Измерительный преобразователь емкостного датчика

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам контроля и измерения параметров электрических цепей. Целью изобретения является повышение точности измерения. Преобразователь содержит источник 1 опорных напряжений, три коммутатора 2,3 и 4, измеряемый емкостной датчик 6, представленный двухэлементной схемой замещения , содержащей информативный емкостной элемент 7 и резистивный элемент 8, образцовые элементы - конденсатор 5 и резистор 10, разделительный конденсатор 9, усилитель 11 сигнала неравновесия измерительной цепи, выход которого соединен с информационными входами синхронных детекторов 15 и 21. Синхронный детектор 15 выполняет функ

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 R 27/26

ГОСУДАРСТВЕ ННЫ И КОМИТЕТ

l10 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР !! ), ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ—

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ( V 3 о ( 4 (21) 4612102/21 (22) 28,10.88 (46) 15.09 91. Бюл, N 34 (71) Ленинградский политехнический институт им.M,È.Êàëèíèíà (72) А.Л,Соловьев и В.С.Гутников (53) 621.317,333 (088.8) (56) Кисллер B.Þ., Боровски;; Л.Р. Определение параметров многоэлементных двухполюсников. М,; Энергоатомиздат, 1986, с.41. (54) ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЕМКОСТНОГО ДАТЧИКА (57) Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам контроля и измерения па раметров

„„Я2„„1677667 А1 электрических цепей. Целью изобретения является повышение точности измерения.

Преобразователь содержит источник 1 опорных напряжений, три коммутатора 2,3 и 4, измеряемый емкостной датчик б, представленный двухэлементной схемой замещения, содержащей информативный емкостной элемент 7 и резистивный элемент 8, образцовые элементы — конденсатор 5 и резистор 10, разделительный конденсатор 9, усилитель 11 сигнала неравновесия измерительной цепи, выход которого соединен с информационными входами синхронных детекторов 15 и 21.

Синхронный детектор 15 выполняет функ1677667

20

30

40 цию преобразования разности зарядов в постоянное напряжение, которое несет информацию о величине измеряемой емкости

7. Синхронный детектор 21 выполняет функцию диференцирующего преобразователя тока в постоянное напряжение, которое несет информацию о величине сопротивления

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

Цель изобретения — повышение точности измерения.

На фиг,1 приведена функциональная электрическая схема измерительного преобразователя емкостного датчика; на фиг.2 и 3 — эпюры напряжений в различных точках измерител ь ного и реобразователя емкостного датчика, Измерительный преобразователь емкостного датчика содержит источник 1 опорного напряжения, первый 2, второй 3, третий 4 коммутаторы, образцовый конденсатор 5, емкостный датчик 6, включающий емкостный 7, реэистивный 8 элементы, первый разделительный конденсатор 9, образцовый резистор 10, усилитель 11 сигнала неравновесия измерительной цепи, включающий операционный усилитель 11, первый конденсатор 12, резистор 13 обратной связи, операционный усилитель 14, первый синхронный детектор 15, включающий второй разделительный конденсатор 16, четвертый 17 и пятый 18 коммутаторы, второй конденсатор 19, второй операционный усилитель 20, второй синхронный детектор 21, включающий третий разделительный конденсатор 22, шестой коммутатор 23, третий конденсатор 24, третий операционный усилитель 25, блок управления 26, включающий времязадающий конденсатор 27, резистор

28, первый 29, второй 30 элементы 2И вЂ” НЕ, первый триггер 31, третий элемент 2И 32, второй триггер 33, первый 34 и второй 35 элементы 2И, Выходы положительного и отрицательного напряжения источника 1 соединены соответственно с первым и вторым информационными входами коммутатора 3, Первые информационные входы коммутаторов 2 и 4 соединены с общей шиной устройства, а выходы коммутаторов 2 и 3 соединены соответственно с потенциальными выводами образцового конденсатора 5 и емкостного датчика 6, Выход коммутатора 4 через разделительный

8. Особенностью преобразователя является алгоритм работы, который задается блоком управления 26 и основан на поочередном уравновешивании зарядов на измеряемом 7 и образцовом 5 конденсаторах и токов, протекающих через паразитный 8 и образцовый

