RU2039956C1

RU2039956C1 - Device converting physical parameters into electric signal

Info

Publication number: RU2039956C1
Application number: RU92006206A
Authority: RU
Inventors: Юрий Геннадьевич Вилин
Original assignee: Юрий Геннадьевич Вилин
Priority date: 1992-11-04
Filing date: 1992-11-04
Publication date: 1995-07-20

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: device includes bridge circuit of resistance strain gauges, two generators of stable current, D.C. amplifier with differential input and output, two adders, two D.C. differential amplifiers, output unit, current setting unit, potentiometer. More accurate compensation of error of device is obtained due to use of bridge circuit of resistance strain gauges in the capacity of temperature-dependent pickup. EFFECT: increased accuracy of evaluation of pressure within wide range of working temperatures. 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерений постоянного или меняющегося давления газообразных и жидких веществ или сыпучих материалов с помощью резисторных тензометров, и может быть использовано для контроля напорных магистральных трубопроводов. The invention relates to measuring technique, in particular to devices for measuring constant or varying pressure of gaseous and liquid substances or bulk materials using resistive strain gauges, and can be used to control pressure main pipelines.

Известно устройство для измерения давления, содержащее мостовую схему тензорезисторов, первый, второй и третий дифференциальные усилители, сумматор, источник питания и регулируемый усилитель [1] Это устройство обладает малой точностью работы. A device for measuring pressure, containing a bridge strain gages, the first, second and third differential amplifiers, adder, power source and adjustable amplifier [1] This device has low accuracy.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является устройство для преобразования физических параметров в электрический сигнал, содержащее мостовую схему тензорезисторов, один вход которой подключен к выходу источника напряжения, другой вход к шине нулевого потенциала и через диод соединен с первым зажимом источника тока, второй зажим которого подключен к шине нулевого потенциала, выходы мостовой схемы тензорезисторов присоединены к входам первого дифференциального усилителя постоянного тока, выход которого через первый сумматор и выходной блок подключен к выходу устройства, последовательно соединенные согласующий усилитель и первый масштабирующий усилитель, выход которого подключен к второму входу первого сумматора, второй масштабирующий усилитель, вход которого подключен к выходу согласующего усилителя, а выход к входу источника напряжения [2] Основным недостатком прототипа является низкая точность работы из-за cущественного различия температурных характеристик диода и мостовой схемы. The closest in technical essence and the achieved effect to the proposed invention is a device for converting physical parameters into an electrical signal containing a bridge strain gages, one input of which is connected to the output of the voltage source, the other input to the bus of zero potential and through the diode connected to the first clamp of the current source , the second clamp of which is connected to the bus of zero potential, the outputs of the bridge circuit of the strain gages are connected to the inputs of the first differential amplifier a current, the output of which through the first adder and the output unit is connected to the output of the device, a matching amplifier and a first scaling amplifier are connected in series, the output of which is connected to the second input of the first adder, the second scaling amplifier, the input of which is connected to the output of the matching amplifier, and the output to the input voltage source [2] The main disadvantage of the prototype is the low accuracy due to a significant difference in the temperature characteristics of the diode and the bridge circuit.

Целью изобретения является повышение точности работы. The aim of the invention is to increase the accuracy.

