RU220002U1 - Усилитель нормирующий - преобразователь датчика силы тензорезисторного - Google Patents

Abstract

Усилитель 2 нормирующий - преобразователь датчика силы тензорезисторного (УНП ДСТР) содержит печатную плату 6 и последовательное соединенные между собой элементы электрической цепи преобразования нормируемого сигнала датчика 1 силы тензорезисторного, включающей последовательно связанные модуль 7 аналого-цифрового преобразователя ввода (АЦП), микроконтроллер 8 и модуль 9 цифроаналогового преобразователя вывода (ЦАП) нормированного сигнала для внешней аппаратуры системы 5. Усилитель 2 снабжен первым разъемом 11 для ввода нормируемого сигнала от датчика 1 и для вывода к нему питания, вторым разъемом 12 для подключения питания, калибровки и вывода выходного к аппаратуре системы 5, третьим разъемом 13 для программирования микроконтроллера 8, а также переключателем 15 коммутации вывода нормированного сигнала с модуля 9 ЦАП к разъему 12. Микроконтроллер 8 снабжен линейным стабилизатором 16 на входе питания. Понижающий преобразователь 10 выполнен положительной полярности на выходе и связан входом с контактами разъема 12 для подключения питания, а выходом - с контактами разъема 11 для вывода питания к датчику 1. Преобразователь 10 связан выходом с входом питания модуля 7 АЦП, с входом питания микроконтроллера 8 и с входом питания положительного напряжения модуля 9 ЦАП. Переключатель 15 выполнен со средней и крайними контактными точками J и V, а модуль 9 ЦАП выполнен с выходами тока и напряжения, связанными с разными крайними контактными точками J и V переключателя 15, средняя точка которого соединена с контактом разъема 12 для подключения к аппаратуре системы 5. Модуль 7 АЦП, микроконтроллер 8 с линейным стабилизатором 16, модуль 9 ЦАП, и понижающий преобразователь 10 питания смонтированы с верхней стороны платы 6, а три контактные точки переключателя 15 выполнены с нижней стороны печатной платы 6. Контакты всех разъемов 11-14 выполнены в виде сквозных отверстий печатной платы 6. Печатная плата 6 снабжена установленным с ее верхней стороны и связанным входом с выходом преобразователя 10 дополнительным понижающим преобразователем 17 постоянного тока отрицательной полярности, подключенным к входу питания отрицательного напряжения модуля 9 ЦАП. С нижней стороны печатной платы 6 выполнен радиатор в виде участка металлизированного покрытия. В результате реализации заявляемой полезной модели осуществляется расширение арсенала усилителей нормирующих, реализующих назначение, а также повышение эффективности использования усилителей нормирующих.

Description

Техническое решение относится к измерительной технике, и может быть использовано в конструкциях электронной аппаратуры, а именно в устройствах преобразования сигнала тензорезисторных датчиков, как правило, удаленных на значительные расстояния от потребителей, т.е. вторичных средств контроля и управления. Исходя из этого возникают задачи усиления и снижения влияния помех при передаче сигналов набольшие расстояния, а также нормирования - приведения сигналов к виду и форме, приемлемым для их ввода в удаленные (внешние) системы управления, измерения и регистрации, в том числе для дальнейшего отображения, хранения и анализа. Это обусловлено тем, что при передаче сигналов датчиков тензорезисторных в дистанционно расположенные системы измерения и регистрации, наиболее серьезными проблемами являются конечная величина сопротивления соединительных проводов, влияющая на милливольтовый сигнал и шумовые наводки на передаваемый сигнал. Также, для повышения эффективности применения многоканальных систем, требуется обеспечение унификации сигналов для промышленного применения.

Решение вышеперечисленных задач осуществляется за счет применения усилителей нормирующих - преобразователей датчиков силы тензорезисторных, сокращенно УНП ДСТР (производственное обозначение изделия типа: УНП ДСТР модели 1.01, УНП ДСТР модели 1.02).

Преимущественные области применения изделия системы измерения, системы контроля напряженно-деформационного состояния, системы автоматического регулирования и управления технологическими процессами в области испытаний, в машиностроении, в энергетике, металлургии, химической и других отраслях промышленности.

Расширяющиеся потребность в системах измерений с помощью тензорезисторных датчиков и объем производства соответствующего оборудования требует расширения арсенала и усовершенствования технических средств, особенно, усилителей нормирующих, предназначенных для реализации данного назначения.

