Параметрический преобразователь неэлектрических величин в электрический сигнал

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для преобразования неэлектрических величин в электрический сигнал. Цель - расширение диапазона преобразования неэлектрических величин путем повышения максимальной величины и расширение диапазона изменения активного сопротивления цепи кварцевый резонатор-датчик. Для ее достижения в измерительный мост 1 параметрического преобразователя введены конденсатор 11 и резистор 10, сопротивление которого определяют из выражения, приведенного в описании изобретения. Параметрический преобразователь содержит также усилитель 18, фазоинвертор в виде фазирующего трансформатора 16, первичная обмотка которого с конденсатором 17 представляет собой колебательный контур, детектор 15, указатель 19 и компенсационный элемент 4, состоящий из диода 5, резистора 6 и конденсатора 7. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (191 (И1

1 04 А1 (5D 4 G 01 R 17/10

I .ÅÑ0! !АтЕ!{ТК, Е:о

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АBTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21 ) 4152666/24-21 (22) 28.11.86 (46) 23.12.89. Вюл. 11 47 (71) Ивановский научно-исследовательский экспериментально-конструкторский машиностроительный институт (72) В.Е. Савченко и Л.К.Грибова (53) 621.317,733(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1049816, кл . G 01 R 17/06, 1983.

Авторское свидетельство СССР

Ф 1193591, кл. G 01 R 17/10, 1984. (54 ) ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБР АЗОВА, ТЕЛЬ HE3JIFКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН В ЭЛЕКТРИ ЧЕСКИЙ СИГНАЛ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано дпя преобразования неэлектрических величин в электрический сигнал

Цель — расширение диапазона преобразования неэлектрических величин путем повышения максимальной величины и расширение диапазона изменения активного сопротивления цепи, кварцевый резонатор — датчик. Для ее достижения в измерительный мост 1 параметрического преобразователя введены конденсатор II и резистор 10, сопротивление которого определяют иэ выражения, приведенного в описании изобретения. Параметрический преобразователь содержит также усилитель

18, фазоинвертор в виде фазирующего трансформатора 16, первичная обмотка которого с конденсатором 17 представляет собой колебательный контур, детектор 15, указатель 19 и компенсационный элемент 4, состоящий из диода 5, резистора 6 и конденсатора 7. 2 ил.

1531004

Изобретение относится к измерительной технике и в частности, может быть применено в устройствах, в которых параметры диэлектрических

5 материалов преобразуются с помощью кварцевого резонатора в электрический сигнал по эквивалентному активному сопротивлению цепи кварцевый резонатор — диэлектрический датчик (индуктивный или емкостный).

Цель изобретения — расширение диапазона преобразования неэлектрических величин путем повышения максимальной величины и расширения диапазона изменения активного сопротивления цепи кварцевый резонатор диэлектрический датчик и сокращение времени преобразования неэлектрических величин в электрический сигнал в результате уменьшения времени готовности устройства к работе

При отсутствии резистора с конденсатором, шунтирующих кварцевый резонатор с диэлектрическим датчиком, пределы изменения выходного параметра преобразователя, т.е. эквивалент- 45 ного активного сопротивления цели кварцевый резонатор — датчик, определяются выражениями

Н мокс = R cp — 1 к мин (1) 50

Нмин Бср Rk макс (2) где Н к мин, k мокс минимальное и максималь55 ное сопротивление компенсационной цепочки; сопротивление плеча сравнения; лри его в ключе нии .

На фиг. 1 приведена принципиаль ная схема устройства, на фиг. 2— зависимости максимальной величины выходного параметра преобразователя и диапазона изменения выходного параметра от величины сопротивления резистора, подключенного параллельно цепи кварцевый резонатор — датчик.

Назначение конденсатора, подключаемого вместе с резистором параллельно цепи кварцевый резонатор датчик — предотвращение попадания

35 постоянного тока на элементы измерительного моста, его сопротивление на частоте автоколебаний в схеме мало и.в дальнейшем не учитывается.

Н макс1

R максимальное и минимальное активные сопротивления цели кварцевый ре— эонатор — диэлектрический датчик без шунтирующего их резистора .

При введении в измерительное плечо, измерительного моста согласно изобретению резистора и конденсатора максимальная и минимальная величины активных сопротивлений цепи кварцевый резонатор — датчик определяются иэ выражений

7

R мокс

11ш

1 ш

1 I

"мокс

В мин (3) 1

11 мич (4) ш(1 с — 1 кмин), (5) мокс R Я + R<><< ) ш ср

R(R с 1км кс ) (6) мин 3 R + Нкмакс

ы ср

Из (5) и (6) видно, что пределы изменения сопротивления цепи кварцевый резонатор — датчик предлагаемого устройства будут больше соответствующих пределов без шунтирующих эту цель Резистора и конденсатора

Нмокс R ш (7) ! ммакс R > R c(к мин (8) I мии

"ш "ср

+ к макс

Так как Вк >R< мин то иэ ( к макс и (8) видно, что максимальная граница диапазона изменения выходного параметра предлагаемого устройства увеличивается по сравнению с этой границей у известного в большей степени, чем минимальная граница, этого диапазона, что и обеспечивает расширение диагде R - сопротивление резистора у

4t включенного параллельно цепи кварцевый резонатор датчик, Подставляя (1) в (3) и (2) в (4) получают выражения для пределов изменения выходного параметра преобраэовак макс и "мин) при шунтирова нии цепи кварцевьФ ьеэонатор — дат чик резистором с конденсатором

1531004 пазона измерения неэлектрических величин .

