Измерительный преобразователь неэлектрических величин с емкостным датчиком

 

Использование: в электроизмерительной технике. Сущность изобретения: измерительный преобразователь неэлектрических величин с емкостным датчиком содержит источник стабильного постоянного напряжения 1, коммутаторы 2 и 3, рабочий и образцовый конденсаторы 4 и 5, генератор прямоугольного напряжения 6, усилитель 7, амплитудный детектор 8, формирователь импульсов 9, генератор тактовых импульсов 10, элементы задержки 11, счетный триггер 12, логический элемент ИЛИ 13, логические элементы И 14 и 15, источник питания 16, два ключа 17 и 18, интегратор 19 и блок запоминания 20 амплитуды напряжения. В предлагаемом преобразователе осуществляется частотно-избирательное усиление сигналов, снимаемых с токовых электродов рабочего и образцового конденсаторов и дальнейшее их амплитудное детектирование. При этом формирование сигнала компенсации на выходе интегратора осуществляется по знаку амплитудных приращений сигнала на выходе амплитудного детектора, получаемых в результате принудительной подзарядки интегратора от источника питания. 1 з.п.ф-лы, 2 ил. (Л

союз советеких

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 6 01 R 27/26

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

«1 « .! !! ! !« «I I I ! I II!! ! !!

««!««««!

«! «! t (21) 4834130/21 (22) 28.02.90 (46) 15.02.93. Бюл. N- 6 (71) Краснодарский филиал Государственного научно-исследовательского института гражданской авиации (72) Н.Д.Пустовалов (56) Гриневич Ф.Б., Новик А.И. Измерительные компенсационно-мостовые устройства с емкостными датчиками, Киев: Наукова думка, 1987, с. 40;

Карандеев К.Б., Гриневич Ф.Б. Быстродействующие электронные компенсационно-мостовые приборы. — M.: Энергия, 1970, с. 130.

Авторское свидетельство СССР

М 1057882, кл. G 01 R 27/26, 1982. (54) ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН С

ЕМКОСТНЫМ ДАТЧИКОМ (57) Использование: в электроизмерительной технике. Сущность изобретения: измерительный преобразователь неэлектрических величин с емкостным датчиком содержит

„„. Ж,„, 1795381 А1 источник стабильного постоянного напряжения 1, коммутаторы 2 и 3, рабочий и образцовый конденсаторы 4 и 5, генератор прямоугольного напряжения 6, усилитель 7, амплитудный детектор 8, формирователь импульсов 9, генератор тактовых импульсов

10, элементы задержки 11, счетный триггер

12, логический элемент ИЛИ 13, логические элементы И 14 и 15, источник питания 16, два ключа 17 и 18, интегратор 19 и блок запоминания 20 амплитуды напряжения. В предлага° емом преобразователе осуществляется частотно-избирательное усиление сигналов,снимаемых с токовых электродов рабочего н образцового конденсаторов и дальнейшее их амплитудное детектирование. При этом формирование сигнала компенсации на выходе интегратора осуществляется по знаку амплитудных приращений сигнала на выходе " амплитудного детектора, получаемых в результате принудительной подзарядки интегратора от источника питания. 1 з.п.ф-лы, 2 ил, у„у„

1795381

Изобретение относится к электроизмерительной технике, может использоваться для измерения различных неэлектрических величин и предназначено для преобразования изменений емкости рабочего конденсатора датчика в изменения постоянного напряжения, Известны измерительные преобразователи неэлектрических величин, содержащие рабочий и образцовый конденсаторы, включенные в цепь соответственно прямой и обратной связи уравновешивающего усилителя. (например, операционного усилителя), генератор колебаний напряжения, выходное напряжение которого через рабочий конденсатор поступает на вход уравновешивающего усилителя, Недостаток известных устройств заключается в том, что информативным выходным параметром их является амплитуда пере- 20 менного напряжения, снимаемая с выхода уравновешивающего усилителя и для преобразования которой в постоянное напряжение необходим измерительный выпрямитель, являющийся-достаточно 25 сложным и имеющим существенную по.грешность преобразования, Известны измерительные преобразователи неэлектрических величин с емкостными датчиками, построенные на основе ЗО автокомпенсационнь:,х схем с питанием.переменным синусоидальным íàïðÿæeíéåì, содержащие емкостный датчик с рабочим и образцовым конденсаторами, генератор синусоидального напряжения и систему авто- З5 матического уравновешивания, причем уравновешивание производится изменением амплитуды синусоидального сигнала на одном из сравниваемых конденсаторов при постоянной амплитуде противофазного си- 4О нусоидального напряжения на втором.

В этом устройстве информативным выходным параметром является амплитуда переменного синусоидального напряжения, вследствие чего известному устройству 45 свойственен тот же недостаток, что и вышеупомянутому.

