УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ ВЕЛИЧИНЫ

Изобретение относится к измерительной технике, использующей компьютер при получении и работе с метрологической информацией общего назначения. Известны устройства измерений с использованием компьютера, в основе работы которых лежит преобразование физической величины в электрическое напряжение, где информация содержится в уровне сигнала С1,2. Известно устройство с преобразованием физической величины в электрическое напряжение фиксированного уровня, а информация об измеряемой величине содержится в частоте (периоде) напряжения СЗ.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату, и принятым авторами в качестве прототипа, является устройство для измерения физической величины 4, в котором формируют сигнал с длительностью, пропорциональной измеряемой величине. Для этого используют заряд эталонного конденсатора до определенного уровня напряжения, через резистор, электрическое сопротивление которого чувствительно к измеряемой величине.
Устройство состоит из терморевистора, соединенного с ним последовательно конденсатора, и транзистора, включенного параллельно конденсатору. Эти элементы образуют колебательный контур, а параметры элементов задают частоту выходного напряжения. Перечисленные элементы и триггер Шмитта образуют формирователь импульсного электрического напряжения. Выход формирователя соединен с цифровым входом компьютера. Устройство работает следующим образом. По сигналу компьютера транзистор запирается, и в этот же момент в компьютере запускается внутренний счетчик времени. Конденсатор, через включенный в цепь его заряда терморезистор, заряжается до величины порога опрокидывания триггера Шмитта. Фиксируют момент заряда конденсатора. Сигнал перепада напряжения с выхода триггера Шмитта поступает в компьютер, останавливая внутренний счетчик, и по сигналу компьютера переводит транзистор в режим насыщения. Разряд конденсатора происходит через внутреннее сопротивление транзистора. Информация об измеряемой величине содержится во внутреннем счетчике компьютера.
Прототип позволяет измерять физическую величину, температуру, компенсировать влияние температурной нестабильности характеристик некоторых компонентов реализующего его устройства на результаты измерений.
Существенными недостатками известного устройства являются ограниченные функциональные возможности, не позволяющие проводить измерения с использованием распространенных персональных компьютеров без дополнительных устройств и программ- драйверов.
В основу изобретения поставлена задача расширения функциональных возможностей устройства,а также упрощения процедуры измерений, путем унификации используемых технических средств.
Дополнительно ставятся задачи:
-повьш1ения надежности измерений ;
-обеспечения электрической развязки, вплоть до дистанционной.
беспроводной, связи между компонентами измерительной системы. - управления формирователем, для повышения разрешающей способности измерений.
Поставленная основная задача измерения физической величины с использованием компьютера решается устройством, включающим компьютер, чувствительный элемент, соединенный с ним формирователь переменного электрического напряжения, содержащий частотозадающие элементы, согласно изобретению, формирователь дополнительно содержит преобразователь уровня напряжения, выход которого является выходом формирователя, конфигурация компьютера соответствует спецификации Multimedia Personal Computer (MPS), выход формирователя соединен со входом аудиоадаптера такого компьютера, элементы формирователя имеют параметры, обеспечивающие для информационно- значимых составляющих частотного спектра его выходного напряжения соответствие параметрам входа аудиоадаптера компьютера во всем диапазоне измерения физической величины.
Наилучший результат достигается в устройстве, согласно изобретению, тем, что преобразователь уровня напряжения выполнен либо в виде оптоэлектронных, согласованных между собой, передатчика и приемника, либо в виде трансформатора.
Дополнительные задачи решаются тем, что согласно изобретению устройство содержит идентификатор чувствительного элемента и формирователя, соединенный с цифровьм входом компьютера , а также тем, что оно снабжено блоком управления формирователем, вход блока соединен с цифровым выходом компьютера или аудиоадаптера компьютера, а выход блока - со входом управления формирователем.
Изобретение иллюстрируется чертежами:
На фиг.1 изображена функщональная схема устройства для измерения неособой физической величины.