Для достижения цели в известное устройство для преобразования физических параметров в электрический сигнал, содержащее мостовую схему тензорезисторов, первый вход которой подключен к шине нулевого потенциала, первый генератор стабильного тока, первый сумматор, первый дифференциальный усилитель постоянного тока, потенциометр с движком и выходной измерительный блок, выход которого является выходом устройства, дополнительно введены последовательно соединенные задатчик тока и второй генератор стабильного тока, второй сумматор, усилитель постоянного тока с дифференциальными входом и выходом, первый и второй входы которого подключены соответственно к первому и второму выходам мостовой схемы тензорезисторов, а первый и второй выходы к первым входам cоответственно первого и второго сумматоров, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам первого дифференциального усилителя постоянного тока, выход которого подключен к входу выходного измерительного блока, а также введены второй дифференциальный усилитель постоянного тока, первый вход которого подключен к выходу первого генератора стабильного тока, второй вход к выходу второго генератора стабильного тока, а выход к второму входу первого сумматора, при этом первый вывод потенциометра подключен к выходу второго генератора стабильного тока, второй вывод к шине нулевого потенциала, а третий вывод, связанный с движком потенциометра, к второму входу второго сумматора, причем выход задатчика тока подключен к входу первого генератора стабильного тока, выход которого подсоединен к второму входу мостовой схемы тензорезисторов. To achieve the goal of a known device for converting physical parameters into an electrical signal containing a bridge circuit of strain gages, the first input of which is connected to a zero potential bus, a first stable current generator, a first adder, a first differential direct current amplifier, a potentiometer with a motor, and an output measuring unit, the output of which is the output of the device, additionally introduced in series connected current regulator and a second stable current generator, the second adder A direct current with a differential input and output, the first and second inputs of which are connected respectively to the first and second outputs of the bridge strain gages, and the first and second outputs to the first inputs of the first and second adders, the outputs of which are connected respectively to the first and second inputs of the first differential a DC amplifier, the output of which is connected to the input of the output measuring unit, and a second differential DC amplifier is introduced, the first input of which connected to the output of the first stable current generator, the second input to the output of the second stable current generator, and the output to the second input of the first adder, with the first output of the potentiometer connected to the output of the second stable current generator, the second output to the zero potential bus, and the third output connected with a potentiometer engine, to the second input of the second adder, and the output of the current generator is connected to the input of the first stable current generator, the output of which is connected to the second input of the bridge circuit of the strain gages.

Введение задатчика тока для двух цепей, состоящих из последовательно соединенных генератора стабильного тока и резистора, причем величина эквивалентного сопротивления мостовой схемы тензорезисторов по диагонали питания равна сопротивлению потенциометра между первым и вторым выводами, позволяет определять изменение сопротивления тензорезисторов при изменении рабочей температуры и преобразовать его в разность потенциалов, которая затем во втором дифференциальном усилителе постоянного тока преобразуется в сигнал компенсации температурной погрешности, возникающей в измерительной диагонали мостовой схемы тензорезисторов. Этот сигнал компенсации подается на один из входов первого сумматора и компенсирует изменение разности потенциалов, вызванных изменением температуры, оставляя без изменения разность потенциалов, обусловленную в измерительной диагонали внешним давлением. The introduction of a current setter for two circuits consisting of a series-connected stable current generator and a resistor, the equivalent resistance of the bridge circuit of the strain gages along the supply diagonal being equal to the resistance of the potentiometer between the first and second terminals, allows you to determine the change in resistance of the strain gages with changing operating temperature and converting it into a difference potential, which is then converted into a tempo compensation signal in a second differential DC amplifier error in the measuring diagonal of the bridge strain gages. This compensation signal is fed to one of the inputs of the first adder and compensates for the change in the potential difference caused by the temperature change, leaving the potential difference due to external pressure in the measuring diagonal unchanged.

На чертеже приведена электрическая функциональная схема предлагаемого устройства для преобразования физических параметров в электрический сигнал. The drawing shows an electrical functional diagram of the proposed device for converting physical parameters into an electrical signal.

Устройство содержит второй дифференциальный усилитель 1 постоянного тока, первый генератор 2 стабильного тока, задатчик 3 тока, второй генератор 4 стабильного тока, мостовую схему 5 тензорезисторов, потенциометр 6 с движком; усилитель 7 постоянного тока с дифференциальным входом и выходом, первый сумматор 8, второй сумматор 9, первый дифференциальный усилитель 10 постоянного тока, выходной измерительный блок 11. The device comprises a second differential DC amplifier 1, a first stable current generator 2, a current master 3, a second stable current generator 4, a bridge circuit 5 of strain gauges, a potentiometer 6 with an engine; DC amplifier 7 with differential input and output, a first adder 8, a second adder 9, a first differential DC amplifier 10, an output measuring unit 11.

