устройство для преобразования неэлектрической величины в электрический сигнал

Формула изобретения

Устройство для преобразования неэлектрической величины в электрический сигнал, содержащий источник тока, блок коррекции, блок преобразования импеданса в выходной сигнал, выход которого соединен с нагрузочным резистором, отличающееся тем, что оно снабжено стабилизатором питающих и опорных напряжений, образующих с источником тока блок питания, масштабирующим усилителем, дифференциальные входы которого соединены с измерительной диагональю измерительного моста, независимым регулируемым и масштабируемым каналом коррекции температурной погрешности "нуля", состоящим из суммирующего блока, вход которого соединен с выходом масштабирующего усилителя и блока коррекции температурной погрешности "нуля", коммутатором пределов измерения, независимым регулируемым и масштабируемым каналом коррекции температурной погрешности "диапазона", состоящим из перемножающего моста, выход которого соединен с входом блока преобразования импеданса в выходной сигнал, и блока коррекции температурной погрешности "диапазона", выход которого подключен к второму входу блока преобразования импеданса, коммутатор пределов измерения включен между выходом блока коррекции и входом перемножающего моста, блок коррекции выполнен в виде блока коррекции статической нелинейности измерительного моста, вход которого подключен к выходу суммирующего блока, выход опорного напряжения блока питания соединен с входами опорного напряжения блоков коррекции температурной погрешности "нуля" и "диапазонов", суммирующего блока, блока коррекции и блока преобразования импеданса, источник тока блока питания подключен к информационному входу блока коррекции температурной погрешности "нуля" и к диагонали питания измерительного моста, выполненного температурно-зависимым, второй вход перемножающего моста подключен к информационному входу блока коррекции температурной погрешности "диапазона", перемножающий мост выполнен в виде резистивного моста с четырьмя плечами, по крайней мере в одном из плеч которого резистор выполнен температурно-зависимым, и дифференциального усилителя, входами включенного в измерительную диагональ резистивного моста, выход усилителя является вторым выходом перемножающего моста, а диагональ питания резистивного моста подключена между входом и первым выходом перемножающего моста.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительным приборам и может быть использовано для измерения теплоэнергетических параметров и других подобных параметров путем преобразования их в электрический сигнал.

Известны устройства для преобразования неэлектрической величины в электрический сигнал, содержащие измерительный мост, компенсационные и корректирующие устройства, а также блок выдачи выходной информации (см. авт.свид. СССР N 1074206, кл. G 01 В 7/18, 1986). Это устройство является ближайшим аналогом изобретения и принято в качестве прототипа.

Изобретение, описанное в указанном выше прототипе, реализовано в серийно выпускаемых системах датчиков типа "Сапфир-22" на приборостроительных заводах РФ. Подобные устройства обладают рядом недостатков.

Прототип имеет высокую трудоемкость настройки и не позволяет уменьшать температурную погрешность начального значения выходного сигнала ("нуля") до заданных значений.

В прототипе для линеаризации нормированной статической функции преобразования включено управляемое нелинейное звено, поэтому коррекция нелинейности приводит к изменению общего коэффициента усиления и, следовательно, к смещению предварительно уставленного верхнего значения выходного сигнала. В результате операцию настройки выходного сигнала при существенной нелинейности измерительного моста приходится повторять многократно. Кроме того, функция преобразования этого корректора близка к квадратичной параболе при статической функции преобразования, существенно отличающейся от квадратичной параболы (см. фиг. 11), линеаризация указанным способом принципиально невозможна, и измерительные блоки с такой характеристикой бракуют.

