[go: up one dir, main page]

RU2319110C1 - Устройство подключения параметрических датчиков - Google Patents

Устройство подключения параметрических датчиков Download PDF

Info

Publication number
RU2319110C1
RU2319110C1 RU2006125859/28A RU2006125859A RU2319110C1 RU 2319110 C1 RU2319110 C1 RU 2319110C1 RU 2006125859/28 A RU2006125859/28 A RU 2006125859/28A RU 2006125859 A RU2006125859 A RU 2006125859A RU 2319110 C1 RU2319110 C1 RU 2319110C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
operational amplifier
parametric
output
current
inverting input
Prior art date
Application number
RU2006125859/28A
Other languages
English (en)
Inventor
Владимир Петрович Чураков
Петр Павлович Чураков
Максим Константинович Маркелов
Анатолий Вильевич Светлов
Original Assignee
Пензенский государственный университет (ПГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Пензенский государственный университет (ПГУ) filed Critical Пензенский государственный университет (ПГУ)
Priority to RU2006125859/28A priority Critical patent/RU2319110C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2319110C1 publication Critical patent/RU2319110C1/ru

Links

Images

Landscapes

  • Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)

Abstract

Использование: в телеметрических информационных системах измерения, управления и контроля различных физических величин на основе параметрических датчиков. Сущность: устройство содержит преобразователь ток - напряжение, клеммы для подключения генератора сигнала и параметрического датчика, два опорных резистора и два операционных усилителя, образующих плечи мостовой схемы. Особенностью устройства является то, что в одно из плеч мостовой схемы включено комплексное сопротивление с регулируемыми параметрами, а инвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя преобразователя ток - напряжение. Благодаря этому могут быть использованы не только резистивные, но и индуктивные и емкостные датчики; снижается влияние паразитной емкости соединительной линии. 3 ил.

