УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

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 формирования выходного сигнала дифференциального измерительного преобразователя [1], содержащее мостовой измерительный преобразователь, балансировочное устройство выполненное в виде делителя напряжения с первым дифференциальным усилителем и блок вычитания напряжений, снимаемых с ветвей измерительного преобразователя, выполненный в виде второго дифференциального усилителя. Выходное напряжение формирует блок суммирования напряжений. Также устройство содержит источник питания измерительного преобразователя и балансировочного устройства.
Недостатком данного устройства являются различные значения температурных и временных зависимостей параметров элементов измерительного преобразователя и элементов цепи формирования компенсирующего напряжения, что приводит, помимо погрешности, обусловленной неполной идентичностью элементов измерительного преобразователя, к возникновению дополнительной погрешности измерений, вызванной нестабильностью параметров цепи компенсации преобразователя.
Также известно устройство для бесконтактного измерения расстояния [2], 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.
За прототип выбрано устройство формирования выходного сигнала измерительного преобразователя [3], 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.
пит
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, 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
1
2
где α, α - коэффициенты передачи ветвей измерительного преобразователя;
1
2
Y, и Y - коэффициенты нестабильности ветвей измерительного преобразователя под действием внешних возмущающих факторов, равные относительному изменению параметра ветви (индуктивности, сопротивления, емкости);
1
2
K и K - коэффициенты чувствительности к измеряемой величине x ветвей преобразователя;
x - измеряемая физическая величина;
g
K - коэффициент усиления дифференциального усилителя;
пит
U - напряжение питание преобразователя;
k
U - 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. Однако как отмечено, в данном устройстве она полностью не устранима.
Задачей полезной модели является повышение точности измерений с помощью дифференциальных измерительных преобразователей, питаемых переменным током и устранение мультипликативной помехи. Указанная задача решается тем, что в устройство формирования выходного сигнала дифференциального измерительного преобразователя, 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.
Структурная схема 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 π/6 до
5π/6, но оптимальным является значение π/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 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.
1
2
Рассмотрим работу предлагаемого устройства для случая фазового сдвига, формируемого фазовращателем π/2. Под действием переменного напряжения источника 5 и фазовращателя 6 на выходах ветвей 2 и 3 создаются переменные напряжения U и U. 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:
где ω - частота источника питания преобразователя.
Фазы измеряемых сигналов определяются следующими соотношениями
Напряжение с выхода первого фазового детектора 6 определится на основании уравнений (2-3)
ф
где K - коэффициент усиления фазового детектора.
i
Для практического применения можно воспользоваться приближением для линейного режима работы преобразователя (Kx≪1)
ф
ф
1
2
U≈2K(K+K)x.
Окончательно на выходе предлагаемого устройства можно записать сигнал
k
где U - напряжение компенсации, снимаемое с переменного резистора 8.
Таким образом, с помощью переменного резистора 8 в нормальных условиях при несимметричном дифференциальном измерительном преобразователе 1 выходной сигнал усилителя 9 можно сделать нулевым. Также это дает возможность выполнять периодическую балансировку измерительного преобразователя 1 при расположении последнего в местах, труднодоступных для обслуживающего персонала.
Кроме этого использование в цепи компенсации второго фазового детектора 7 позволяет скомпенсировать возможную нестабильность работы фазовращателя 5 и неточность установки фазового сдвига.
Таким образом, предлагаемое 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.).
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Левшин Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи). Учеб. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1983.
2. Патент РФ №1760310 МКИ G01В 7/14 от 11.08.89.
3. Патент РФ №2142113 от 02.10.98, БИ 33, 1999