В прототипе для компенсации температурной погрешности начального значения выходного сигнала аддитивной составляющей ("нуля") и диапазона изменения выходного сигнала мультипликативной составляющей ("диапазона") применен блок изменения крутизны, то есть температурные зависимости "нуля" и "диапазона" аппроксимируются линейной функцией вида y kU(T)+b пересекающей реальные кривые в точках, соответствующих крайним точкам заданного интервала температур, и разворачиваются параллельно оси температур (см.фиг. 5 и 7). Таким образом, максимальное значение отклонения реальной температурной зависимости от линейной определяет величину температурной погрешности датчика. Очевидно, что измерительные мосты с большим значением нелинейности температурной зависимости нуля или диапазона или с зависимостями вида 3-6 (см.фиг. 5 и 7) данным методом вообще компенсированы быть не могут. Это приводит 4 сокращению выхода годных изделий. Кроме того, схема термокомпенсации, примененная в прототипе, обусловила еще один принципиальный недостаток датчиков системы "Сапфир-22". Согласно принятому международному уровню (датчики фирм Rousmaund, Hanewell, Foxboro и т.д.) приборы этого класса должны иметь внутри одной модели возможность перенастройки диапазона по крайней мере 1:6 от верхнего предела измерения по нормальному ряду. В датчиках систем "Сапфир-22" перенастройка диапазона 1:6 осуществляется за счет использования одной шестой части полезного сигнала. Таким образом, аддитивная составляющая температурной погрешности на нижнем поддиапазоне датчика возрастает в 6 раз по отношению к верхнему, и, как правило, принятым в прототипе способом компенсирована быть не может. В результате ГОСТом 22520 и ТУ на комплексы "Сапфир-22" узаконено, что температурная погрешность для приборов, настроенных на любой поддиапазон, кроме верхнего, нормируется по специальной формуле, и реальная величина этой погрешности может существенно превышать предел основной допускаемой погрешности. В тоже время температурная погрешность датчиков указанных выше зарубежных фирм после перенастройки диапазона практически не меняется.

Все перечисленные выше недостатки прототипа привели к тому, что значительная часть моделей датчиков "Сапфир-22" на нижних поддиапазонах измерения не могут быть изготовлены с пределом допускаемой основной погрешности 0,25% а имеют предел допускаемой основной погрешности только 0,5%

В изобретении указанные недостатки устранены тем, что устройство снабжено стабилизатором питающих и опорных напряжений, образующих с источником тока блок питания, масштабирующим усилителем, дифференциальные входы которого соединены с измерительной диагональю измерительного моста, независимым регулируемым и масштабируемым каналом коррекции температурной погрешности "нуля", состоящим из суммирующего блока, вход которого соединен с выходом масштабирующего усилителя и блока коррекции температурной погрешности "нуля", коммутатором пределов измерения, независимым регулируемым и масштабируемым каналом коррекции температурной погрешности "диапазона", состоящим из перемножающего моста, выход которого соединен с входом блока преобразования импеданса в выходной сигнал, и блока коррекции температурной погрешности "диапазона", выход которого подключен ко второму входу блока преобразования импеданса, коммутатор пределов измерения включен между выходом блока коррекции и входом перемножающего моста, блок коррекции выполнен в виде блока коррекции статической нелинейности измерительного моста, вход которого подключен к выходу суммирующего блока, выход опорного напряжения блока питания соединен с входами опорного напряжения блоков коррекции температурной погрешности "нуля" и "диапазона", суммирующего блока, блока коррекции и блока преобразования импеданса, источник тока блока питания подключен к информационному входу блока коррекции температурной погрешности "нуля" и к диагонали питания измерительного моста, выполненного температурно-зависимым, второй вход перемножающего моста подключен к информационному входу блока коррекции температурной погрешности "диапазона", перемножающий мост выполнен в виде резистивного моста с четырьмя плечами, по крайней мере в одном из плеч которого резистор выполнен температурнозависимым, и дифференциального усилителя, входами включенного в измерительную диагональ резистивного моста, выход усилителя является вторым выходом перемножающего моста, а диагональ питания резистивного моста подключена между входом и первым выходом перемножающего моста.

