RU1775606C - Цифровой измерительный преобразователь - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к приборам дл  измерени  величин, изменение которых преобразуетс  в изменение активного сопротивлени . Цель изобретени  - повышение точности измерений. Сущность изобретени : устройство содержит 2 источника напр жени  (3 и 4), 4 резистора (1, 2, 5, 6), 2 компаратора (8 и 9), 2 элемента И (13 и 14), 1 генератор (12) импульсов, 1 реверсивный счетчик (15) импульсов, 1 блок(17)инди- кации, 1 запоминающее устройство (16), 1 дешифратор (11), 2 компаратора (7 и 10). 1-5-3-1,2-4-6-2, 3-7-11-15-17, 7-14-15, 1-9-14. 2-9.6-8, 13-14. Зил.

Description

Фиг.

Изобретение относитс  к области измерительной техники, к приборам дл  измерени  величин, изменение которых может быть преобразовано в изменение активного электрического сопротивлени  резистив- ных преобразователей.

Известен измерительный преобразователь , построенный по мостовой схеме. Он содержит в трех плечах моста три эталонных резистора, а в четвертом - резистивный преобразователь, сопротивление которого зависит от измер емой величины (температуры , освещенности, механического напр жени  или перемещени  и т.д.). В одну диагональ моста включен источник питани , а в другую - показывающий прибор, по которому отсчитывают измер емую величину.

Недостатком известного устройства  вл етс  невысока  точность измерений из-за вли ни  на показани  прибора изменени  напр жени  питани  моста.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству  вл етс  цифровой термометр, содержащий два источника напр жени , параллельно первому из которых подключены последовательно соединенные первый эталонный резистор и резистивный преобразователь, а параллельно второму - третий и четвертый после- довательно соединенные эталонные резисторы, три компаратора, два элемента И, генератор импульсов, дешифратор, счетчик импульсов и блок индикации, причем оба источника напр жени  выполнены в виде источников синусоидального напр же- ни , фазовый сдвиг между которыми не равен 180°.

Низка  точность измерений в интересующем диапазоне изменени  измер емой величины  вл етс  недостатком прототипа,

Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерений в интересующем диапазоне изменени  измер емой величины .

Поставленна  цель достигаетс  тем, чго в цифровой измерительный преобразователь , содержащий последовательно включенный первый источник напр жени , резистивный преобразователь и -первый эталонный резистор, последовательно сое- дмненные второй источник напр жени , второй и третий эталонные резисторы, причем первые выводы первого источника напр жени , резистивИого преобразовател , второго эталонного резистора и второго ис- точника напр жени  соединены с общей шиной, первый компаратор, первый и второй входы которого подключены, соответственно , к общим точкам первого источника напр жени  и первого эталонного резистора , второго источника напр жени  и третьего эталонного резистора, а выход первого компаратора св зан с первыми входами первого и второго элементов И, вторые входы которых подключены к выходу второго компаратора, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с общей точкой резистивного преобразовател  и первого эталонного резистора, и с общей точкой второго и третьего эталонных резисторов , третий компаратор, который входами подключен параллельно второму источнику напр жени , а выходом св зан с третьим входом первого элемента И, дешифратор, второй выход которого соединен с третьим входом второго элемента И, четвертым входом подключенный к выходу генератора импульсов , а выходом подключенный к первому счетному входу счетчика импульсов , вход разрешени  загрузки которого соединен с первым выходом дешифратора, блок индикации, подключенный к выходу счетчика импульсов, при этом .первый и второй источники напр жени  выполнены в виде источников синусоидального напр жени , фазовый сдвиг между которыми не равен 180°, введены четвертый ком- партор и запоминающее устройство, при этом четвертый компаратор входами подключен параллельно первому источнику напр жени , а выходом св зан с п тым входом второго элемента И и со входом дешифратора , второй выход которого соединен также с п тым входом первого элемента И, четвертым входом подключенный к выходу генератора импульсов, а выходом подключенный ко второму счетному входу счетчика импульсов, вход загрузки которого подключен к выходу запоминающего устройства , причем .счетчик импульсов выполнен реверсивным, а отношение амплитуды напр жени  первого источника напр жени  к амплитуде напр жени  второго источ- ника напр жени  выбрано равным абсолютному значению косинуса угла сдвига фаз между напр жени ми источников.

На фиг. 1 представлена блок-схема цифрового измерительного преобразовател ; на фиг. 2 - векторна , а на фиг. 3 - временные диаграммы, по сн ющие его работу.