Известен электронный блок (усилитель нормирующий) для преобразования давления в электрический сигнал, который содержит последовательно соединенные датчик давления, сдвоенный переключатель, аналого-цифровой преобразователь, процессор и формирователь выходного сигнала, представляющий собой цифроаналоговый преобразователь, а также связанное с процессором постоянное запоминающее устройство, причем второй выход процессора подключен к управляющему входу сдвоенного переключателя, соединенного вторым входом с одной из диагоналей тензорезистивного моста сенсора, причем процессор и постоянное запоминающее устройство являются перепрограммируемыми, причем постоянное запоминающее устройство выполнено в виде отдельного узла, выход которого соединен со вторым входом процессора, а вход - с третьим выходом процессора, четвертый выход которого подключен к второму входу аналого-цифрового преобразователя, выполненного многоканальным в виде единого узла со сдвоенным переключателем, формирователь выходного электрического сигнала представляет собой цифроаналоговый преобразователь, а вторая диагональ тензорезистивного моста сенсора связана с третьим входом сдвоенного переключателя через резистор (RU№19324).

Известен усилитель нормирующий датчика силы давления на основе сенсорного моста в виде тензорезисторного моста Уинстона с источником стабилизированного питания сенсорного моста, нормирующим усилителем, формирователем выходного сигнала напряжений питания и опорного напряжения, который содержит аналого-цифровой преобразователь АЦП, микроконтроллер, сумматор, цифроаналоговые преобразователи ПАП₁ и ЦАП₂, устройство компенсации основной погрешности, причем выходы источника стабилизированного питания сенсорного моста соединены с входами АЦП и сенсорного моста, выходы сенсорного моста соединены с двумя входами нормирующего усилителя, а выход сумматора соединен с третьим входом нормирующего усилителя, выход нормирующего усилителя соединен с одним из входов ЦАП₁, выход которого соединен с входом безынерционного устройства компенсации основной погрешности, а его выход - с входом формирователя выходного сигнала напряжений питания и опорного напряжения, один выход формирователя выходного сигнала напряжений питания и опорного напряжения соединен с входом источника стабилизированного питания сенсорного моста, второй его выход соединен с входом ЦАП₂ и вторым входом АЦП, а третий выход формирователя выходного сигнала напряжений питания и опорного напряжения соединен со вторым входом сумматора, выход АЦП соединен с входом микроконтроллера, выходы которого соединены со вторыми входами ЦАП₁ и ЦАП₂ (RU 2523754).

Известен усилитель нормирующий датчика силы (давления), содержащий плату цифроаналогового преобразователя и размещенные на ней регулятор напряжения, связанный выходами с последовательно соединенными между собой контроллером и цифроаналоговым преобразователем и шунтовым регулятором тока, а также расположенные вне этой платы датчик давления, связанный с помощью гибкого печатного проводника с аналого-цифровым преобразователем, и датчик температуры, отличающийся тем, что аналого-цифровой преобразователь расположен на плате цифроаналогового преобразователя и связан с выходом регулятора напряжения и контроллером, а датчик температуры размещен на гибком печатном проводнике, связывающем аналого-цифровой преобразователь с датчиком давления (RU 172339, прототип).

Недостатками известных устройств являются ограниченность функциональных возможностей при реализации назначения усилителя нормирующего, и компоновочных возможностей, недостаточный уровень унификации, сложность конструкции, большие габариты.

Техническая проблема, на разрешение которой направлено настоящее техническое решение, заключается в создании альтернативной конструкции для расширения арсенала усилителей нормирующих и повышения эффективности измерений с помощью датчиков силы тензорезисторных

Технический результат, достигаемый за счет использования заявленного технического решения, заключается в эффективной реализации назначения усилителя нормирующего.

Сущность полезной модели состоит в том, что усилитель нормирующий, содержит печатную плату с верхней и нижней сторон которой выполнены плоские проводники, обеспечивающие питание от внешних устройств и последовательное соединение между собой смонтированных на плате элементов электрической цепи преобразования датчика силы тензорезисторного, включающей подключенные к регулятору напряжения питания и последовательно связанные между собой модуль аналого-цифрового преобразователя ввода нормируемого сигнала в виде изменения электрического сопротивления датчика силы тензорезисторного, контроллер и модуль цифроаналогового преобразователя вывода нормированного сигнала для внешней регистрирующей аппаратуры, усилитель нормирующий снабжен первым разъемом с контактами для ввода нормируемого сигнала от тензорезисторного датчика силы и его питания, вторым разъемом с контактами для подключения питания, калибровки и вывода выходного нормированного сигнала к внешней регистрирующей аппаратуре, третьим разъемом с контактами для программирования контроллера, а также переключателем коммутации вывода нормированного сигнала с модуля цифроаналогового преобразователя вывода ко второму разъему, при этом контроллер выполнен в виде микроконтроллера, снабженного линейным стабилизатором на входе питания, а регулятор напряжения питания - в виде понижающего преобразователя постоянного тока питания положительной полярности на выходе, связанного входом с контактами второго разъема для подключения питания от внешних устройств, а выходом - с контактами первого разъема для подключения питания датчика силы тензорезисторного и с входами питания модуля аналого-цифрового преобразователя ввода и микроконтроллера,