На фиг. 1 представлена структурная схема преобразователя; на фиг. 2 его принципиальная электрическая схема; на фиг. 3 температурная зависимость значений "нуля"; на фиг. 4 температурная зависимость значений "диапазона"; на фиг.5 коррекция температурной зависимости значений "нуля" методом прототипа; на фиг. 6 коррекция температурной зависимости значений "нуля"; на фиг. 7 коррекция температурной зависимости значений "диапазона" методом прототипа; на фиг. 8 коррекция температурной зависимости значений "диапазона"; на фиг. 9 статическая нелинейность измерительного моста типа А и В; на фиг. 10 коррекция статической нелинейности измерительного моста типа А и В; на фиг. 11 статическая нелинейность измерительного моста типа С; на фиг. 12 коррекция статической нелинейности измерительного моста типа С.

На фиг. 3-12 приняты следующие обозначения: U напряжение выходного сигнала, U(T) напряжение выходного сигнала при температуре Т, U(20) - напряжение выходного сигнала при температуре 20 С, Р входной параметр измеряемой неэлектрической величины.

Устройство имеет блок питания 1, стабилизатор напряжения которого содержит источники опорного напряжения на D1 и R2, R3 и R4, схему сравнения на R5, R6 и R7, составной транзистор на Т8, Т9 и R10, связанный с выходом А11 через Т12, источник тока содержит А13, R14 и Т15. Выход источника тока подключен к диагонали питания измерительного моста 2, элементы которого Z16, Z17, Z18 и Z19 изменяют импеданс при изменении неэлектрической величины, измерительная диагональ подключена к дифференциальным входам масштабирующего усилителя 3, который содержит А20, А21 и А22, соединенные между собой резисторами R23, R24, R25, R26, R27, R28 и R29. Выходной каскад масштабирующего усилителя на А22 является также выходным каскадом суммирующего блока 4.

Суммирующий блок 4 содержит R30 и R31, А32 и А33, в инвертирующем включении, последовательно соединенные через R34. На один из входов суммирующего блока поступает сигнал коррекции начального смещения измерительного моста, который формируется с помощью R35 и R36, на другой вход сигнал коррекции температурной погрешности "нуля", который поступает через коммутаторы В37 и В38 с выхода блока коррекции температурной погрешности "нуля" 5.

На один из входов блока коррекции температурной погрешности "нуля" через R39 поступает сигнал о температуре измерительного моста, на другой вход поступает опорное напряжение, которое обеспечивает N точек излома температурной зависимости значений "нуля", N переключающихся детекторов формируют сигнал коррекции температурной зависимости значений "нуля".

На фиг. 2 показан частный случай, когда используется одна точка излома температурной зависимости значений "нуля". Блок 5 содержит А40, D41, R42 и D43, R44, R45 и R46. Связь с опорным напряжением, определяющим точку излома, осуществляется через R47. Блок коррекции температурной погрешности "нуля" и суммирующий блок образуют независимый регулируемый и масштабируемый канал коррекции температурной погрешности "нуля".

Выход суммирующего блока подключен к входу блока 6 коррекции статической нелинейности измерительного моста, который обеспечивает М точек излома. На фиг. 2 показан частный случай, когда блок 6 использует три точки излома коррекции статической нелинейности измерительного моста. Блок содержит диодный коммутатор на D48, D49 и D50, через В51, В52 и В53, подключаемых к инвертирующему или не инвертирующему входам дифференциального усилителя на А54. Пороги открывания диодов задаются R55, R56, R57, R58, R59 и Т60, величина коррекции нелинейности определяется отношением R61 и R62 к R63, R64 и R65. Блок коррекции статической нелинейности измерительного моста образует независимый регулируемый и масштабируемый канал коррекции статической нелинейности измерительного моста.

Выход блока коррекции статической нелинейности измерительного моста соединен через R66 с входом коммутатора пределов измерения 7, который содержит А67, переключатель В68 и резисторы R69-R74 и R75.

