Измерительный преобразователь емкости

 

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЕЖОСТИ, содержащий источник входного напряжения, выходом соединенный с первой клеммой для подключения измеряемого объекта, вторая клемма измерительного преобразователя для подключения измеряемого объекта соединена с. одним из вьтодов. образцового конденсатора, инвертирующим входом основного операционного усилителя и одним из выводов первого резистора, второй вывод которого I подключен к первому выводу второго резистора, выход основного операционного усилителя соединен о вторым выводом образцового конденсатора, а неинвертирующий вход основного операционного усилителя подключен к корпусам измерительного преобразователя, источника входного напряжения и к второму выводу шунтирующего конденсатора , отличающийся тем, что, с целью повьшения точности преобразования, в него введены дополнительный операционный усилитель, четыре масштабных резистора и разделительный конденсатор, при этом первый вывод шунтирующего конденсатора соединен с первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с выходом дополнительного опе (Л рационного усилителя непосредственно и через четвертый масштабный резистор - с его инвертирующим входом и с первым выводом третьего масштабного резистора, второй вывод которого через разделительный конденсатор подключен к выходу основного операционного усилителя и к первому выоь воду второго масштабного резистора, вторым выводом соединенного с неинСП вертирующим входом .дополнительного со операционного усилителя непосредстСи венно и через первый масштабный резистор - с корпусом измерительного преобразователя.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

; РЕСПУБЛИН

„,,ЯК„1167536 A рЦ+ G 01 К 27/26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ъ

К АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3714461/24-21 (22) 25.01.84 " (46) 15.07.85. Бюл. В 26 (72) Л.И. Волгин, А.И.,Зарукин и Ю.Г. Тетенькин (71) Ульяновский политехнический институт (53) 621.317.337(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

У 112092, кл. G 01 R 27/26, 1958.

2. Москалик Л.М., Фролова И.Е.

Усилитель заряда для пьезоэлектрических акселерометров. — В кн.; Вибрационная техника. Материалы семинара.

М., МДНТП им. Ф.Э. Дзержинского, 1978 (прототип) . (54)(57) ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЕМКОСТИ, содержащий источник входного напряжения, выходом соединенный с первой клеммой для подключения измеряемого объекта, вторая клемма измерительного преобразователя для подключения измеряемого объекта соединена с одним из выводов. образцового конденсатора, инвертирую щим входом основного операционного. усилителя и одним из выводов первого резистора, второй вывод которого подключен к первому выводу второго резистора, выход основного операционного усилителя соединен о вторым выводом образцового конденсатора, а неинвертирующий вход основного операционного усилителя подключен к корпусам измерительного преобразователя, источника входного напряжения и к второму выводу шунтирующего конденсатора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования, в него введены дополнительный операционный усилитель, четыре масштабных резистора и разделительный конденсатор, при этом первый вывод шунтирующего конденсатора соединен с первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с выходом дополнительного операционного усилителя непосредственно и через четвертый масштабный резистор — с его инвертирующим входом и с первым выводом третьего масштабного резистора, второй вывод которого через разделительный конденсатор подключен к выходу основного опера- ционного усилителя и к первому выводу второго масштабного резистора, вторым выводом соединенного с неинвертирующим входом дополнительного операционного усилителя непосредственно и через первый масштабный резистор — с корпусом измерительного

Р преобразователя °

1167536

Изобретение относится к технике измерений и может быть использовано в системах отбора и обработки инфор- мации в качестве измерительного преобразователя параметров емкостных 5 датчиков.

Известен линейный преобразователь емкости в напряжение, содержащий испытуемый конденсатор и образцо. вый конденсатор, установленный в це- 0 пи обратной связи операционного усилителя 1 g.

Известный преобразователь характеризуется недостаточной точностью преобразования, ограниченная условиями устойчивости операционного усилителя (ОУ) при больших его коэффициентах усиления.

Наиболее близким к предлагаемому является измерительный преобразова- 20 тель емкости, содержащий испытуемый конденсатор, источник входного напряжения, образцовый конденсатор, операционный усилитель, выход которого через образцовый конденсатор соеди- 25 нен с его инвертирующим входом и с первым выводом испытуемого конденсатора, второй вывод которого через источник входного напряжения соединен с общим проводом устройства и с неинвертирующим входом усилителя, трехполюсник стабилизации режима, состоящий из двух последовательно соединенных резисторов, первый из которых соединен с инвертирующим входом, а второй — с выходом ОУ, точ. ка соединения этих резисторов через последовательно соединенные третий резистор и шунтирующий конденсатор соединена с общим проводом устройст- 40 ва (2 J.

Недостатком описанного преобразователя является низкая точность преобразования, обусловленная погрешностями стабилизации режима ОУ трех- 45 полюсником. Эта погрешность для выходного напряжения преобразователя

50 полученного при условии, что

K„C(K(((k+1)K„, u)KC„»1 и k)>1,, имеет следующее математическое выражение:

55 где С вЂ” емкость испытуемого датчик ка;

С вЂ” емкость образцового кондено сатора; частота входного напряжения z„„

R u R — сопротивления резисторов

1 I ðåõïîëþñíèêà стабилизации режима ОУ по постоянному току;

С вЂ” емкость шунтирующего конден.

