающихся функциями такого характера. Такую характеристику, например, имеют распространенные ;платиновыё термометры сопротивления. Для обес.печения воспроизведения, конкретной нелинейной характеристики в схему устройства должны быть введены три константы в виде величины тока , сопротивления смещения R. и коэффициента нелинейности k. Требуемый коэффициент нелинейност может быть задан в численном виде или определен графически из конкретной градуировочной характеристики, а ;В устройстве задание величины k, соЬ ветствующего выражению (2), достигает.ся подбором соотношения сопротивле ния резисторов 7 и 9.i Испытание макета устройства показало, что оно хорошо аппроксимирует, например, характеристику платиновых термометров, обеспечивая измерение температуры в интервале 80-380 К с погрешностью не более 0,15 К, что, учитывая простоту схемы устройства, приемлемо для многих применений. Приведенный вариант схемы соответствует воспроизведению характерис ;тики с кривизной k 1. Для обеспече1 НИН воспроизведения характеристики с k 1 полевой транзистор с управляе мым затвором ПТ 5 должен быть включен в другую цепь тока относительно преобразователя, для чего достаточно поменять местами два вывода преобразователя. В этом случае величина выходного напряжения равна. (lkixl 3lRnplRcM)-UcM5+ Усиб (3) Дополнительную возможность повыше ния точности измерения дает подключе ние измерителя 10 через делители из резисторов 11, 12 и 13, 14, шунтирующих. ПТ 5 и 6 соответственно. Выражения С1 ) и СЗ ) показывают, что выходное напряжение ббразуется из алгебраической суммы падений напряжения на резисторах тран зисторах ПТ 5 и б. При малой нелинейности характеристики преобразователя k -- 1 малую величину имеет и разность ;Ц;«5 сиб в то время как сами величины Ц,(,могут намного (на порядок и более) превосходить эту разность. В этом случае малая разность может быть легко искажена в результате, например малой нестабильности тока в одной из цепей или воздействия изменения температуры на неидеально согласованную пару транзисторов.Увеличивая передаточное отношение делителя из резисторов 7 и 9, можно увеличить величину к , а подбором делителя из резисторов 11 и 12 (и одновременно 13 и 14) уменьшить его до требуемой величины. При этом точность измерения повгшлается потому, что изменение выходного напряжения из-за указанных выше возмущающих факторов уменьшается за счет делителей на резисторах 11, 12 и 13, 14. Предлагаемое устройство не содержит О1 ерационных усилителей, а также не использует управляемых источников тока с низкой стабильностью, что упрощает его схему и повышает точность измерения. Формула изобретения Устройство для измерения физических величин, содержащее первый и второй полевые транзисторы, преобразователь, соединенный первым выводом с первым выводом первого источника тока, первый, второй, третий и четвертый резисторы и измеритель, о т л и ч а ю щ е- е с я тем, что, с целью повышения точности измерения и упрощения устройства, в него введены пятый,шестой, седьмой, восьмой резисторы и второй источник тока, соединенный первым выводом с первым выводом первого источника тока, стоки-первого и второго полевых транзисторов соедине(иы соответственно с вторыми выводами первого и второго источников тока, через пятый и шестой резисторы соответственно -С первым и, вторым входами измерителя, соединенными соответственно через седьмой и восьмой резисторы с истоками первого и второго полевых транзисторов, затворы которых соединены через первый и второй резисторы со стоками, второй вывод преобразователя соединен через третий резистор с затвором первого полевого транзистора непосредственно, с истоком второго полевого транзистора,третий вывод через четвертый резистор -- с истоком первого полевого транзистора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 679884, кл. G 01 R 17/02, 1977. 2. Авторское свидетельство СССР 789763, кл. G 01 R 17/02, 1979 (прототип).