Известен также измерительный преобразователь неэлектрических величин с емкостным датчиком, содержащий клеммы для подключения рабочего конденсатора, образцовый конденсатор, усилитель, фазочувствительный детектор, источник стабильного постоянного напряжения, два коммутатора и генератор прямоугольного 55 напряжения, при этом выход источника стабильного постоянного напряжения соеди- нен с первым информационным входом первого коммутатора, вторые информационные входы обоих коммутаторов подключены к общей шинеустройства, выходы коммутаторов подключены к одной из клемм для подключения потенциального электрода рабочего конденсатора и потенциальному электроду образцового конденсатора соответственно, а клемма для подключения токового электрода рабочего конденсатора соединена с токовым электродом образцового конденсатора и подключена через усилитель к входу фазочувствительного детектора, выход которого подключен к первому информационному входу второго коммутатора и к выходным зажимам устройства, выход генератора прямоугольного напряжения соединен с управляющими входами коммутатора и опорным входом фазочувствительного детектора.

Недостаток такого устройства заключается в том, что помехи и шумы, наводимые в конденсаторах датчика, вместе с полезным сигналом усиливаются в усилителе (который, как правило, имеет весьма большой коэффициент передачи), Это обстоятельство снижает помехоустойчивость преобразователя, а наличие усиленных шумов и помех увеличивает порог чувствительности преобразователя и тем самым ограничивает точность преобразования. . Использование узкополосного частотно-избирательного усилителя (настроенного на частоту колебаний генератора и ря моуголь ного нап ряжения) для подавления помех и шумов в известном устройстве затруднено тем, что такой усилитель имеет крутую фазочастотную характеристику и вносит паразитные фазовые сдвиги (при нестабильностях частоты колебаний генератора прямоугольного напряжения, воздействиях температуры, амплитудных изменений сигнала на входе усилителя) в усиливаемый полезный сигнал и, следовательно, нарушает нормальную работу фазочувствительного детектора, Это также может приводить к погрешности преобразования.

Цель изобретения — повышение помехоустойчивости и точности преобразования.

Поставленная цель достигается тем, что измерительный преобразователь неэлектрических величин с емкостным датчиком, содержащий источник стабильного постоянного напряжения, первый и второй коммутаторы, генератор прямоугольного .напряжения, клеммы для подключения рабочего конденсатора, образцовый конденсатор и усилитель, вход которого соединен с токовым выводом образцового конденсатора и одной из клемм для подключения рабочего конденсатора, выход источника стабильного постоянного напряжения сое1795381

10

20

30

55 динен с первым информационным входом первого коммутатора, входы управления первого и второго коммутаторов соединены с выходом генератора прямоугольного напряжения, вторые информационные входы обоих коммутаторов соединены с общей шиной преобразователя, а выходы — с потенциальным электродом образцового конденсатора и второй клеммой для подключения рабочего конденсатора, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости и точности преобразования, в него введены амплитудный детектор, формирователь импульсов, элемент задер>кки, счетный триггер, генератор тактовых импульсов, логический элемент ИЛИ, . два логических элемента И, два ключа, источник питания, интегратор, блок,запоминания амплитуды напряжения, при этом выход усилителя через амплитудный детектор соединен с первым входом формирователя импульсов, второй вход которого соединен с первым выходом генератора тактовых импульсов, а выход — с входом счетного триггера и с входом элемента задержки, выход которого соединен с первым входом логического элемента ИЛИ, второй вход которого соединен со вторым выходом генератора тактовых импульсов, а выход с первыми входами логических элементов

И,вторые входы которых соединены соответственно с прямым и инверсным выходами счетного триггера, а выходы — со входами управления соответственно первого и второго ключей, аналоговые входы которых соединены с разными полюсами источника питания, а выходы ключей соединены между собой и с входом интегратора, выход которого соединен с первым информационным входом второго коммутатора и с первым входом блока запоминания амплитуды напряжения, второй вход которого соединен с третьим выходом генератора тактовых импульсов, а выход соединен с выходными зажимами преобразователя.

В соответствии с предложенным техническим решением в преобразователе осуществляется узкополосное частотно-избирательное усиление выходных сигналов ем костного преобразователя (т,е. сигналов, снимаемых с токового электрода конденсатора С и клеммы, подключенной к токовому электроду конденсатора С ) и дальнейшее их амплитудное детектирование. При этом формирование сигнала компенсации (сигнала, поступающего на образцовый конденсатор С>) осуществляется по знаку амплитудных приращений сигнала на выходе амплитудного детектора, получаемых в результате принудительных периодических положительных и отрицательных приращений амплитуды сигнала компенсации, Благодаря этому в преобразователе осуществляется эффективное подавление шумов и помех, наводимых на емкостный преобразователь (на конденсаторы Сх и Со) и повышается точность преобразования.

На фиг. 1 представлена блок-схема преобразователя; на фиг. 2 — диаграммы, поясняющие его работу.

Преобразователь (фиг, 1) содержит источник 1 стабильного постоянного напряжения, коммутаторы 2 и 3, клеммы 4 для подключения рабочего конденсатора 5, образцовый конденсатор 6, генератор 7 прямоугольного напряжения, избирательный усилитель 8, амплитудный детектор 9, формирователь 10 импульсов, генератор тактовых импульсов (ГТИ) 11, элемент задержки

12, счетный триггер 13, логический элемент

ИЛИ 14, логические элементы И 15 и 16, двухполярный источник 17 питания, ключи . l8 и 19, интегратор 20, блок 21 запоминания амплитуды напряжения.