Description

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для подключения параметрических датчиков различного типа (резистивных, индуктивных, емкостных, токовихревых и т.д.) к генератору сигнала и снятия информативных электрических сигналов для последующей обработки в различных информационно-измерительных телеметрических системах.
В большинстве известных схем для подключения параметрических датчиков на выходной сигнал значительное влияние оказывают параметры соединительной линии (индуктивность емкости и активное сопротивление). Для снижения влияния емкости кабеля [1, с.104 рис.52] используется мостовая схема с параметрическим емкостным датчиком дифференциального типа. Емкости дифференциального датчика составляют два плеча моста, два других плеча образованы или взаимосвязанными индуктивностями, или обмотками питающего трансформатора, с заземленной средней точкой, или низкоомные резисторы. Для исключения влияния емкости кабеля конденсаторы с емкостями, образованными токоведущими жилами и экранами кабелей, включают параллельно плечам отношений моста, а емкость выходного кабеля моста включена параллельно выходной диагонали моста. В некоторых случаях для снижения влияния емкости используют кабели с двойным экраном.
Недостатком рассмотренной схемы является влияние на выходной сигнал индуктивности и сопротивления кабеля, а также ограничения области применения дифференциальными емкостными датчиками.
С развитием техники интегральных операционных усилителей в схемах для подключения параметрических датчиков стали применяться мостовые цепи с автоматическим статическим уравновешиванием [2, с.58 рис.3.9]. Для случая измерения температуры параметрический датчик в виде медного терморезистора включается в одно из плеч моста, другие плечи образованы опорными резисторами с высокой термостабильностью. В качестве основного элемента схемы уравновешивания применен повторитель напряжения на операционном усилителе. Для устранения влияния на результат измерения сопротивления соединительной линии используют трех- или пяти-проводные соединительные линии [3, с.81 рис.2.14]. Кроме сложности соединительной линии (увеличение числа проводов) недостатком таких схем является их неприменимость для работы на переменном токе с индуктивными и емкостными датчиками.
В схеме для подключения параметрического датчика емкостного типа дифференциальный емкостной датчик непосредственно включается в мостовые измерительные цепи обычно с индуктивно-связанными цепями [2, с.145...146, рис.7.13.а]. Выходной сигнал подан на вход повторителя напряжения, выполненного на операционном усилителе. Емкости экранирующих проводов включены параллельно полуобмоткам трансформатора и не оказывают влияния. Для снижения влияния емкости кабеля, соединяющего датчик с выходным усилителем, применяется метод эквипотенциальной защиты и кабель с двойным экраном. Наружный экран подсоединен к земле, а внутренний к выходу повторителя напряжения. Ток с центрального на внутренний экран отсутствует. Емкость между внутренним и внешним экранами шунтируется малым выходным сопротивлением повторителя напряжения. Недостатками схемы являются ограниченные функциональные возможности (схема применима только для дифференциальных датчиков) и невысокая точность из-за влияния на выходной сигнал индуктивности и активного сопротивления линии связи.
Наиболее близким к предлагаемому устройству техническим решением является схема для точной обработки сигнала с параметрического тензорезистивного датчика [4, с.8...9, рис.4], содержащая (фиг.1) генератор сигнала ГС, симметричность выходного сигнала которого поддерживается с помощью сервисного операционного усилителя А1. Генератор сигнала ГС1 через клеммы 1К1 и 3К1 запитывает диагональ мостовой схемы, образованной опорными резисторами 2 и 3, повторителями напряжения на операционных усилителях 4 и 5 и двумя частями параметрического резистивного датчика ПД6 через клеммы К6. Выходной ток мостовой схемы преобразуется в напряжение с помощью преобразователя ток-напряжение ПТН7. Устранение влияния соединительных проводов при дистанционном измерении осуществляется, как и ранее, использованием трехпроводной линии связи (отдельными проводами соединяются с датчиком инвертирующий вход и выход операционных усилителей 4 и 5).
Недостатки рассмотренной схемы:
- ограниченные функциональные возможности, схема пригодна для подключения параметрических датчиков только резистивного типа;
- невысокая точность вследствие значительных погрешностей из-за влияния индуктивности и емкости соединительной линии при воздействии на схему переменного тока.
Предлагаемое изобретение направлено на расширение функциональных возможностей и повышение точности за счет устранения влияния параметров соединительной линии.