причем переключатель режимов коммутации вывода нормированного сигнала выполнен со средней и крайними контактными точками, а модуль цифроаналогового преобразователя вывода выполнен с выходами тока и напряжения, связанными с крайними контактными точками переключателя режимов коммутации вывода нормированного сигнала, средняя точка которого соединена с контактом второго разъема с возможностью подключения выходного нормированного сигнала к внешней регистрирующей аппаратуре,

при этом модуль аналого-цифрового преобразователя ввода, микроконтроллер с линейным стабилизатором, модуль цифроаналогового преобразователя вывода, и понижающий преобразователь постоянного тока питания смонтированы с верхней стороны печатной платы, а контактные точки переключателя режимов коммутации выполнены с нижней стороны печатной платы, причем модуль аналого-цифрового преобразователя ввода выполнен в виде 24-разрядного сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя с программируемым усилителем, с возможностью измерения разбаланса моста датчика тензорезисторного, микроконтроллер выполнен в виде 32-битного микроконтроллера, а модуль цифроаналогового преобразователя вывода выполнен 16-разрядным с возможностью преобразования цифрового кода в комбинированный нормированный выходной сигнал тока и напряжения.

Предпочтительно, контакты всех разъемов выполнены в виде сквозных контактных отверстий печатной платы и размещены по ее периметру, причем первый разъем выполнен с возможностью подключения его контактов к источнику нормируемого сигнала - датчику силы тензорезисторному в виде измерительного моста Уитстона, а второй разъем выполнен дублированным.

В частных случаях реализации печатная плата снабжена установленным с ее верхней стороны дополнительным понижающим преобразователем постоянного тока отрицательной полярности на выходе, подключенным к входу питания модуля цифроаналогового преобразователя вывода.

Предпочтительно, печатная плата выполнена двухслойной, прямоугольной формы с плоскими проводниками в виде участков металлизированного покрытия, размещенных на диэлектрическом основании, и снабжена установленными с верхней стороны согласующими балансными и защитными элементами из группы: диод, резисторы, конденсаторы, катушка индуктивности, двунаправленные защитные от перенапряжения диоды, элемент защиты по напряжению - предохранитель.

Предпочтительно, с нижней стороны печатной платы непосредственно под модулем цифроаналогового преобразователя вывода выполнен радиатор в виде участка металлизированного покрытия для охлаждения за счет естественной конвекции.

На чертеже фиг.1 изображен общий вид усилителя нормирующего - преобразователя датчика силы тензорезисторного с верхней стороны печатной платы; на фиг.2 - общий вид усилителя нормирующего - преобразователя датчика силы тензорезисторного с нижней стороны печатной платы; на фиг.3 - принципиальная блок схема усилителя нормирующего - преобразователя датчика силы тензорезисторного и подключения к ней внешних устройств, на фиг.4 - расположение элементов с верхней стороны печатной платы, на фиг.5 - расположение элементов с нижней стороны печатной платы.

На чертежах позициями обозначены:

1 - датчик силы тензорезисторный - источник нормируемого сигнала;

2 - усилитель нормирующий - преобразователь датчика силы тензорезисторного;

3 - персональный компьютер;

4 - мост калибровочный двухканальный;

5 - система внешней регистрирующей аппаратуры - потребитель выходного нормированного сигнала (в том числе, вольтметр или амперметр);

6 - печатная плата УНП ДСТР;

7 (DA1) - модуль аналого-цифрового преобразователя ввода (АЦП);

8 (DDI) - 32-битный микроконтроллер (МК) с архитектурой ARM;

9 (DA2) - модуль цифроаналогового преобразователя вывода (ЦАП);

10 (DA3) - понижающий DC/DC преобразователь постоянного тока с выходным напряжением положительной полярности плюс 5В;

11 (X1) - первый разъем подключения источника нормируемого сигнала (датчика силы тензорезисторного) и его питания;

12 (Х4;Х5) - второй дублированный разъем подключения напряжения питания Uпит = 24В, а также выходного нормированного сигнала и калибровки;

13 (Х2) - третий разъем программирования микроконтроллера;

14 (Х3) - резервный разъем;

15 (J1) - переключатель коммутации выходов тока и напряжения модуля цифроаналогового преобразователя вывода (ЦАП);

16 (D1) - линейный стабилизатор напряжения плюс 3,3В;

17 (DA4) - понижающий DC/DC преобразователь постоянного тока с выходным напряжением отрицательной полярности минус 12В.