10 резисторы. 3 з.п,ф-лы, 3 ил. конденсатор 9 соединен с потенциальным выводом образцового резистора 10, Токовые выводы образцового конденсатора 5, емкостного датчика 6 и образцового резистора 10 соединены со входом усилителя сигнала неравновесия измерительной цепи (УСН) 11, выход которого соединен с инфор-.» мационными входами синхронных детекторов (СД) 15 и 21. Выход синхронного детектора 15 соединен со вторым информационным входом коммутатора 2 и является первым выходом преобразователя, а выход СД 21 соединен со вторым информационным входом коммутатора 4 и является вторым выходом преобразователя, Выходы управления коммутаторов 2,3 и 4 соединены с первым выходом блока управления (BY) 26 вход управления СД 21 соединен со вторым выходом БУ 26, Первый и второй входы управления СД 15 соединены соответственно с тоетьим и четвертым выходами BY 26, Элементы 7 и 8 соединены параллельно и имитируют измеряемую емкость и активную проводимость емкостного датчика 6, вход которого соединен с выходом переключателя коммутатора 3, а выход с входом усилителя 14, Первые выводы конденсатора 12 и резистора 13 соединены с инвертирующим входом операционного усилителя (ОУ) 14 и являются входом YCH 11, вторые выводы конденсатора 12 и резистора 13 соединены с выходом ОУ 14 и являются выходом УСН

11, неинвертирующий вход ОУ 14 соединен с общей шиной устройства.

Вход разделительного конденсатора 16 является информационным входом СД 15, входы коммутаторов (ключей) 17 и 18 являются соответственно первым и вторым входами управления СД t5. Подвижные контакты ключей 17 и 18 соединены со вторым выводом разделительного конденсатора 16, неподвижный контакт ключа 18 соединен с неинвертирующим входом 0У 20

45 и подключен к общей шине устройства, Неподвижный контакт ключа 17 соединен с первым выводом запоминающего конденсатора 19 и инвертирующим входом ОУ 20.

1677667 выход которого соединен со вторым выводам конденсатора 19 и является выходом

СД 15, Вход разделительного конденсатора 22 является информационным входам СД 21, 5 второй вывод разделительного конденсатора 22 соединен с подвижным контактом коммутатора 23, первый неподвижный контакт которого соединен с инвертирующим входом ОУ 25, и первым выводом конденса- 10 тора 24, второй неподвижный контакт коммута- тора 23 соединен с неинвертирующим входом

ОУ 25 и подключен к общей шине устройств;;, выход ОУ соединен са вторым выводом конденсатора 24 и является выходом СД 21, 15

Первые выводы времязадающего конденсатора 27 и резистора 28 соединены между собой и подключены ко входам элемента 2И вЂ” НЕ 29, второй вывод резистора

28 соединен со входами элемента 2И вЂ” НЕ 20

30 и подключен ко второму входу элемента

2И 32. Выходэлемента 2И вЂ” НЕ 30 соединен со вторым выводом конденсатора 27 и Т вЂ”. входом триггера 31. Неинвертирующий выход триггера 31 соединен с первым входом элемента 2И 32 и Т вЂ” входом триггера ЗЗ, а также является первым выходом БУ 26. Выход элементаа 2И 32 соединен с первым входом элемента 2И 34 и вторым входом элемента 2И 35, второй вход элемента 2И 34 и первый вход элемента 2И 35 соединены соответственно с неинвертирующим и инвертирующим выходами Т вЂ” триггера 33, причем выходы элементов 34 и 35 являются соответственно вторым и третьим выходами

БУ 26. Инвертирующий выход Т вЂ” триггера

31 является четвертым выходом БУ 26.

Измерительный преобразователь емкостного датчика работает следующим образом.

На элементах 29,30,27 и 28 реализован генератор прямоугольного напряжения, форма выходного напряжения, снимаемого с выхода элемента 2И вЂ” НЕ 30, изображена на фиг.2.1. Это напряжение подается на вход T-триггера 31. Выходное напряжение, снимаемое с неинвертирующего выхода триггера 31 (фиг,2.2), управляет работой коммутаторов 2,3 и 4 и определяет цикл работы преобразователя, Выходное напряжение элемента 2И 32 (фиг.2.4) задает временные интервалы уравновешивания, которые формируются после окончания переходного процесса в измерительной цепи преобразователя. Выходное напряжение, снимаемое с выходов Т-тритера 33 (выходное напряжение, снимаемое с неинвертирующего выхода Т вЂ” триггера 33 изображено на фиг.2.3) задает такт работы

55 преобразователя, обеспечивая независимость процессов уравновешивания как по активной, так и по реактивной составляющей сопротивления емкостного датчика.

Форма выходных напряжений, формируемых на выходах элементов 2И 34 и 35, изображена соответственно на фиг.2.5 и 2.6.

