Параметрический преобразователь неэлектрических величин в электрический сигнал

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 9) С 01 В 17./10 6.ЕСОЩТК,ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ еобра н пуия ак- арце- дости- арамет- ены ователь- кторский ова СССР1983СР сопроэ выиеобтель г РИотред- й тур,) Изобретение ьной технике пени носитс ожет быть испол азования неэле овано дпя пр еских величи в электрическии 3. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР,ТЕЛЬ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ВЧЕСКИЙ СИГНАЛ Цель - расширение диапазона пр зования неэлектрических величи тем повышения максимальной вел и расширение диапазона изменен тивного сопротивления цепи, кв вый резонатор - датчик, Для ее жения в измерительный мост 1 п рического преобразователя введ конденсатор 11 и резистор 10, тивление которого определяют и ражения, приведенного в описан изобретения, Параметрический и разователь содержит также усил 18, фазоинвертор в виде фазиру трансформатора 16, первичная о ка которого с конденсатором 17 ставляет собой колебательный к детектор 15, указатель 9 и ко сационный элемент 4, состоящийдиода 5, резистора 6 и конденсра 7. 2 ил.ср Изобретение относится к измерительной технике и в частности, может быть применено в устройствах, в которых параметры диэлектрических5 материалов преобразуются с помощью кварцевого резонатора в электрический сигнал по эквивалентному активному сопротивлению цепи кварцевый резонатор - диэлектрический датчик (индуктивный или емкостный).Цель изобретения - расширение диапазона преобразования неэлектрических величин путем повышения максимальной величины и расширения диапазона изменения активного сопротивления цепи кварцевый резонатор диэлектрический датчик и сокращение времени преобразования неэлектрических величин в электрический сигнал в результате уменьшения времени готовности устройства к работе лри его включении.На фиг. 1 приведена принципиальная схема устройства, на фиг. 2 - зависимости максимальной величины выходного параметра преобразователя и диапазона изменения выходного параметра от величины сопротивления резистора, подключенного параллельно цепи кварцевый резонатор - датчик.Назначение конденсатора, подключаемого вместе с резистором параллельно цепи кварцевый резонатор датчик - предотвращение попадания135 постоянного тока на элементы измерительного моста, его сопротивление на частоте автоколебаний в схеме мало и.в дальнейшем не учитывается. 40При отсутствии резистора с конденсатором, шунтирующих кварцевый резонатор с диэлектрическим датчиком, пределы изменения выходного параметра преобразователя, т.е. эквивалент ного активного сопротивления цели кварцевый резонатор - датчик, определяются вь 1 ражениямиКмокс = Кср - Вкмин (1) 1Вмин Вср Вк макс минимальное и максималь-, ное сопротивление компенсационной цепочки;сопротивление плеча сравнения; В макс 1В- максимальное и минимальное активные сопротивления цепи кварцевый резонатор - диэлектрический датчик без шунтирующего их резистора .При введении в измерительное плечо, измерительного моста согласно изобретению резистора и конденсатора максимальная и минимальная величины активных сопротивлений цепи кварцевый резонатор - датчик определяются иэ вы- ражений где В - сопротивление резисторамиЬвключенного параллельноцепи кварцевый резонатордатчик,Подставляя (1 ) в (3) и (2) в (4 ) получают выражения для пределов изменения выходного параметра преобразователя (Ви Вм) при шунтировании цепи кварцевый резонатор - дат-чик резистором с конденсатором Вш(Вс - Вкмии), (5)мокс В В + В ) ш ср Вш(В с Вкм кс) (6)мю В В +В ы ср Из (5) и (6) видно, что пределы изменения сопротивления цепи кварцевый резонатор - датчик предлагаемого устройства будут больше соответствующих пределов без шунтирующих эту цель резистора и конденсатора Вмокс В ь (7)В ллакс В ш - В ср В к ми и Так как ВЪВкмик, то из (1)М макси (8) видно, что максимальная граница диапазона изменения выходного параметра предлагаемого устройства увеличивается по сравнению с этой границей у известного в большей степени, чем минимальная граница. этого диапазона, что и обеспечивает расширение диаО 15 сО 1 Р 25,30 35 пазона измерения неэлектрических величин.