Выход коммутатора пределов измерения соединен с перемножающим мостом 8, который содержит не изменяющие импеданс от температуры резисторы R76, R77 и R78 в трех плечах моста и изменяющий импеданс от температуры резистор Z79 в четвертом плече моста. Измерительная диагональ моста через R80 и R81 cоединена с входами дифференциального усилителя на А82, коэффициент усиления определяется R83 и R84, выход которого через R85 соединен с входом блока коррекции температурной погрешности "диапазона" 9, на другой вход блока коррекции температурной погрешности "диапазона" поступает опорное напряжение, которое обеспечивает К точек излома температурной зависимости значений "диапазона". К переключающихся детекторов формируют сигнал коррекции температурной зависимости значений "диапазона", который поступает на вход блока преобразования импеданса в выходной сигнал 10.

На фиг. 2 показан частный случай, когда используется одна точка излома температурной зависимости значений "диапазона". Блок 9 содержит А86, D87, R88 и D89, R90, R91 и R92. Перемножающий мост и блок коррекции температурной погрешности "диапазона" образуют независимый регулируемый и масштабируемый канал коррекции температурной погрешности "диапазона".

Блок преобразования импеданса в выходной сигнал содержит суммирующий входной каскад на А93 и А94, на входы которого через В95 и В96 поступает сигнал от корректора температурной погрешности "диапазона", через R97 и А98, переключатель В99 и R100-R101 поступает сигнал от коммутатора пределов измерения, через R102 и R103, R104-R106 и В107 поступает опорное напряжение. Выходной каскад блока 10 содержит преобразователь напряжения в ток на А93, составном транзисторе Т108, Т109 и R110 и стабилитронах D111 и D112, резисторы R113-R119 определяют коэффициент преобразования. Внешний источник питания подключается к контактам S120 и S121. В зависимости от вида выходного сигнала нагрузочный резистор Rн подключается к контактам S122 и S123 или последовательно с внешним источником питания к контактам S120 или S123.

В преобразователе для коррекции погрешностей выходной характеристики от воздействия дестабилизирующих факторов используется связь, существующая между величиной импедансов измерительного моста, перемножающего моста, диапазоном изменения импедансов и начальным ("нулевым") разбалансом импедансов элементов мостов.

В числе дестабилизирующих факторов могут быть температура, электромагнитное поле и другие, при воздействии которых изменяются импедансы элементов измерительного моста.

Устройство работает следующим образом.

Блок 3, масштабирующий усилитель с помощью R23, и блок 10 преобразования импеданса в выходной сигнал с помощью R100 масштабированы таким образом, что заданному изменению измеряемого параметра, вызывающему изменение импедансов Z16-Z19 измерительного моста 2 соответствует заданное изменение выходного сигнала в нагрузочном резисторе Rн. Масштабирующий усилитель с заданным коэффициентом усиливает сигнал, который содержит как сигнал измеряемой величины, так и сигналы начального смещения измерительного моста, температурной погрешности "нуля" и "диапазона" и поступает на выходной каскад А22, который является также выходным каскадом суммирующего блока 4. На второй вход суммирующего блока поступает сигнал коррекции начального смещения измерительного моста, который формируется с помощью R35 и R36. На третий вход суммирующего блока через коммутаторы В37 и В38 с выхода блока коррекции температурной погрешности "нуля" 5 поступает сигнал коррекции температурной погрешности "нуля". На выходе суммирующего блока формируется сигнал, который не содержит сигналы начального смещения измерительного моста и температурной погрешности "нуля", и поступает на вход блока 6 коррекции статической нелинейности измерительного моста.

