Датчик
Датчик предназначен для измерения физической величины, например, избыточного давления, температуры или угла наклона, и ее преобразования в унифицированный сигнал. Датчик содержит защиту от превышения напряжения питания 2, многокаскадный операционный усилитель 4, чувствительный элемент 5 и схему компенсации температурной погрешности 7. Выход защиты от превышения напряжения питания 2 соединен с входом операционного усилителя 4, а выход операционного усилителя соединен с входом чувствительного элемента 5 и входом схемы компенсации температурной погрешности 7. В датчик дополнительно введены схема защиты от неправильного подключения 1, схема компенсации помех 3, схема обратной связи 6 и схема временной задержки 8. Выход защиты от неправильного подключения 1 соединен с входом схемы защиты от превышения напряжения питания 2. Вход схемы компенсации помех 3 соединен с схемой защиты от превышения напряжения питания 2, выход схемы компенсации помех соединен с операционным усилителем 4. Выход операционного усилителя соединен с входом схемы обратной связи 6 и входом схемы временной задержки 8. Выходы чувствительного элемента 5, схемы обратной связи 6 и схемы компенсации температурной погрешности 7 соединены с соответствующими входами схемы временной задержки 8, а выход схемы временной задержки соединен с входом многокаскадного операционного усилителя 4. Техническим результатом заявляемого устройства является устойчивость к помехам. 1 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.
Заявляемое устройство предназначено для измерения физической величины, например, избыточного давления, температуры или угла наклона, и ее преобразования в унифицированный сигнал.
Известно устройство для измерения давления (патент на изобретение RU №2304762, МПК G01L 9/04, опубл. 2007.08.20). Устройство состоит из источника напряжения, тензорезистивного моста и образцового резистора. Выходы измерительной диагонали моста соединены с первыми дифференциальными входами аналого-цифрового преобразователя (далее - АЦП), вторые дифференциальные входы которого соединены с входами питания моста. Выводы резистора соединены с дифференциальными входами опорного напряжения АЦП. Выводы цифрового интерфейса АЦП соединены с первыми выводами микроконтроллера, вторые выводы которого соединены с выводами датчика температуры тензорезистивного моста.
Недостатком данного устройства является неустойчивость к помехам. К тому же при перепадах температуры увеличивается погрешность измерения давления.
Известно устройство для измерения температуры (патент на изобретение RU 2303247, МПК G01K7/16, опубл. 2007.07.20), выбранное в качестве прототипа. Устройство состоит из термопреобразователей сопротивления, размещенных в одном
измерительном зонде, образцового резистора, двухканального АЦП, микроконтроллера. При этом первые выводы термопреобразователей сопротивления соединены с выводами портов микроконтроллера, с первыми дифференциальными выводами двух входов АЦП, вторые выводы термопреобразователей сопротивления соединены между собой, с одним выводом образцового резистора, со вторыми дифференциальными выводами двух входов АЦП и с первым дифференциальным выводом входа опорного напряжения АЦП, другой вывод образцового резистора соединен со вторым дифференциальным выводом входа опорного напряжения АЦП и с общим проводом питания.
Недостатком устройства является неустойчивость к помехам.
Наиболее близким к заявляемому датчику является преобразователь давления в электрический сигнал (патент на изобретение RU 2082129, МПК G01L 9/04, опубл. 1997.06.20), выбранный в качестве прототипа. Устройство содержит тензорезистивный мост, сформированный на мембране датчик давления, дифференциальный усилитель, сдвоенный переключатель с тремя парами сигнальных выводов, резистивный делитель, блок ослабления напряжения, сумматор, операционный усилитель, усилитель-сумматор, формирователь опорного напряжения, процессорный блок и формирователь выходного электрического сигнала. Сигнальные выводы сдвоенного переключателя подключены к выходу операционного усилителя через усилитель-сумматор, резистивному делителю, тензорезистивному мосту и точке общего потенциала схемы. Средняя точка резистивного делителя связана с инвертирующим входом операционного усилителя. Выходы сдвоенного переключателя связаны с входом формирователя выходных сигналов
через последовательно подключенные дифференциальный усилитель, сумматор и процессорный блок, связанный с сдвоенным переключателем. Формирователь опорного сигнала связан с процессорным блоком и через блок ослабления напряжения - с сумматором. Резистивный делитель подключен к усилителю-сумматору, блоку ослабления напряжения, формирователю опорного сигнала и тензорезистивному мосту.