Разъемы 11-14 выполнены непосредственно на печатной плате 6 в виде сквозных контактных отверстий для пайки.

На чертежах аппараты 7-15 дополнительно обозначены по международному стандарту IEEE. Согласующие балансные и защитные элементы из группы: диод VD1, резисторы R1-R6, линейный стабилизатор напряжения D1, конденсаторы C1-С9, катушка индуктивности L1, двунаправленные защитные от перенапряжения диоды VD2-VD3, элемент защиты по напряжению (предохранитель) FU1 изображены на чертежах с буквенными обозначениями по международному стандарту IEEE.

При этом усилитель 2 нормирующий - преобразователь датчика силы тензорезисторного (далее - усилитель 2 нормирующий УНП ДСТР) содержит печатную плату 6 с верхней и нижней сторон которой выполнены плоские проводники в виде участков металлизированного покрытия, размещенных на диэлектрическом основании, обеспечивающие питание от внешних устройств и последовательное соединение между собой смонтированных на плате элементов электрической цепи преобразования нормируемого сигнала мостового датчика 1 силы тензорезисторного (далее - датчик 1), включающей последовательно связанные между собой модуль 7 аналого-цифрового преобразователя ввода (далее - модуль 7 АЦП), микроконтроллер 8 и модуль 9 цифроаналогового преобразователя вывода (далее - модуль 9 ЦАП) нормированного сигнала для внешней аппаратуры системы 5 (далее - системы 5).

Усилитель 2 нормирующий УНП ДСТР для электрического соединения с внешними устройствами снабжен первым разъемом 11 с контактами для ввода нормируемого сигнала от мостового датчика 1 и с контактами для вывода к нему питания, вторым разъемом 12 с контактами для подключения питания от внешних устройств (внешний источник питания не изображен), калибровки и вывода выходного нормированного сигнала к внешней аппаратуре системы 5, третьим разъемом 13 с контактами для программирования микроконтроллера 8, а также переключателем 15 коммутации (далее - переключатель 15) вывода нормированного сигнала с модуля 9 ЦАП ко второму разъему 12.

Микроконтроллер 8 снабжен линейным стабилизатором 16 на входе питания. Понижающий преобразователь 10 постоянного тока питания выполнен положительной полярности на выходе и связан входом с контактами второго разъема 12 для подключения питания (от внешнего источника 11пит, не изображен), а выходом - с контактами первого разъема 11 для вывода питания к датчику 1. Одновременно понижающий преобразователь 10 связан выходом с входом питания модуля 7 АЦП и с входом питания микроконтроллера 8.

Переключатель 15 выполнен со средней и крайними контактными точками I и V, а модуль 9 ЦАП выполнен с выходами тока и напряжения, связанными с разными крайними контактными точками I и V переключателя 15, средняя точка которого соединена с контактом второго разъема 12 для подключения выходного нормированного сигнала к внешней аппаратуре системы 5.

Модуль 7 АЦП, микроконтроллер 8 с линейным стабилизатором 16, модуль 9 ЦАП, и понижающий преобразователь 10 постоянного тока питания смонтированы с верхней стороны печатной платы 6, а три указанные контактные точки переключателя 15 выполнены с возможностью доступа с нижней стороны печатной платы 6.

Контакты всех разъемов 11-14 выполнены в виде сквозных контактных отверстий печатной платы 6 и размещены по ее периметру, причем первый разъем 11 выполнен с возможностью подключения его контактов к источнику нормируемого сигнала - датчику 1, выполненному в виде измерительного моста Уитстона, а второй разъем 12 с контактами для подключения питания, выходного нормированного сигнала и калибровки выполнен дублированным.

Печатная плата 6 снабжена установленным с ее верхней стороны и связанным входом с выходом упомянутого понижающего преобразователя 10 постоянного тока (положительной полярности на выходе) дополнительным понижающим преобразователем 17 постоянного тока отрицательной полярности на выходе, подключенным к входу питания отрицательного напряжения модуля 9 ЦАП.

Модуль 7 АЦП выполнен в виде 24-разрядного сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя с программируемым усилителем, с возможностью измерения разбаланса моста датчика 1, микроконтроллер 8 выполнен в виде 32-битного микроконтроллера, а модуль 9 ЦАП выполнен 16-разрядным с возможностью преобразования цифрового кода в комбинированный нормированный выходной сигнал тока и напряжения.