Статическая нелинейность измерительного моста компенсируются блоком 6 коррекции статической нелинейности измерительного моста. В блоке применен метод кусочно-линейной аппроксимации входного сигнала, который обеспечивает М точек излома, аппроксимирует нелинейное входное напряжение М+1 линейными участками, каждый из которых имеет свой коэффициент. В блоке применена пороговая схема, которая содержит диодный коммутатор из М диодов в зависимости от знака коррекции нелинейности, подключаемых к инвертирующему и неинвертирующему входам дифференциального усилителя А54. Пороги срабатывания диодов выбираются от величины входного сигнала. На фиг. 9 и 11 показаны типовые характеристики статической нелинейности измерительного моста А, В и С, характеристика А аппроксимирована отрезками 0-1, 1-2 и 2-3, характеристика В аппроксимирована отрезками 0-4, 4-5 и 5-6 и характеристика С аппроксимирована отрезками 0-1, 1-2, 2-3 и 3-4. Скорректированные характеристики А, В и С статической нелинейности измерительного моста показаны на фиг. 10 и 12. На фиг. 2 показан частный случай, когда используется три точки излома коррекции статической нелинейности измерительного моста. На фиг. 9 характеристика С требует три точки излома, блок аппроксимирует нелинейное входное напряжение четырьмя линейными участками 0-1, 1-2, 2-3 и 3-4, каждый из которых имеет свой коэффициент.

В блоке применена пороговая схема, которая содержит диодный коммутатор из D48, D49 и D50, с помощью В51, В52 и В53 в зависимости от знака коррекции нелинейности, подключается к инвертирующему или неинвертирующему входам дифференциального усилителя А54. Пороги открывания диодов задаются R55, R56, R57, R58б, R59 и Т60. Величина коррекции нелинейности определяется отношением R61 и R62 к R63, R64 и R65. Блок коррекции статической нелинейности измерительного моста образует независимый регулируемый и масштабируемый канал коррекции статической нелинейности измерительного моста, на выходе которого формируется линеаризованный и нормированный сигнал "диапазона" и поступает на вход коммутатора пределов измерения 7. Точность переключения пределов измерения коммутатора достигается при работе с линеаризованным и нормированным сигналом "диапазона", с помощью переключателя В68 и резисторов R69-R74, которые в отношении к R75 определяют коэффициент усиления коммутатора на каждом из пределов измерения, что исключает необходимость регулирования "диапазона" при переключении пределов измерения.

Перемножающий мост 8 и блок коррекции температурной погрешности "диапазона" 9 образуют независимый регулируемый и масштабируемый канал коррекции температурной погрешности "диапазона". Перемножающий мост 8 содержит не изменяющие импеданс от температуры резисторы R76, R77 и R78 в трех плечах моста и изменяющий импеданс от температуры резистор Z79 в четвертом плече моста, что обеспечивает перемножение напряжения питающей диагонали моста на напряжение, пропорциональное температуре измерительного моста и электронного блока, которое формируется в результате разбаланса моста. Измерительная диагональ моста через R80 и R81 соединена с входами дифференциального усилителя А82, коэффициент усиления А82 определяется R83 и R84, выход которого через R85 соединен с входом блока коррекции температурной погрешности "диапазона" 9. Перемножающий мост сбалансирован таким образом, что сигналы на дифференциальных входах А82 равны, а корректирующий сигнал блока коррекции температурной погрешности "диапазона" равен нулю, воздействие дестабилизирующих факторов вызывает синфазное изменение выходного сигнала блока коррекции температурной погрешности "диапазона". На другой вход блока коррекции температурной погрешности "диапазона" поступает опорное напряжение, которое обеспечивает "К" точек излома температурной зависимости значений "диапазона". "К" переключающихся детекторов формируют сигнал коррекции температурной зависимости значений "диапазона". В блоке применено кусочно-линейное формирование корректирующего сигнала детекторами, настраиваемыми на нужную точку излома температурной зависимости значений "диапазона", количество точек излома выбирается в зависимости от требуемой точности и вида характеристики, например для характеристик показанных на фиг. 4, типа 1 и 2 не требуются точки излома, характеристика поворачивается вокруг точки 20^oС, для характеристик типа 4, 5 и 6 требуется одна точка излома 20^oС, для характеристики типа 3 две точки излома О и 20^oС, причем корректирующий сигнал может иметь любой знак и свой коэффициент усиления.

