Вимірювальний підсилювач

Вимірювальний підсилювач, що містить п'єзоелектричний датчик, еквівалентну ємність і операційний підсилювач з колом негативного зворотного зв'язку у вигляді першого, другого і третього рези C2 1 3 При великих значеннях R1 відбувається перевантаження підсилювача, і вимірювальна апаратура на значний час може втрачати працездатність. Найбільш близьким до запропонованого пристрою є вимірювальний підсилювач, що містить п’єзоелектричний датчик, еквівалентну ємність, операційний підсилювач з ланцюгом негативного зворотного зв’язку у вигляді першого, другого, третього резисторів і четвертий резистор, при цьому, паралельно сполучені п’єзоелектричний датчик і еквівалентна ємність включені між корпусом вимірювального підсилювача і його входом - неінвертуючим входом операційного підсилювача, послідовно сполучені перший і другий резистори підключені до корпусу вимірювального підсилювача і інвертуючого входу операційного підсилювача, до якого також через третій резистор підключений вихід операційного підсилювача, - вихід вимірювального підсилювача, до якого також через четвертий резистор підключений ланцюг зворотного зв’язку між першим і другим резисторами, величина ємності еквівалентна сумі ємностей сполучного кабелю, монтажу, ємності входу підсилювача і ємності електричного п’єзодатчика [2]. Недоліки прототипу. Наявність негативного зворотного зв’язку по напрузі у вимірювальному підсилювачі призводить до того, що в R3 разів збільшується початковий зсув 1 R1 R2 на вході операційного підсилювача, і величина вихідної напруги пристрою Uвых може опинитися неприпустимо великою в тяжких умовах експлуатації, що призводить до часткової втрати працездатності навіть при невеликих перепадах температури ( °С±20°С)або до її повної втрати при великих перепадах температури (±100°С). Втрата інформації, особливо під час перехідних процесів в механізмах, коли різко змінюється температура, може призвести до пропуску початку розвитку аварійної ситуації, якого можна було б запобігти у разі нормальної роботи вимірювальної апаратури. Оскільки коефіцієнт посилення по постійному струму вимірювального підсилювача, охопленого негативним зворотним зв’язком по напрузі, Ко1, то вихідна напруга вимірювального підсиос= лювача Uвих=Uзм , де: Uзм - напруга, що діє на вході операційного підсилювача за рахунок піроелектричних струмів. Завданням передбачуваного винаходу є створення вимірювального підсилювача, в якому шляхом введення розділювального конденсатора в ланцюг негативного зворотного зв’язку усувається вплив піроелектричних струмів і, отже, початкового зсуву вимірювального підсилювача, в результаті забезпечується стабільність рівня вихідної напруги Uвых i працездатність підсилювача при будь-яких температурних режимах при вимірюванні низьких рівнів вібрацій на низьких частотах. Поставлене завдання вирішується тим, що у вимірювальний підсилювач, що містить п’єзоелектричний датчик, еквівалентну ємність і операційний підсилювач з ланцюгом негативного зворотного зв’язку у вигляді першого, другого і 89829 4 третього резисторів, а також четвертий резистор, при цьому паралельно з’єднані п’єзоелектричний датчик і еквівалентна ємність включені між корпусом вимірювального підсилювача і його входом неінвертируючим входом операційного підсилювача, послідовно з’єднані перший і другий резистори підключені до корпусу вимірювального підсилювача, а точка їх з’єднання через четвертий резистор підключена до неінвертуючого входу операційного підсилювача, третій резистор включений між інвертуючим входом операційного підсилювача і його виходом - виходом вимірювального підсилювача, величина еквівалентної ємності дорівнює сумі ємностей сполучного кабелю, монтажу, ємності входу підсилювача і ємності п’єзодатчика, згідно винаходу в ланцюг негативного зворотного зв’язку між другим резистором і інвертуючим входом операційного підсилювача включено розділювальний конденсатор. Технічний ефект від запропонованого рішення полягає в забезпеченні стабільності вихідного рівня напруги і працездатності вимірювального підсилювача в результаті усунення впливу піроелектричних струмів і збільшення початкового зсуву вимірювального підсилювача при будь-яких температурних режимах при проведенні вимірювань низьких рівнів вібрацій на низьких частотах. В результаті введення в схему вимірювального підсилювача розділювального конденсатора Ср і відповідного вибору його величини зворотний зв’язок по постійному струму стає 100%, тобто Коос=1 і Uвих=Uсм. Введення розділювального конденсатора Ср забезпечує зростання ефективної величини резистора R4 тільки в області робочих частот, що дозволить зменшити вплив піроелектричних струмів на початковий зсув вимірювальноR1 го підсилювача в b=1+ разів. В цьому випадку R2 величина постійної часу ланцюга зворотного зв’язку R1 R4C 1 R4Cb R4Cp , R2 де: С - величина еквівалентної ємності, а ширина смуги пропускання в області низьких частот 0 до fн залежатиме від граничної частоти, 1 1 1 fн R1 2 2 R4Cp 2 R4C 1 R2 тобто розшириться в b разів. Дільник стає частотно залежним і коефіцієнт передачі по напрузі визначатиметься виразом: C 1 K= ; 1 jw k Cp 1 1 jw jw k b де: R1 R4Cp; k R2Cp; b 1 R2 Суть винаходу пояснюється кресленням, де на Фiг.1 зображений вимірювальний підсилювач, що містить п’єзоелектричний датчик D, еквівалентну ємність