Емкостной измерительный преобразователь

 

СООЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (51)4 G 01 R 27/26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTGPCHGMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3629899/24-21 (22) 04.08.83 (46) 15.01.86. Бюл. Ф 2 (71) Ленинградский ордена Ленина политехнический институт им.M.È.Êàлинина (72) А.И.Чередов (53) 621.317.75(088.8) (56) Приборы и системы управления.

1980, N 12, с. 22-24.

Авторское свидетельство СССР

N - 1040430, кл. G 01 R 27/26, 1983. (54) (57) ЕМКОСТНОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий источник постоянного опорного напряжения, генератор импульсов, мостовую цепь, состоящую из четырех ключевых элементов, управляющие входы которых соединены с первой вершиной первой диагонали мостовой цепи, два последовательно соединенных конденсатора, один из которых является емкостным датчиком, включенных. во вторую диа„„Я0„„1205066 Д гональ мостовой цепи, причем общие выводы конденсаторов соединены с общей шиной, а вторая вершина первой диагонали мостовой цепи соединена с первым выводом конденсатора связи, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, в преобразователь введены операционный усилитель и двухпозиционный ключ, управляющий вход которого соединен с выходом генератора импульсов, средний вывод двухпозиционного ключа соединен с первой вершиной первой диагонали мостовой цепи, а крайние выводы соединены соответственно с источником постоянного опорного напряжения и выходом операционного усилителя, являющегося выходом пре-. образователя, который соединен с вторым выводом конденсатора связи, первый вывод которого соединен с ннвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной.

1205066

Изобретение относится к измерительной технике и может быть исполь. зовано для построения средств измерения.физических величин с помощъю емкостных датчиков.

Целью изобретения является повышение быстродействия преобразовате-. ля.

На фиг,1 приведена схема предлагаемого преобразователя; на фиг.2— схема примера выполнения.

Емкостной иэмерительныи преобразователь содержит четыре ключевых элемента 1-4, образующих мостовую цепь, два конденсатора 5 и 6, ге нератор 7 импульсов, конденсатор 8 связи, операционный усилитель 9, источник 10 постоянного опорного напряжения и двухпозиционный переключатель 11. Конденсаторы 5 и 6 включены во вторую диагональ мостовой цепи. Конденсатор 8 связи включен ,между выходом и инвертирующим входом операционного усилителя 9, неинверти-, рующий вход которого и общие выводы конденсаторов 5 и 6 соединены с общей шиной. Средний вывод двухпоэиционного переключателя 11 соединен с первой, вершиной первой диагонали мостовой цепи, вторая вершина которой соединена с инвертирующим входом операционного усилителя 9. Крайние выводы двухпозиционного переключателя 11 соединены с источником 10 постоянного опорного напряжения и выI ходом операционного усилителя,9. Выход генератора 7 импульсов соединен с управляющим входом двухпозиционного переключателя 11. На фиг.i и 2 пунктирной лийией показана емкость

12 линии связи.

Емкостной измерительный преобра-зователь работает следующим образом.

При скачкообразном изменении . емкости конденсатора 5 или 6 выход" ное напряжение преобразователя устанавливается через некоторое число тактов коммутации переключателя 11.

Пусть в i-м такте коммутации положение двухпозиционного переключателя 11 соответствует показанному на фиг.i. При этом замкнуты ключи 2 и 3, а ключи 1 и 4 разомкнуты. Конденсатор

6 заряжается до значений выходного напряжения Uy источника.10 опорного напряжения. Конденсатор 5, подключенньй в этом случае к входам операционного усилителя 9, разряжается, перес ;

lL=LIL1-И„„- -, (-) . 8 где U. 1 — йайряжение на выходе преобразователя (операционного усилителя 9) a (i-1) — м такте.

Конденсатор 5 в (i-1) — м такте также заряжен до напряжения U 1

Следовательно, в i — м такте часть

25 выходного напряжения, обусловленная передачей заряда с этого конденсато-, ра, определяется как U, С /С>

Знак -" перед этим выражением в равенстве (1) объясняется тем, что операционный усилитель 9 используется в инвертирующей схеме включения.

В (i+1) — м такте положение двухпозиционного переключателя 1 I и ключей 1-4 изменяется на противоположЗ5 ное. При этом к входу операционного усилителя 9 подключается конденсатор

6, заряженный в предыдущем такте до напряжения Ue . Выходное напряжение устройства в (i+ll) — м также опре4Q деляется как

Cs

Vi+r Ur+Оо с

Св (2) Для (i+2) — го такта справедливо равенство (3) . Подставляя равенство (2) в урав.нение (3), а (1) в (2) получжя два разностных уравнения: (4) (С51 С

U; „=U;,(- — U -k, давая за?>яд в конденсатор 8 связи, включенный в цепь отрицательной связи операционного усилителя 9. Передача заряда происходит практически

5 полностью, так как потенциал инвертирующего входа операционного усилителя

9 близок к нулю вследствие большого значения его коэффициента усиления.

Напряжение на выходе операционного усилителя 9 в i-м такте, коммутации ,определяется зарядом на конденсаторе

8 связи в (i-1 ) — м такте и зарядом, переданным с конденсатора 5 в i — м такте. Для выходного напряжения преобразователя.в этом случае можно эаписать

1205066

Для преобразования параметрон емкостных датчиков целесообразно использовать зависимость 7). Иэ сравнения уравнений (7) и (8) следует, 5 что (Ig „(.5(ЦI)g„(. Поэтому выходным сигналрм преобразователя является амплитудное значение выходного напря- жения.

Длительность переходного процесса при скачкообразном изменении преобразуемой емкости, т.е. быстродейстие, определяется выражением в квадратных скобках, входящим в (5). Погрешность установления выходного напряжения l5 определяется как нли с учетом (5) и (7) ния емкости для положения ключей, показанного на фиг.1;

И (и) — аналогичная зависимость для противоположного сос- . тояния ключей.

Как видно иэ уравнений (5) и (6), ЗО при выполнении условия ) 1- — )(1 сэ с с g

Емкость 12 линии связи оказынается развязанной от конденсатора 8 связи операционным усилителем 9. Поскольку емкость линии снязи включена между

35 общим проводом и инвертирующим входом операционного усилителя 9, потенциал которого близок к нулю, то она практиФ чески не влияет на статические и ди-. намические характеристики устройства.

ВНИИПИ Заказ 8323/47 Тираж 747 Подписное

Филиал ППП "Патент", г.Ужгород, ул. Проектная, 4 в которых функционально связаны значения выходного напряжения в двух последовательных одноименных тактах.

IIop, одноименными тактами понимаются состояния преобразователя с одинаковым положением ключей 1-4 и двухпозиционного переключателя 11. Решение разностных уравнений при нулевых начальньг условиях и скачкообразном изменении емкости имеет вид где V(n) — выходное напряжение устройства в функции. от номера такта коммутации и начиная с момента изменеустановившиеся значения напряжения при и- оопределяются как

С ьь))< =Ц> g э

"Вых = о — " - с — () )

Сь (1 Ю ))

С8

Количество тактов коммутации, необходимое для установления выходного напряжения с заданной динамической погрешностью, определяется из (9) как

<1а)

С5