Устройство преобразования температуры и влажности воздушной среды в информационный сигнал

 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в системах контроля параметров воздушной среды. Устройство содержит терморезистор, емкостный сенсор влажности, умножитель емкости, автогенератор электрических колебаний, управляемый коммутатор и вычислительное устройство. При этом замыкающий элемент коммутатора подключен параллельно терморезистору. Емкостный сенсор влажности подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя, первый вывод терморезистора подключен к выходу операционного усилителя, второй вывод терморезистора подключен к выходу умножителя емкости, выход которого подключен к входу автогенератора, соединенного с информационным входом вычислительного устройства. Управляющий выход вычислительного устройства соединен с управляющим входом коммутатора. Изобретение обеспечивает повышение достоверности контроля температуры и влажности воздуха. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к преобразователям температуры и влажности в информационный сигнал, и может использоваться в системах контроля параметров воздушной среды, например в системах контроля и регулирования параметров микроклимата различных помещений.

Известны преобразователи температуры в информационный сигнал, например в частоту, содержащие конденсаторы, резисторы и терморезисторы, включенные в мостовые схемы, фазочувствительные элементы и средства уравновешивания мостовых схем /1/. Недостатками устройства являются сложность схемы и малые функциональные возможности, так как для преобразования каждого параметра требуется отдельная схема.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является преобразователь, описанный в /2/. В преобразователе используется метод сравнения напряжений, образующихся на двух параллельных цепях, одна из которых является чисто активной, а другая содержит последовательно соединенные резистор и конденсатор, параметры которых определяют выходную частоту, по которой можно определить один из параметров. Недостаток устройства - ограниченные функциональные возможности, так как используя такой преобразователь можно определить только один из параметров: либо сопротивление резистора, либо емкость конденсатора. Для того чтобы определить эти параметры, например, для датчиков, расположенных в одном месте, необходимо иметь два преобразователя и две информационные линии, соединяющие эти датчики с вычислительным устройством, что усложняет процесс получения информации и снижает достоверность контроля.

Задача, поставленная при разработке изобретения, состоит в расширении функциональных возможностей преобразователя и увеличении достоверности контроля температуры и влажности воздушной среды.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в преобразователь, содержащий терморезистор с первым и вторым выводами, емкостный сенсор влажности, умножитель емкости на основе операционного усилителя, содержащий умножающий резистор, резистивно-емкостный автогенератор электрических колебаний, содержащий частотообразующий резистор, вычислительное устройство, содержащее информационный вход, информационный выход и управляющий выход, введены дополнительный резистор и управляемый коммутатор, коммутатор содержит управляющий вход и замыкающий элемент, управляющий вход и замыкающий элемент электрически изолированы друг от друга, замыкающий элемент соединен последовательно с добавочным резистором, цепь, образованная последовательно соединенными добавочным резистором и замыкающим элементом, подключена параллельно терморезистору к его первому и второму выводам, емкостный сенсор влажности подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя, первый вывод терморезистора подключен к выходу операционного усилителя, второй вывод терморезистора подключен к выходу умножителя емкости, выход умножителя емкости подключен к выводу частотообразующего резистора автогенератора, выход автогенератора подключен к информационному входу вычислительного устройства, а управляющий выход вычислительного устройства соединен с управляющим входом коммутатора.

Сравнительный анализ заявляемого устройства с устройством, описанным в /2/ и принятым за прототип, позволяет сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критерию изобретения “новизна”.

Из патентной и научно-технической литературы не обнаружена предложенная совокупность отличительных признаков и соединений элементов заявляемого устройства. Таким образом, заявляемое устройство удовлетворяет критерию “изобретательский уровень”.

Изобретение поясняется чертежом, где обозначено: 1 - терморезистор, сопротивление которого характеризует температуру Т среды в месте его расположения; 2 - дополнительный резистор, сопротивление которого не зависит от температуры; 3 - управляемый коммутатор, имеющий замыкающий элемент 4, показанный в виде контакта, и управляющий вход 5; 6 - выход операционного усилителя 7, имеющего инвертирующий и неинвертирующий входы, показанные соответственно знаками “минус” и “плюс”; 8 - емкостный сенсор влажности W, емкость которого характеризует влажность воздушной среды в месте его расположения; 9 - умножающий резистор, величина сопротивления которого определяет умножающий эффект емкости умножителя, образованного операционным усилителем 7, резистором 9, сенсором 8, цепями резистора 2 и терморезистора 1. Точка А является выходом умножителя емкости и соединена с одним из выводов резистора 10, являющегося частотообразующим резистором, т.е. определяющим частоту автогенератора 11, имеющего выход 12; 14 - вычислительное устройство, имеющее информационный вход, соединенный с выходом 12 автогенератора 11, управляющий выход 13, соединенный с управляющим входом 5 коммутатора 3, и информационный выход 15, являющийся выходом всего устройства.

Устройство работает следующим образом. Исходное положение коммутатора 3 - замыкающая цепь 4 разомкнута. После подачи питания (не показано) в точке А относительно общей точки образуется эквивалентная емкость, значение которой определяется соотношением сопротивлений терморезистора 1 и резистора 9 согласно выражению

где С_экв.1 - эквивалентная емкость, образуемая умножителем в данной схеме соединения, т.е. при разомкнутой цепи 4;

C₈ - емкость сенсора влажности, определяемая значением относительной влажности воздушной среды;

R₉ - известное сопротивление умножающего резистора 9;

R_t - сопротивление терморезистора 1, определяемое температурой среды, в которой находится терморезистор.