Шунтирование цепи кварцевый резонатор — диэлектрический датчик резистором с конденсатором обеспечивает уменьшение времени возбуждения колебаний при включении устройства, так как большое емкостное сопротивление статической емкости невозбужденного кварцевого резонатора, препятствующее возбуждению колебаний, шунтиру" ется активным резистором с сопротивлением,соизмеримьw с сопротивлениями резисторов в измерительном мосте.

Шунтирование цепи кварцевый резонатор — датчик целесообразно при необходимости получения максимального предела изменения сопротивления цепи кварцевый резонатор — датчик

1,„„ Rcp

Величина сопротивления шунтирующего резистора ограничена минимальным пределом

Rh)Rcp R< мин

При сопротивлении шунтирующего резистора меньшем, чем (Б с — Р„„„) в устройстве будут возбуждаться колебания без участия кварцевого ре,зонатора и диэлектрического датчика, т.е. преобразователь не будет рабогать по своему прямому наэначс нию как преобразователь неэлектрических величин в электрический сигнал. Максимальная величина сопротивления шун— тирующего резистора ограничена эффективностью введения резистора с конденсатором, так как с увеличением сопротивления резистора уменьшаются пределы изменения сопротивления цепи кварцевый резонатор — диэлектрический датчик, а значит, и диапазон изменения выходного параметра устройства, которые приближаются к аналогичным параметрам беэ шунтирующих резисторов ч конденсатора.

Преобразователь содержит измерительный мост 1 (фиг. 1 ), ветвь отношения которого состоит иэ активных постоянных резисторов 2 и 3. Измерительное плечо измерительного моста содержит компенсационный элемент 4, состоящий из диода 5, резистора 6 и конденсатора 7, последовательно с компенсационным элементом вкпючены кварцевый резонатор 8 с диэлектрическим!

О

15 с )

1Р

25, 30

45 разом.

При включении устройства переменное напряжение с частотой настройки колебательного контура в фазоинверторе 16, 17 подается на вход измерительного моста 1. Благодаря резистору 10, включенному в измерительное плечо моста 1 параллельно кварцевому резонатору 8 и диэлектрическому датчику 8, влияние емкостной составляющей цепи кварцевый резонатор 8 датчик 9 на частоту настройки колебательного контура ослаблено, т.е. его резонансная частота близка к резонансной частоте кварцевого резонатора, что ускоряет его возбуждение и возбуждение автоколебаний в схеме. Время преобразования неэлектрической величины, сокращается Воздействие неэлектрической величины на диэлектрический датчик 9 приводит к изменению его параметров, ак— тивная составляющая сопротивления цепи кварцевый реэонатор 8 — диэлектрический датчик 9 изменяется.06щая величина сопротивления цепи кварцевый резонатор 8, диэлектрический датчик 9, резистор 10, конденсатор 11 всегда меньше сопротивления цепи кварцевый резонатор 8 — датчик 9, которое теперь может изменяться в лк бых пределах, так как подбором сопротивдатчиком 9, параллельно которым включены резистор 10 и конденсатор 11 .

Плечо сравнения состоит из переменного активного резистора 12 и конденсатора 13, выход измерительного моста соединен с усилителем 14, два выхода которого соединены с входами детектора 15 и фазоинвертора, выполненного в виде фазирующего трансформатора 16, первичная обмотка которого с конденсатором 17 представляет собой колебательный контур, выходы детектора соединены с входами усилителя 18 постоянного тока, выходы которого соединены с указателем 19 и с управляющим входом компенсационного элемента. кривые q, о (0 —,окс получены с помощью выражений (5) и (6) на частоте 100 кГц при следующих параметрах моста: сопротивление резистора в плече сравнения R = 7 кОм, 1 минимальное и максимальное сопротивления компенсационного элемента соответственно Р— к рнн

= 3;3 ком;, Б.„ — 5,5 кОм (фиг. 2).

Устройство работает следующим об1004

10

t5

45

Формул а

55

7 153 ления резистора 10 обеспечивается выполнение рабочего режима устройства, заключающееся в том, что сопротивление измерительного плеча моста меньше сопротивления плеча сравнения .Изменение активного сопротивления цепи кварцевый резонатор 8 датчик 9 с шунтирующими резистором !О и конденсатором 11 из-за воздействия на датчик неэлектрической величины изменяет разбаланс измерительного моста 1, выходное напряжение моста 1 изменяется, ускпивается усилителем 14, детектируется детектором 15, усилив вается усилителем 18 постоянного тока и подается на указатель 19, имеющий шкалу в единицах неэлектрической величины, например влажности воэ духа или диэлектрических материалов.

