Преобразователь параметров емкостного контактного датчика

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУЬЛИН (19) (11) 4 (51) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР по делАм изоБРетений и отнРытий

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ

H АВТОРСИОФЛУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3549471/24-25 (22) 08.02.83 (46) 15.02.85. Бюл. В 6 (72) A. И. Мартяшин, П. В. Машошин и В.Ф.Рябов

° (71) Пензенский политехнический институт (53) 537.74(088.8) (56) 1.Авторское свидетельство СССР

)).951132, кл. G 01 И 27/22,1982.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 744305, кл.G 01 N 27/22, 1980 (прототип). (54)(57) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ

ЕМКОСТНОГО КОНТАКТНОГО ДАТЧИКА, содержащий генераторы прямоугольного напряжения и высокочастотного синусоидального напряжения, сумматор, операционный усилитель, опорный конденсатор, регулируемый элемент, интегратор, два фильтра нижних .частот, фильтр верхних частот, весовой сумматор, амплитудный детектор, причем выходы обоих генераторов соединены с входами сумматора, выход которого через емкостный датчик соединен с входом операционного усилителя, в цепь отрицательной обратной связи которого включены последовательно соединенные регулируемый элемент и интегратор, а к выходу одновременно под. ключены первый фильтр нижних частот, последовательно соединенные ключ и второй фильтр нижних частот, первый сумматор, последовательно соединенные фильтр верхних частот и амплитудный детектор, о т.л и ч а юшийся . тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в него введены формирователь стробирующих импульсов, опорный резистор, амплитудно-временной дискриминатор, третий фильтр нижних частот, схема сравнения, триггер, узел определения отношения напряжений, второй весовой сумматор, причем выход генератора прямоугольного напряжения соединен одновременно с входом регулируемого элемента, формирователем стробирующих импульсов и первым входом триггера, выход операционного усилителя подключен к интегратору через амплитудно-временной.. дискриминатор, а вход соединен с регулируемым элемен- том через опорный резистор, выход амплитудного .детектора соединен .с одним из входов второго весового сум.( матора, другой вход которого соединен с первым входом узла определения Я отношения напряжений и выходом первого весового сумматора, причем выход второго весового сумматора соединен с первым входом схемы сравнения, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, а выход — с вторым входом триг. гера, выход которого через фильтр нижних частот соединен . с вторым входом узла определения отношения напряжений, кроме того, выходы форми. рователя стробйрующих импульсов соединены с входами амплитудно-временного дискриминатора и ключа.

1140028

Изобретение относится к автоматическому измерению физико-химических свойств веществ по реактивным и активным составляющим полного сопротивления емкостного контактного (с неизолированными обкладками) датчика и может быть использовано для измерения влажности, концентрации, солесодержания и т.п.

Известен преобразователь параметров датчика в аналоговый сигнал, содержащий операционный усилитель, в цепи отрицательной обратной связи которого включен диэлектрический датчик, представленный трехэлементной схемой замещения, а вход его через опорный конденсатор соединен с генератором треугольного напряжения, три перемножителя, три фильтра нижних частот, генератор функций

Уолша, два весовых сумматора„ квадратор, устройство деления и ключ 1).

Недостатком данного преобразователя является то, что он обеспечивает преобразование параметров только бесконтактных (с изолированными обкладками) датчиков по трехэлементной последовательно-параллельной схеме замещения. Кроме того, преобразователь характеризуется недостаточно широким диапазоном соотношений элементов схемы замещения.

Известен также электронный влагомер, содержащий емкостный преобразователь параметров, генератор прямоугольного напряжения, операционный усилитель, фильтр нижних частот, управляемый резистор (2) .

Недостатком известного преобразователя является ограниченность функциональных возможностей, посколь ку он обеспечивает преобразование только одного суммарного параметра двух элементов электрической схемы замещения датчика, т.е. осуществляется получение .информации лишь об одном параметре датчика и, следовательно, лишь об одной характеристике вещества.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей (увеличение количества элементов схемы замещения, параметры которых преобразуются в электрические сигналы) °

Указанная цель достигается тем, что в преобразователь параметров емкостного контактного датчика,содержащий генераторы прямоугольного напряжения и высокочастотного синусоидального напряжения, выходы которых соединены с входами сумматора, выход которого через емкостный датчик соединен с входом операционного усилителя, в цепь отрицательной обратной связи которого включены опорный конденсатор и последовательно соединенные регулируемый элемент и интегратор, а к выходу одновременно подключены первый фильтр нижних часто, последовательно соединенные ключ, второй фильтр нижних частот, первый сумматор, последовательно соединенные фильтр верхних частот и амплитудный детектор, введены формирователь стробирующих импульсов, опор. ный резистор, амплитудно-временной дискриминатор, третий фильтр нижних частот, схема сравнения, триггер, 10 узел определения отношения напряжений, второй весовой сумматор, причем выход генератора прямоугольного напряжения соединен одновременно с входом регулируемого элемента, 15 формирователем стробирующих импульсов и первым входом триггера, выход операционного усилителя подключен к интегратору через амплитудно-временной дискриминатор, а вход соединен с регулируемым элементом через опорный резистор, выход амплитудного детектора соединен с одним из входов второго. весового сумматора, другой вход которого со25 единен с первым входом узла определения отношения напряжений и выходом первого весового сумматора, при-. чем выход второго весового сумматора соединен с первым входом схемы сравнения, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, а выход — с вторым входом триггера, выход которого через третий фильтр нижних частот соединен с вторым входом узла опреде35 ления отношения напряжений, кроме того, выходы формирователя стробирующих импульсов соединены с входами амплитудно-временного.дискриминатора и ключа.