Цифро вой измерительный преобразователь содержит (фиг. 1) резистивный преобразователь 1 (RX), второй эталонный резистор 2 (R2), первый 3 (Е1) и второй 4 (Е2) источники напр жени , первый 3 (Е 1) и второй 4 (Е2) источники напр жени , первый 5 (R1) и третий 6 (R3) эталонные резисторы, четвертый 7 (СА4), первый 8 (СА1), второй 9 (СА2) и третий 10 (САЗ) компараторы, дешифратор 11 (ДС), генератор 12 (G), первый

13 (ЭМИ1) и второй 14 (ЭМИ2) элементы И, счетчик импульсов 15 (СТ), запоминающее устройство 16 (М) и блок индикации 17 (БКИ).

Первый источник напр жени  3 (Е1), ре- зистивный преобразователь 1 и первый эта- лонный резистор 5 включены последовательно, также последовательно соединены второй источник напр жени  4 (Е2) второй 2 и третий 6 эталонные резисторы , первые выводы источников напр жени 

3и 4, резистивного преобразовател  1 и второго эталонного резистора 2 подключены к общей шине, четвертый компаратор 7 присоединен параллельно первому источнику напр жени  3, а его выход св зан с п тым входом второго элемента И 14 и со входом дешифратора 11, второй выход которого соединен с третьим входом второго элемента И 14 и с п тым входом первого элемента И 13, четвертым входом подключенный к выходу генератора импульсов 12, а выходом подключенный ко второму счетному входу счетчика импульсов 15, вход загрузки которого подключен к выходу запоминающего устройства 16. Первый вход первого компаратора 8 подключен к общей точке первого источника 3 напр жени  и первого эталонного резистора 5, второй вход - к общей точке второго источника

4напр жени  и третьего эталонного резистора 6, выход этого компаратора соединен с первыми входами элементов И 13 и 14, вторые входы которых подключены к выходу второго компаратора 9, первый вход которого св зан с общей точкой резистивного преобразовател  1 и первого эталонного резистора 5, а второй вход - с общей точкой второго и третьего эталонных резисторов 2 и 6. Третий компаратор 10 входами подключен параллельно второму источнику 4 напр жени , а выходом - к третьему входу первого элемента И 13. Первый выход дешифратора 11 соединен со входом разрешени  загрузки счетчика 15 импульсов, первым счетным входом св занного с выходом второго элемента И 14, к четвертому входу которого подсоединен выход генератора 12 импульсов. Выход счетчика 15 импульсов подключен ко входу блока 17 индикации.

Цифровой измерительный преобразователь построен на известных элементах - аналоговых и цифровых микросхемах, выпускаемых отечественной промышленностью. В качестве резистивного преобразовател  может быть использован терморезистор, если цифровой измерительный преобразователь примен етс  дл  измерени  температуры. Фоторезистор - дл  измерени  освещенности, тензорезистор - дл  измерени  механического усили  и т.д.

На примере использовани  в качестве резистивного преобразовател  термометра

сопротивлени , примен емого в насто щее врем  дл  измерени  температуры с помощью измерительного преобразовател  на базе мостовой схемы, работа предлагаемого цифрового измерительного преобразовател  осуществл етс  следующим образом.

Напр жение Е1, которому на фиг. 2 соответствует вектор А1 с амплитудой А1 (фиг. За), поступает на последовательно соединенные резистивный преобразователь (термометр сопротивлени ) 1 и первый эталонный резистор 5, а также на вход четвертого компаратора 7, на выходе которого в отрицательные полупериоды напр жени 

Е1 (с амплитудой А1) формируютс  импульсы (фиг. Зв). Напр жение Е2. сдвинутое по фазе относительно напр жени  Е1 на угол, не равный 180, с выхода второго источника 4 (вектор А2 на фиг. 2 с амплитудой А2 на

фиг. За) поступает на последовательно включенные второй 2 и третий 6 эталонные резисторы, а также на вход третьего компаратора 10, на выходе которого в положительные полупериоды напр жени  Е2 (с

амплитудой А2) формируютс  импульсы (фиг. 36). На входе первого компаратора 8 будет напр жение A3 (фиг. За), равное разности напр жений А2 и А1, что показано на фиг.2, где вектор A3 получен как разность векторов А2 и А1, на выходе первого компаратора 8 образуютс  в отрицательные полупериоды напр жени  A3 импульсы (фиг. Зг).