На фиг.2 изображен пример реализации - принципиальная схема устройства для измерения температуры.
На фиг.З изображена функциональная схема устройства, содержащего идентификатор чувствительного элемента и формирователя. На фиг.4 изображена функциональная схема устройства, содержащего блок управления формирователем.
Функциональная схема устройства приведена на фиг. 1. Устройство содержит чувствительный элемент 1, соединенный с ним формирователь Е переменного электрического напряжения , содержащий частотозадающие элементы 3, с параметрами, обеспечивающими для информационно- значимых составляющих частотного спектра его выходного напряжения частоту и ее изменения в пределах, удовлетворяющих параметрам подклю-ченного к выходу преобразователя уровня 4 входа аудиоадаптера 5 компьютера 6. Компьютер б, оснащенный программным обеспечением, имеет конфигурацию, соответствующую спецификации Multimedia Personal Computer. Преобразователь уровня 4 может быть выполнен в виде согласованных между собой, оптических, передатчика и приемника информации, а также в виде согласующего трансформатора или радиоприемопередатчика.
Устройство работает следующим образом. Измеряемая величина воздействует на чувствительный элемент 1 и приводит к изменению его электрического параметра, вследствие чего изменяется параметр электрических колебаний в формирователе 2 переменного электрического напряжения и, соответственно, частота его вы/ ///К/
ц
ходного напряжения. Последнее, с выхода преобразователя уровня 4, поступает на вход аудиоадаптера 5 компьютера б, конфигурация которого соответствует спецификации Multimedia Personal Computer, обрабатывается, и, с использованием программного обеспечения и информации о передаточных характеристиках формирователя и параметрах частотозадающих элементов, хранящейся в памяти компьютера, позволяет определить значение измеряемой величины.
На Фиг. 2 приведена принципиальная схема - пример реализации устройства для измерения температуры. Устройство содержит чувствительный элемент (терморезистор) 1, соединенный с выходом 7 усилителя 8 формирователя 2 переменного электрического напряжения, и, через регулировочный резистор 9, с измерительным конденсатором 10, подстроечным конденсатором 11 и инвертирующим входом 12 усилителя 8. Выход 7 усилителя 8 соединен с резисторами 13, 14 и 15 преобразователя 4 уровня напряжения формирователя и, через резистор 13 с неинвертирующим входом 16 усилителя 8. Через резистор 15 неинвертирующий вход 16 соединен с аналоговой землей, а через резистор 14 - с входом аудиоадаптера 5 компьютера 6 спецификации MPS, оснащенного программным обеспечением. Инвертирующий вход 12 усилителя 8 через конденсатор 10 и подстроечный конденсатор 12 соединен с аналоговой землей. Устройство работает следующим образом. Исходное состояние схемы определяется отсутствием заряда на конденсаторе 10 и, вследствие этого, практически нулевым напряжением на инвертирующим входе 12 усилителя 8. В то же время часть выходного напряжения усилителя 8, через резисторы 13, 15 преобразователя 4 уровня напряжения формирователя, подается на
неинвертируюощй вход 16 усилителя 8 и превышает напряжение на инвертирующем входе 12. В результате напряжение на выходе 7 усилителя 8 имеет положительную полярность и величину, определяемую напряжением питания и внутренней схемой усилителя. Конденсаторы 10 и 11 начинают заряжаться током, протекающим с выхода 7 усилителя 8 через чувствительный элемент 1 и регулировочный резистор 9 на аналоговую землю. На обкладках конденсатора начнет накапливаться заряд. По мере заряда конденсатора падение напряжения на нем (по модулю) будет увеличиваться до тех пор, пока не превысит напряжения на неинвертирующем входе 16. Тогда выходное напряжение усилителя 8 изменится на противоположное, и процесс повторится. Таким образом частота основной гармоники выходного напряжения определится постоянной времени, численно равной произведению суммы величин сопротивлений чувствительного элемента 1 и регулировочного резистора 9 на суммарную емкость измерительного 10 и подстроечного 11 конденсаторов, что позволяет однозначно связать частоту основной гармоники с измеряемой величиной. Изменение измеряемой температуры приводит к изменению сопротивления чувствительного элемента 1, т.е. времени заряда и, соответственно, частоты основной гармоники выходного переменного электрического напряжения, подаваемого на вход аудиоадаптера 5 компьютера б спецификации MPS, Компьютер, оснащенный программным обеспечением, вычисляет измеряемую величину. Изменением величины регулировочного резистора 9 и подстроечного конденсатора 11 обеспечивается, для конкретного типа чувствительного элемента 1 и выбранного диапазона измерения температуры, основная частота генерации в диапазоне, соответствующем входным параметрам аудиоадаптера 5
- P,  О
компьютера б. Резисторы 13, 14, 15 оОеопечивают соответотвие входным параметрам аудиоадаптера по уровню подаваемого на его вход напряжения формирователя 2.
