PT934626E - Amplificador de medicao - Google Patents

Description

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DESCRICÃO “Amplificador de medição” O presente invento refere-se a um amplificador de instrumentação, para amplificação absoluta de tensão, que tem uma entrada de tensão equilibrada e uma saída de tensão equilibrada, em que a entrada de tensão é acoplada às primeiras entradas das unidades de amplificação, que têm um ganho de circuito aberto muito elevado, e a qual é ainda acoplada a uma rede de realimentação, proporcionada entre as saldas e as segundas entradas das unidades de amplificação.

Um amplificador de instrumentação deste tipo é conhecido na prática e é utilizado como um amplificador para detectores, com os quais são medidos os dados de processo, tais como a pressão, a temperatura ou a resistência corrente. Uma aplicação conhecida é a aplicação do amplificador de instrumentação na indústria do petróleo, em que, durante a perfuração, o equipamento de medição é inserido na haste da broca e tanto os instrumentos de medição como o amplificador de instrumentação são expostos a altas temperaturas. As ditas temperaturas podem variar de 175 a 250°C. Sob tais condições é pedido muito das especificações e da estabilidade das ditas especificações do amplificador de instrumentação e, por conseguinte, dos componentes incorporado no mesmo. É criado um problema pela circunstância de que as diferenças em desvio entre os componentes do amplificador de instrumentação resultam em problemas de precisão e de calibração; existe uma outra circunstância difícil na aplicação atrás mencionada, nomeadamente, que é impossível executar a manutenção de um amplificador de instrumentação dentro de uma haste de broca. Se um tai amplificador de instrumentação inesperadamente apresenta problemas, os custos envolvidos na substituição do mesmo são excessivamente elevados em relação ao custo de um tal amplificador de instrumentação. É, por conseguinte, o objecto do invento proporcionar um amplificador de instrumentação que proporciona uma amplificação de tensão precisa a qualquer temperatura de operação, sem a necessidade de calibração, em que o desvio dos componentes, que ocorre na prática, tem um efeito muitíssimo reduzido na precisão e estabilidade do amplificador de instrumentação.

Para este fim, o amplificador de instrumentação, de acordo com o invento, é caracterizado por a rede de realimentação compreender componentes

85 491 ΕΡ Ο 934 626/ΡΤ 2 substancialmente equivalentes, cada um dos quais, durante um ciclo de medição, ocupa ciclicamente todos os lugares na rede de realimentação, por meio do controlo selectivo dos comutadores, os quais estão electricamente acoplados aos componentes, e por os componentes da rede de realimentação formarem desse modo um circuito livre de corrente de comutação. Permutando ciclicamente os componentes substancialmente equivalentes, o amplificador de instrumentação, de acordo com invento, é provido com uma amplificação média, a qual depende substancialmente do número de componentes utilizados na rede de realimentação. Desta maneira é obtida relativa insensibilidade em relação ao valor nominal, pertencente a cada componente separado, o mesmo é dizer que os valores nominais são muito menos sensíveis a desvios e têm significado limitado na precisão da amplificação proporcionada por meio do amplificador instrumentação. Também, o desvio dos componentes tem apenas uma influência muito limitada. O facto dos os componentes da rede de realimentação formarem, desse modo, um circuito de corrente livre de comutação assegura que a resistência adicional, provocada por tais comutadores não tem influência na precisão do amplificador de instrumentação.

Num aspecto particular de acordo com o invento o amplificador de instrumentação é caracterizado por serem ligados, em cada ponto nodal, entre dois componentes acoplados electricamente, seis comutadores, estando, pelo menos, um dos mesmos sempre fechado durante o ciclo de medição, e servindo os comutadores para acoplarem selectivamente cada ponto nodal, separadamente e em sucessão, a uma das duas segundas entradas das unidades de amplificação, a uma das duas saídas das unidades de amplificação e a uma linha da saída de tensão, de tal modo que, em relação a todos os pontos nodais, existe um acoplamento, em que o acoplamento entre os pontos nodais não está em curto-circuito.