Предлагаемое устройство для преобразования физических параметров в электрический сигнал содержит первый генератор 2 стабильного тока, мостовую схему 5 тензорезисторов, первый вход которой подключен к шине нулевого потенциала, второй вход к выходу первого генератора 2 стабильного тока, последовательно соединенные усилитель 7 постоянного тока с дифференциальными входом и выходом, первый дифференциальный усилитель 10 постоянного тока и выходной блок 11, выход которого является выходом устройства, последовательно соединенные задатчик 3 тока, второй генератор 4 стабильного тока и потенциометр 6 с движком, второй вывод которого подключен к шине нулевого потенциала, выход задатчика 3 тока подключен к входу первого генератора 2 стабильного тока, второй дифференциальный усилитель 1 постоянного тока, первый и второй входы которого подключены к выходам соответственно первого 2 и второго 4 генераторов стабильного тока, а выход подключен к второму входу первого сумматора 8, второй сумматор 9, первый вход которого подключен к второму выходу усилителя 7 постоянного тока с дифференциальными входом и выходом, второй к третьему выводу потенциометра 6 с движком, а выход к второму входу первого дифференциального усилителя 10 постоянного тока, первый и второй выходы мостовой схемы 5 тензорезисторов подключены к соответствующим входам усилителя 7 постоянного тока с дифференциальными входом и выходом. The proposed device for converting physical parameters into an electrical signal contains a first stable current generator 2, a bridge circuit 5 of strain gauges, the first input of which is connected to a zero potential bus, a second input to the output of the first stable current generator 2, a DC amplifier 7 connected in series with a differential input, and output, the first differential DC amplifier 10 and the output unit 11, the output of which is the output of the device, serially connected to the current controller 3 a, the second stable current generator 4 and a potentiometer 6 with an engine, the second output of which is connected to the zero potential bus, the output of the current master 3 is connected to the input of the first stable current generator 2, the second differential DC amplifier 1, the first and second inputs of which are connected to the outputs respectively, the first 2 and second 4 generators of stable current, and the output is connected to the second input of the first adder 8, the second adder 9, the first input of which is connected to the second output of the amplifier 7 DC with differential input and output, the second to the third output of the potentiometer 6 with the engine, and the output to the second input of the first differential DC amplifier 10, the first and second outputs of the bridge circuit 5 of the strain gages are connected to the corresponding inputs of the DC amplifier 7 with differential input and output.

Работа предлагаемого устройства для преобразования физических параметров в электрический сигнал происходит следующим образом. The work of the proposed device for converting physical parameters into an electrical signal is as follows.

На поверхности тела, деформацию которого под действием внешнего давления следует оценить и поставить в соответствие с величиной давления, расположены четыре тензорезистора RI.R4, включенных в мостовую схему 5. Один из входов диагонали питания подключен к шине нулевого потенциала, а другой ее вход подключен к выходу первого генератора 2 стабильного тока, в результате чего мостовая схема 5 запитывается в процессе работы стабильным током. Величина этого тока устанавливается задатчиком 3 тока в соответствии с его оптимальным значением, указанным в паспортных данных на тензорезистивный мост 5. Такая же величина тока устанавливается задатчиком 3 тока и на выходе второго генератора 4 стабильного тока, который протекает через потенциометр 6, постоянное сопротивление между 1 и 2 выводами которого равно эквивалентному сопротивлению мостовой схемы 5 тензорезисторов в диагонали питания. Таким образом, в исходном состоянии при номинальной температуре потенциалы на выходах первого 2 и второго 4 генераторов стабильного тока одинаковы. Эти потенциалы подаются соответственно на первый и второй входы второго дифференциального усилителя 1 постоянного тока и, следовательно, на его выходе в исходном состоянии имеется нулевой уровень сигнала или некоторый постоянный начальный уровень (начальное напряжение смещения), который подается на второй вход первого сумматора 8. Потенциалы с первого и второго выходов измерительной диагонали мостовой схемы 5 тензорезисторов подаются соответственно на первый и второй входы усилителя 7 постоянного тока с дифференциальными входом и выходом, где происходит усиление информационного сигнала до необходимого уровня. В исходном состоянии мостовая схема 5 сбалансирована так, что на выходе ее измерительной диагонали разность потенциалов равна нулю. On the surface of the body, the deformation of which under the influence of external pressure should be estimated and adjusted to the pressure value, there are four strain gauges RI.R4 included in the bridge circuit 5. One of the inputs of the supply diagonal is connected to the zero potential bus, and its other input is connected to the output of the first stable current generator 2, as a result of which the bridge circuit 5 is supplied with a stable current during operation. The magnitude of this current is set by the current adjuster 3 in accordance with its optimal value indicated in the passport data on the strain gauge bridge 5. The same current value is set by the current adjuster 3 and at the output of the second stable current generator 4, which flows through the potentiometer 6, the constant resistance between 1 and 2 pins of which is equal to the equivalent resistance of the bridge circuit of 5 strain gages in the power diagonal. Thus, in the initial state at nominal temperature, the potentials at the outputs of the first 2 and second 4 stable current generators are the same. These potentials are supplied respectively to the first and second inputs of the second DC differential amplifier 1 and, therefore, at its output in the initial state there is a zero signal level or some constant initial level (initial bias voltage), which is supplied to the second input of the first adder 8. Potentials from the first and second outputs of the measuring diagonal of the bridge circuit, 5 strain gages are fed respectively to the first and second inputs of the DC amplifier 7 with differential input and output the house where the information signal is amplified to the required level. In the initial state, the bridge circuit 5 is balanced so that at the output of its measuring diagonal, the potential difference is zero.