Недостатком устройства является неустойчивость к помехам.
Техническим результатом заявляемого устройства является устойчивость к помехам.
Указанный технический результат достигается осуществлением совокупности существенных признаков решения.
Датчик содержит защиту от превышения напряжения питания, операционный усилитель, чувствительный элемент и схему компенсации температурной погрешности, где выход защиты от превышения напряжения питания соединен с входом операционного усилителя, а выход операционного усилителя соединен с входом чувствительного элемента и входом схемы компенсации температурной погрешности. Согласно решению в датчик дополнительно введены схема защиты от неправильного подключения, схема компенсации помех, схема обратной связи и схема временной задержки. Причем выход защиты от неправильного подключения соединен с входом схемы защиты от превышения напряжения питания. Вход схемы компенсации помех соединен с схемой защиты от превышения напряжения питания, выход схемы компенсации помех соединен с операционным усилителем. Выход операционного усилителя соединен с входом схемы обратной связи и входом схемы временной задержки. Выходы
чувствительного элемента, схемы обратной связи и схемы компенсации температурной погрешности соединены с соответствующими входами схемы временной задержки, а выход схемы временной задержки соединен с входом операционного усилителя. При этом операционный усилитель выполнен многокаскадным.
Кроме того, заявлены дополнительные решения, обладающие вышеуказанной совокупностью признаков, и при этом характеризующие конкретные варианты исполнения датчика.
В датчике избыточного давления в качестве чувствительного элемента применяется тензомодуль.
В датчике наклона в качестве чувствительного элемента применяется микро-акселерометр.
В датчике температуры в качестве чувствительного элемента применяется терморезистор.
Блок-схема датчика представлена на Фиг.1.
Позициями на чертежах показаны:
1 - схема защиты от неправильного подключения;
2 - схема защиты от превышения напряжения питания;
3 - схема компенсации помех;
4 - многокаскадный операционный усилитель;
5 - чувствительный элемент;
6 - схема обратной связи;
4 - схема компенсации температурной погрешности;
8 - схема временной задержки.
Датчик содержит следующие основные части: схему защиты от неправильного подключения 1, схему защиты от превышения
напряжения питания 2, схему компенсации помех 3, многокаскадный операционный усилитель 4, чувствительный элемент 5, схему обратной связи 6, схему компенсации температурной погрешности 7, схему временной задержки 8.
Схема защиты от неправильного подключения 1 снабжена входами для подключения питания. Выход схемы защиты от неправильного подключения 1 соединен с входом схемы защиты от превышения напряжения питания 2. Первый выход схемы защиты от превышения напряжения питания 2 соединен с входом схемы компенсации помех 3, а выход схемы компенсации помех 3 соединен с входом многокаскадного операционного усилителя 4. Второй выход схемы защиты от превышения напряжения питания 2 соединен с входом многокаскадного операционного усилителя 4. Еще один вход многокаскадного операционного усилителя 4 соединен с выходом схемы временной задержки 8. Выход многокаскадного операционного усилителя 4 соединен с входом чувствительного элемента 5, входом схемы обратной связи 6, входом схемы температурной компенсации 7 и входом схемы временной задержки 8. Выходы чувствительного элемента 5, схемы обратной связи 6 и схемы компенсации температурной погрешности 7 соединены с соответствующими входами схемы временной задержки 8.
В качестве чувствительного элемента 5 в датчиках избыточного давления применяется тензомодуль, в датчиках температуры - терморезистор, в датчиках наклона - микро-акселерометр.
Устройство работает следующим образом. Датчик питается напряжением 9-36 В постоянного тока. Напряжение питания поступает на схему защиты от неправильного подключения 1. Если полярность подключения перепутана, то схема защиты не подает
питание на остальные элементы схемы датчика. При правильном подключении напряжение поступает дальше на схему защиты от превышения напряжения 2. В случае превышения допустимого максимального напряжения питания датчика при включении или в процессе работы, схема защиты не подает или отключает питание от остальных элементов схемы датчика.