Este modo proporciona um processo simples de permitir que todos os componentes ocupem todos os lugares desejáveis na rede de realimentação. É desejável que, durante um ciclo de medição, qualquer ponto nodal seja acoplado, por um tempo limitado, a uma das duas segundas entradas das unidades de amplificação, à outra das duas segundas entradas das unidades de amplificação, a uma das duas saídas das unidades de amplificação e à outra das duas saídas das unidades de amplificação. 3 85 491 ΕΡ Ο 934 626/ΡΤ

Num aspecto particular de acordo com o invento o amplificador de instrumentação é caracterizado por estar previsto, em relação a cada componente, que durante um ciclo de medição os dois pontos nodais em cada lado de um componente, a partir do circuito de corrente livre de comutação, serem sempre acoplados às duas respectivas saídas das unidades de amplificação, por meio do controlo selectivo dos comutadores. Este componente, acoplado à duas saídas das unidades de amplificação, forma então a carga para os dois amplificadores de medição, através dos quais tem de ser determinada a tensão de saída, que representa a tensão de saída precisamente amplificada.

Em ligação com o mesmo e de acordo com o invento, os dois pontos nodais em cada lado dos componentes, os quais durante o ciclo de medição são acoplados às respectivas saídas das unidades de amplificação, estão ao mesmo tempo acoplados, por meio de controlo de comutação selectivo, às duas respectivas linhas da saída de tensão equilibrada. O invento será agora melhor explicado com referência ao desenho de uma única figura, que representa um amplificador de instrumentação de acordo com o invento. A figura mostra um diagrama de um amplificador de instrumentação de acordo com o invento, que tem uma entrada de tensão com linhas 1 e 2, às quais pode ser ligada uma fonte de tensão Vin. A entrada de tensão 1, 2 é acoplada às primeiras entrada positivas 3, 4 das unidades de amplificação 5, 6, as quais possuem um ganho de circuito aberto muito elevado. O ganho de circuito fechado desejado do amplificador de instrumentação é conseguido por meio de uma rede de realimentação 7, a qual é proporcionada entre as saídas 8, 9 e as entradas negativas 10, 11 das unidades de amplificação 5, 6. Na presente concretização, a rede de realimentação 7 compreende oito resistências substancialmente iguais Ri a R8. As ditas resistências estão ligadas de tal modo que entre uma saída 8, 9 e uma entrada 10, 11 dos amplificadores de tensão 5, 6 estão ligadas sete resistências, estando a oitava resistência acoplada entre as duas entradas negativas 10, 11 dos amplificadores de tensão 5, 6. Com esta configuração a amplificação média resultante é de sete. Outros factores de amplificação podem ser simplesmente obtidos pela variação do número das resistências da rede de realimentação 7. Para se obter o objecto de acordo com o invento, é importante que os componentes Ri a Re sejam substancialmente equivalentes, embora, como um resultado de se utilizar o circuito de acordo com o invento, para uma coisa, a sensibilidade ao desvio em

85 491 ΕΡ Ο 934 626/ΡΤ relação à dita equivalência é grandemente reduzida. Desta maneira, é promovida a precisão do amplificador de instrumentação e é reduzida a necessidade de calibração repetida para combater os efeitos do desvio.