Скорректированные температурные зависимости значений "диапазона" показаны на фиг. 8. На фиг.2 показан частный случай когда используется одна точка излома температурной зависимости значений "диапазона", а на фиг. 4 показаны характеристики типа 4, 5 и 6, требующие одну точку излома 20 С, блок содержащий А86, D87, R88 и D89, R90, обеспечивает два участка кусочно-линейной аппроксимации сигнала коррекции температурной зависимости значений "диапазона", коэффициент усиления на каждом из участков определяется R91 и R92, полярность корректирующего сигнала коммутатором В95 и В96.

При начальном значении измеряемого параметра при помощи резистора R35, суммирующего блока 4 и резистора R102, суммирующего входного каскада блока 10, выходной сигнал устройства устанавливается в заданное начальное (нулевое) значение.

Изменение положения характеристики (уход "нуля") компенсируется блоком 5 коррекции температурной погрешности "нуля". На один из входов блока коррекции температурной погрешности "нуля", через R39, поступает сигнал о температуре измерительного моста в виде линейно изменяющегося напряжения, которое образуется в результате изменения импеданса измерительного моста в зависимости от температуры, и снимается с питающей диагонали моста при питании от источника тока, на другой вход поступает опорное напряжение, которое обеспечивает N точек излома температурной зависимости значений "нуля", N переключающихся детекторов формируют сигнал коррекции температурной зависимости значений "нуля". В блоке применен метод кусочно-линейного формирования корректирующего сигнала детекторами, настраиваемыми на нужную точку излома температурной зависимости значений "нуля". Количество точек излома выбирается в зависимости от требуемой точности и вида характеристики, например для характеристик, показанных на фиг. 3, типа 1 и 2 не требуются точки излома, характеристика поворачивается вокруг точки 20^oС, для характеристик типа 4, 5 и 6 требуется одна точка излома 20^oС, для характеристики типа 3 точки излома -5 и 20^oС, причем корректирующий сигнал может иметь любой знак и свой коэффициент усиления. Скорректированные температурные зависимости значений "нуля" показаны на фиг. 6. На фиг. 2 показан частный случай когда используется одна точка излома температурной зависимости значений "нуля", а на фиг. 3 показаны характеристики типа 4, 5 и 6, требующие одну точку излома 20^oС, блок содержит А40, D41, R42 и D43, R44, обеспечивающие два участка кусочно-линейной аппроксимации сигнала коррекции температурной зависимости значений "нуля", коэффициент усиления на каждом из участков определяется R45 и R46, полярность корректирующего сигнала коммутатором В37 и В38. Связь с опорным напряжением, определяющим точку излома, осуществляется через R47. Блок коррекции температурной погрешности "нуля" и суммирующий блок 4 образуют независимый регулируемый и масштабируемый канал коррекции температурной погрешности "нуля".

Блок преобразования импеданса в выходной сигнал содержит суммирующий входной каскад на А93 и А94, на входы которого через В95 и В96 поступает сигнал от корректора температурной погрешности "диапазона", через R97 и А98, переключатель В99 и R100-R101 поступает сигнал от коммутатора пределов измерения, через R102 и R103, R104-R106 и В107 поступает опорное напряжение для формирования смещения выходной характеристики преобразователя. Выходной каскад блока 10 содержит преобразователь напряжения в ток на А93, составном транзисторе Т108, Т109 и R110 и стабилитронах D111 и D112, резисторы R113-R119 определяют коэффициент преобразования. Внешний источник питания подключается к контактам S102 и S121. В зависимости от вида выходного сигнала нагрузочный резистор Rн подключается к контактам S122 и S123 или последовательно с внешним источником питания к контактам S120 и S121. Т108 разгружает выход А93, "вольтодобавка", формируемая D111 и D112, обеспечивает переход через "нулевую точку" для выходных сигналов на нагрузочном резисторе Rн, подключенном к контактам S122 и S123, что облегчает настройку устройства для выходных сигналов начальное значение которых равно "нулю".