Устройство формирования выходного сигнала дифференциального измерительного преобразователя

Авторы патента:

Полезная модель относится к области электрических измерений и может быть использована для измерения электрических и неэлектрических величин с помощью дифференциальных, мостовых, измерительных преобразователей, питаемых переменным током. Устройство формирования выходного сигнала дифференциального измерительного преобразователя, питаемого переменным током, содержащего дифференциальный измерительный преобразователь, дифференциальный усилитель, переменный резистор, подключенный к входу дифференциального усилителя, фазовращатель, вход которого подключен к источнику переменного тока, два фазовых детектора, входы первого фазового детектора соединены с выходами ветвей измерительного преобразователя, а выход подключен к второму входу дифференциального усилителя, входы второго фазового детектора подключены к источнику переменного тока и к выходу фазовращателя, а выход подключен к переменному резистору, дополнительно введены второй дифференциальный усилитель, устройство фиксации ошибки и два дополнительных фазовых детектора, входы первого из них подключены к выходу источника переменного тока и к первому выходу дифференциального измерительного преобразователя, входы второго дополнительного фазового детектора подключены к выходу фазовращателя и к второму выходу дифференциального измерительного преобразователя, а выходы дополнительных фазовых детекторов подключены к второму дифференциальному усилителю, выход которого подключен к устройству фиксации ошибки. Предлагаемая модель позволяет повысить точность и надежность измерений с помощью дифференциальных измерительных преобразователей, питаемых переменным током за счет текущего постоянного контроля измерительных ветвей преобразователя. 1 ил.

Предлагаемое устройство относится к области электрических измерений и может быть использовано для измерения электрических и неэлектрических величин с помощью дифференциальных, например мостовых, измерительных преобразователей, питаемых переменным током.

Известно устройство для бесконтактного измерения расстояния [Патент РФ 1760310 МКИ G01B 7/14 от 11.08.89], содержащее источник переменного напряжения, измерительный преобразователь с двумя катушками индуктивности, два резистора, включенные последовательно с катушками индуктивности и подключенные входами к катушкам индуктивности, блок вычитания напряжений, подключенный к выходам двух детекторов, которые выпрямляют напряжения двух катушек индуктивности. Третий детектор подключен к одной из катушек индуктивности. В состав устройства может входить также блок линеаризации, выполненный, например, в виде блока деления напряжений.

Недостатком данного устройства является отсутствие элементов балансировки измерительного преобразователя и связанная с этим погрешность, обусловленная изменением параметров измерительного преобразователя под влиянием возмущающих воздействий (времени, температуры, влажности и т.п.). Начальная балансировка измерительного преобразователя может быть выполнена путем регулировки параметров одного из элементов измерительного преобразователя. Поэтому температурный и временной уход параметров измерительного преобразователя не может быть скомпенсирован в процессе эксплуатации устройства и приводит к увеличению погрешности измерений. Наиболее существенно этот недостаток проявляется в измерительных устройствах с первичными преобразователями, расположенными в местах, недоступных и труднодоступных для обслуживающего персонала.

Также известно устройство формирования выходного сигнала измерительного преобразователя [Патент РФ 21421 13 от 02.10.98, БИ 33, 1999], которое может быть использовано для измерения электрических и неэлектрических величин с помощью дифференциальных, например мостовых, преобразователей, в том числе индуктивных дифференциальных измерительных преобразователей и дифференциально-трансформаторных (взаимоиндуктивных). Устройство, питаемое переменным током, содержит дифференциальный измерительный преобразователь, включающий в себя, по крайней мере, две ветви и два выпрямителя, соединенных с выходами ветвей измерительного преобразователя, а также дифференциальный усилитель, входы которого подключены к выходам выпрямителей. Для получения более высокой точности измерения в устройство дополнительно введен переменный резистор, подключенный к входу одного из выпрямителей. Движок переменного резистора подключен к дополнительному входу дифференциального усилителя.

Применение переменного резистора позволяет в нормальных условиях, при отсутствии полезного сигнала, скомпенсировать несимметричность дифференциального измерительного преобразователя. В этом случае выходной сигнал усилителя будет равен нулю. В данном устройстве частично компенсируется аддитивная составляющая помехи, которая вызывается внешними возмущающими факторами. При этом аддитивное влияние внешних возмущающих факторов будет определяться лишь различием коэффициентов нестабильности ветвей измерительного преобразователя.

Недостатком данного устройства является то, что в нем отсутствует защита от мультипликативной помехи, которая является определяющей при использовании дифференциальных измерительных преобразователей. Мультипликативная помеха вызывается нестабильностью напряжения источника питания преобразователя U_пит, а также влиянием на коэффициенты передачи ветвей измерительного преобразователя внешних возмущающих факторов (температуры, влажности и т.п.). С учетом нестабильности коэффициентов передачи ветвей преобразователя можно записать выражение для выходного сигнала в рассматриваемом устройстве

где ₁, ₂ - коэффициенты передачи ветвей измерительного преобразователя;

Y₁ и Y₂ коэффициенты нестабильности ветвей измерительного преобразователя под действием внешних возмущающих факторов, равные относительному изменению параметра ветви (индуктивности, сопротивления, емкости);

K₁ и K₂ - коэффициенты чувствительности к измеряемой величине ветвей преобразователя;

x - измеряемая физическая величина;

K_g - коэффициент усиления дифференциального усилителя;

U_пит - напряжение питание преобразователя;

U_k - компенсационное напряжение. Соотношение (1) носит общий характер, учитывающей особенности применения дифференциальных измерительных преобразователей. Если пренебречь в этом соотношении взаимным влиянием нестабильности ветвей преобразователя и измеряемой физической величины, то останется только аддитивная составляющая помехи, на устранение которой направлено рассматриваемое изобретение.

