Устройство для измерения физических величин

ОПИСАпиЕизо Братания "К АВТОРСКОМУ СВИ ИТЕЛЬСТВУ(22) Заявлено 150179 (21) 2718756/18-21 (51) М. КЛ. Союз Советскик Социалистических Республикс присоединением заявки Мо, Государственный комитет СССР по дел ам изобретеи и й и открытийОпубликовано 231280, Бюллетень Йо 47 Дата опубликования описания 23. 12. 80(72) Авторизобретения В.Е. Попов г Физико-технический институт низких температур АН Украинской ССР(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН Изобретение относится к электро-+ измерительной технике и предназначено 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 иэмере ния физических величин, в частности сопротивления датчика деформации (тензодатчика), выполненное на основе резистивного первичного преобразователя и двух источников тока, 15 включенных в основную и вспомогательную электрические цепи 1,Процедура определения величины деформации с помощью известного устройства предполагает построение для 20 каждого тенэодатчика градуировочного графика деформации как функции величины изменения сопротивления датчи" ка, Измеряемый физический параметр находят иэ соответствующего граФика, 25 поэтому общее время определения параметра оказывается значительным. Кроме того, известное устройство не может быть использовано для автоматического измерения абсолютной вели- ЭО чины сопротивления датчика, что требуется, например, в случае выполнения термометра сопротивления.,Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для измерения физических величин, содержащее реэистивный первичныйпреобразователь с тремя выводами,первый иэ которых соединен с одной извыходных клемм источника тока, вторичный прибор, резисторы 2 1.Основной недостаток указанного устройства связан с тем, что оно можетс достаточной точностью отображатьизмеряемую физическую величину лишьв том случае, если градуировочнаяхарактеристика первичного преобразователя линейна. Однако характеристикипреобразователей многих физическихвеличин, например температуры (термометры сопротивления и термисторы),освещенности (Фоторезисторы) и др.,являются нелинейными.В случае измерения Физической величины с помощью преобразователя снелинейной 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 характеристи- ки преобразователя и от интервала изменений 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 иэ 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 реэистивного первичного преобразователя, истоки полевых транзисторов через второй и третий резисторы подключены 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 (с ),давления (Р), силы (Г) и т.п.Устройство содержит источник 1 тока, резистивный первичный преобразователь 2, резистор 3 смещения, полевые транзисторы 4 и 5, вторичныйприбор б, операционный усилитель 7,резистор 8 степени нелинейности, опорные резистрры 9 и 10 и операционные усилители 11 и 12.Устройство работает следующим образом.Ток источника 1 разветвляется в трехпроводнрм реэистивном первичном преобразователе 2 на две части, про текающие 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, пропорциональны разности падений напряжений на них. Поскольку выходные на=пряжения операционных усилителей 11и 12 управляют проводимостью полевыхтранзисторов 4 и 5 в противофазес входными напряжениями, то два полевых транзистора 4 и 5 с опорнымирезисторами 9 и 10 и операционнымиусилителями 11 и 12 образуют систему,обеспечивающую автоматическое поддержание одинаковых падений напряженийна опорных резисторах 9 и 10. Приодинаковых значениях сопротивленийопорных резисторов 9 и 10 зто соответствует одинаковым величинам токов, протекающих в цепях полевыхтранзисторов 4 и 5.