Устройство для измерения физических величин

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 09. 04. 81 (21) 3273438/18-21 31}М Nn З

6 01 Я 17/02 с присоединением заявки Hо(23) Приоритет—

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий

Опубликовано 23. 1 О, 8 2. Бюл ле тень М 39

Дата опубликования описания 23.10.82 (%3}УДК 621.327. .73(088.82 (72) автор изобретения

В.Е.Попов ур,, Ъ

- .- и, °

Физико-технический институт низких темпе

AH Украинской ССР (71) Заявитель (54) УСТРОИСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ

ВЕЛИЧИН

Изобретение относится к контроль- но-измерительной технике и может быть использовано для измерения температуры, давления, силы, освещенности и т.п., а также сопротивления первичного преобразователя.

Известно устройство для измерения физических величин, содержащее резистивный датчик, стабилизаторы тока, измеритель и источник напряжения (11..

Недостатком этого устройства .яв" ляется низкая точность измерения,производимого по показаниям измерителя (например, цифрового вольтметра ), в том случае когда резистивный датчик имеет нелинейную зависимость сопро" тивления от измеряемой физической величины.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для .измерения физических величин, содержащее источник тока,по.левые транзисторы, преобразователь, измеритель, резисторы и операционные усилители (2 ).

Известное устройство обеспечивает, возможность измерения путем непосредственного отсчета измеряемой величины по показаниям измерителя, например цифрового вольтметра, без пользования переводными таблицами или специально отградуированной шкалой, оно аппрок-( симирует нелинейную характеристику преобразователя функцией второго порядка, что значительно уменьшает погрешность измерения в сравнении с линейной аппроксимацией. Это достигается эа счет использования полевых транзисторов (ПТ ) и операционных уси,лителей (ОУ ).

Система из двух ПТ с резисторами двух ОУ обеспечивает автоматическое деление стабильного тока источника на две строго равные части, питающие две цепи преобразователя. Источник тока выполнен управляемым с помощью ,ОУ таким образом, что с ростом величи20 .ны сопротивления преобразователя возрастает и величина тока источника.

Наличке зависимости тока от величины сопротивления преобразователя R„I, приводит к тому, что выходное напряжение 0 устройств, фиксируемое из25 мерителем, зависит от квадрата coIIpo тивления преобразователя:

ВЬ х о (" "пр) ("пр+ ем 21 где Зо,- ток в каждой цепи преобраэо30

:.вателя при R =О, 766

3 968 коэффициент управления током,:

d3

1 ц Rëð

8 „- сопротивление резистора смещения.

Недостатком известного устройства 5 является сложность и невысокая точность измерения, что обусловлено особенностью работы источника тока в режиме с управляемым током, характеризующимся худшей стабильностью тока щ в сравнении с режимом постоянного тока источника, а также необходимостью использования операционных усилителей.

Целью изобретения является упрощение устройства и повышение точнос. ти измерения физических величин.

Поставленная цель достигается тем,, / что в устройство для измерения физических величин, содержащее первый и второй полевые транзисторы, преобра- 20 зователь, соединенный первым выводом г с первым выводом первого источника тока, первый, второй, третий и четвертый резисторы и измеритель, введены .пятый, шестой, седьмой, восьмой ре- 25 зисторы и второй источник тока, соединенный первым выводом с первым выводом первого источника тока, стоки первого и второго полевь1х транзисторов соединены соответственно с вторыми 30 выводами первого и второго источников . тока, через пятый и шестой резисторы, соответственно с первым и вторым вхо-, дами измерителя, соединенными соответственно через седьмой и восьмой 5 резисторы с истоками первого и второ,го полевых транзисторов, затворы которых соединены через первый и второй резисторы со стоками, второй вывод преобразователя .соединен через третий4О резистор с затвором первого полевого транзистора непосредственно, с истоком второго полевого транзистора, третий вывод через четвертый резистор — с истоком первого полевого транзистора.

На чертеже приведена принципиальная схема устройства.

Устройство содержит первый 1 и второй 2 источники тока, преобразователь 3, четвертый резистор 4, первый 5 и второй б полевые транзис-, торы (ПТ), первый 7, второй 8 и третий 9 резисторы, измеритель 10, пятый 11,шестой 12, седьмой 13 и восьмрй 14 резисторы. S5

Преобразователь 3 содержит девяАй 15, десятый 16, одиннадцатый 17 и двенадцатый -18 резисторы, причем сопротивление резистора -16 зависит от измеряемой физической величины. 6О

Устройство работает следующим образом.

Измеряемая .физическая величина .воздействует на величину сопротивления резистора 16,:причем сопротивление резистора 16 меняется нелинейно, что без принятия соответствующих мер приводит к несоответствию показаний измерителя 10, не имеющего специальной школы или переводных таблиц, измеряемой величине; Исследование полевых транзисторов 5 и 6 и резисторов

4, 7 — 9 и 10 — 12 позволяет создать напряжение поправки и измерить физическую велиФину с необходимой точностью, Ток источника 2 создает между истоком и стоком ПТ б падение напряжения, величина которого обусловлена

J током 3 источника 2 и внутренним сопротивлением ПТ б при иэопотенци.альных истоке и затворе. Ток источ ника 1 создает между истоком и стоком ПТ 5 падение напряжения, величина которого также обусловлена током 3 источника 1 и внутренним сопротивлением ПТ 5. Величина внутреннего сопротивления ПТ5 определяется действующим между затворам и истоком HT 5 напряжением U>„ равным сумме падений напряжения на сопротивлениях преобразователя 3 R ð и резистора

4 Rcv.

При одинаковых токах в обеих цепях, использовании согласованной пары

ПТ 5 и б, равенстве нулю сопротивлений преобразователя 3 и резистора 4 исток и затвор ПТ 5 оказываются иэопотенциальными. В этом случае падение напряжения на ПТ 5О"с„ равно падению напряжения. на ПТ 6 Ucä6.,îíè вычитаются, и в результате йоказания измерителя 10.равны нулю:

08ьх= "си 5 0си6= 0 .

