PL B1. INSTYTUT MECHANIKI GÓROTWORU POLSKIEJ AKADEMII NAUK, Kraków, PL BUP 21/08. PAWEŁ LIGĘZA, Kraków, PL

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. G01F 1/698 ( ) G01P 5/12 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Układ anemometru stałotemperaturowego z regulacją właściwości dynamicznych (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 21/08 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 09/11 (73) Uprawniony z patentu: INSTYTUT MECHANIKI GÓROTWORU POLSKIEJ AKADEMII NAUK, Kraków, PL (72) Twórca(y) wynalazku: PAWEŁ LIGĘZA, Kraków, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Renata Wojtas-Słodownik PL B1

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest układ elektronicznego anemometru stałotemperaturowego z regulacją właściwości dynamicznych. Znane są elektroniczne anemometry stałotemperaturowe przeznaczone do pomiaru prędkości przepływu cieczy i gazów, w których wykorzystuje się element pomiarowy o temperaturze wyższej od temperatury badanego medium. Elementem pomiarowym jest rezystancyjny przetwornik temperatury nagrzewany prądem elektrycznym z układu elektronicznego. Prędkość przepływu medium wyznaczana jest pośrednio, poprzez pomiar strat cieplnych elementu pomiarowego. Z opisu patentowego US znany jest układ elektronicznego mostkowego anemometru stałotemperaturowego z regulacją właściwości dynamicznych. Układ ten zawiera czujnik pomiaru prędkości włączony w jedną z gałęzi mostka rezystancyjnego, w skład, którego wchodzą ponadto trzy rezystory. Środkowy punkt gałęzi mostka zawierającej czujnik i jeden z rezystorów połączony jest z odwracającym wejściem wzmacniacza operacyjnego pracującego w pętli sprzężenia zwrotnego. Środkowy punkt drugiej gałęzi mostka zawierającej dwa pozostałe rezystory połączony jest z nieodwracającym wejściem wzmacniacza operacyjnego. Wyjście wzmacniacza operacyjnego połączone jest z górnym punktem mostka. Jest to układ regulacji automatycznej utrzymujący rezystancję czujnika pomiarowego na zadanym poziomie. Sygnałem wyjściowym jest napięcie zasilające mostek stanowiące funkcję mierzonej prędkości przepływu. Właściwości dynamiczne układu regulowane są poprzez włączenie w jedną z gałęzi mostka regulowanej indukcyjności oraz poprzez włączenie równolegle do przeciwległej gałęzi mostka szeregowego dwójnika RC o regulowanej rezystancji. Elementy regulacyjne pozwalają na optymalizację parametrów dynamicznych układu, w szczególności na optymalizację pasma przenoszenia. Niedogodnością tego rozwiązania jest zastosowanie w układzie regulowanej indukcyjności oraz regulowanej rezystancji. Elementy te powinny być regulowane w szerokim zakresie. Dla elementu indukcyjnego istnieje trudność realizacji technicznej takiego elementu o odpowiednim zakresie regulacji i stabilności, jest on wrażliwy na zakłócenia zewnętrznym polem elektromagnetycznym, ponadto regulacja za pomocą sygnału cyfrowego wymaga zastosowania złożonej matrycy przełączanych indukcyjności. Dla elementu rezystancyjnego wymagana jest duża rezystancja maksymalna, sięgająca megaomów. Element taki generuje szumy w układzie, jest podatny na zakłócenia zewnętrznym polem elektromagnetycznym, natomiast w przypadku regulacji za pomocą sygnału cyfrowego dostępne elementy elektroniczne, takie jak potencjometry cyfrowe czy mnożące przetworniki cyfrowo-analogowe posiadają rezystancję maksymalną rzędu kiloomów. Tak więc rozwiązanie według patentu US nie jest korzystne do układów o szerokim zakresie regulacji oraz do układów regulowanych sygnałem cyfrowym. Zgodnie z wynalazkiem układ elektronicznego anemometru stałotemperaturowego z regulacją właściwości dynamicznych zbudowany z czujnika pomiarowego tworzącego wraz z trzema rezystorami mostek rezystancyjny, w którym sygnał z węzła pomiędzy czujnikiem pomiarowym i pierwszym rezystorem poprzez rezystor czwarty doprowadzony jest do odwracającego wejścia wzmacniacza operacyjnego, a sygnał z węzła pomiędzy drugim i trzecim rezystorem poprzez rezystor szósty doprowadzony jest do nieodwracającego wejścia wzmacniacza operacyjnego, którego sygnał wyjściowy poprzez kolejny rezystor, ósmy, steruje bazą tranzystora, którego emiter zasila stanowiący górę mostka węzeł pomiędzy pierwszym i drugim rezystorem, podłączony do wyjścia napięciowego układu, natomiast kolektor tranzystora podłączony jest poprzez rezystor ograniczający prąd do dodatniego bieguna zasilania układu, charakteryzuje się tym, że pomiędzy górę mostka stanowiącą węzeł pomiędzy pierwszym i drugim rezystorem a masę mostka, włączony jest pierwszy potencjometr, natomiast jego ślizgacz podłączony jest do pierwszego szeregowego dwójnika RC, którego drugi koniec podłączony jest do odwracającego wejścia wzmacniacza operacyjnego. W korzystnym rozwiązaniu pomiędzy górę, a masę mostka włączony jest drugi potencjometr, natomiast jego ślizgacz podłączony jest do drugiego szeregowego dwójnika RC, którego drugi koniec podłączony jest do nieodwracającego wejścia wzmacniacza operacyjnego. Ewentualnie do wejścia odwracającego wzmacniacza operacyjnego i do zacisku testującego podłączony jest trzeci szeregowy dwójnik RC. W korzystnym rozwiązaniu pomiędzy górę mostka a dodatni bieguna zasilania układu podłączony jest kolejny rezystor.