Это достигается тем, что в одно из плеч мостовой схемы для подключения параметрических датчиков, содержащей преобразователь ток-напряжение, клеммы для подключения генератора сигнала и параметрического датчика, два опорных резистора и два операционных усилителя, образующих плечи мостовой схемы, включено комплексное сопротивление с регулируемыми параметрами, причем первая клемма для подключения параметрического датчика соединена с инвертирующим входом первого операционного усилителя, охваченного отрицательной обратной связью через первый опорный резистор, и неинвертирующим входом операционного усилителя преобразователя ток-напряжение, вторая клемма для подключения параметрического датчика соединена с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, охваченного стопроцентной отрицательной обратной связью, и клеммой для подключения генератора сигнала, выход первого операционного усилителя через комплексное сопротивление с регулируемыми параметрами соединен с инвертирующим входом операционного усилителя преобразователя ток-напряжение и одним из выводов второго опорного резистора, второй вывод которого соединен с выходом второго операционного усилителя; клеммы для подсоединения экранирующих оплеток соединительной линии и общей шины генератора сигнала соединены с общей шиной устройства для подключения параметрических датчиков.
Введение новых элементов и связей расширяет функциональные возможности (позволяет осуществить подключение и преобразование параметров не только резистивных, но индуктивных и емкостных параметрических датчиков) и повышает точность преобразования. Повышение точности достигается за счет введения комплексного сопротивления с регулируемыми параметрами, что снижает аддитивную составляющую погрешности из-за влияния сопротивления и индуктивности соединительной линии. Снижение погрешности из-за влияния паразитной емкости соединительной линии достигается соединением инвертирующего входа первого операционного усилителя с неинвертирующим входом операционного усилителя преобразователя ток напряжение.
На фиг.2 приведена функциональная схема заявляемого устройства.
На фиг.3 приведена схема, поясняющая принцип компенсации параметров линии связи.
Устройство (фиг.2) содержит клеммы К1 для подключения генератора сигнала 1, первый 2 и второй 3 опорные резисторы, первый 4 и второй 5 операционные усилители, клеммы К6 для подключения параметрического датчика ПД6 через линию связи ЛС, преобразователь ток-напряжение 7, комплексное сопротивление 8 с регулируемыми параметрами. Для удобства рассмотрения на схеме приведены представленный эквивалентной схемой параметрический индуктивный датчик ПД, линия связи ЛС, генератор сигнала ГС. По этой же причине раскрыта структура преобразователя ток-напряжение: выделены операционный усилитель ОУЗ и опорный резистор R03.
Первая клемма 2К6 для подключения параметрического датчика индуктивного типа соединена с инвертирующим входом первого операционного усилителя 4, охваченного отрицательной обратной связью через первый опорный резистор 2, и неинвертирующим входом операционного усилителя ОУЗ преобразователя ток-напряжение 7, вторая клемма 3К6 для подключения параметрического датчика соединена с неинвертирующим входом второго операционного усилителя 5, охваченного стопроцентной отрицательной обратной связью, и клеммой 1К1 для подключения генератора сигнала 1, выход первого операционного усилителя 4 через комплексное сопротивление 8 с регулируемыми параметрами соединен с инвертирующим входом операционного усилителя ОУЗ преобразователя ток-напряжение 7 и одним из выводов второго опорного резистора 3, второй вывод которого соединен с выходом второго операционного усилителя 5; клеммы 1К6 для подключения экранирующих оплеток соединительной линии и общей шины 2К1 генератора сигнала 1 соединены с общей шиной устройства для подключения параметрических датчиков.
Устройство работает следующим образом.
С выхода задающего генератора сигнала ГС1 снимается синусоидальный опорный сигнал:
Figure 00000002
где U0 - амплитуда; ω0 - угловая частота опорного сигнала на выходе генератора сигнала ГС.
На выходе первого операционного усилителя 4, охваченного ООС через первый опорный резистор 2, имеем сигнал, определяемый параметрами параметрическою датчика ПД индуктивного типа и соединительной линии СЛ (подробнее см. приложение 1):
Figure 00000003
где R0 - значение сопротивления первого опорного резистора 2; φ1(R01; Z) - сдвиг фаз напряжения на выходе первого операционного усилителя 4;
ZЛ=RЛ0·LЛ, RЛ и LЛ - полное комплексное, активное сопротивление и индуктивность соединительной линии СЛ; ZДО=(R+ω0·L)/ω0·C(R+ω0L+1/ω0С) - полное комплексное сопротивление параметрического датчика ПД индуктивного типа в исходном состоянии; ΔZД - изменение комплексного сопротивления параметрического датчика ПД индуктивного типа, вызванное воздействием измеряемой величины, в исходном состоянии ΔZД=0; Z=ZЛ+ZД - суммарное комплексное сопротивление, включенное во входную цепь первого операционного усилителя 4, охваченного ООС через первый опорный резистор 2.
Второй операционный усилитель 5 включен в режиме повторителя напряжения и повторяет выходной сигнал генератора сигнала ГС1, обеспечивая согласование сопротивлений и предотвращая самовозбуждение и переход схемы в режим генерации.
Выходное напряжение операционного усилителя ОУЗ преобразователя ток-напряжение 7 можно представить в виде:
Figure 00000004
где R02 и R03 - соответственно значения сопротивлений второго опорного резистора 3 и резистора в цепи ООС операционного усилителя ОУЗ преобразователя ток-напряжение 7; Zk - значение полного комплексного сопротивления 8 с регулируемыми параметрами.
При отсутствии воздействия на вход параметрического датчика это напряжение должно быть равно нулю:
Figure 00000005