Para se conseguir este objectivo, de acordo com o invento, cada um dos componentes Ri a Rs tem de ocupar cada uma das possíveis posições na rede de realimentação 7, durante um ciclo de medição, o que, de acordo com invento, é realizado através do controlo cíclico e selectivo dos comutadores acoplados electricamente aos componentes R1 a Re, embora, no entanto os componentes Ri a R8 da rede de realimentação 7 formem continuamente um circuito de corrente livre de comutação 12. Para esta finalidade, cada ponto nodal K1i2, K2.3, K3.4, K4,5, K5.6, K6.7, K7.8, K8.i, sejam provido de grupos de seis comutadores S8i, S12, S23, S34, S45, Sse, S87, S78, acoplados aos ditos pontos nodais, enquanto durante a operação, pelo menos, um comutador de cada grupo dos comutadores está fechado, e os ditos comutadores servem para acoplar cada um dos ditos pontos nodais a uma das duas entradas 10, 11 das unidades de amplificação 5, 6, a uma das duas saídas 8, 9 das unidades de amplificação 5, 6 e a uma linha 12, 13 da saída de tensão Vout· Cada um dos pontos nodais é ligado a um outro ponto, de tal modo que todas as ligações possíveis são feitas e os pontos nodais não se curto-circuitam entre si.

De acordo com 0 invento, durante 0 ciclo de medição no qual Vm é amplificada para 0 valor Vout, cada ponto nodal K12, K2.3, K3.4, K4.5, K5.6, K6.7, K7.8, K8.i, tem de ser acoplado por um tempo limitado a uma das duas segundas entradas 10, 11 das ditas unidades de amplificação 5, 6, respectivamente à outra das duas segundas entradas 10, 11 das ditas unidades de amplificação, a uma das duas saídas 8, 9 das unidades de amplificação 5, 6, e à outra 9, 8 das duas saídas das unidades de amplificação.

Na situação parada ilustrada de um circuito particular, durante um ciclo de medição, o componente R4, ou em vez disso os pontos nodais 3, 4 e 4, 5 em cada lado do dito componente R4, são, por meio do controlo selectivo dos comutadores a partir dos grupos dos comutadores S34 e S45, acoplados aos ditos pontos nodais, acoplados às respectivas saídas 8, 9 das unidades de amplificação 5, 6 e, ao mesmo tempo, os ditos pontos nodais K3.4 e K4.5, são acoplados às duas linhas 12, 13 da saída de tensão Vout por meio do controlo selectivo dos outros comutadores a partir dos grupos dos comutadores S34, e S 45· É, por exemplo, possível ligar a V0ut um voltímetro de elevada resistência óhmica para a medição de menor corrente 5 85 491 ΕΡ Ο 934 626/ΡΤ (virtualmente) da tensão a cair através do componente R4, permitindo a medição precisa sem qualquer distúrbio provocado pela influência das resistências, formadas pelos respectivos comutadores. Isto é, em especial, importante na concretização normal de um tal circuito, que consiste parcialmente em amplificadores operacionais e parcialmente em resistências e comutadores. Esta concretização normalizada emprega comutadores com a forma de transístores MOS, tendo uma resistência significativamente dependente da tensão. Com o circuito, de acordo com o invento, a influência desta dependência da tensão é eliminada. O controlo cíclico e selectivo dos comutadores S8i, S12, S23, S34, S45, S56, S67, S78, faz com que as resistências R1 a R8 mudem continuamente de lugares, de modo que os valores das resistências, os quais determinam a amplificação do amplificador de instrumentação sejam niveladas. Com componentes substancialmente equivalentes R1 a Re isto proporciona uma amplificação de tensão muito precisa, ao passo que a sensibilidade para o desvio é grandemente reduzida. A velocidade com a qual os comutadores, que ligam os pontos nodais entre os componentes R1 a R8 às entradas e às saídas dos amplificadores operacionais ou às linhas, as quais ligam à saída de tensão do amplificador de instrumentação, é grandemente determinada pela característica de ruído dos componentes R-ι a R8 que são empregues. Quanto mais elevada for a frequência da característica de ruído de 1/f dos ditos componentes, mais elevado tem de ser ajustado 0 controlo de frequência dos comutadores. De acordo com 0 invento, o desvio dos componentes R1 a R8, que têm uma frequência de mudança mais elevada do que a frequência de controlo, é compensado ainda que num grau menor.

Com o amplificador de instrumentação de acordo com 0 invento pode ser realizada uma amplificação com uma precisão melhor do que 10 ppm.