При неравных нулю сопротивлениях преобразователя 3 и резистора 4 выходное напряжение (0se y 3 (R„p Rc }+Осиз- Uc„6 (1)

Здесь произведение 3 (R R ) растет линейно с ростом сопротивления . преобразователя Кп, 0сд6- постоянная пр величина; Q„ - нелйнейная функция R„p, так как полевой транзистор обладает нелинейной зависимостью величины внутреннего сопротивления от напряжения исток-затвор. В связи с этим нелинейной является и зависимость выходного напряжения 0 6,хат R» (выражение 1). Поскольку эта зависимость является монотонной и гладкой, возможно аппроксимировать с ее помощью градуировочные характеристики резистивных преобразователей некоторых физических величин, описывающихся функциями тако о характера.

Такую характеристику, например, имеют распространенные, платиновые термометры сопротивления. Для обес.печения воспроиэведеыия. конкретной нелинейной характеристики в схему устройства должны быть введены три

968766 константы в виде величины тока ) личить величину х, а подбором делисопротивления смещения RcÄ и коэффи- теля из резисторов 11 и 12 (и одноциента нелинейности временно 13 и 14) уменьшить его до

gÐи требуемой величины. При этом точность сЯ (2) измерения повышается потому, что изпр менение выходного напряжения из-за

Требуемый коэффициент нелинейности указанных выше возмущающих факторов может быть задан в численном виде уменьшается за счет делителей на реили определен графически из конкрет- .зисторах 11, 12 и 13, 14. ной градуировочной характеристики, а Предлагаемое устройство не содер,в устройстве задание величины k, соот-30 жит операционных усилителей, а также ветствующего выражению (2), достига- не использует управляемых источников ется подбором соотношения сопротивле- тока с низкой стабильностью, что упния резисторов 7 и 9. рощает его схему и повйшает точность

Испытание макета устройства пока-, измерения. зало, что оно хорошо аппроксимирует, 15 например, характеристику платиновых термометров, обеспечивая измерение Формула изобрЕтения температуры в интервале 80-380 К с погрешностью не более 0,15 К, что, Устройство для измерения физичесучитывая простоту схемы устройства, 20 ких величин, содержащее первый и втоприемлемо для многих применений. рой полевые транзисторы, преобраэоваПриведенный вариант схемы соот- тель, соединенный первым выводом с ,ветствует воспроизведению характерис- первым выводом первого источника тока,,:тики с кривизной k «r 1. Для обеспече-,,первый, второй, третий и четвертый ия воспроизведения характеристики 25 резисторы и измеритель, о т л и ч а с k (1 полевой транзистор с управляе- ю щ е е с я тем, что, с целью повы.мым затвором ПТ 5 должен быть вклю- шения точности измерения и упрощения чен в другую цепь тока относительно устройства, в него введены пятый,шеспреобраэователя, для чего достаточно той, седьмой, восьмой резисторы и поменять местами два вывода преобра- второй источник тока соединенный

/ зователя. В этом случае величина вы- первым выводом с первым выводом перходного напряжения равна. вого источника тока, стоки первого и (LL I )=3 (Rn A ) -U + U (3) второго полевых транзисторов соедине ь х = пр- ""см си5 + аиь ны соответственно .с вторыми выводами дополнительную возможность повыше- первого и второго источников тока, ния точности измерения дает подключе- 35 через пЯтый и шестой РезистоРы соотние измерителя 10 через делители из ветственно .с первым и вторым входами резисторов 11, 12 и 13, 14, шунтирую- измерителя, соединенными соответст- щих IT 5 и 6 соответственно. венно через седьмой и восьмой ре.Выражения (1 ) и (3 ) показывают, . зисторы с истоками первого и второго что выходное напряжение образуется 40 полевых транзисторов, затворы котоиэ алгебраической суммы падений на- Рых соединены через первый и второй пРЯжениЯ на РезистоРах Йдр,Rqм и трaн- РезистоРы со стоками, втоРой вывод эисторах ПТ 5 и 6. При малой нелиней- . преобразователя соединен через трености характеристики преобразователя тий РезистоР с затвором первого по" 1 малую величину имеет и разность 45 левого транзистора непосредственно, ; Ueg Uc 6 i в то время как сами вели- !с истоком второго полевого транзисчины („ и („ьмогут намного (на поря- .тора, третий вывод через четвертый док и более) превосходить эту раз- резистор = с истоком первого поленость. В этом случае малая разность :вого транзистора,. может быть легко искажена в результа" gg Источники инф р ц сточники информации, те, например малой нестабильности то- 1принятые во внимание при экспертизе ка в одной из цепей или воздействия 1. Авторское свидетельство СССР изменения температуры на неидеально,9 679884, кл. G 01 R 17/02, 1977. . согласованную пару транзисторов.уве- 2. Авторское свидетельство СССР личивая передаточное отношение дели- 5g 9 789763, кл. G 01 R 17/02, 1979 теля из резисторов 7 и 9, можно уве- (прототип).

968766

Составитель В.Дворкин

Редактор И.Николайчук Техред .Ж.Кастелевич.

Корректор С. Шекмар

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 8162/75 Тираж 717 Подписное

ВНИИПИ Государственного. комитета СССР по делам изобретений и открытий

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