Выполнение этого равенства достигается выбором и регулировкой параметров комплексного сопротивления 8 с регулируемыми параметрами (см. приложение 1). Выходное напряжение преобразователя ток-напряжение 7 равно нулю:
UПТН7(t)=0, когда
Figure 00000006
и φ′1(R01; Z)+φ2(R03; Zk)=0, т.е. комплексное сопротивление 8 должно регулироваться по двум параметрам, компенсируя модуль и фазу выходного напряжения преобразователя ток-напряжение 7.
При воздействии входной величины на параметрический датчик ПД появляется сигнал рассогласования:
Figure 00000007
Например, в индуктивных токовихревых вибродатчиках [5] изменение полного сопротивления обратно пропорционально отклонению (перемещению) объекта. При наиболее простой гармонической вибрации с малой амплитудой:
Figure 00000008
где δ - отклонение объекта; k1 - коэффициент пропорциональности; Ω - частота вибрации.
На выходе преобразователя ток-напряжение 7 имеем сигнал:
Figure 00000009
интенсивность которого изменяется пропорционально отклонению объекта от исходного положения.
Для подключения параметрического датчика емкостного типа одна из клемм 3К6 для подключения параметрического датчика отсоединяется от клеммы 1К1 для подключения генератора сигнала ГС1 и подсоединяется к выходу первого операционного усилителя 4, к инвертирующему входу которого подключен первый опорный резистор 2, отсоединенный от выхода первого операционного усилителя 4 и соединенный с клеммой 1К1 для подключения генератора сигнала ГС1, выход первого операционного усилителя 4 через второй опорный резистор 3 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя преобразователя ток-напряжение 7 и одним из выводов комплексного сопротивления 8 с регулируемыми параметрами, второй вывод которого соединен с выходом второго операционного усилителя 5. Работа устройства аналогична рассмотренной.
В приложении 1 дан полный вывод уравнения преобразования заявляемого устройства.
При составлении описания учтены литературные источники [6, с.216...246], [7, с.21...41; 76...112].
Литература
1. Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара: Справочник. В 2-х кн. Кн.1 / Под ред. В.В.Клюева. - М.: Машиностроение, 1978. - 448 с.
2. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения неэлектрических величин: (Измерительные преобразователи). Уч. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат ЛО, 1983. - 320 с.
3. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - 2-е изд. - Л.: Энергоатомиздат ЛО, 1988. - 304 с.
4. Применение развязывающих усилителей для точной обработки сигналов с датчиков. (Приборы и элементы автоматики и вычислительной техники. Экспресс-информация. - М.: ВИНИТИ, 1992, вып.11. - С. 2...11 (фиг.1 - прототип).)
5. Герасимов В.Г., Клюев В.В., Шатерников В.Е. Методы и приборы электромагнитною контроля промышленных изделий. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 272 с.
6. Дж.Фрайден. Современные датчики. Справочник. Серия: Мир электроники. - М.: Техносфера, 2005. - 592 с.
7. Основы построения информационно-измерительных систем: Пособие по системной интеграции / Под ред. Свиридова В.Г. - М.: Изд-во МЭИ, 2004. - 268 с.
Приложение 1
На фиг.3 приведена схема, поясняющая принцип компенсации параметров линии связи (сопротивление 2ZЛ) и начальных параметров параметрического датчика ПД индуктивного типа (сопротивление ZДО). Как видно из начертания, это уравновешенная относительно выходной диагонали (инвертирующие входы первого операционного усилителя 4 и операционного усилителя преобразователя ток-напряжение 7) мостовая схема, плечи которой составляют следующие элементы: первое плечо - сопротивление Z1 (параметрический датчик ПД индуктивного типа и линии связи ЛС сопротивлением ZДО+2ZЛ); второе плечо - сопротивление Z2 (первый опорный резистор 2 сопротивлением R01 с параллельно включенным операционным усилителем 4); третье плечо - сопротивление Z3 (операционный усилитель 5 и второй опорный резистор 3 сопротивлением R′′0); четвертое плечо - сопротивление Z4 (комплексное сопротивление 8 с регулируемыми параметрами сопротивлением Zk). Уравнения выходных напряжений имеют вид. Выходное напряжение первого операционного усилителя 4:
Figure 00000010
где U0 - амплитуда выходного напряжения генератора сигнала ГС1.
Напряжение на выходе операционного усилителя ОУЗ преобразователя ток-напряжение 7:
Figure 00000011
где UПН5 - напряжение на выходе второго операционного усилителя (повторителя напряжения) 5; ZМ - выходное сопротивление мостовой схемы.
Для балансировки мостовой схемы необходимо, чтобы:
Figure 00000012
или (ZДО+2ZЛ)·Z4-Z2·Z3=0. При Z2=R01 и Z3=R02 произведение сопротивлений плеч должно быть положительным (ZДО+2ZЛ)·Z4>0, т.е. параметры линии связи ЛС и параметрического датчика ПД индуктивного типа можно скомпенсировать только параллельной RC цепью с переменными параметрами (фиг.3).
Если мостовая схема уравновешена, то сигнал рассогласования, с учетом конкретной схемы, можно определить по формуле:
Figure 00000013
С учетом этого чувствительность схемы относительно информативного параметра (индуктивности параметрического датчика ПД):
Figure 00000014
В абсолютных единицах:
Figure 00000015
Таким образом, выходное напряжение операционного усилителя преобразователя ток-напряжение 7 определяет изменение индуктивности параметрического датчика ПД.