Эти напряжения поочередно управляют работой СД 15 и СД 21. При недокомпенсации активной составляющей комплексного сопротивления емкостного датчика, обусловленного наличием паразитнаго резистивнога элемента 8 (резистора), на выходе УСН 11 формируется сигнал, в котором присутствует линейно-изменяющаяся составляющая. Форма выходного напряжения

УСН в момент переходного процесса в устройстве, обусловленного уравновешиванием обоих составляющих комплексного сопротивления емкостного датчика 6, изображена на фиг.2.7. Данная линейно-изменяющаяся составляющая выходного напряжения УСН 11, через конденсатор 22 (в момент срабатывания коммутатора 23 управляемого сигналом логической единицы с выхода элемента 2И 34} подается на вход ОУ

25, изменяет его выходное напряжение и уравновешивает так, протекающий через паразитный резистор 8. В качестве образцовой меры активного сопротивления использован образцовый резистор 10. Назначение разделительного конденсатора 9 (Cg) — формирование двухполярного тока, протекающего через образцовый резистор 8. При этом должно выполняться требование:

T«H(>Cg, где Т вЂ” половина периода выходного напряжения, снимаемое с выхода Т вЂ” триггера 31. Процесс уравновешивания реактивной составляющей емкостного датчика 6 заключается в приведении переменной составляющей выходного напряжения УСН I1 к нулевому значению. Это достигается передачей заряда разделительного конденсатора 16 на инвертирующий вход ОУ 20, входящего в состав СД 15. Достижение состояния равновесия в устройстве заключается в уравновешивании зарядов на измеряемом 7 и образцовом 5 конденсаторах, а также равновесии токов, протекающих через резистор 8 и образцовый резистор 10. В этом случае функции преобразования данного устройства представляют собой выражение:

Сх, о

Овых.1= Uon —, 0в((х.2=Uon —, (1)

Со х где U(((!>,,(— выходное напряжение преобразователя, "íèìàåìîå с выхода СД 15;

Ueux.2 — выходное напряжение преобразователя, снимаемое с выхода СД 21;

1677667

U0n — величина напряжения, снимаемого с выходов ИОН 1 с учетом того, что величина напряжений на выходах lOH 1 относительно общей шины преобразователя равна((оп/2: 5

С, — емкость элемента 7 емкостного датRNK8 6;

Со — величина сопротивления элемента

8., шунтирующего емкостной датчик 6;

Ко — величина сопротивления образцово- 10 го резистора 10.

Поо )ередно уравновешивание каждой из составляющих комплексного сопротивления измеряемого емкостного датчика (которое задано алгоритмом работы блока 15 управления) описывается линейными уравнениями:

С16 п1

U,,(A1):U,bl (о) (1 — С, )

С12,1g (2)

С22 Г i nz 25

UÄÄzЫ =ы з(o) (1

Ro С12 С24

C22(Г /, 6C22 п2 j

Rõ С12 С24 L k Rо С12 (24 /

30 ! где n1 — число тактов уравновешивания измеряемой емкости элемента 7; п2 — число тактов уравновешивания резистивного ЗГ)емента 8, 35

Ыаых1(О), 0в))х2(0) — ПРОИЗВОЛЬНЫЕ ЗНаЧЕния выходных напряжений СД 15 и СД 21 до начала измерения (начальные условия);

C12,С16,C19,С22 ввличина ЕмкОСти конденсаторов 12,16,19,22; 40 т: — длительность временного интервала (снимаемого с выхода логического элемента 2И 34) сигнала управления работой

СД 21.

Форма выходных напряжений в момент переходного процесса, обусловленного

УРаВНОВЕШИВаНИЕМ УСтРОйетюа Ов)х)(П1)— несущее информацию об измеряемой емкоСти 7 Датчика и О(х2(п2) — несУЩее инфоРмацию о величине сопротивления элемента

8, шунтирующего датчик, при значении а1 < 1 и Qz < 1, приведены нафиг,2,8и2,9, где: а1 = СоС16/С)2С19 — коэффициент передачи контура отрицательной обратной связи и цепи уравновешивания заряда изМЕРЯЕМОй ЕМКОСТИ 7; а2 =- С22 Т ИоС)2С24— коэффициент передачи контура отрицательной обратной связи цепи уравновешивания тока, протекающего через элемент 8.

Анализируя выражение (2) можно сделать вывод, что: а) при а),а2 (1 работа преобразователя аппроксимлруется инерционнь)м звеном первого порядка (фиг.2.8 и

2,9); б) при а1 =-а2 == 1 преобразователь уравновешивается за три периода, причем один цикл требуется для уравновешивания активной составляющей емкостного датчика и два цикла для уравновешивания реактивной составляющей комплексного сопротивления емкостного датчика (в данном случае переходный процесс называется критическим); в) при 2 > а1; а2 > 1 — переходный процесс носит затухающий колебательный характер; г) при а1, а2 2, преобразователь самовозбуждается и переходит в автоколебательный режим, В резуг(ьтате использования данного технического решения осуществляется возможность создания простых измерительных преобразователей комплексного сопротивления, представленного двухэлементной схемой замещения, с высокими метрологическими характерис тиками.