Сигналы с первого и второго дифференциальных выходов усилителя 7 поступают на первые входы соответственно первого 8 и второго 9 сумматоров, где они суммируются с сигналами, поступившими на их вторые входы соответственно от второго дифференциального усилителя 1 постоянного тока и с движка потенциометра 6. Изменяя положение движка потенциометра 6 в исходном состоянии устройства, добиваются равенства потенциалов на выходах первого 8 и второго 9 сумматоров, тем самым компенсируя влияние начального уровня на выходе второго дифференциального усилителя 1 постоянного тока на выходной сигнал устройства. The signals from the first and second differential outputs of the amplifier 7 are supplied to the first inputs of the first 8 and second 9 adders, respectively, where they are summed with the signals received at their second inputs, respectively, from the second DC differential amplifier 1 and from the potentiometer slider 6. Changing the position of the potentiometer slider 6 in the initial state of the device, they achieve equal potentials at the outputs of the first 8 and second 9 adders, thereby compensating for the influence of the initial level at the output of the second differential amplifier 1 direct current to the output signal of the device.

С выходов первого 8 и второго 9 сумматоров сигналы поступают соответственно на первый и второй входы первого дифференциального усилителя 10 постоянного тока, в котором формируется сигнал, пропорциональный разности потенциалов, и происходит его усиление до необходимого уровня. Далее этот сигнал поступает на вход выходного измерительного блока 11, предназначенного для согласования с линией передачи, и затем на выход устройства. From the outputs of the first 8 and second 9 adders, the signals are respectively transmitted to the first and second inputs of the first differential DC amplifier 10, in which a signal is generated proportional to the potential difference, and it is amplified to the required level. Further, this signal is fed to the input of the output measuring unit 11, intended for coordination with the transmission line, and then to the output of the device.

Под действием оцениваемого физического параметра давления происходит деформация тела, на котором расположена мостовая схема 5 тензорезисторов, и происходит изменение сопротивлений тензорезисторов. На измерительной диагонали мостовой схемы 5 формируется разность потенциалов, пропорциональная коэффициенту тензочувствительности и величине внешнего давления. Эта разность потенциалов усиливается сначала в усилителе 7 постоянного тока с дифференциальными входом и выходом, затем в первом дифференциальном усилителе 10 постоянного тока, и через выходной измерительный блок 11 сигнал, пропорциональный величине давления, поступает на выход устройства. Under the action of the estimated physical pressure parameter, a deformation of the body occurs, on which the bridge circuit of 5 strain gages is located, and the resistance of the strain gages changes. On the measuring diagonal of the bridge circuit 5, a potential difference is formed, proportional to the coefficient of strain sensitivity and the magnitude of the external pressure. This potential difference is amplified first in the DC amplifier 7 with differential input and output, then in the first differential DC amplifier 10, and through the output measuring unit 11 a signal proportional to the pressure value is supplied to the output of the device.