Сопротивление первого эталонного резистора 5 выбираетс  таким, чтобы ограничить ток через термометр сопротивлени  1 величиной пор дка 5-7 мА, чтобы исключить его самонагрев, сопротивление второго эталонного резистора 2 выбираетс  равным сопротивлению резистивного преобразовател  в средней точке диапазона изменени  измер емой величины. Сопротивление третьего эталонного резистора 6 выбирают равным сопротивлению первого эталонного резистора 5.

Падению напр жени  на втором эталонном резисторе 2 соответствует вектор В2 на фиг. 2 с амплитуд В2 (фиг. Зж, Зк, Зм).

Падению напр жени  на термометре сопротивлени  1 соответствуют векторы на фиг. 2: В1Н с амплитудой В 1Н (фиг. Зж)- в начальной точке диапазона измерений; В 1С амплитудой В 1 с (фиг, Зк) - в средней точке диапазона измерений: В 1В с амплитудой

В 1.i (фиг. Зм) - в конечной точке диапазона измерений. При этом на входе второго компаратора 9 будет напр жение, равное разности падени  напр жени  В2 и падени  напр жени  на термометре сопротивлени  1. Этому напр жению соответствует вектор ВЗн (фиг. 2) с амплитудой ВЗн (фиг. Зж), или вектор ВЗС (фиг. 2) с амплитудой ВЗС (фиг, Зк), или вектор ВЗВ (фиг. 2) с амплитудой ВЗВ (фиг. Зм) в зависимости от того в начальной, средней или конечной точке диапазона производ тс  измерени . Фазы напр жений ВЗн и ВЗВ относительно напр жени  A3 обозначены трзн и 1рэъ соответственно (рис. 2). На выходе второго компаратора 9 в поло- жительные полупероды его входного напр жени  формируютс  импульсы (фиг, Зз, Зл, Зн).

На вход дешифратора 11 поступают импульсы с выхода четвертого компаратора 7 (фиг, Зв), а на его выходах формируютс  импульсы длительностью равной периоду переменного напр жени  источников 3 и 4 (фиг. Зд, Зе). Дешифратор 11 распредел ет эти импульсы последовательно по 16-ти вы- ходам (выходы дешифратора 3-16 не показаны ), Импульс с первого выхода дешифратора 11 (фиг. Зд) поступает на вход разрешени  загрузки счетчика импульсов

15,при этом число,хран щеес  в запомина- ющем устройстве 16,зэписываетс  в счетчик импульсов 15. Импульс со второго выхода дешифратора 11 (фиг, Зе) поступает на входы элементов И 13 и 14, разреша  прохождение импульсов с выхода генератора импульсов 12 через эти элементы И 13 и 14

в случае, если на их остальных входах также присутствуют сигналы (единичные потенциалы ). Сигналы с выходов 13-16 дешифратора 11 не используютс . С приходом 17 импульса на вход дешифратора 11 по витс  снова импульс на его первом выходе (фиг, Зд)и цикл повтор етс . В счетчик импульсов 15 по сигналу с первого выхода дешифратора 11 в каждом цикле будет записыватьс  число с выхода запоминающего устройства

16,Это число равно среднему значению измер емой величины, в данном конкретном случае, это число равно среднему из дизпазна измерений значению измер емой темпе- ратуры Тс.

Если измер ема  температура равна Тс, то напр жени  на входах первого и второго компараторов 8 и 9 совпадают по фазе (векторы A3 и ВЗс совпадают по направлению (фиг.2), а их выходные импульсы (фиг, Зг и Зл) не совпадают во времени, поэтому через элементы И 13 и 14 не будут проходить импульсы с выхода генератора импульсов 12 на вход счетчика импульсов15 Таким образом , когда измер ема  величина равна Тс. число 1С, записанное в счетчик импульсов 15, не будет измен тьс  и это число можно наблюдать на блоке индикации 17, отсчитыва  измер емую величину, т.е. температуру Тс.