Через резистор 20 выходное напряжение усилителя 18 подается на компенсационный элемент 4,.сопротивление ко торого изменяется от подачи напряжения постоянного тока так, чтобы восстановить прежнюю величину разбаланса моста 1, обеспечивая постоянную амплитуду колебаний и стабильность работы усилителя 14. Конденсаторы 7 и 11 в измерительном плече моста 1 выбираются с большой величиной емкости, обеспечивающей минимальное влияние на активную составляющую измерительного плеча моста. Они слу жат для предотвращения попадания постоянного тока на элементы измерительного моста 1. С помощью усилителя 18 постоянного тока любой участок диапазона контролируемых преобразова телем активных сопротивлений цепи кварцевый резонатор — датчик может быть усилен и выделен в поддиапазон, т.е. растянут на всю шкалу указателя 19. Кварцевый резонатор 8 может представлять собой датчик (чувствительный. элемент), на пьезоэлемент которого наносят контролируемое или чувствительное к неэлектричеcspA величине вещество.В этом случае диэлектрический датчик 9 в схеме может отсутствовать.

Приведенные на фиг ° 2 зависимости максимальной величины Р ц„,кривая (a ) и диапазона Р (кривая 6 ) выходного параметра преобразователя показывают, что уменьшение сопротивления резистора, шунтирующего цепь кварцевый резонатор — датчик, Rö от 15 до 5 кОм, т.е. в 3 раза увеличивает максиМальную величину выходного параметра преобразователя от 5 до 14 кОм, а диапазон изменения выходкого параметра преобразователя примерно в 4 раза (от 3,3 до 12,1 кОм)

Беэ резистора диапазон изменения выходного параметра устройства gR =

2,2 кОм, а его максимальная величина

R „ = 3,7 кОм. Следовательно, включение шунтирующего резистора параллельно цепи кварцевый резонатор— датчик повышает максимальную величнну и диапазон изменения выходного параметра преобразователя, обеспечивая тем самым более широкий диапазон контролирования неэлектрических величин, т.е. расширяет возможности преобразователя.

Включение резистора параллельно цепи статическая емкость кварцевого резонатора - датчик уменьшает суммарное емкостное сопротивление этой цепи в момент включения (до возбуждения колебаний в схеме), благодаря чему уменьшаются разбаланс моста и расстройка частоты колебательного контура, что обеспечивает ускорение возбуждения автоколебаний в схеме, сокращая время преобразования неэлектрических величин в электрический сигнал.

Благодаря расширению диапазона изменения выходного параметра преобразователя расширяется диапазон контролируемых неэлектрических величин.

Например, при использовании в качестве датчика кварцевого резонатора, он становится менее критичным к количеству чувствительного или контролируемого вещества, наносимого на пьезоэлемент резонатора, например, при исследовании реологических свойств крови. изобретения

Параметрический преобразователь неэлектрических величин в электрический сигнал, содержащий измерительный мост, ветвь отношения которого состо, ит иэ активных постоянных резисторов, выход моста соединен через последовательно включенные усилитель и фазоинвертор с его же входом, выход усилителя соединен с входом детектора, а вьцсод детектора — с входом указателя и управляющим входом компенсационного элемента, включенного в

1531004

10 нен с общей шиной, сопротивление резистора определяется иэ выражения измерительное плечо измерительного моста последовательно с кварцевым резонатором и диэлектрическим датчиком, плечо сравнения измерительного моста состоит из параллельно

5 соединенных переменного резистора и конденсатора, однй иэ обших выводов которых и один вывод датчика соединены с общей шиной, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью расширения диапазона и сокращения времени преобразования неэлектрических величин, в измерительное плечо измерительного моста введены последовательно соединенные резистор,и конденсатор, причем вывод конденсатора соединен с управляющим входом компенсационного элемента и с кварцевым резонатором, а вывод резистора соедиR ggg ЛЯ Юю

R «(R с — Вкмм)

) R

R varc — Rcp + R» мин где R „ сопротивление резистора, включенного параллельно цепи кварцевый резонатор— ( датчик; макс максимальная величина активного сопротивления цепи кварцевый резонатор датчик, сопротивление плеча сравнения, минимальное сопротивление ко мпе нс ацио нного элеме нта.

R ср

"к сии

10 72 19 Я,„,кОк

Фиг. 2

Составитель В . Семенчук

Редактор А. Коз ориз Техред g.Дидык .

Корректор С.Шекмар

Заказ 7948/45 Тираж 714 Подписное

ВНЙИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.Ужгород, ул. Гагарина, 101