Устройство формирования выходного сигнала дифференциального измерительного преобразователя

Полезная модель относится к области электрических измерений и может быть использована для измерения электрических и неэлектрических величин с помощью дифференциальных, например мостовых, измерительных преобразователей, питаемых переменным током.
Известно устройство формирования выходного сигнала дифференциального измерительного преобразователя [Патент РФ № 64342 (РФ) МПК G 01 В 7/14 от 27.06.2007.], питаемого переменным током и обладающее повышенной точностью измерений и возможностью устранения мультипликативной помехи вследствие действия внешних возмущающих факторов (температуры, влажности и т.п.).. Указанная задача решается тем, что в устройство формирования выходного сигнала дифференциального измерительного преобразователя, 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. При такой реализации формирователя с помощью переменного резистора в нормальных условиях при несимметричном дифференциальном измерительном преобразователе выходной сигнал дифференциального усилителя можно сделать нулевым. Также это дает возможность выполнять периодическую балансировку измерительного преобразователя  при расположении последнего в местах, труднодоступных для обслуживающего персонала. Кроме этого использование в цепи компенсации второго фазового детектора позволяет скомпенсировать возможную нестабильность работы фазовращателя и неточность установки фазового сдвига.
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.
За прототип выбрано устройство формирования выходного сигнала измерительного преобразователя [Патент РФ №151194  (РФ) МПК G 01 B 7/14 от 27.03.2015], направленное на осуществление текущего оперативного контроля за работоспособностью дифференциального измерительного преобразователя с одновременным проведением измерений. Данное устройство содержит 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 ко второму выходу дифференциального измерительного преобразователя, а выходы дополнительных фазовых детекторов подключены ко второму дифференциальному усилителю, выход которого подключен к устройству фиксации ошибки. В случае технологического износа и появления неисправности ветвей дифференциального измерительного преобразователя на выходе дифференциального усилителя повысится сигнал рассогласования, пропорциональный разбросу коэффициентов чувствительности ветвей дифференциального измерительного преобразователя. Данный сигнал регистрируется устройством фиксации ошибки, настроенным в соответствии с технологическими особенностями дифференциального измерительного преобразователя и вырабатывает сигнал ошибки.
Недостатком этого устройства является то, что в нем выходной сигнал дифференциального усилителя канала формирования сигнала ошибки пропорционален измеряемой физической величине :
,                                (1)
1
2
где - коэффициент усиления дифференциального усилителя, U и U - выходные сигналы с фазовых детекторов канала формирования сигнала ошибки,  - коэффициент усиления фазового детектора,  и  - коэффициенты чувствительности к измеряемой величине  ветвей преобразователя.
Задача, решаемая полезной моделью, направлена на устранение данного недостатка.
Технический результат заключается в том, что сигнал контроля, в отличие от прототипа, не зависит от измеряемой физической величины и определяется только параметрами самого устройства.
Согласно полезной модели, предложено устройство формирования выходного сигнала дифференциального измерительного преобразователя, питаемого переменным током, содержащее 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. В устройство дополнительно введен третий фазовый детектор, входы которого подключены к выходам двух сумматоров, причем входы первого сумматора подключены к выходам ветвей измерительного преобразователя, а входы второго сумматора подключены к источнику переменного тока и к выходу фазовращателя.
Структурная схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 1.
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  до , но оптимальным является значение , 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 9, формирующего выходное постоянное напряжение. Переменный резистор 8 присоединен к выходу второго фазового детектора 7, к входам которого подключены источник питающего тока 4 и выход фазовращателя 5. Движок переменного резистора 8 соединен со вторым входом дифференциального усилителя 9. Контроль за работоспособностью дифференциального измерительного преобразователя осуществляется с помощью дополнительного фазового детектора 12, подключенного к выходам сумматоров 10 и 11. На входы первого сумматора 10 поступают выходные сигналы измерительных ветвей 2 и 3, на входы второго сумматора 11 – выходные сигналы источника переменного тока 4 и фазовращателя 5.
Рассмотрим работу предлагаемого устройства для случая фазового сдвига на , формируемого фазовращателем 5. В результате на выходах ветвей 2 и 3 создаются переменные напряжения и . В общем случае для линейных характеристик преобразования ветвей 2 и 3 измерительного преобразователя 1 (или линеаризованных для нелинейных характеристик ветвей 2 и 3) эти напряжения могут быть записаны в виде:
=,
=,        (2)
где  - частота источника питания преобразователя.
Фазы измеряемых сигналов определяются следующими соотношениями
,              (3).
Напряжение с выхода первого фазового детектора 6 определится на основании уравнений (2-3) как
,                        (4)
где  - коэффициент усиления фазового детектора.
Для практического применения можно воспользоваться приближением для линейного режима работы преобразователя ()
.
Окончательно на выходе предлагаемого устройства можно записать сигнал
,                            (5)
где - напряжение компенсации, снимаемое с переменного резистора 8.
Далее рассмотрим процесс формирования сигнала контроля за работоспособностью дифференциального измерительного преобразователя.
Выходной сигнал сумматора 10 определяется как
=+,                                                     (6)
а сумматора 11 как
=+,                                                  (7)
где  - выходной сигнал фазовращателя.
Фазы данных сигналов определяются следующими соотношениями
,    (8).
Тогда напряжение с выхода фазового детектора 12 по аналогии с (4) будет определяться на основании уравнений как
,                                       (9)
С учетом приближения для линейного режима работы преобразователя () и ряда преобразований (9) напряжение с выхода фазового детектора 12 будет определяться как
.                                               (10)
В случае технологического износа и появления неисправности ветвей дифференциального измерительного преобразователя 1 на выходе фазового детектора 12 будет наблюдаться сигнал, отличный от (10).
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет проводить текущий оперативный контроль за работоспособностью дифференциального измерительного преобразователя, с одновременным проведением измерений, при этом сигнал контроля не зависит от измеряемой физической величины и определяется только параметрами самого устройства, что повышает надежность измерений с помощью дифференциальных измерительных преобразователей, питаемых переменным током.