40 На фиг.l приведена функциональная схема преообразователя; на фиг.2 — временные диаграммы, поясняющие его работу.

Преобразователь параметров емко45 стного контактного датчика содержит генератор прямоугольного напряже-. ния (ГПН) 1, емкостной контактный датчик (Д) 2, эквивалентная схема которого представлена емкостью Сl, хаРактеризующей мгновенную поляриза цию в исследуемом веществе и геометрическую емкость пустого датчика, резистором сквозной проводимости с сопротивлением Rl, резистором поляризационных потерь с сопротивлением

R2, а также емкостью С2, характеризующей релаксационную поляризацию в веществе, операционный:усилитель (ОУ) 3 с опорным конденсатором 4 емкостью С в цепи отрицательной обратной связи, первый фильтр нижних частот (ФНЧ) 5, генератор синусоидального найряжения (ГСН) б, сумматор 7, формирователь стробирующих импуль- . сов (УФСИ) 8, регулируемый элемент 9, опорный резистор 10 с сопротивлением, 1140028

60 ()Мч "о "о

;u * — - .о„, "йт г «мч Kyî

Р амплитудно-временной дискриминатор (АВД) 11, интегратор 12 ключ 13, второй фильтр нижних частот (ФНЧ) 14, фильтр верхних частот (ФВЧ) 15, амплитудный детектор (АД) 16; схему срав. кения (УС) 17, триггер 18, третий фильтр нижних частот (ФНЧ) 19, узел определения отношения напряжений (УООН) 20, весовые сумматоры (ВС) 21 и 22.

При этом выход ГПН1 одновременно 10 соединен с.управляющим входом регулируемого элемента 9, УФСИ 8, первым входом сумматора 7, второй вход которого соединен с выходом ГСН б, а выход — через Д 2 — с входом ОУ З,кроме15 того, выход ОУ 3 одновременно соединен через АВД 11, интегратор 12, регулируемый элемент 9 и опорный резистор 10 с входом ОУ 3, через ключ

13 и ФНЧ 14 с первым входом ВС 21, через ФВЧ 15 и АД 16 с вторыми входами ВС 21 и 22, первый вход ВС 22 соединен одновременно с первым входом УООН 20 и выходом ВС 21, кроме того, выход ВС 22 соединен с первым входом УС 17, второй вход которого соединен с выходом ФНЧ 5, а выход

УС 17 — ..с вторым входом триггера 18, выход последнего через ФНЧ 19 соединен с вторым входом УООН 20, выходы

УФСИ 8 соединены с управляющими входами АВД 11 и ключа 13.

Работа преобразователя происходит следующим образом.

С выхода ГПН 1 на первый вход сумматора 7 поступает прямоугольное нап- 35 ряжение U»<(t),õàðàêòåðèýóþöååñÿ перйодом 2Т и амплитудой 2Uo.С выхода

ГНС б на второй вход сумматора 7 поступает синусоидальное напряжение

Поп о (t) = По,з пы = U где U H < — 40 соответственно амплитуда и круговая частота напряжения.

С выхода сумматора 7 на вход измерительной схемы (ИС), состоящей иэ датчика 2, ОУ 3 и опорного кондеи- 45 сатора 4, поступает напряжение

UZ(t) которое, например, на интервале времени t о — t g (фиг. 4) описывается выраженйем

Uz (t) = — U0+U т °

Найряжение йа выходе ОУ 3 на данном интервале имеет вид

Значения Т и Я выбираются из усло. вий

Т()„

ыв,c, a, Н,С, »1, которые легко реализуются выбором достаточно низкой частоты прямоугольного и достаточно высокой частоты синусоидального напряжения.

При выполнении указанных условий и при 4 то)g с . с

0 (М- — (u,4U„1 u.+ — U. * он с, "й,с, соо

"о+ "о с "в )Л 0г(1)

Cia C5 t 4 с, о рс,о со""

Инфсрмацию о значении Rl получают с помощью контура автоматического регулирования, состоящего из ИС, АВД 11, интегратора 12, регулируемого элемента 9 и опорного резистора

10. При этом напряжение на выходе

АВД 11 U„s, н пропорционально разности вольт-секундных площадей Я и

8 (фиг.2б) напряжений, получаемых путем стробирования напряжения 0оч с помощью следующих. друг за другом стробирующих импульсов СИ 1 и СИ 2,. длительность которых равна To/4 (фиг.2в и г),а начало СИ 1 совпадает с моментом времени t<= To/Я г(4то . to

Я с, а, где Кдрд 44 — коэффициент передачи

АВД 11 по постоянному току.