3 PL B1 3 Ewentualnie pomiędzy górę mostka a bazę tranzystora włączona jest dioda. Pierwszy i drugi potencjometr mogą być potencjometrami cyfrowymi lub mnożącym przetwornikami cyfrowo-analogowymi realizującymi funkcję potencjometru sterowanego cyfrowo. Układ według wynalazku realizuje funkcję elektronicznego anemometru stałotemperaturowego z regulacją właściwości dynamicznych, przy czym właściwości dynamiczne regulowane są za pomocą jednego lub dwóch potencjometrów. Rozwiązanie to pozwala na regulację właściwości dynamicznych układu w szerokim zakresie przy zastosowaniu potencjometrów o niewielkiej rezystancji maksymalnej rzędu pojedynczych kiloomów. Pozwala to na redukcję szumów oraz ograniczenie wpływu zakłóceń zewnętrznym polem elektromagnetycznym. Regulacja potencjometryczna nie wymaga stosowania elementów regulacyjnych o wysokiej stabilności, ponieważ element regulacyjny pracuje w układzie dzielnika napięcia. Ponadto w przypadku regulacji sygnałem cyfrowym możliwe jest zastosowanie dostępnych potencjometrów cyfrowych lub mnożących przetworników cyfrowo-analogowych. Rozwiązanie według wynalazku jest w szczególności korzystne do układów o szerokim zakresie regulacji, układów o niskim poziomie szumów i zakłóceń oraz do układów regulowanych sygnałem cyfrowym. Układ według wynalazku zapewnia w szczególności stabilną pracę anemometru przy zerowym napięciu niezrównoważenia wzmacniacza operacyjnego, co jest istotne dla utrzymania stałego współczynnika nagrzania czujnika pomiarowego. Przedmiot wynalazku zostanie bliżej objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku przedstawiającym schematycznie układ elektronicznego anemometru stałotemperaturowego z regulacją właściwości dynamicznych. Układ elektronicznego anemometru stałotemperaturowego z regulacją właściwości dynamicznych zbudowany jest z czujnika pomiarowego RS tworzącego wraz z rezystorami R1, R2, R3 mostek rezystancyjny. Sygnał z węzła mostka RS R1 poprzez rezystor R4 doprowadzony jest do odwracającego wejścia wzmacniacza operacyjnego OP. Sygnał z węzła mostka R2 R3 poprzez rezystor R6 doprowadzony jest do nieodwracającego wejścia wzmacniacza operacyjnego OP. Sygnał z wyjścia wzmacniacza OP poprzez rezystor R8 steruje bazą tranzystora T pracującego w układzie wtórnika emiterowego. Emiter tranzystora T zasila węzeł R1 R2 stanowiący górę mostka, natomiast kolektor tranzystora T podłączony jest poprzez rezystor R10 ograniczający prąd do dodatniego bieguna zasilania układu +U. Właściwości dynamiczne układu regulowane są poprzez włączenie jednego lub dwóch potencjometrów pomiędzy górny punkt a masę mostka rezystancyjnego Potencjometr P1 włączony jest pomiędzy górę, a masę GND mostka, natomiast jego ślizgacz podłączony jest do pierwszego szeregowego dwójnika R5 C1 o stałych parametrach, którego drugi koniec podłączony jest do odwracającego wejścia wzmacniacza operacyjnego OP. Pierwszy potencjometr pozwala na regulację w szerokim zakresie ujemnego sprzężenia zwrotnego dla składowej zmiennej. Regulacja tym potencjometrem pozwala na uzyskanie stabilnej pracy układu i wstępną optymalizację pasma przenoszenia. Rozwiązanie to pozwala w szczególności na stabilną pracę układu przy zerowym napięciu niezrównoważenia wzmacniacza operacyjnego. Drugi potencjometr P2 włączony jest pomiędzy górę, a masę mostka, natomiast jego ślizgacz podłączony jest do drugiego szeregowego dwójnika R7 C2 o stałych parametrach; drugi koniec dwójnika podłączony jest do nieodwracającego wejścia wzmacniacza operacyjnego OP. Stała czasowa drugiego dwójnika RC jest znacząco mniejsza od stałej czasowej pierwszego dwójnika. Drugi potencjometr pozwala na regulację w szerokim zakresie dodatniego sprzężenia zwrotnego dla składowej zmiennej. Regulacja tym potencjometrem pozwala w szczególności na kompensację indukcyjności kabla czujnika oraz końcową optymalizację pasma przenoszenia. Góra mostka podłączona jest do wyjścia napięciowego układu OUT. Dodatkowy szeregowy dwójnik R9 C3 podłączony do wejścia odwracającego wzmacniacza operacyjnego OP i do zacisku testującego TEST pozwala na doprowadzenie sygnały prostokątnego do układu w celu testowania odpowiedzi dynamicznej układu na wymuszenie napięciowe. Dodatkowy rezystor R11 podłączony pomiędzy górę mostka a dodatni bieguna zasilania układu +U zapewnia start układu po włączeniu zasilania. Dioda D włączona pomiędzy górę mostka a bazę tranzystora zapewnia niski poziom napięcia wyjściowego z układu w przypadku braku lub uszkodzenia czujnika RS. Układ elektronicznego anemometru stałotemperaturowego z regulacją właściwości dynamicznych za pomocą potencjometrów P1 i P2 pozwala na pomiary fluktuacji prędkości przepływu w szerokim zakresie częstotliwości. Dzięki zastosowanej regulacji układ charakteryzuje się możliwością współpracy z czujnikami, których parametry dynamiczne różnią się w szerokim zakresie, przy czym