Печатная плата 6 выполнена двухслойной, прямоугольной формы с плоскими проводниками в виде участков металлизированного покрытия, размещенных на диэлектрическом основании, и снабжена установленными с верхней стороны согласующими балансными и защитными элементами из группы: диод VD1, резисторы R1-R6, конденсаторы C1-С9, катушка индуктивности L1, двунаправленные защитные от перенапряжения диоды VD2-VD3, элемент защиты по напряжению -предохранитель FU1.

Выход тока lout модуля 9 ЦАП через резистор R5 подключен к крайней контактной точке J контактного переключателя 15, выход напряжения Uout модуля 9 ЦАП через резистор R6 подключен к крайней контактной точке U контактного переключателя 15. Средняя контактная точка переключателя 15 подключена ко второму разъему 12 на его контакт 3.

С нижней стороны печатной платы 6 непосредственно под модулем 9 ЦАП выполнен радиатор в виде участка металлизированного покрытия (не изображен), с возможностью съема тепла с модуля цифроаналогового преобразователя вывода для распределения тепла по печатной плате 6 и ее охлаждения за счет естественной конвекции.

Габариты усилителя 2 нормирующего УНП ДСТР в зависимости от конкретных параметров не превышают размеров 70 мм х 15 мм х 15 мм. Такие габариты позволяют обеспечить оптимальную компоновку усилителя 2 нормирующего УНП ДСТР на месте эксплуатации, как его дистанционное (удаленное) расположение относительно внешних устройств 3,4,5 и датчика 1 на месте эксплуатации, так и его встраивание непосредственно в конструкцию корпуса датчика 1.

Усилитель нормирующий работает следующим образом.

Смонтированный на месте эксплуатации усилитель 2 нормирующий УНП ДСТР подключается через первый разъем 11 к цепи первичного источника нормируемого сигнала, в виде датчика 1, выполненного на базе измерительного полного моста Уитстона. В качестве параметра, формирующего напряженно-деформационное состояние тензорезисторов, т.е. силу воздействия на тензорезисторы моста Уитстона, могут служить, например, усилие, вес, давление или перепад давлений или разрежения и др. физические параметры. При этом датчик 1 подключается через первый разъем 11 к входам модуля 7 АЦП усилителя 2 нормирующего УНП ДСТР, который представляет собой конструктивно и функционально объединенную печатной платой 6 совокупность аппаратов 7-15 нормирования, усиления и преобразования.

Для выполнения нормирования производится калибровка - процесс подстройки показаний эталонной выходной величины до достижения согласования между эталонной величиной на входе и результатом на выходе. Калибровка производится с помощью персонального компьютера 3 и моста 4 калибровочного через второй разъем 12. Персональный компьютер 3 с программой калибровки служит для настройки работы усилителя 2 нормирующего УНП ДСТР, расчета коэффициентов и записи коэффициентов в микроконтроллер 8. Программа настройки и калибровки, применяемая с мостом 4 калибровочным предназначена для осуществления калибровки диапазонов входных сигналов, настройки выходного сигнала, индикации диагностических параметров, чтения и отображения измеряемых параметров, выдачи тестовых сигналов, расчета и записи калибровочных коэффициентов. Мост 4 калибровочный может быть выполнен двухканальным, а программа настройки и калибровки может работать одновременно с двумя нормирующими усилителями. Во время проведения калибровки в программе настройки и калибровки персонального компьютера 3 отображаются рассчитанные калибровочные коэффициенты и текущие измеренные значения.

Программирование микроконтроллера 8 осуществляется установкой прикладного ПО через третий разъем 13. Усилитель 2 нормирующий УНП ДСТР работает на базе прикладного ПО микроконтроллера 8, имеющего производственное наименование «Прикладное программное обеспечение для усилителей нормирующих преобразователей датчиков силы тензорезисторных типа УНП ДСТР моделей 1.0х».

Прикладное ПО микроконтроллера 8 нормирующего усилителя выполняет прием и обработку измеренного сигнала, калибровку, передачу нормированного сигнала, диагностику состояния ПО и аппаратной части нормирующего усилителя. Нормирование представляет собой приведение электрического сигнала к заданному диапазону значений. Нормирование сигнала с датчика 1 может выполняться микроконтроллером 8, как линейно с одним коэффициентом нормирования, так и по разным участкам линейности с несколькими коэффициентами нормирования в разных промежутках нормирования. Алгоритм нормирования, выходной сигнала определяется на этапе калибровки и настройки усилителя 2 нормирующего УНП ДСТР любого частного случая исполнения.

