Преобразователь параметров емкостных датчиков во временной интервал и напряжение

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров емкостных датчиков во временной интервал и напряжение. Цель - увеличение быстродействия и расширение функциональных возможносте-достигается введением в преобразователь генератора 1 линейно изменяющегося напряжения и логического элемента 2 И 8. Преобразователь содержит также ключ 2, измеряемый емкостной датчик 3, образцовый конденсатор 4, усилитель 5 сигнала неравновесия, синхронный детектор 6, интегратор 7, компаратор 9. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

ЩСПУБЛИН (59 4 С 01 R 2 26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ ПРИ FIGHT СССР (21) 4324487/24-21 (22) 03.11.87 (46) 30. 11.89. Бюл. У 44 (71) Ленинградский политехнический институт им. М.И.Калинина (72) АЛ.Соловьев и В.С.Гутников (53) 62 1.317 (088 .8) (56) Бухгольц В.П., Тисевич Э.Г. Емкостные преобразователи в системах автоматического контроля и управления.

° (М.: Энергия, 1972, с. 38-44.

Авторское свидетельство СССР

У 1205065, кл. С 01 К 27/26, 1983. (191 (И) 4

: :ЯЦКО

2 (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ЕМКОСТНЫХ ДАТЧИКОВ ВО ВРЕМЕННОЙ ИНТЕРВАЛ

И НАПРЯЖЕНИЕ (57) Изобретение относится к измерительной технике и мажет быть использовано для измерения параметров емкостных датчиков во временной интервал и напряжение. Цель — увеличение быстродействия и расширение функциональных возможностей — достигается введением в преобразователь генератора 1линейно иэменяюп(егося напряжения и логического элемента 2И 8.Преобразователь содержит также ключ 2,измеряемый емкостнай датчик 3, образцовый конденсатор 4, усилитель 5 сигнала неравновесия, синхронный детектор 6, интегратор 7, кампаратор 9. 4 ил.

1525619

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения параметров электрических цепей.

Целью изобретения является увеличение быстродействия и расширение функциональных возможностей, На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого преобразова- 1п теля; на фиг. 2 — генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН); на фиг. 3 — эпюры временных диаграмм преобразователя; на фиг. 4 — временные диаграммы напряжения на выходе интег- 15 ратора.

С

Устройство содержит генератор 1 линейно изменяющегося напряжения, ключ 2, измеряемый емкостной датчик

3 (С ), образцовый конденсатор 4. (С ), усилитель 5 сигнала неравновесия, синхронный детектор 6, интегратор 7, логический элемент 2И 8, компаратор 9, ГЛИН 1 содержит генератор 10 пря- 25 моугольного сигнала, источник 11 опорного напряжения, дешифратор 12, реверсивный счетчик 13, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 14, RS-триггер

15, фильтр 16 нижних частот, аналого- 30 вый инвертор 17.

Устройство работает следующим образом.

ГЛИН 1 (фиг.2) представляет собой цифровой генератор, генерирующий сиг3 нал треугольной формы, частота и амплитуда которого стабильны, Реверсивный счетчик 13 переключается с частотой генератора 19 прямоугольных сигналов, частота которого стабилизирована 40 кварцевым резонатором. Когда состояние реверсивного счетчика 13 достигает своего максимального значения, на втором выходе дешифратора 12 появляется сигнал "1", который устанавлива- 5 ет на выходе RS-триггера 15 состояние

1". Выходной сигнал "1н с выхода

RS-триггера 15 поступает на вход управления направлением счета реверсивного счетчика 13, после чего ревер.сивный счетчик 13 начинает работать в режиме вычитания. При достижении нулевых состояний во всех разрядах реверсивного счетчика 13 на первом выходе

tt. н

"- дешифратора 12 появляется сигнал

55 который устанавливает на выходе RStl триггера 15 состояние 0 . Выходнои сигнал "0" с выхода RS-триггера 15 изменяет направление счета реверсивного счетчика 13, переключив режим его работы на счет в плюс. Таким образом; весь процесс периодически повторяется. Выходы счетчика 13 и входы дешифратора 12 соединены с соответствующими им входами управления ЦАП 14.