Шунтирование цепи кварцевый резонатор - диэлектрический датчик резистором с конденсатором обеспечивает уменьшение времени возбуждения колебаний при включении устройства, так как большое емкостное сопротивление статической емкости невозбужденного кварцевого резонатора, препятствующее возбуждению колебаний, шунтиру" ется активным резистором с сопротивлением,соизмеримым с сопротивлениями резисторов в измерительном мосте.Шунтирование цепи кварцевый резонатор - датчик целесообразно при необходимости получения максимального предела изменения сопротивления цепи кварцевый резонатор - датчик мськс ср к минВеличина сопротивления шунтирующего резистора ограничена минимальным пределом Бш 1 срк минПри сопротивлении шунтирующегорезистора меньшем, чем (Р,. - Р я) в устройстве будут возбуждаться колебания без участия кварцевого ре,зонатора и диэлектрического датчика, т.е. преобразователь не будет рабогать по своему прямому назначению как преобразователь неэлектрических величин в электрический сигнал, Максимальная величина сопротивления шунтирующего резистора ограничена эффективностью введения резистора с конденсатором, так как с увеличениемсопротивления резистора уменьшаются пределы изменения сопротивления цепикварцевый резонатор - диэлектрический датчик, а значит, и диапазон изменения выходного параметра устройства, которые приближаются к аналогичнымпараметрам беэ шунтирующих резисторовч конденсатора. Преобразователь содержит измерительный мост 1 (фиг,1), ветвь отношения которого состоит иэ активных постоянных резисторов 2 и 3. Измерительное плечо измерительного моста содержит компенсационный элемент 4, состоящий из диода 5, резистора 6 и конденсатора 7, последовательно с компенсационным элементом вкпючены кварцевый резонатор 8 с диэлектрическим датчиком 9, параллельно которым включены резистор 10 и конденсатор 11,Плечо сравнения состоит из переменного активного резистора 12 и конденсатора 13, выход измерительного мостасоединен с усилителем 14, два выходакоторого соединены с входами детектора 15 и фазоинвертора, выполненногов виде фазирующего трансформатора 16,первичная обмотка которого с конденсатором 17 представляет собой колебательный контур, выходы детектора соединены с входами усилителя 18 постоянного тока, выходы которого соединены с указателем 19 и с управляющимвходом компенсационного элемента.1(ривые С 1, ц ( О Гмоксполучены с помощью выражений (5) и (6)на частоте 100 кГц при следующих параметрах моста: сопротивление резистора в плече сравнения Р с = 7 кОм,минимальное и максимальное сопротивления компенсационного элемента соответственно Р- к мнн= 3;3 кОм; р,- 5,5 кОм (фиг.2),Устройство работает следующим образом.При включении устройства переменное напряжение с частотой настройки колебательного контура в фазоинверторе 16, 17 подается на вход измерительного моста 1. Благодаря резистору 10, включенному в измерительное плечо моста 1 параллельно кварцевому резонатору 8 и диэлектрическому датчику 8, влияние емкостной составляющей цепи кварцевый резонатор 8 датчик 9 на частоту настройки колебательного контура ослаблено, т,е. его резонансная частота близка к резонансной частоте кварцевого резонатора, что ускоряет его возбуждение и возбуждение автоколебаний в схеме. Время преобразования неэлектрической величины, сокращается Воздействие неэлектрической величины на диэлектрический датчик 9 приводит к изменению его параметров, ак - тивная составляющая сопротивления цепи кварцевый реэонатор 8 - диэлектрический датчик 9 изменяется,Общая величина сопротивления цепи кварцевый резонатор 8, диэлектрический датчик 9, резистор 10, конденсатор 11 всегда меньше сопротивления цепи кварцевый резонатор 8 - датчик 9, которое теперь может изменяться в любых пределах, так как подбором сопротивЧ 004 5 10 5 го 25 30 35 40 45 Формул а 50 55 7 153 ления резистора 10 обеспечивается выполнение рабочего режима устройства, заключающееся в том, что сопротивление измерительного плеча моста меньше сопротивления плеча сравнения,Изменение активного сопротивления цепи кварцевый резонатор 8 датчик 9 с шунтирующими резистором О и конденсатором 11 из-за воздействия на датчик неэлектрической величины изменяет разбаланс измерительного моста 1, выходное напряжение моста 1 изменяется, ускпивается усилителем 14, детектируется детектором 15, усилив вается усилителем 18 постоянного тока и подается на указатель 19, имеющий шкалу в единицах неэлектрической величины, например влажности воэ духа или диэлектрических материалов. Через резистор 20 выходное напряжение усилителя 18 подается на компенсационный элемент 4, сопротивление