Усилитель 2 нормирующий УНП ДСТР в соответствии с ПО микроконтроллера 8 поддерживает преобразование входного сигнала датчика 1 в унифицированный сигнал постоянного тока 0-20 мА (4-20 мА) или в унифицированный сигнал напряжения для случая реализации усилителя 2 нормирующего УНП ДСТР модели 1.01 - 0…10 В (6±4В), для случая реализации усилителя 2 нормирующего УНП ДСТР модели 1.02 - в напряжение ±10В.

Общепринятая принципиальная схема моста Уитстона (датчика 1) имеет два плеча сопротивления, каждое из которых содержит два резистора. Третья ветвь моста (диагональ) - это мостик между двумя параллельными ветвями. Ток течет от отрицательного полюса источника питания датчика 1 к положительному полюсу мостовой схемы. Ток делится между двумя параллельными ветвями моста Уитстона, причем количество тока, протекающее по каждой из ветвей, зависит от величины сопротивления в ветви.

При равных величинах сопротивлений резисторов в плечах моста Уитстона равное количество тока течет в каждой из ветвей, а по диагонали датчика 1 ток не течет. При этом условии говорят, что датчик 1 уравновешен. При неравных величинах сопротивления резисторов в плечах моста Уитстона, ток течет в схеме от плеча с большим сопротивлением к плечу с меньшим сопротивлением. При изменении под действием внешней силы величин сопротивлений резисторов в плечах датчика 1 в его измерительной диагонали появляется разность потенциалов, которую усиливает усилитель 2 нормирующий УНП ДСТР.

Для обеспечения работы реального потребителя выходного нормированного сигнала - периферийной внешней системы 5 и ее регистрирующей аппаратуры (в том числе, вольтметр или амперметр) необходимо и выделить величину изменения сопротивления плеч датчика 1, т.е. источника нормируемого сигнала, и усилить эту разницу до некоторого значения, которое пригодно для использования в дальнейшем для обеспечения работы аппаратуры системы 5.

В процессе работы усилителя 2 нормирующего УНП ДСТР выход с датчика 1 через первый разъем 11 поступает в сигма-дельта модуль 7 АЦП с программируемым усилителем, обеспечивающим защиту от помех и максимальную точность измерения сигнала датчика 1, т.е. измерения разбаланса моста датчика 1, преобразуемого в цифровой код.

От модуля 7 АЦП измеренное значение в цифровом виде поступает в микроконтроллер 8, где нормируется в соответствии с установленным нем программным обеспечением (ПО) и коэффициентами калибровки, передается на модуль 9 ЦАП, который преобразует цифровой код в комбинированный нормированный аналоговый выходной сигнал тока и напряжения.

Затем с модуля 9 ЦАП нормированный выходной сигнал (ток/напряжение) снимается (передается) в систему 5 через переключатель 15.

Переключатель 15 осуществляет вывод в систему 5 с модуля 9 ЦАП, как нормированного сигнала напряжения на выводе Uout, так и сигнала тока на выводе lout. Выходы тока и напряжения модуля 9 ЦАП выведены к крайним контактным точкам переключателя 15 на нижней стороне платы 6 обозначенным как I и U соответственно. В зависимости от того, как при подсоединении изделия к системе 5 произведена коммутация контактных точек переключателя 15: между контактной точкой U и средней контактной точкой или между контактной точкой J и средней контактной точкой, потребляемым выходным сигналом со средней контактной точки переключателя 15 через второй разъем 12 к системе 5, соответственно, будет напряжение или сила тока.

При выполнении нормирования и калибровки усилителя 2 нормирующего УНП ДСТР в программе калибровки выбирается тип выходного сигнала (напряжение или ток). Коммутация контактных точек переключателя 15 на ток или напряжение, производится на предприятии изготовителе. Пользователь может самостоятельно изменить коммутацию переключателя 15, в случае необходимости изменения типа получаемого через второй разъем 12 выходного нормированного сигнала с тока на напряжение или наоборот, и проведения калибровки с помощью компьютера 3 через мост 4 калибровочный.

Реализация процесса работы усилителя нормирующего УНП ДСТР обеспечивается при наличии соответствующего согласованного (адекватного) питания его аппаратуры.

В процессе нормирования напряжение питания 11пит от второго разъема 12 через защитный предохранитель FU1, токоограничивающий резистор R4 и через защищающий от переполюсовки диод VD1 поступает на вход понижающего DC/DC преобразователя 10, далее с выхода последнего напряжение +5В постоянного тока поступает через LC-фильтр (образованный элементами LI, С9) в модуль 7 АЦП для его питания.