На аналоговый вход ЦАП 14 подается стабилизированное постоянное напряжение с источника 11 опорного напряжения. На выходе ЦАП 14, вследствие переключения реверсивного счетчика

13, формируется ступенчато изменяюшийся по треугольному закону сигнал.

Для фильтрации ступенек предназначен фильтр 16 нижних частот, на выходе которого получается линейно изменяющийся треугольный сигнал. Выход фильтра 16 нижних частот является прямым выходом ГЛИН 1. Для получения инвертированного сигнала служит аналоговый инвертор 17 с коэффициентом передачи — 1, вход которого соединен с выходом фильтра 16 нижних частот. Выход аналогового инвертора 17 является инверсным выходом ГЛИН 1, а выходом управления ГЛИН 1 является выход RS-триггера 15. Выходное напряжение треугольной формы с прямого выхода ГЛИН 1 (фиг.3.1) и инверсного выхода ГЛИН 1 (фиг.3.2) через замкнутые контакты ключа 2 прикладываются к измеряемому 3 и образцовому 4 конденсаторам. При достижении линейно изменяющегося напряжения на прямом выходе ГЛИН 1 выходного напряжения интегратора 7, которое является выходным напряжением устройства (фиг.3.1), срабатывает компаратор

9. Выходной сигнал компаратора 9 (фиг,3.4) размыкает ключ 2, формируя на образцовом конденсаторе 4 напряжение трапецеидальной формы (фиг.3.5).

В момент раэмыкания ключа 2 ток через образцовый конденсатор 3 не протекает. Поэтому на вход усилителя 5 (в момент размыкания ключа 2) подается ток, протекающий только через измеряемый конденсатор 3, При уменьшении линейно изменяющегося напряжения на прямом выходе ГЛИН 1 меньше порога срабатывания компаратора 9 вновь замыкается ключ 2, и на вход усилителя

5 подается ток, протекающий через измеряемый 3 и образцовый 4 конденсаторы. Выходное напряжение усилителя

5 показано на фиг. 3.6. Для нормальной работы преобразователя должно выполняться условие оп

ТSbl Qt „Пвь (6) С»Поп = СоПвы»»

С„ вь » "on

Со

5 15256

С„< (., т.к. Т ы„с То; Б „ а П где С» — емкость измеряемого конденсатора 3; 5

С вЂ” емкость, образцового конденсатора 4;

Tibia - выходной временной интервал;

Т вЂ” половина периода выходного сигнала ГЛИН 1; 10

U>b,„ — выходное напряжение преобразователя;

Uon — значение опорного напряжения.

Синхронный детектор 6 представляет 15 собой дифференцирующий усилитель. ,Дифференцирование выходного сигнала усиЛителя 5 производится детектором

6 .синхронно выходному сигналу управления ГЛИН 1. Выходной сигнал управления ГЛИН 1 представлен на фиг..3.3 и 4.1. Выходной сигнал синхронного детектора .6(фиг. 3.7 и 4.2) подается на вход интегратора 7. Выходное на» пряжение интегратора. 7 (при условии, что измерительная цепь уравновешена) по окончании интервала времени Т равна нулю. Выходное напряжение интегратора 7 изображено на фиг. 4.7. Если . преобразователь уравновешен, то выпол-3О нено соотношение

19 6 бильна за счет применения источника

11 опорного напряжения. Скорость изменения выходных напряжений треугольной формы ГЛИН 1 такова, что за стабильный интервал .времени Т выходное напряжение ГЩ4Н 1 на инверсном выходе достигнет .значения -U „, а на прямом выходе +U „ . Выходное напряжение интегратора 7 (которое является выходным напряжением устройства) равно по модулю напряжению на образцовом конденсаторе 4 (фиг.3.5) в момент размыкания ключа 2, т.е. выходное напряжение ГЛИН 1 достигает выходного напряжения преобразователя „sa временной интервал Т „(фиг. 3. 1 и 3.8).