В примере реализации предлагаемого устройства измерения выбрана схема формирователя, работающая в автоколебательном режиме (мультивибратор, генератор и т.п.), одним из частотозадающих элементов которой является чувствительный элемент. Чувствительный элемент, подвергнутый физическому воздействию, изменяет свой электрический параметр. Так как чувствительный элемент участвует в образовании электрических автоколебаний, это приведет к изменению их параметра ( частоты), и, соответственно, частоты выходного напряжения формирователя. При выбранной схеме с мультивибратором, сигнал на его выходе содержит большое число гармоник, но информационно- значимой является основная, первая гармоника. Поэтому параметры частотозадающих элементов должны быть такими, чтобы во всем диапазоне измерения физической величины основная гармоника частотного спектра выходного напряжения была согласована со входными параметрами аудиоадаптера компьютера, конфигурация которого соответствует спецификации Multimedia Personal Computer. Для некоторых измерений информационно- значимыми могут быть вторая и последующие гармоники, или только они. При использовании резистивных датчиков ( терморезистор, фоторезистор, тензорезистор) весьма удобно применять формирователь, выполненный по схеме мультивибратора. При емкостных датчиках (температуры, размеров и других величин) и датчиках, использующих емкостной эффект (силы, перемещения, давления и т.д.), в качестве формирователя удобна схема высокочастотного емкостного генератора, а выходное напряжение схемы с требуемыми параметрами образуется путем смешивания напряжений с измерительного и опорного генератора. Для параметрических датчиков (фотодиод, термопара, и т.д.) в качестве формирователя предпочтительна схема генератора, управляемого напряжением (ГУН). Приведенные выше рассуждения об информационно- значимых составляющих справедливы вне зависимости от выбора конкретной схемы реализации ГУН. Для бесконтактных датчиков Холла, схемная реализация формирователя будет весьма непростой. В частности, необходимо стабилизировать величину выходного тока цепи схемы, в которую включен датчик. Вычисление физической величины, также как и в прототипе, производится компьютером. Введенный в компьютер сигнал подвергается преобразованию Фурье, выделяются информационно- значимые составляющие частотного спектра сигнала и компьютер,используя значения передаточных характеристик чувствительного элемента, формирователя, аудиоадаптера компьютера, программно вычисляет значение физической величины.
Пример реализации иллюстрирует простоту используемого схемотехнического решения. Благодаря этому легко обеспечивается возможность изготовления, вплоть до серийного, модулей датчика с формирователем. Наличие ряда таких модулей ставит задачу их идентификации с целью безошибочности их подключения и, соответственно, повьш1ения надежности измерений в целом. Модуль чувствительного элемента и формирователя, снабженный индентификатором, в свою очередь обеспечивает упрощение процедуры и унификацию средств измерений.