4 4 PL B1 regulacja pozwala na stabilną pracę układu i optymalizację pasma przenoszenia. Regulacja właściwości dynamicznych układu może być dokonywana analogowo lub cyfrowo. To drugie rozwiązanie pozwala na zastosowanie układu w anemometrycznym komputerowym systemie pomiarowym. Zastrzeżenia patentowe 1. Układ elektronicznego anemometru stałotemperaturowego z regulacją właściwości dynamicznych zbudowany z czujnika pomiarowego tworzącego wraz z trzema rezystorami mostek rezystancyjny, w którym sygnał z węzła pomiędzy czujnikiem pomiarowym i pierwszym rezystorem poprzez rezystor czwarty doprowadzony jest do odwracającego wejścia wzmacniacza operacyjnego, a sygnał z węzła pomiędzy drugim i trzecim rezystorem poprzez rezystor szósty doprowadzony jest do nieodwracającego wejścia wzmacniacza operacyjnego, którego sygnał wyjściowy poprzez kolejny rezystor, ósmy, steruje bazą tranzystora, którego emiter zasila stanowiący górę mostka węzeł pomiędzy pierwszym i drugim rezystorem, podłączony do wyjścia napięciowego układu, natomiast kolektor tranzystora podłączony jest poprzez rezystor ograniczający prąd do dodatniego bieguna zasilania układu, znamienny tym, że pomiędzy górę mostka stanowiąca węzeł pomiędzy pierwszym R1, i drugim R2 rezystorem, a masę GND mostka, włączony jest potencjometr P1, natomiast jego ślizgacz podłączony jest do szeregowego dwójnika R5 C1, którego drugi koniec podłączony jest do odwracającego wejścia wzmacniacza operacyjnego OP. 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiędzy górę, a masę mostka włączony jest drugi potencjometr P2, natomiast jego ślizgacz podłączony jest do drugiego szeregowego dwójnika R7 C2, którego drugi koniec podłączony jest do nieodwracającego wejścia wzmacniacza operacyjnego OP. 3. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że do wejścia odwracającego wzmacniacza operacyjnego OP i do zacisku testującego TEST podłączony jest trzeci szeregowy dwójnik R9 C3. 4. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiędzy górę mostka a dodatni bieguna zasilania układu +U podłączony jest kolejny rezystor R Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiędzy górę mostka a bazę tranzystora T włączona jest dioda D. 6. Układ według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że potencjometr P1 jest potencjometrem cyfrowym. 7. Układ według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że potencjometr P1 jest mnożącym przetwornikiem cyfrowo-analogowym realizującym funkcję potencjometru sterowanego cyfrowo. 8. Układ według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że potencjometr P2 jest potencjometrem cyfrowym. 9. Układ według zastrzeżenia 1 albo 2, znamienny tym, że potencjometr P2 jest mnożącym przetwornikiem cyfrowo-analogowym realizującym funkcję potencjometru sterowanego cyfrowo.

5 PL B1 5 Rysunek

6 6 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)