Формула изобретения

1. Измерительный преобразователь емкостного датчика, содержащий первый операционный усилитель, который имеет цепь обратной связи между первым входом и выходом и второй вход которого соединен с общей шиной преобразователя и первый синхронный детектор соединенные последовательно, второй синхронный детектор, первая и вторая клеммы для подключения емкостного датчика, причем первая клемма соединена с входом первого операционного усилителя, а выходы первого и второго синхронных детекторов являются соответственно первым и вторым выходами измерительного преобразователя емкостногодатчика, отл и чаю щийся тем, что, с целью повышения точности, введены источник опорного напряжения, первый, второй и третий коммутаторы, первый конденсатор, образ(цов(яй конденсатор, образцовый резистор, первый разделительный конденсатор и блок управления, причем первый вход блока управления соединен с входами управления первого, второго и третьего коммутаторов, второй выход блока управления соединен с входом управления второго синхронного детектора, третий и четвертый выходы блока управления соединены соответственно с первь)м и вторым входами управления первого синхронного детектора, первые информационные входы первого и третьего коммутаторов соединены с общей шиной измерительного преобразователя

1677667

10 емкостного датчика, вторые информационные входы их соединены соответственно с выходом первого и второго синхронных детекторов, первый и второй выходы источника опорного напряжения соединены соответственно с первым и вторым информационными входами второго коммутатора, выход которого соединен с второй клеммой для подключения емкостного датчика, выход первого коммутатора через образцовый конденсатор, а выход третьего коммутатора — через последовательно соединенные разделительный конденсатор и образцовый резистор, соединены с входом первого операционного усилителя, вход второго синхронного детектора соединен с входом первого синхронного детектора, а первый конденсатор включен параллельно цепи обратной связи первого операционного усилителя.

2, Преобразователь по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что первый синхронный детектор содержит четвертый и пятый коммутаторы, второй операционный усилитель, второй конденсатор, второй разделительн ый конденсатор, п ри чем вход второго разделительного конденсатора соединен с входом первого синхронного детектора, выход его соединен с информационным входом четвертого и пятого коммутаторов, выходы которых соответственно соединены с первым и вторым входами второго операционного усилителя, первый вход второго операционного усилителя через второй конденсатор соединен с его выходом, а второй вход его соединен с общей шиной преобразователя, выход второго операционного усилителя соединен с выходом первого синхронного детектора, управляющие входы четвертого и пятого коммутаторов соответственно соединены с первым и вторым входами управления первого синхронного детектора.

3. Преобразователь по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что второй синхронный детектор содержит третий операционный усилитель, третий конденсатор, третий разрядный конденсатор, шестой коммутатор, причем вход третьего разделительного конденсатора соединен с входом второго

5 синхронного детектора, выход его соединен с информационным входом шестого ключа, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами третьего операционного усилителя, 10 первый вход которого соединен через третий конденсатор с его выходом, а второй вход его — с общей шиной преобразователя, выход третьего операционного усилителя соединен с выходом второго синхронного t5 детектора, управляющий вход шестого коммутатора соединен с входом управления второго синхронного детектора.

4. Преобразователь по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что блок управления содержит

20 времязадающий конденсатор, резистор, первый и второй элементы 2И вЂ” НЕ, первый и второй триггеры, первый, второй и третий элементы 2И, причем выход первого элемента 2И вЂ” НЕ соединен последовательно с

25 вторым элементом 2И вЂ” НЕ, первым тригге- . ром, вторым триггером, вторым входом первого элемента 2И, выход которого соединен с вторым выходом блока управления, первые клеммы времязадающего конденсатора

30 и резистора соединены с входом первого элемента 2И вЂ” КЕ, вторые клеммы которых соответственно соединены с выходом и входом второго элемента 2И вЂ” НЕ, выход первого триггера соединен с первым выходом

35 блока управления, второй выход второго триггера соединен с первым входом второго элемента 2И, выход которого соединен с третьим выходом блока управления, второй выход первого триггера соединен с четвер40 тым выходом блока управления, первый выход триггера через первый вход третьего элемента 2И соединен с первым входом первого элемента 2И и вторым входом второго элемента 2И, второй выход второго

45 триггера соединен с пятым выходом блока управления.

1677667

2.1

2,2

Составитель В.Ежов

Техред М.Моргентал

Корректор С.Шевкун

Редактор Н.Химчук

Заказ 3113 Тираж 392 Подписное

ННИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", i ужгород, ул.Гагарина, 101