Если значение измер емой величины меньше среднего, например, оно равно начальной точке диапазне измерений Тн, то падение напр жени  на резистивном пре- образвателе 1 (термометре сопротивлени ) будет меньше (В1Н на фиг. Зж и вектор В1Н на фиг. 2), в результате чего напр жение ВЗн (фиг, Зж) на входе второго компаратора 9 не будет совпадать во времени с напр жением на входе первого компаратора 8 A3 (фиг. За), вектор В3ц будет образовывать угол рт относительно вектора A3 (фиг, 2), При этом, выходные импульсы первого и второго компараторов 8 и 9 (фиг, Зг и Зз) будут частично совпадать во времени. Поэтому в момент времени, когда на втором выходе дешифратора 11 будет сигнал (фиг, Зе), через элемент И 13 в течение интервала времени tM (фиг. Зи) будут проходить импульсы с выхода генератора импульсов 12 на второй счетный вход счетчика импульсов 15. Этот вход реверсивного счетчика 15  вл етс  входом меньше, т.е. с приходом каждого импульса на его второй счетный вход содержимое счетчика 15 уменьшаетс  на 1. Таким образом, когда измер ема  величина меньше Тс, например, равна Тн содержимое счетчика импульсов 15 уменьшитс  на число импульсов, прошедших с выхода генератора импульсов 12 через элемент И 13 на второй счетный вход счетчика 15. Эти импульсы уменьшают содержимое счетчика импульсов 15, т.е. число Тс настолько, что в нем остаетс  число, соответствующее измер емой величине, т.е. в данном примере, число Тн. Это число, сформированное во врем  наличи  сигнала на втором выходе дешифратора 11 (фиг. Зе), будет наблюдатьс  на блоке индикации 17 в течение времени, когда будут присутствовать сигналы на выходах 3-16 дешифратора 11, а с по влением сигнала на его первом выходе (фиг. Зд) в счетчик 14 снова запишетс  число Тс и если измер ема  величина не изменитс , то во врем  наличи  сигнала на втором выходе дешифратора 11 (фиг. Зе) в счетчике снова сформируетс  число Тн и т. д в цикле.

Если значение измер емой величины больше среднего, например, оно равно конечной точке диапазона измерений Тв, то падение напр жени  на термометре сопротивлени  1 будет больше (В1В на фиг. Зм и вектор В1В на фиг. 2), в результате чего. напр жение ВЗВ (фиг, Зм) на входе второго

компаратора 9 не будет совпадать во времени с напр жением на входе первого компаратора 8 A3 (фиг. За), вектор ВЗВ будет повернут на угол грзв относительно вектора A3 в сторону вектора - А1 (фиг. 2), При этом выходные импульсы первого и второго компараторов 8 и 9 (фиг, Зг и Зн) будут частично совпадать во времени. Поэтому, в то врем , когда на втором выходе дешифратора 11 будет сигнал (фиг. Зе), через элемент И 14 в течение интервала времени te (фиг. Зс) будут проходить импульсы с выхода генератора импульсов 12 на первый счетный вход счетчика импульсов 15. Этот вход  вл етс  входом больше, т.е. с приходом каждого импульса на первый счетный вход счетчика 15 его содержимое увеличиваетс  на 1. Таким образом, когда измер ема  величина больше Тс, например, она равна Тв, содержимое счетчика импульсов 15 (число Тс) увеличитс  на число импульсов, пропорциональное интервалу времени t& и станет равным числу Тв, которое будет присутствовать на блоке индикации такое же врем , как это было рассмотрено в предыдущем примере.

В процессе работы цифрового измерительного преобразовател  измер ема  величина будет измен тьс  и практически пропорционально этой величине будет измен тьс  фазовый сдвиг (i/ зн или т/Лш) между суммарным сигналом A3 и суммарным сигналом ВЗ, три значени  которого: ВЗН, ВЗс и ВЗВ показаны на фиг. Зз. Зк Зм, соотвестт- венно). Импульсы, кличество которых пропорционально этому фазовому сдвигу, будут проходить с выхода генератора импульсов 12 через элементы И 13 или 14 на второй или первый счетные входы реверсивного счетчика импульсов 15 и уменьшать или увеличивать записанное в нем ранее число, хран щеес  в запоминающем устройстве 16, соответствующее среднему значению измер емой величины. В результате этого в счетчике импульсов 15 окажетс  число, равное текущему значению измер емой величины , которое можно наблюдать на блоке индикации 17.

Эффект повышени  точности измерений в интересующем диапазоне, достигаемый предлагаемым устройством, по сним на конкретном примере использование цифрового измерительного преобразовател .