Если в зоне расположения мостовой схемы 5 тензорезисторов изменилась температура рабочей среды, то вследствие технологического разброса температурных коэффициентов сопротивлений тензорезисторов происходит разбалансировка мостовой схемы 5 и на измерительной диагонали моста 5 изменяется разность потенциалов из-за изменения температуры. Эта разность потенциалов усиливается в усилителе 7 постоянного тока с дифференциальными входом и выходом и поступает на первые входы первого 8 и второго 9 сумматоров. If the temperature of the working medium has changed in the area of the bridge circuit 5 of the strain gages, then due to the technological spread of the temperature coefficients of the resistance of the strain gages, the bridge circuit 5 is unbalanced and the potential difference changes on the measuring diagonal of the bridge 5 due to temperature changes. This potential difference is amplified in the DC amplifier 7 with differential input and output and is supplied to the first inputs of the first 8 and second 9 adders.

Одновременно при изменении температуры изменяется и эквивалентное сопротивление мостовой схемы 5 в диагонали питания, поэтому потенциал на выходе первого генератора 2 стабильного тока изменился относительно потенциала на выходе второго генератора 4 стабильного тока. Эта разность потенциалов приводит к изменению уровня сигнала на выходе второго дифференциального усилителя 1 постоянного тока, который подается на второй вход первого сумматора 8 для компенсации приращения потенциала на его первом входе из-за изменения температуры. Коэффициент передачи дифференциального усилителя 1 постоянного тока имеет такое значение, которое позволяет осуществлять компенсацию температурной нестабильности потенциалов во всем динамическом диапазоне рабочих температур устройства. At the same time, when the temperature changes, the equivalent resistance of the bridge circuit 5 in the diagonal of supply changes, so the potential at the output of the first stable current generator 2 has changed relative to the potential at the output of the second stable current generator 4. This potential difference leads to a change in the signal level at the output of the second differential DC amplifier 1, which is fed to the second input of the first adder 8 to compensate for the potential increment at its first input due to temperature changes. The transfer coefficient of the differential amplifier 1 DC is of such a value that allows you to compensate for temperature instability of potentials in the entire dynamic range of operating temperatures of the device.

Таким образом производится компенсация температурной зависимости выходного сигнала устройства для преобразования физических параметров в электрический сигнал и тем самым повышается точность его работы в диапазоне рабочих температур. Thus, the temperature dependence of the output signal of the device for the conversion of physical parameters into an electrical signal is compensated, and thereby the accuracy of its operation in the range of operating temperatures is increased.

Claims

DEVICE FOR TRANSFORMING PHYSICAL PARAMETERS TO AN ELECTRICAL SIGNAL, containing a bridge circuit of strain gages, the first input of which is connected to the zero potential bus, the first stable current generator, the first adder, the first differential DC amplifier, a potentiometer with a motor, and the output measuring unit, the output of which is the output of the device characterized in that a series current transformer and a second stable current generator, a second adder, a constant amplifier and with a differential input and output, the first and second inputs of which are connected respectively to the first and second outputs of the bridge circuit of the strain gages, and the first and second outputs to the first inputs of the first and second adders, respectively, the outputs of which are connected respectively to the first and second inputs of the first differential constant amplifier current, the output of which is connected to the input of the output measuring unit, and also introduced a second differential DC amplifier, the first input of which is connected to the output the first stable current generator, the second input to the output of the second stable current generator, and the output to the second input of the first adder, with the first output of the potentiometer connected to the output of the second stable current generator, the second output to the zero potential bus, and the third output connected to the potentiometer engine , to the second input of the second adder, and the output of the current generator is connected to the input of the first stable current generator, the output of which is connected to the second input of the bridge circuit of the strain gages.