ко торого изменяется от подачи напряжения постоянного тока так, чтобы восстановить прежнюю величину разбвланса моста 1, обеспечивая постоянную амплитуду колебаний и стабильность работы усилителя 14. Конденсаторы 7 и 11 в измерительном плече моста 1 выбираются с большой величиной емкости, обеспечивающей минимальное влияние на активную составляющую измерительного плеча моста. Они служат для предотвращения попадания постоянного тока на элементы измерительного моста 1. С помощью усилителя 18 постоянного тока любой участок диапазона контролируемых преобразова телем активных сопротивлений цепи кварцевый резонатор - датчик может быть усилен и выделен в поддиапазон, т.е. растянут на всю шкалу указателя 19. Кварцевый резонатор 8 может представлять собой датчик (чувствительный элемент), на пьезоэлемент которого наносят контролируемое или чувствительное к неэлектрической величине вещество.В этом случае диэлектрический датчик 9 в схеме может отсутствовать.Приведенные на фиг2 зависимости максимальной величины Р ц ,кривая О ) и диапазона Р (кривая О) выходного параметра преобразователя показывают, что уменьшение сопротивления резистора, шунтирующего цепь кварцевый резонатор - датчик, Вы от 15 до 5 кОм, т.е. в 3 раза Увеличивает максиМальную величину выходного параметра преобразователя от 5до 4 кОм, а диапазон изменения выходкого параметра преобразователяпримерно в 4 раза (от 3,3 до 12,1 кОм)Беэ резистораш диапазон изменениявыходного параметра устройства В =2,2 кОм, а его максимальная величинаВ= 3,7 кОм, Следовательно,включение шунтирующего резистора параллельно цепи кварцевый резонатор - датчик повышает максимальную величнну и диапазон изменения выходного параметра преобразователя, обеспечивая тем самым более широкий диапазон контролирования неэлектрических величин, т.е, расширяет возможности преобразователя.Включение резистора параллельно цепи статическая емкость кварцевого резонатора - датчик уменьшает суммарное емкостное сопротивление этой цепи в момент включения (до возбуждения колебаний в схеме), благодаря чему уменьшаются разбаланс моста и расстройка частоты колебательного контура, что обеспечивает ускорение возбуждения автоколебаний в схеме, сокращая время преобразования не" электрических величин в электрический сигнал.Благодаря расширению диапазона изменения выходного параметра преобразователя расширяется диапазон контролируемых неэлектрических величин. Например, при использовании в качестве датчика кварцевого резонатора, он становится менее критичным к количеству чувствительного или контролируемого вещества, наносимого на пьезоэлемент резонатора, например, при исследовании реологических свойств крови. из о бре те ния Параметрический преобразователь неэлектрических величин в электрический сигнал, содержащий измерительный мост, ветвь отношения которого состо,ит иэ активных постоянных резисторов,выход моста соединен через последовательно включенные усилитель и фазоинвертор с его же входом, выход усилителя соединен с входом детектора, а выход детектора - с входом указателя и управляющим входом компенсационного элемента, включенного в1531004 10 нен с общей шиной, сопротивление резистора определяется иэ выражения измерительное плечо измерительного моста последовательно с кварцевым резонатором и диэлектрическим датчиком, плечо сравнения измерительного моста состоит из параллельно5 соединенных переменного резистора и конденсатора, однй иэ общих выводов которых и один вывод датчика соединены с общей шиной, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью расширения диапазона и сокращения времени преобразования неэлектрических величин, в измерительное плечо измерительного моста введены последовательно соединенные резистор,и конденсатор, причем вывод конденсатора соединен с управляющим входом компенсационного элемента и с кварцевым резонатором, а вывод резистора соедиЯруакс Я к 0 и кс (Р с - 1 кмнн))мскссрк мин где Рсопротивление резистора,включенного параллельноцепи кварцевый резонатор -(датчик; макс максимальная величина активного сопротивления цепи кварцевый резонатордатчик,сопротивление плеча сравнения,минимальное сопротивлениеко мпе нс ацио нного элеме нта. Бср Рк мин 8 10 72 79 Якон Фиг. 2 Составитель В. СеменчукРедактор А. Козориз Техред И.Дидык . Корректор С.Шекмар Заказ 7948/45 Тираж 714 ПодписноеВНЙИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г,ужгород, ул, Гагарина, 1 О 1