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Claims (6)

1. 85 491 ΕΡ Ο 934 626/ΡΤ 1/2 REIVINDICAÇÕES 1 - Amplificador de instrumentação para amplificação absoluta de tensão, que tem uma entrada de tensão equilibrada (1, 2) e uma saída de tensão equilibrada (12, 13), em que a entrada de tensão é acoplada às primeiras entradas (3, 4) das unidades de amplificação (5, 6), que têm um ganho de circuito aberto muito elevado, e a qual é ainda acoplada a uma rede de realimentação (7), proporcionada entre as saídas (8, 9) e as segundas entradas (10, 11) das unidades de amplificação (5, 6), caracterizado por a rede de realimentação (7) compreender componentes substancialmente equivalentes (Ri a Re), cada um dos quais, durante um ciclo de medição, ocupa ciclicamente todos os lugares na rede de realimentação (7), por meio do controlo selectivo dos comutadores (S8i, S12, S23, S34, S45, S56, S67, S78). os quais estão electricamente acoplados aos componentes (R-ι a Ra), e por os componentes (R1 a Ra) da rede de realimentação formarem desse modo um circuito de corrente livre de comutação (12).
2. 2 - Amplificador de instrumentação de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por serem ligados, em cada ponto nodal (K1i2, K2.3, K3.4, K4.5, K5.6, «6.7, K7.8, K8.i) entre dois componentes acoplados directa e electricamente, seis comutadores (S8i, S12, S23> S34, S45- S56, S67, S78). estando, pelo menos, um dos mesmos sempre fechado, durante o ciclo de medição, e servindo os comutadores para acoplarem selectivamente cada ponto nodal, separadamente e em sucessão, a uma das duas segundas entradas (10, 11) das unidades de amplificação (5, 6), e a uma das duas saídas (8 ou 9) das unidades de amplificação (5, 6) e a uma linha (12 ou 13) da saída de tensão, de tal modo que, em relação a todos os pontos nodais, existe um acoplamento, em que o acoplamento entre os pontos nodais não está em curto-circuito.
3. 3 - Amplificador de instrumentação de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por, durante um ciclo de medição, qualquer ponto nodal é acoplado, por um tempo limitado, a uma (10 ou 11) das duas segundas entradas das unidades de amplificação (5, 6), à outra (11 ou 10) das duas segundas entradas das unidades de amplificação (5, 6), a uma (8 ou 9) das duas saídas das unidades de amplificação (5, 6) e à outra (9 ou 8) das duas saídas das unidades de amplificação (5, 6).
4. 4 - Amplificador de instrumentação de acordo com as reivindicações 1 a 3, caracterizado por estar previsto, em relação a cada componente (R1 a R8), que 85 491 ΕΡ Ο 934 626/ΡΤ 2/2 durante um ciclo de medição os dois pontos nodais, em cada lado de um componente, a partir do circuito de corrente livre de comutação (12), serem sempre acoplados às duas respectivas saídas (8, 9) das unidades de amplificação (5, 6) por meio do controlo selectivo dos comutadores.
5. 5 - Amplificador de instrumentação de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por os dois pontos nodais, em cada lado dos componentes (Ri a Re), os quais durante o ciclo de medição são acoplados às respectivas saídas (8, 9) das unidades de amplificação (5, 6), serem ao mesmo tempo acoplados, por meio do controlo de comutação selectivo, às duas respectivas linhas (12, 13) da saída de tensão equilibrada.
6. 6 - Amplificador de instrumentação de acordo com uma das reivindicações anteriores, caracterizado por os comutadores, durante a operação, terem um controlo de frequência, o qual faz com que os ditos comutadores abram ou fechem, respectivamente, e o qual é mais elevado do que a frequência de mudança de acordo com a característica de ruído de 1/f dos componentes (Ri a Rs). Lisboa, 22. O 2031 Por STiCHTING VOOR DE TECHNISCHE WETTENSCHAPPEN -O AGENTE OFICIAL-

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