В нормальном режиме работы через схему датчика протекает постоянный ток 4-20 мА. Потребление тока менее 4 мА и более 20 мА свидетельствует о неисправности схемы датчика.
Напряжение питания через схемы защиты 1 и 2 поступает на схему компенсации помех 3 в цепи питания датчика. Через эту схему питающее напряжение подается на многокаскадный операционный усилитель 4, через который производится запитывание схемы обратной связи 6, схемы компенсации температурной погрешности 7 и первичного преобразователя (чувствительного элемента) 5.
В нормальных условиях на выходах чувствительного элемента 5 присутствует начальное значение напряжения, поступающее на входы усилителя 4. При изменении значения измеряемой величины значение выходных напряжений, поступающих на входы усилителя 4, изменяется.
В частности, в датчике избыточного давления в нормальных условиях (атмосферное давления на входе датчика) мостовая схема, на базе которой реализован чувствительный элемент 5, находится в сбалансированном состоянии, т.е. с двух выходов мостовой схемы на входы усилителя 4 поступает одинаковое напряжение. При подаче давления в приемную полость датчика происходит деформация чувствительного элемента 5, приводящая к разбалансу мостовой схемы,
в результате которого с выходов схемы на входы усилителя 4 поступает разное напряжение.
В датчике наклона в нормальных условиях (минимальный измеряемый угол) на выходах чувствительного элемента 5, реализованного на базе микро-акселерометра, присутствует начальное значение напряжения, поступающее на входы усилителя 4. При изменении положения чувствительного элемента (и самого датчика, поскольку чувствительный элемент жестко закреплен на платформе датчика) в пространстве (в рабочей плоскости) изменяется значение выходных напряжений, поступающих на входы усилителя.
В датчике температуры в нормальных условиях (нижний предел диапазона рабочих температур) сопротивление терморезистора, на базе которого реализован чувствительный элемент 5, имеет минимальное значение. Падение напряжения на терморезисторе определяется путем измерения напряжения в цепи до, и после сопротивления. Эти два значения поступают на входы усилителя 4. При изменении температуры изменяется значение сопротивления чувствительного элемента, что приводит к изменению значений напряжения, поступающих на входы усилителя.
Усилитель 4 сравнивает между собой два значения напряжений, полученных с мостовой схемы, а также сравнивает эти значения со значениями двух напряжений схемы температурной компенсации 7 и схемы обратной связи 6. Полученное в результате сравнения значение напряжения, учитывающее влияние температурной погрешности элементов схемы на показания датчика, поступает в схему временной задержки 8, которая обеспечивает заданную быстроту изменения показаний выходного сигнала датчика. Полученное значение
напряжения преобразуется в схеме многокаскадного усилителя 4 в унифицированный сигнал - потребляемый ток.
Вся схема датчика, включенная в измерительную цепь, потребляет от 4 до 20 мА в зависимости от значения измерения (поданного давления, угла наклона датчика или температуры среды).
1. Датчик, содержащий защиту от превышения напряжения питания, операционный усилитель, чувствительный элемент и схему компенсации температурной погрешности, где выход защиты от превышения напряжения питания соединен с входом операционного усилителя, а выход операционного усилителя соединен с входом чувствительного элемента и входом схемы компенсации температурной погрешности, отличающийся тем, что в него дополнительно введены схема защиты от неправильного подключения, схема компенсации помех, схема обратной связи и схема временной задержки, причем выход защиты от неправильного подключения соединен с входом схемы защиты от превышения напряжения питания, вход схемы компенсации помех соединен с схемой защиты от превышения напряжения питания, выход схемы компенсации помех соединен с операционным усилителем, выход операционного усилителя соединен с входом схемы обратной связи и входом схемы временной задержки, выходы чувствительного элемента, схемы обратной связи и схемы компенсации температурной погрешности соединены с соответствующими входами схемы временной задержки, а выход схемы временной задержки соединен с входом операционного усилителя, при этом операционный усилитель выполнен многокаскадным.
2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что в качестве чувствительного элемента в нем применяется тензомодуль.
3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что в качестве чувствительного элемента в нем применяется микроакселерометр.
4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что в качестве чувствительного элемента в нем применяется терморезистор.