Иэ сказанного следует. оп

Т (5)

dton

Подставив значения (5) и (6). в выражение (2), получаем

iС то».с, Tвык

= О, где i< =C» ск ток, протекающий через измеряемый датчик 3 (С»); оп

aU,„

dt,„ о»

C„—- ton оп. 45

Т = С вЂ” — — Т . (2) о o dt въи

Но так как скорости изменения выходных сигналов на прямом и инверсном выходе ГЛИН 1 равны, то выражение (2) примет вид ст =:ст,„. (3)

Из выражения (3) может быть определен выходной временной интервал

С„

Т = — — -Т. (4) вы»

Амплитуда выходных напряжений на прямом и инверсном выходе ГЛИН 1 ста55

iñ СΠ— ток, протекающий с, через образцовый конденсатор 4 (Со), Выражение (1) может быть приведено ,к виду. ни т )и (т -T „) и оо

- — —.(К ь л r !4 6 °

on оп к о 14 б — — (C C)К

+ ьык б ьмкб где о — постоянная времени синхрон6 ного детектора 6;

К вЂ” коэффициент передачи усилителя 5, равный единице, деленной на емкость конденсатора обратной связи усилителя 5 (усилитель 5 представляет собой инвертирующий усилитель на ОУ и конденсаторах С„.и С в прямой цепи, а в цепи отрицательной обратной связи С ), поэтому

К

14 С oog где U „ — амплитуда выходных сигналов треугольной формы

ГЛИН 1 .. !

Определим выходное напряжение синхронного детектора и в момент време1525619

Фис.!

При а = 0,8 устройство уравновешивается за четыре периода сигнала

ГЛИН 1 с точностью 0,13Х и при часто-! те выходных сигналов ГЛИН 1 Е

ОП 5

= 25"10 Гц время уравновешивания равно 0,2 мс с точностью =О, 1X) так как основной выходной величиной явля, ется временной интервал, то время выборки информации об измеряемой ве- 10 личине сокращено по сравнению с прототипом до величины половины периода выходного сигнала ГЛИН 1 (а — коэффициент передачи по цепи обратной связи). 15

Достоинством изобретения по сравнению с прототипом является увеличение быстродействия, что ведет к снижению динамической погрешности измерительной системы, а также расширение функциональных возможностей за счет наличия двух выходных сигналов— временного интервала и постоянного напряжения. 25

Формула и з о бр ет ения

Преобразователь параметров емкостных датчиков во временной интервал, и напряжение, содержащий ключ, второй вывод. которого соединен с первым выводом образцового конденсатора, зажимы, для подключения измеряемого емкостного датчика, усилитель сигнала неравновесия, вход которого соединен с вторым выводом образцового конденсатора и с одним из зажимов для подключения измеряемого емкостного.датчика, выход усилителя неравновесия соединен с одним из входов синхронного детектора, выход которого соединен с входом интегратора, а. выход последнего соединен с одним их входов компаратора, отличающийся тем, что, с целью увеличения быстродействия и расширения функциональных возможностей, в него введены генератор линейно изменяющегося напряжения, логический элемент .2И, причем прямой выход генератора линейно изменяющегося напряжения соединен с другим зажимом для подключения измеряемого емкостного датчика и входом компаратора, а инверсный выход генератора линейно изменяющегося напряжения соединен с первым выводом ключа, первый вход логического элемента 2И .соединен с выходом управления генератора линейно изменяющегося напряжения и входом управления синхронного детектора, второй вход логического элемента 2И соединен с выходом компаратора и входом управления ключа, выход логического элемента 2И является первым выходом устройства, а выход интегратора является вторым выходом устройства.

1525619

4.2