На фиг.З изображена функциональная схема устройства, содержащего идентификатор чувствительного элемента и формирователя. Устройство, кроме перечисленного выше, содержит идентификатор 17, представляющий собой автономный блок энергонезависимого постоянного запоминающего устройства, выход которого подключен к цифровому входу компьютера б. Идентификатор содержит опознавательную информацию о типе датчика и формирователя, роде и диапазоне измерения физической величины, градуировке чувствительного элемента и формирователя.
Устройство работает следующим образом. Измеряемая величина воздействует на чувствительный элемент 1, что приводит к изменению его параметра. Вследствие этого изменяется параметр электрических колебаний в формирователе 2 переменного электрического напряжения и, соответственно, параметр его выходного напряжения. Последнее, с выхода преобразователя уровня 4, поступает на вход аудиоадаптера 5 компьютера б, конфигурация которого соответствует спецификации Multimedia Personal Computer, обрабатывается, и, с использованием программного обеспечения и информации о передаточных характеристиках формирователя и параметрах частотозадающих элементов, считываемой с идентификатора 17, позволяет определить значение измеряемой величины.
Задача управления формирователем, в целях повышения разрешающей способности или расширения диапазона измерений, решается устройством, содержащим блок управления формирователем.
На фиг.4 изображена функциональная схема такого устройства. Устройство, кроме перечисленного выше, содержит блок 18 управления формирователем 2 , соединенный с цифровым выходом аудиоадаптера 5 или цифровым выходом компьютера б .
- 9 Устройство работает следующим образом. При инициализации устройства компьютер 6, в зависимости от требуемого диапазона измерений, задает, через блок управления формирователем 18, передаточные характеристики формирователя и параметры его элементов. Измеряемая величина воздействует на чувствительный элемент 1, что приводит к изменению его параметра. Вследствие этого изменяется параметр электрических колебаний в формирователе 2 переменного электрического напряжения и, соответственно, его выходное напряжение. Последнее, с выхода преобразователя уровня 4, поступает на вход аудиоадаптера 5 компьютера 6, конфигурация которого соответствует спецификации Multimedia Personal Computer, обрабатывается, и, с использованием программного обеспечения и информации о заданных передаточных характеристиках формирователя и параметрах его частотозадающих элементов , позволяет определить значение измеряемой величины.
Таким образом, благодаря отличию состава и структуры устройства и его частей, их связи, а также параметров элементов, заявленное техническое решение характеризуется новыми свойствами:
- обеспечивает возможность выбора оптимального соотношения точности, диапазона и продолжительности измерения физической величины, а также проведения измерения ряда физических величин, в том числе одновременного, с использованием одного компьютера, благодаря более предпочтительным для целей измерения, информационно- значимым параметрам формируемого напряжения и, соответственно, условиям его согласования со входными параметрами компьютера;
-значительно упрощает для пользователя процедуру измерения и стандартизирует ее, благодаря использованию унифицированного технического средства, завершающего эту процедуру - компьютера распространенной спецификации MPS;
-расширяет функциональные возможности путем использования в качестве информационно- значимых параметров как частоты, так и уровня формируемого напряжения, упрощает и унифицирует процедуру измерений, благодаря новой связи со входом аудиоадаптера компьютера;
-расшириряет функциональные возможности путем выполнения преобразователя уровня в виде того или иного средства электрической развязки.
Дополнительно упрощает, унифицирует и автоматизирует процедуру измерений, и повышает их надежность из-за наличия идентификатора чувствительного элемента и формирователя, а также наличия блока управления формирователем.
11 Источники информации:
1.Заявка Японии. 5-25409, G01D 9/00
2.Заявка PCT(WO). 94/12940, G06F 15/20
3.Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC./ Под ред. УЛомпкинса и Дж. Уэбстера.- М.; Мир, 1992 г. стр.312.
4.Заявка Франции. 2697080, ШЮ 3/02 (прототип)