Напряжение на выходе интегратора

12 6пределяется как

4, 4

"ннт,г() ° О ц,н Qt

"унт ° где ц„т — постоянная времени интегратора 12.

На выходе элемента 9 формируется прямоугольное напряжение (фиг.2д) с амплитудой

ПмЧ= "ннт4г "мЧ (Хмч — коэффициент передачи М9 по, постоянному току) и периодом, равным 2То и. сдВинутым на Т по отноше» нию к напряжению Поо (t) .

В установившеся режиме 0 = О, т.е. контур авторегулирования за счет дествия отрицательной обратной связи, обеспечивает выравнивание площадей Sl и S, что соответствует компенсации составляющей 9 ()

I напряжения Почч и выполнению условия равновесия контура то то

Ua(qpt -7o)

1 откуда ()мч Uo Ro R ( и соответственно

1140028

Преобразование значения Cl в постоянное напряжение Uz осуществляется с помощью ФВЧ 15, АД 16. При этом напряжение на выходе ФВЧ 15, частота среза которого М,р выбран(1 из условия — q< u, с и описывается

Т Р выражением гДе К рв4„ — коэффиЦиент затУханиЯ фильтра йо амплитуде на частоте тв .

Соответственно на выходе АД 16 имев@ в Ад в рвнс(с, 1 с4 где К„„ — коэффициент передачи АД

16.

Преобразование значения С2 осу« ществляется с помощью ключа 13, ФНЧ 14 и ВС 21 ° При этом постоянная составляющая импульсов на выходе ключа 13, выделяемая с помощью ФНЧ

14„ определяется как

1 Бо ланчи 2 с (4 )

Соответственно напряжение на выходе ВС 21 овса = "Рада+«Оeн«4 где 4 4 и в — весовые коэффициенты

ВС 21 соответственно по первому и второму входам. .,Цсль выбрать значения C = 1 и

Uo

2 2 К К П аатв Фв449

«1 UUÎ DС

О вс 4 2 CÎ l ПсЯ

Преобразование значения R2 в элек трический сигнал осуществляется с помощью ФНЧ 5, ВС 22, триггера 18, ФНЧ 19, УООН 20, УС 17. При этом на первый вход УС 17 с выхода ВС 22 по.ступает напряжение Uz«<= П„,с(4+ U ì9 ю где ч9 = 1,М9= 0,632 - весовые кбэффициенты ВС 22.

На второй вход УС 17 поступает напряжение при

2 р с, с, t

9H45 (C C 00(Е )K (о о ) 9Н4В ) где кф„4в — коэффициент передачи

ФНЧ 5 (К н4 =l) . 5 Прн этом на выходе УС 17 получа- цв импульсы, длительность полярности которых (фиг.2е) и ,„ 9с4т То +" i где ь = R

10 Длительность положительных импульсов с выхода триггера 18 (фиг.2ж) пропорциональна 8т<8 = Т + о — T .

Иэ импульсной последовательности на выходе триггера 18 с помощью

ФНЧ 19 выделяется постоянная составляющая ун449 ун4 9 т в "т<в KqH4(9 148 R4cg где йт, — амплитуда импульсов на выходе триггера 18;

20 Крн4(9- коэффициент передачи Фнч

19.

Напряжение U „4 9 поступает на один. из входов 0ОН 20, на второй вход которого поступает напряжение

l У С4 сС 2 С о

На выходе УООН 20 получаем напряжение, пропорциональное 22

"унч49 От в Рг Сг

К.. =2k К, r 9мнВо 0 Чоонго 9н9 9

2С0

0нвСоРг х "цсбр о где К„„ „ — коэффиЦиент пеРеДачи

УООН 20, имеющий разГВ1 мерность ц .

Предлагаемый преобразователь обладает более широкими функцио4() нальными возможностями по сравнению

:с известным, поскольку обеспечивает получение информации о параметрах четырех элементов схемы замещения датчика, т.е. более полной

45 информации о физико-химических свойствах исследуемого вещества, в частности при использовании емкостного контактного датчика и предлагаемого преобразователя может быть одновре5() менно получена информация о влажности вещества (по значению C4) химическом (пО соотношению С 4 и R<) и .гранулометрическом (пр соотношению

С и В,.) составе вещества.

1140029

Г 5 g диод

ФУ2. Л

Составитель И.Клешнина

Редактор К.Волощук Техред С. Легеза

Корректор Г.Решетник

Филиал ППП Патент, г.ужгород, ул.Проектная, 4

Заказ 255/33 Тираж 897 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР о делам. изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5