1 сатора трехполюсника.

Целью изобретения является повышение точности преобразования.

Указанная цель достигается тем, что в измерительныи преобразователь емкости, содержащий источник входного напряжения, выходом соеди. ненный с первой клеммой для подключения измеряемого объекта, вторая клемма измерительного преобразователя для подключения измеряемого объекта соединена с одним из выводов образцового конденсатора, с инвертирующим входом основного операционного усилителя и с одним из выводов первого резистора, второй вывод которого подключен к первому выводу второго резистора, выход основного операционного усилителя соединен с вторым выводом образцового конденсатора, а неинвертирующий вход основного операционного усилителя подключен к корпусам измерительного преобразователя, источника входного напряжения и к второму выводу шунтирующего конденсато- ра, введены дополнительный операционный усилитель, четыре масштабных резистора и разделительный конденсатор, при этом первый вывод шунтирующего конденсатора соединен с первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с выходом дополнительного операционного усилителя непосредственно и через четвертый масштабный резистор — с его инвертирующим входом и с первым выводом третьего масштабного резистора, второй- вывод которого через разделительный конденсатор подключен к выходу основного операционного усилителя и к первому выводу второго масштабного резистора, вторым выводом соединенного с неинвертирующим входом дополнительного операционного усилителя непосредственно и через первый масштабный резистор — с корпусом измерительного преобразователя.

116753

На чертеже приведена схема измерительного преобразователя емкости.

Измерительный преобразователь содержит источник 1 входного напряжения, испытуемый емкостный датчик 2, 5 основной операционный усилитель (ОУ)

3, образцовый конденсатор 4, резисторы 5 и 6 стабилизации режима ОУ,,шунтирующий конденсатор 7, дополнительный ОУ 8, разделительный конденсатор 9, первый масштабный резистор 10, соединенный своим выводом с неинвертирующим входом дополнительного ОУ 8 и через второй масштабный резистор

; 11 — с одним из выводов разделитель- 1 ного конденсатора 9, вывод которого через третий масштабный резистор 12 соединен с инвертирующим входом дополнительного ОУ 8 и с выводом чет-вертого масштабного резистора 13, 20 первую 14 и вторую 15 клеммы измерительного преобразователя для подключения измеряемого объекта.

Измерительный преобразователь работает следующим образом.

Напряжение U „с источника 1 входного напряжения поступает на вход основного ОУ 3 коэффициент пе2 редачи которого определяется отноше.нием преобразуемой емкости 2 к емкос-ЗО ти образцового конденсатора 4. Режим ОУ 3 по постоянному току обеспечивается трехполюсником стабилизации режима, состоящим из резисторов

5, 6 и шунтирующего конденсатора 7.

Для уменьшения погрешности преобразователя, обусловленной влиянием параметров трехполюсника на коэффициент передачи ОУ 3, используется дополнительный ОУ 8. Дифференциальное 40 включение этого усилителя при соответствующем выбора сопротивлений резисторов 10-13 обеспечивает (при достаточно большой емкости разделинием

1 .1ыР С ju)R С

1+ 1 1 4.2 + 2

)юР „С 11.)ЫРфЄ+Й 1+1 юй С 1 юР С г

50 ;. выражение (4) приобретает вид Ю Р С 1+ и) Йо С ЙВ (Й + Й ) Ь А Я

При выполнении условия wR С )> 1

6 ф тельного конденсатора 9) подавление переменной составляющей выходного напряжения ОУ 3 на выходе ОУ 8. Благодаря этому элементы 5, 6 и 7 трехполюсника обеспечивают по цепи обратной связи стабильность режима

ОУ 3 только по постоянному напряжению и не влияют на преобразование емкости при переменном входном напря. женин.

Приведем математическое описание процесса преобразования. атематичес. кое выражение для выходного напряжения Ц,„ измерительного преобразователя имеет следующий вид: ..С„

Вы В" L (мк С 1+ ыЯ С о 3 о î > о где R u R — сопротивления резистоо о ров 5 и 6 соответственно;

U — выходное напряжение

ОУ 8, определяемое математическим выраже1 Ri

U =-U . Д

М

1 8ь х Я +1(у С Вых Я р

В 1 2

+1, (g

R)++5jjaa где С вЂ” емкость разделительного г конденсатора;

R),R,,R, и Rq — сопротивления масштабных резисторов 10, 11, 12 и 13 соответственно, После подстановки выражения (3) в (2) и математических преобразований получается выражение (1), где погрешность j преобразования имеет вид

1167536

Составитель Л. Муранов

Редактор И. Рыбченко Техред М.Кузьма Корректор И. Эрдейи

Заказ 4432/44 Тираж 748 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 5

Из выражения (5) видно, что при выборе параметров в соответствии с соотношением R R pR R < при настройке измеряемого преобразовате6 ля погрешность преобразования 1 обращается в нуль, что и обеспечивает повышение точности преобразо-, вания.