Автогенератор 11 возбуждается и выдает на своем выходе 12 электрические колебания, частота которых определяется сопротивлением частотообразующего резистора 10 и эквивалентной емкостью, подключенной к выводу этого резистора согласно выражению

где f₁ - частота электрических колебаний на выходе автогенератора;

К - коэффициент преобразования, зависящий от вида автогенератора;

R₁₀ - сопротивление частотообразующего резистора 10. Вычислительное устройство 14 запоминает значение частоты f₁ и выдает команду на включение замыкающей цепи 4 коммутатора 3 путем подачи управляющего сигнала со своего управляющего выхода 13 на управляющий вход 5 коммутатора 3. Замыкающая цепь 4 срабатывает, образуется параллельное соединение резистора 2 и терморезистора 1. Значение эквивалентной емкости, образуемой умножителем в точке А, изменится. Соответственно изменится и частота генерации автогенератора 11. Теперь ее значение будет определяться выражением

где f₂ - частота генератора при параллельном соединении резисторов 2 и 1;

С_экв.2 - эквивалентная емкость, образуемая умножителем при таком соединении

где R_n = R₁·R₂/(R_t+R₂).

Вычислительное устройство 14 запоминает значение частоты f₂, производит соответствующие вычисления, выдает результат на информационный выход 15 и отдает команду на отключение замыкающей цепи 4. Устройство возвращается в исходное состояние и готово к следующему циклу измерения. Вычисление значений емкости сенсора 8 и сопротивления терморезистора 1 производится по следующим соотношениям.

Из выражения (2) после подстановки (1) имеем

Подставляя в выражение (3) значения (4) и (5), получим

где f₁, f₂ - запомненные вычислительным устройством значения частот.

Из (6) получаем

где R₂ - известное значение сопротивления добавочного резистора 2.

По вычисленному значению R_t из (5) определяется значение С₈ из соотношения

где

- постоянный коэффициент, определяемый характеристиками автогенератора и значениями известных сопротивлений резисторов 2, 9, 10.

Таким образом, значения сопротивления терморезистора 1 и емкости сенсора влажности 8, характеризующие соответственно температуру и влажность среды, определяются по результатам фиксации двух значений частоты на выходе 12 автогенератора 11, получаемых вследствие управляемой коммутации цепи, содержащей дополнительный резистор 2 и коммутатор 3 с замыкающей цепью 4.

Расширение функциональных возможностей устройства обусловлено схемой преобразователя, которая позволяет контролировать одновременно два параметра среды и на основании этого определять другие параметры, например влагосодержание воздушной среды, зависящее от температуры и влажности.

Увеличение достоверности контроля температуры и влажности обеспечивается тем, что, во-первых, сигналы, получаемые в преобразователе, частотные, и поэтому мало подвержены действию помех в месте измерения и при передаче. Во-вторых, параметры воздушной среды контролируются с использованием одних и тех же элементов схемы и в одном месте (точке измерения), что особенно важно в условиях движущейся среды.

Устройство исследовано и испытано в лабораторных условиях, подтверждены его работоспособность и эффективность.

Устройство может быть использовано для построения мультисенсорных интеллектуальных датчиков для контроля параметров воздушных сред, преимущественно в закрытых помещениях.

Таким образом, предложенный преобразователь удовлетворяет критерию изобретения "промышленная применимость".

Источники информации

1. Пустыльников В.М. Измерительные преобразователи с частотно-зависимыми цепями”. - М.: Энергоатомиздат, 1986 г., стр. 34, рис.3.1.

2. Рыжевская Т.Н., Шахов Э.К. Преобразователь RCL-параметров в частотно-временной сигнал. Ж. “Приборы и техника эксперимента”, 1972, № 4, стр. 155-156.

3. П.Хоровец, У.Хилл. Искусство схемотехники. Т. 1. - М.: Мир, 1993, стр. 322, рис. 5.51е.

Формула изобретения

Устройство преобразования температуры и влажности воздушной среды в информационный сигнал, содержащее терморезистор с первым и вторым выводами, емкостный сенсор влажности, умножитель емкости на основе операционного усилителя, содержащий умножающий резистор, резистивно-емкостной автогенератор электрических колебаний, содержащий частотообразующий резистор, вычислительное устройство, содержащее информационный вход, информационный выход и управляющий выход, отличающееся тем, что в него введены дополнительный резистор и управляемый коммутатор, коммутатор содержит управляющий вход и замыкающий элемент, управляющий вход и замыкающий элемент электрически изолированы друг от друга, замыкающий элемент соединен последовательно с добавочным резистором, цепь, образованная последовательно соединенными добавочным резистором и замыкающим элементом, подключена параллельно терморезистору к его первому и второму выводам, емкостный сенсор влажности подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя, первый вывод терморезистора подключен к выходу операционного усилителя, второй вывод терморезистора подключен к выходу умножителя емкости, выход умножителя емкости подключен к выводу частотообразующего резистора автогенератора, выход автогенератора подключен к информационному входу вычислительного устройства, а управляющий выход вычислительного устройства соединен с управляющим входом коммутатора.

РИСУНКИРисунок 1