Одновременно с выхода понижающего преобразователя 10 стабилизированное напряжение +5 В постоянного тока подается на первый разъем 12 для питания диагонали датчика 1 в качестве опорного напряжения.

Также с выхода понижающего преобразователя 10 стабилизированное напряжение +5 В постоянного тока поступает на вход линейного стабилизатора 16 напряжения, с выхода которого стабилизированное напряжение+3,3 В постоянного тока подается в микроконтроллер 8 для его питания.

Для получения выходного напряжения модуля 9 ЦАП в диапазоне 0±10 В, требуется подача напряжения питания отрицательной полярности. С выхода понижающего преобразователя 10 стабилизированное напряжение 5 В постоянного тока поступает на вход дополнительного понижающего преобразователя 17, с выхода которого отрицательное напряжение -12 В поступает на вход отрицательного напряжения модуля 9 ЦАП.

Понижающий преобразователь 10 понижает входное напряжение питания U пит (напряжение питания =24В) постоянного тока до 5 В постоянного тока. Данное напряжением 5 В поступает на АЦП, обеспечивая его питание, на разъем 11 для подключения датчика 1 (источника нормируемого сигнала), обеспечивая питание диагонали моста (выступает в качестве опорного напряжения питания моста датчика 1), а также на вход опорного напряжения модуля 7 АЦП.

Также напряжение питания постоянного тока поступает на линейный стабилизатор 16 напряжения (D1), стабилизируется на уровне 3,3 В и подается на микроконтроллер 8 (МК) для его питания. Для получения выходного напряжения модуля 9 ЦАП в диапазоне 0±10 В, него требуется ввод напряжения отрицательной полярности, подача которого обеспечивается дополнительным преобразователем 17. При этом обеспечивается возможность выдачи в систему 5 напряжения отрицательной полярности.

В любом случае выходной нормированный сигнал усилителя 2 нормирующего УНП ДСТР поступает непосредственно с модуля 9 ЦАП через переключатель 15 на второй разъем 12 (контакт 3). Далее он поступает (измеряется) в систему 5, и может использоваться, например, в качестве сигнала обратной связи внешнего исполнительного механизма, снабженного датчиком тензометрическим.

Усилитель 2 нормирующий УНП ДСТР работает на базе прикладного ПО микроконтроллера 8, имеющего производственное наименование «Прикладное программное обеспечение для усилителей нормирующих - преобразователей датчиков силы тензорезисторных типа УНП ДСТР моделей 1.0х».

На реализацию назначения и обеспечение эффективности использования усилителя нормирующего положительно влияет также следующее:

Усилитель нормирующий - преобразователь датчика силы тензорезисторного решает задачу усиления милливольтовых сигналов и снижения влияния помех при передаче сигналов на большие расстояния, а также нормирования - приведения сигналов к виду и форме, приемлемым для их ввода в удаленные (дистанционно расположенные) системы управления, измерения и регистрации, в том числе для дальнейшего отображения, хранения и анализа. Обеспечивается повышение эффективности измерений с помощью датчиков тензорезисторных за счет, расширения функциональных возможностей.

Усилитель нормирующий выполнен в виде унифицированной взаимозаменяемой заводской сборки с возможностью производить его разнообразную компоновку, встраивание усилителей нормирующих непосредственно в конструкцию корпуса датчика тензорезисторного в выбранном оптимальном положении, ориентации.

Усилитель 2 нормирующий УНП ДСТР поддерживает преобразование входного сигнала датчика тензорезисторного в унифицированный сигнал постоянного тока 0-20 мА (4-20 мА). Усилитель 2 нормирующий УНП ДСТР обладает универсальностью за счет расширения диапазона и одновременного формирования двух типов выходного сигнала усилителя нормирующего для калибровки нормированного сигнал под конкретный тип датчика тензорезисторного.

Непосредственно под модулем 9 цифроаналогового преобразователя (ЦАП) с нижней стороны печатной платы 6 выполнен радиатор в виде участка металлизированного покрытия, благодаря которому осуществляется съем тепла с модуля 9 ЦАП в процессе работы, для распределения тепла по печатной плате 6 и дальнейшего охлаждения методом естественной конвекции.