За прототип выбрано устройство формирования выходного сигнала дифференциального измерительного преобразователя [Патент РФ 64342 (РФ) МКИ G01V 7/14. заявл. 20.12.06, БИ 18, 2007], питаемого переменным током, содержащего дифференциальный измерительный преобразователь, дифференциальный усилитель, переменный резистор, подключенный к входу дифференциального усилителя дополнительно введены фазовращатель, вход которого подключен к источнику переменного тока, а выход к измерительному преобразователю и к второму фазовому детектору, два фазовых детектора, входы первого фазового детектора соединены с выходами ветвей измерительного преобразователя, а выход подключен ко второму входу дифференциального усилителя, входы второго фазового детектора подключены к источнику переменного тока и к выходу фазовращателя, а выход подключен к переменному резистору.

Данное устройство позволяет повысить точность измерений с помощью дифференциальных измерительных преобразователей, питаемых переменным током и устранить влияние мультипликативной помехи вследствие действия внешних возмущающих факторов (температуры, влажности и т.п.). Это достигается тем, что выходной сигнал формируется с помощью фазовых детекторов

где К_ф - коэффициент усиления фазового детектора.

Для практического применения можно воспользоваться приближением для линейного режима работы преобразователя (K_ix<<1)

Окончательно на выходе предлагаемого устройства можно записать сигнал

где U_k - напряжение компенсации, снимаемое с переменного резистора.

Недостатком этого устройства является то, что в нем нет возможности диагностировать технологический износ и неисправность ветвей дифференциального измерительного преобразователя. В случаях невозможности оперативного тестирования преобразователя эта проблема носит серьезный характер и приводит к неправильной работе преобразователя, а в некоторых случаях к внезапным отказам оборудования, в состав которых входит дифференциальный измерительный преобразователь.

Предлагаемое устройство направлено на осуществление текущего оперативного контроля за работоспособностью дифференциального измерительного преобразователя, с одновременным проведением измерений.

Структурная схема предлагаемого устройства приведена на фиг.

Устройство содержит дифференциальный измерительный преобразователь 1, включающий, по крайней мере, две ветви 2 и 3. Питание измерительного преобразователя 1 осуществляется от источника переменного тока 4 через два входа, причем на второй вход измерительного преобразователя питающее напряжение подается через фазовращатель 5. Фазовый сдвиг, формируемый фазовращателем должен находится в пределах от /6 до 5/6, но оптимальным является значение /2, которое обеспечивает питание измерительного преобразователя квадратурными составляющими. Измеряемые напряжения с выходов ветвей 2 и 3 поступают на входы фазового детектора 6, выход которого подключен к входу дифференциального усилителя 7, формирующего выходное постоянное напряжение. Переменный резистор 8 присоединен к выходу второго фазового детектора 9, к входам которого подключены источник питающего тока 4 и выход фазовращателя 5. Движок переменного резистора 8 соединен со вторым входом дифференциального усилителя 7. Контроль за работоспособностью дифференциального измерительного преобразователя осуществляется с помощью двух дополнительных фазовых детекторов 10 и 11, подключенных к выходам источника переменного тока 4 и фазовращателя 5, а также к выходам дифференциального измерительного преобразователя 1. Выходы фазовых детекторов подключены к входам дифференциального усилителя 12, выход которого подключен к устройству фиксации ошибки 13, которое в случае рассогласования измерительных ветвей, возникающее вследствие износа или неисправности дифференциального измерительного преобразователя, вырабатывает сигнал ошибки.

Рассмотрим работу предлагаемого устройства для случая фазового сдвига, формируемого фазовращателем /2, и для простоты рассуждений условия идентичности характеристик для ветвей дифференциального измерительного преобразователя. Выходные сигналы с фазовых детекторов 10 и 11 можно записать в следующем виде:

Соответственно на выходе дифференциального усилителя 12:

где K_D - коэффициент усиления дифференциального усилителя.

В случае технологического износа и появления неисправности ветвей дифференциального измерительного преобразователя на выходе дифференциального усилителя 12 повысится сигнал рассогласования, пропорциональный разбросу коэффициентов чувствительности ветвей дифференциального измерительного преобразователя. Данный сигнал регистрируется устройством фиксации ошибки 13, настроенным в соответствии с технологическими особенностями дифференциального измерительного преобразователя и вырабатывает сигнал ошибки.

Таким образом, технический эффект достигается за счет проведения текущего оперативного контроля за работоспособностью дифференциального измерительного преобразователя, с одновременным проведением измерений, что повышает надежность измерений с помощью дифференциальных измерительных преобразователей, питаемых переменным током.

Устройство формирования выходного сигнала дифференциального измерительного преобразователя, питаемого переменным током, содержащего дифференциальный измерительный преобразователь, дифференциальный усилитель, переменный резистор, подключенный к входу дифференциального усилителя, фазовращатель, вход которого подключен к источнику переменного тока, два фазовых детектора, входы первого фазового детектора соединены с выходами ветвей измерительного преобразователя, а выход подключен к второму входу дифференциального усилителя, входы второго фазового детектора подключены к источнику переменного тока и к выходу фазовращателя, а выход подключен к переменному резистору, отличающееся тем, что дополнительно введены второй дифференциальный усилитель, устройство фиксации ошибки и два дополнительных фазовых детектора, входы первого из них подключены к выходу источника переменного тока и к первому выходу дифференциального измерительного преобразователя, входы второго дополнительного фазового детектора подключены к выходу фазовращателя и к второму выходу дифференциального измерительного преобразователя, а выходы дополнительных фазовых детекторов подключены к второму дифференциальному усилителю, выход которого подключен к устройству фиксации ошибки.