З Таким образом, обеспечивается протекание равных по величине токов вдвух цепях резистивного первичногопреобразователя 2. Схема деления тока, однажды настроенная, осуществляет автоматическое деление тока произвольной (в известных пределах)величины на две строго равные частинезависимо от величины сопротивленийразличных преобразователей и их соединительных проводов, подключаемых взти цепи. При высоких коэффициентахусиления, реализуемых в операционныхусилителях, токи в двух цепях одинаковы с точностью, с которой подобраны опорные резисторы, и не зависят от изменений напряжения питанияи окружающей температуры,К входам операционного усилителя7 прилагается напряжение, пропорциональное сопротивлению преобразовате-ля 2. Выходное напряжение операционного усилителя 7 через резистор 8степени нелинейности воздействуетна чувствительный вход источника 1тока и, наряду с имеющимся в послед 4 О нем токозадающим резистором,управляет величиной тока, отдаваемого источником в нагрузку. В связи с этим впредлагаемом устройстве измерительный ток (т.е. ток преобразователя)4 является переменной величиной, зависящей от сопротивления первичногопреобразователя 2, т.е. от измеряемой физической величины. Характерзависимости - ускорение или замедление роста измерительного тока (а сфним и выходного напряжения) с ростом сопротивления преобразователя2 и его скорость (степень) - определяется фазой входного напряженияоперационного усилителя 7, его коэф 5 Ю фициентом усиления и величиной сопротивления резистора 8, предназначенного для регулировки степени нелинейности.Осуществление укаэанной зависимости в устройстве приводит к тому,чтовеличина измерительного тока 3 вцепях преобразователя 2 определяется законом 3=3 И+К%Р), О)"Р током;Вр - сопротивление первичного преобразователя 2Выходное напряжение (на клеммах вторичного прибора 6) равно алгебраической сумме падений напряжения на сопротивлении преобразователя 2 и резисторе 3 смещения с сопротивлением Рсм О= Ор + Осм (Впр 1 Вем )Знак минус при Всмвозникает в том 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 сопротивления температуры, выраженной в градусах Цельсия.Подставляя в формулу (2) выражение для величины тока с учетом влияния управления, имеем(эых=(ВпР+ "см = о ОСВор(Вар+Кем)З) Полученное выражение (3) для выходного напряжения содержит член Р во второй степени, что свидетельствует о наличии нелинейной зависимости Оы от Кр или величины физического параметра от сопротивления преобразователя 2.Принимая выражение (3) за аналитическую Функцию, аппроксимирующую реальную нелинейную характеристику преобразователя 2, следует определить значения констант Э 1 и К , при которых реализуется наилучшее совпадение реальной кривой и аналитического выражения (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 чувствительного входа источника 1 тока,например отключением резистора 8 степения нелинейности. Формула изобретения Устройство для измерения Физических величин, содержащее резистивныйпервичный преобразователь с тремявыводами, первый из которых соединенс одной иэ выходных клемм источникатока, вторичныйприбор, резисторы, 2 О о т.л и ч а ю щ е е с я тем, что,с целью повышения точности, введеныдва полевых транзистора и три опера"ционных усилителя, причем сток одного полезного транзистора непосредственно, а сток другого полевоготранзистора через первый из резисторовсоединены со вторым и третьим вывода"ми реэистивного первичного преобразо-.вателя, истоки полевых транзисторовчерез второй и третий резисторы подключены к другой выходной клемме источника тока, входы первого операционного усилителя соединены со вторыми третьим выводами резистивного первичного преобразователя, а выход через четвертый резистор в .с клеммойуправления источника тока, инвертирующий вход второго операционного усилителя и неинвертирующий вход третьего операционного усилителя подклю-, 40 чены к истоку одного полевого транзистора, а неинвертирующий вход второгооперационного усилителя и инвертирующий вход третьего операционного усилителя соединены с истоком другого 4 полевого транзистора, выходы второгои третьего операционных усилителейподключены к затворам полевых транзисторов, между стоками. которых.включен вторичный прибор.50 Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Патент Франции Р 2126345,кл. О 01 В 17/00, 1972.2Авторское свдительство СССРР 679884, кл. 6 01 Р, 17/02, 1977.789763 оставитель Л, Морозовехред Н.Бабурка Корректор О. Ковинска И. Николайч Редак Эаказ 9026 39 Патент". г. У од. ул. Проектная,4 йипиап П Тираж 1019 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, 5-35, Раушская наб., д. 4/5