Пример. Измер етс  температура тела человека. Интересующий диапазон изменени  измер емой величины составл ет от 36 до 42°С. Измерени  производ тс  с помощью прототипа и за вл емого устройства при использовании в них медного термометра сопротивлени  градуировки 23 (Р0 53 м). Сопротивлени  эталонных резисторов в схеме прототипа: R1 R3 1700 Ом; R2 53 Ом. Сопротивлени  эталонных рези- сторов в схеме за вл емого устройства: R1 R3 1700 Ом; R2 53,166 Ом. Поскольку диапазон измерений дл  прототипа должен быть симметричным относительно точки 0°С. то он составл ет-от -42 до 2°С. Дл 

0 за вл емого устройства этот диапазон будет от 36 до 42°С со средней точкой 39°С.

Рассчитаем точные градуировочные характеристики прототипа и предлагаемого устройства и линеаризованные характери5 стики. Использу  эти результаты, рассчитаем относительные погрешности измерений в фиксированных течках интересующего диапазона измерений. Абсолютные значени  относительных погрешностей, обусловлен0 ных нелинейностью градуировочныххарактеристик прототипа и за вл емого устройства, представлены в таблице (погрешности выражены в сотых дол х процента).

Результаты, представленные в таблице,

5 показывают, что предлагаемое устройство выигрывает в точности измерений по сравнению с прототипом. Выбор отношени  амплитуд напр жений источников напр жени  таким образом, как это указано

0 в формуле изобретени  позвол ет получить градуировочную характеристику цифрвого измерительного преобразовател  симметричную относительно средней точки диапазона измерений (в данном примере

5 относительно точки 39°С), что также улучшает линейность градуировочной характеристики , повыша  тем самым точность.

Экономический эффект от применени  предлагаемого изобретени  рассчитаем на

0 примере его использвани  в качестве измерител  в системах автоматического управлени  температурным режимом воздуха в теплице. Известно, что поддержание температуры воздуха в теплице на оптимальном

5 уровне позвол ет дополнительно получить до 20% урожа , что составл ет прибыль в размере 10...16 руб, с квадратного метра теплицы (3). Предположительно, за счет более высокой точности за вл емого устрой0 ства, можно получить до 1% or этой прибыли, т.е. 10 коп/м . Если использовать предлагаемое устройство на площади 700 га (площадь зимних теплицы в СССР), то будет получен экономический эффект в размере

5 0.1-10000700 700000 руб. в год.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Цифровой измерительный преобразователь , содержащий последовательно включенные первый источник напр жени , резистивный преобразователь и первый

   эталонный резистор, последовательно соединенные второй источник напр жени , второй и третий эталонные резисторы, причем первые выводы первого источника напр жени , резистивного преобразвател , второго эталонного резистора и второго источника напр жени  соединены с шиной общей , первый компаратор, первый и второй входы которого подключены соответственно к общим точкам первого источника напр жени  и первого эталонного резистора, второго источника напр жени  и третьего эталонного резистора, а выход соединен с первым входами первого и второго элементов И, вторые входы которых подключены к выходу второго компаратора, первый и второй входы которого соединены соответственно с общей точкой резистивного преобразовател  и первого эталонного резистора , и с общей точкой второго и третьего эталонных резисторов, третий компаратор, подключенный входами параллельно второму источнику напр жени , а выходом св зан с третьим входом первого элемента И, дешифратор, второй выход которого соединен с третьим входом второго элемента И, четвертым входом подключенный к выходу генератора импульсов, а выходом - к первому счетному входу счетчика импульсов, вход разрешени  загрузки которого соединен с первым выходом дешифратора , блок индикации, подключенный- к

   выходу счетчика импульсов, при этом первый и второй источники напр жени  выполнены в виде источников синусоидального напр жени , фазовый сдвиг между которыми не равен 180°С, отличающийс тем,

   что, с целью повышени  точности измерений в заданном диапазоне изменени  изме- р емой величины, в него введены запоминающее устройство и четвертый компаратор , входами подключенный параллельно первому источнику напр жени , а выходом соединенный с п тым входом второго элемента И и с входом дешифратора, второй выход которого соединен с п тым входом первого элемента И, четвертым входом подключенным к выходу генератора импульсов , а выходом - к второму счетному входу счетчика импульсов, вход загрузки которого подключен к выходу запоминающего устройства, при этом счетчик импульсов выполней реверсивным, а отношение амплитуды напр жений первого и второго источников выбрано равным абсолютному значению косинуса угла сдвига фаз между напр жени ми источников.

   со

   13

   I i /Ц

   &

   fo /|p

   б в

   г д е

   з

   и

   н о

   -нь-Лг

   Фиг. 3