Claims (1)

  1. Устройство подключения параметрических датчиков, содержащее преобразователь ток-напряжение, клеммы для подключения генератора сигнала и параметрического датчика, два опорных резистора и два операционных усилителя, образующих плечи мостовой схемы, отличающееся тем, что в одно из плеч мостовой схемы включено комплексное сопротивление с регулируемыми параметрами, причем первая клемма для подключения параметрического датчика соединена с инвертирующим входом первого операционного усилителя, с первым опорным резистором в цепи отрицательной обратной связи и неинвертирующим входом операционного усилителя преобразователя ток-напряжение, вторая клемма для подключения параметрического датчика соединена с неинвертирующим входом второго операционного усилителя со стопроцентной отрицательной обратной связью, и клеммой для подключения генератора сигнала, выход первого операционного усилителя через комплексное сопротивление с регулируемыми параметрами соединен с инвертирующим входом операционного усилителя преобразователя ток-напряжение и одним из выводов второго опорного резистора, второй вывод которого соединен с выходом второго операционного усилителя.
RU2006125859/28A 2006-07-17 2006-07-17 Устройство подключения параметрических датчиков RU2319110C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006125859/28A RU2319110C1 (ru) 2006-07-17 2006-07-17 Устройство подключения параметрических датчиков

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006125859/28A RU2319110C1 (ru) 2006-07-17 2006-07-17 Устройство подключения параметрических датчиков

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2319110C1 true RU2319110C1 (ru) 2008-03-10

Family

ID=39281016

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006125859/28A RU2319110C1 (ru) 2006-07-17 2006-07-17 Устройство подключения параметрических датчиков

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2319110C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EA021366B1 (ru) * 2010-07-15 2015-06-30 Общество С Ограниченной Ответственностью "Аккорд Эстейт" Комбинированная гидроакустическая система обнаружения утечек нефтепродуктопровода

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU438864A1 (ru) * 1972-04-05 1974-08-05 Предприятие П/Я Г-4903 Устройство дл измерени сигналов с параметрического датчика
SU1075189A1 (ru) * 1982-07-19 1984-02-23 Пензенский Политехнический Институт Преобразователь выходных величин параметрических датчиков в частотные сигналы
US5585719A (en) * 1993-03-11 1996-12-17 Fujitsu Limited Magnetoresistance effect element sensor and an electronic circuit therefor

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU438864A1 (ru) * 1972-04-05 1974-08-05 Предприятие П/Я Г-4903 Устройство дл измерени сигналов с параметрического датчика
SU1075189A1 (ru) * 1982-07-19 1984-02-23 Пензенский Политехнический Институт Преобразователь выходных величин параметрических датчиков в частотные сигналы
US5585719A (en) * 1993-03-11 1996-12-17 Fujitsu Limited Magnetoresistance effect element sensor and an electronic circuit therefor

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Применение развязывающих усилителей для точной обработки сигналов с датчиков. Приборы и элементы автоматики и вычислительной техники. Экспресс информация. - М.: ВИНИТИ, 1992, вып.11, с.8-9, рис.4. Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара: Справочник в 2 кн.; кн.1, под ред. В.В.КЛЮЕВА. - М.: Машиностроение, 1978, с.104, рис.52. ЛЕВШИНА Е.С., НОВИЦКИЙ П.В. Электрические измерения неэлектрических величин. Измерительные преобразователи. Л., 1983, с.58, рис.3.9, с.145-146, рис.7.13. ГУТНИКОВ B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л., 1988, с.8, рис.2.14. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EA021366B1 (ru) * 2010-07-15 2015-06-30 Общество С Ограниченной Ответственностью "Аккорд Эстейт" Комбинированная гидроакустическая система обнаружения утечек нефтепродуктопровода

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Preethichandra et al. A simple interface circuit to measure very small capacitance changes in capacitive sensors
Pallás-Areny et al. Analog signal processing
JP2978248B2 (ja) ひずみゲージ測定装置、その使用およびその測定装置用変調増幅器
JP5815519B2 (ja) 高速応答を有する広ダイナミックレンジ電位計
CN108732414B (zh) 电流传感器及断路器
JP2011242370A (ja) インピーダンス検出回路及びインピーダンス検出回路の調整方法
US9645193B2 (en) Impedance source ranging apparatus and method
JP2019509491A (ja) マルチチャネルシステムのためのクロストーク較正
JP5502597B2 (ja) インピーダンス検出回路およびインピーダンス検出方法
CN111238546A (zh) 电容传感器的微弱电容变化测量电路
Anderson The new current loop: An instrumentation and measurement circuit topology
Musioł et al. A new sampling-based four-terminal-pair digital impedance bridge
Pintér et al. Interface circuit for measuring small capacitance changes in sensor networks
RU2319110C1 (ru) Устройство подключения параметрических датчиков
US10534476B2 (en) Compensation method for an induced amount in a touch sensor and touch panel thereof
RU2699303C1 (ru) Преобразователь напряжения разбаланса мостовой схемы в частоту или скважность
CN108759809A (zh) 一种陀螺仪检测电路及终端
NO814320L (no) Kontrollkrets for elektrostatisk akselerometer
JPH0631385Y2 (ja) 電気秤の妨害信号を抑圧するための低域アクティブ・フィルター
CN211576217U (zh) 电容传感器的微弱电容变化测量电路
RU2461010C1 (ru) Мостовой измеритель параметров двухполюсников
CN102080994A (zh) 应变桥电路的隔离测量技术
RU2471197C2 (ru) Мостовой измеритель параметров двухполюсников
Schäck Underestimated impact of measuring cables on high-precision carrier frequency amplifier results and compensation methods there for
JP3757226B2 (ja) 搬送波型3線式ひずみ測定システム

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20080718