В целом усилитель 2 нормирующий УНП ДСТР позволяет осуществлять обработку (усиление, коррекцию нуля, фильтрацию, линеаризацию, нормирование) милливольтовых сигналов сигналов датчиков тензорезисторных, снижения влияния помех при передаче сигналов на большие расстояния, а также нормирования - приведения сигналов к виду и форме, приемлемым для их ввода в удаленные системы управления, измерения и регистрации, в том числе для дальнейшего отображения, хранения и анализа. Передача выходных унифицированных сигналов постоянного тока с помощью заявляемого усилителя нормирующего позволяет обеспечить применение более дешевых соединительных проводов при передаче сигналов на большие расстояния в удаленные системы.

В результате реализации заявляемой полезной модели осуществляется расширение арсенала усилителей нормирующих благодаря созданию альтернативного оригинального технического решения, реализующего назначение - нормирование и преобразование, а также повышение эффективности использования усилителей нормирующих.

Claims (8)

1. Усилитель нормирующий, содержащий печатную плату, с верхней и нижней сторон которой выполнены плоские проводники, обеспечивающие питание от внешних устройств и последовательное соединение между собой смонтированных на плате элементов электрической цепи преобразования тензорезисторного датчика силы, включающей подключенные к регулятору напряжения питания и последовательно связанные между собой модуль аналого-цифрового преобразователя ввода нормируемого сигнала в виде изменения электрического сопротивления тензорезисторного датчика силы, контроллер и модуль цифроаналогового преобразователя вывода нормированного сигнала для внешней регистрирующей аппаратуры,

отличающийся тем, что он снабжен первым разъемом с контактами для ввода нормируемого сигнала от тензорезисторного датчика силы и его питания, вторым разъемом с контактами для подключения питания, калибровки и вывода выходного нормированного сигнала к внешней регистрирующей аппаратуре, третьим разъемом с контактами для программирования контроллера, а также переключателем коммутации вывода нормированного сигнала с модуля цифроаналогового преобразователя вывода ко второму разъему, при этом контроллер выполнен в виде микроконтроллера, снабженного линейным стабилизатором на входе питания, а регулятор напряжения питания - в виде понижающего преобразователя постоянного тока питания положительной полярности на выходе, связанного входом с контактами второго разъема для подключения питания от внешних устройств, а выходом - с контактами первого разъема для подключения питания датчика силы тензорезисторного и с входами питания модуля аналого-цифрового преобразователя ввода и микроконтроллера,

причем переключатель режимов коммутации вывода нормированного сигнала выполнен со средней и крайними контактными точками, а модуль цифроаналогового преобразователя вывода выполнен с выходами тока и напряжения, связанными с крайними контактными точками переключателя режимов коммутации вывода нормированного сигнала, средняя точка которого соединена с контактом второго разъема с возможностью подключения выходного нормированного сигнала к внешней регистрирующей аппаратуре,

при этом модуль аналого-цифрового преобразователя ввода, микроконтроллер с линейным стабилизатором, модуль цифроаналогового преобразователя вывода и понижающий преобразователь постоянного тока питания смонтированы с верхней стороны печатной платы, а контактные точки переключателя режимов коммутации выполнены с нижней стороны печатной платы, причем модуль аналого-цифрового преобразователя ввода выполнен в виде 24-разрядного сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя с программируемым усилителем, с возможностью измерения разбаланса моста датчика тензорезисторного, микроконтроллер выполнен в виде 32-битного микроконтроллера, а модуль цифроаналогового преобразователя вывода выполнен 16-разрядным с возможностью преобразования цифрового кода в комбинированный нормированный выходной сигнал тока и напряжения.

2. Усилитель нормирующий по п. 1, отличающийся тем, что контакты всех разъемов выполнены в виде сквозных контактных отверстий печатной платы и размещены по ее периметру, причем первый разъем выполнен с возможностью подключения его контактов к источнику нормируемого сигнала - датчику силы тензорезисторному в виде измерительного моста Уитстона, а второй разъем выполнен дублированным.

3. Усилитель нормирующий по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что печатная плата снабжена установленным с ее верхней стороны дополнительным понижающим преобразователем постоянного тока отрицательной полярности на выходе, подключенным к входу питания модуля цифроаналогового преобразователя вывода.

4. Усилитель нормирующий по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что печатная плата выполнена двухслойной, прямоугольной формы с плоскими проводниками в виде участков металлизированного покрытия, размещенных на диэлектрическом основании, и снабжена установленными с верхней стороны согласующими балансными и защитными элементами из группы: диод, резисторы, конденсаторы, катушка индуктивности, двунаправленные защитные от перенапряжения диоды, элемент защиты по напряжению - предохранитель.

5. Усилитель нормирующий по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что с нижней стороны печатной платы непосредственно под модулем цифроаналогового преобразователя вывода выполнен радиатор в виде участка металлизированного покрытия для охлаждения за счет естественной конвекции.