С, операційний підсилювач Q з ланцюгом 5 негативного зворотного зв’язку у вигляді послідовно з’єднаних першого R1, другого R2 резисторів ,розділювального конденсатора Ср і третього R3 резисторів, а також четвертий резистор R4, при цьому паралельно з’єднані п’єзоелектричний датчик D і еквівалентна ємність С включені між корпусом вимірювального підсилювача і його входом неінвертируючим входом операційного підсилювача Q, послідовно з’єднані першийR1 і другий R2 резистори і розділювальний конденсатор Ср підключені до корпусу вимірювального підсилювача, а точка їх з’єднання через четвертий резистор R4 підключена до неінвертуючого входу операційного підсилювача Q, третій резистор R3 включений між інвертуючим входом операційного підсилювача Q і його виходом - виходом вимірювального підсилювача, величина еквівалентної ємності С дорівнює сумі ємностей сполучного кабелю, монтажу, ємності входу операційного підсилювача Q і ємності п’єзодатчикаї D. Пристрій працює таким чином. Вхідний сигнал у вигляді вібрацій поступає на вхід вимірювального підсилювача вхід п’єзодатчика D, який перетворює вібрації в заряд, що подається на неінвертуючий вхід операційного підсилювача Q з ланцюгом негативного зворотного зв’язку R1, R2, Cp, R3. На еквівалентній ємності С вхідний сигнал перетворюється в напругу U=q/Cp і поступає на вихід вимірювального підсилювача. Ширина смуги пропускання області низьких частот 0...fн визначається постійною часу вхідного ланцюга =R4Cp. Негативний зворотний зв’язок у вигляді послідовно сполучених резисторов R1, R2 і конденсатора Ср і резистора R3 збільшує постійну часу в R1 1 разів де b=1+ . Тобто, величина граничної R2 b частоти амплітудно-частотної характеристики вимірювального підсилювача fн зменшується в b разів. Зменшення величини резистора R4 зменшує дію температури на вимірювальний підсилювач. Аналіз роботи запропонованого пристрою, проведений з використанням методу Брауде [1], показав, що максимально плоску форму амплітудно-частотної характеристики можна отримати тільки при виборі постійної часу ланцюга, що складається з резистора R2 і розділового конденсатора, з виразу k=R2Ср=2 (b-1). Амплітудно-частотна характеристика запропонованого підсилювача з розділювальним конденсатором (1) і без нього (2) в області низьких частот представлена на Фiг.2. Проведено випробування запропонованого вимірювального підсилювача з розділювальним конденсатором Ср в ланцюзі негативного зворотного зв’язку і п’єзоелектричним датчиком типу АВС-132[1] на дію градієнта температури. Зміна рівня Uвыx, викликана дією градієнта температури на вимірювальний підсилювач, визначена по методиці фірми Брюль і Къер [3] 89829 6 Зміна рівня вихідної напруги вимірювального підсилювача з Ср, викликана впливом зміни температури на п’єзодатчик при коефіцієнті корекції амплітудно-частотної характеристики підсилювача, який дорівнює 10 при перепаді температур 20°С (1), 20°С (2), 100°С (3) (Фiг.3). Параметри вимірювального підсилювача з розділовим конденсатором Ср: - ємність на вході С=100пФ; вибрана, виходячи з чутливості п’єзоелектричного датчика типу ABC132 0,7пК/м/с2, а також умов подальшої експлуатації; для забезпечення вихідної напруги підсилювача Uвыx=7В при віброприскоренні 100g; 8 R4=10 Ом, обраний для fн=1,5Гц, яка відповідає робочим частотам випробовуваних механизмов; - R1=20МОм, R2=2МОм, R3=108Ом; - Ср=0,1мкФ. - Ця величина дозволить набути необхідного значення нижньої граничної частоти fн=1,5Гц із спадом АЧХ - 40дб/дек. При b=10 значення Uвых вимірювального підсилювача під впливом паразитного піроелектричного струму змінилося всього на 2,8В навіть при перепаді температур в ±100°С. Підсилювач зберіг працездатність, і сигнал з його виходу був нормально оброблений. Обмеження вихідного сигналу з амплітудою +7В не спостерігалося, оскільки максимальне значення Uвых складає ±14В у використовуваного операційного підсилювача. Зміна рівня вихідної напруги вимірювального підсилювача з Ср, викликана впливом зміни температури на п’єзодатчик, при коефіцієнті корекції амплітудно-частотної характеристики підсилювача, який дорівнює 30 при перепаді температур 20°С (1), 20°С (2), 100°С (3) (Фiг.4). При цьому: - величини ємності С і Ср при експерименті не змінилися, величини резисторів вибрані, виходячи з b=30; R1=20Mом, R2=0,7МОм; - R4=3 107Ом вибрана, виходячи із значення граничної частоти fн=1,5Гц. Видно, що значення вихідної напруги Uвых вимірювального підсилювача під впливом піроелектричного струму навіть при перепаді температур на ±100°С змінилося всього на 0,93В. Підсилювач зберіг працездатність, і сигнал з його виходу був нормально оброблений. Отримані результати підтверджують правильність прийнятих заходів по зниженню впливу піроелектричних струмів, викликаних дією градієнта температури на п’єзоелектричний датчик, на рівень вихідної напруги вимірювального підсилювача. Література: 1. Максимов В.П. и др. Измерение, обработка и анализ быстропеременных процессов в машинах. М.: Машиностроение, 1987. -208с. 2. Пьезоэлектрические преобразователи. / По ред.. В.М.шарапова. –Черкассы: ЧГТУ, 2004. 435с. 3. Официальное эксклюзивное представительство Bruel Kjear Северо-западном регионе России: ООО НПФ УНИВЕРСАЛПРИБОР СанктПетербург (www.pribor) 7 89829 8 9 Комп’ютерна верстка Н. Лиcенко 89829 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601