Преобразователь работает следующим образом, На потенциальный электрод рабочего конденсатора 5 через клемму 4 и на потенциальный электрод образцового кон-денсатора 6 подают противофазные прямоугольные напряжения, формируемые коммутатором 2 из постоянного напря>кения источника 1 и коммутатором 3 из выходного нап ряжения интегратора 20, Коммутаторы 2 и 3 управляются генератором.7 прямоугольного напряжения. Токовый электрод рабочего конденсатора 5 через клемму 4 и токовый электрод образцового конденсатора б соединены вместе и подключены через избирательный усили тель 8, настроенный на частоту колебаний генератора 7, к входу амплитудного детектора 9, напряжение Ug соответствует модулю напряжения !04, снимаемого с токовых электродов рабочего и образцового конденсаторов 5 и 6, т.е.

Ug = Кз.Kg.lUxl, (1) где Кв и Kg — коэффициенты передачи соответственно избирательного усилителя и амплитудного детектора.

Причем напряжение Ug зависит от выходного (компенсирующего) напряжения

Uzo интегратора 20 по кривой Ug = f(U2o)Сх=сопи, показанной на фиг. 2. Точка экстремума "д" кривой Ug = f(Uzo)Cx = const соответствуGT полной компенсации тока, протекающего через рабочий конденсатор 5, током образцового конденсатора 6, а напряжение Uzo на выходе интегратора 20 при этом будет описываться выражением:

1795381

О20 = Ост

Сх (2)

Со где Uc> — стабилизированное постоянное напряжение источника 1;

Сх и Со — емкости рабочего 5 и образцового 6 конденсаторов, Выходное напря>кение О2о интегратора

20 может меняться в любом направлении по мере подачи на него напряжения положительной или отрицательной полярности от источника 17 питания через ключи 18 и 19.

ГТИ 11 в течение одного такта вырабатывает на трех своих выхорах по одному тактовому импульсу U<<, О11 и U<<",:которые сдвинуты относительно друг друга во времени (фиг.

2), Тактовые импульсы U11i и U112 íà первом и втором выходах ГТИ 11 имеют малую длительность и посредством ключей 18 и 19 кратковременно подключают интегратор 20 к положительному или отрицательному полюсу источника 17 питания. При этом выходное напряжение Uzo интегратора 20 получит соответствующее приращение. Величина этих приращений пропорциональна длительности тактовых импульсов U1< и О и значению напряжения источника 17 пита1

Если в момент включения питания преобразователя величина выходного напряжения Uzo интегратора 20 такова, что напряжение на выходе амплитудного детектора 9 соответствует точке "б" на кривой Ug=

= f{Uzo)C = const (фиг. 2), а счетный триггер

13 находится в единичном состоянии, тогда с первого выхода ГТИ 11 через элемент ИЛИ

14 и открытый элемент И 15 на вход управления ключа 18 поступит тактовый импульс

1 Ф

U>>, в результате чего выходное напряжение Uzo интегратора 20 получит отрицательное приращение. Это вызывает уменьшение амплитуды противофазного напряжения на выходе коммутатора 3, а следовательно, вызовет увеличение амплитуды . сигналов. на выходах избирательного усилителя 8 и амплитудного детектора 9, С выхода амплитудного детектора 9 сигнал поступает на формирователь 10 импульсов, который служит для формирования импульса U>o на его. выходе при отсутствии отрицательного приращения напряжения на выходе амплитудного детектора 9, причем импульс U>o может формироваться только в момент подачи на вход управления формирователя 10 импульсов тактового импульса О со второго выхода ГТИ 11. С выхода формирователя 10 импульсов Ою поступает на вход счетного триггера 13 и изменяет его состояние (триггер устанавливается в нулевое состояние). При этом элемент И 15 запирается, а элемент И 16 открывается. С выхода формирователя 10 импульсов тот же самый импульс U

2), В следующем такте импульс U>> с первого выхода ГТИ 11 через элемент ИЛИ 14 и элемент И 16 поступает на вход ключа 19, Выходное напряжение Uzo интегратора 20 получает положительное приращение: амп-. литуда сигнала на выходах избирательного усилителя 8 и амплитудного детектора 9 уменьшается и принимает значение, соот10

15 ветствующее точке "в". При этом отрица20 детектора 9 до значения, соответствующего точке "г", которое является самым. близким

30 к точке "д". экстремума кривой Ug = f(Uzo)Cx =

=const. После этого увеличение или уменьшение амплитуды напряжения Uzo на выходе интегратора 20 получает положительное приращение амплитудь1.сигнала Ug на выходе амплитудного детектора 9, а значит, вызовет появление импульса Uio на выходе формирователя 10, который- поступает на вход счетного триггера 13 и изменяет его состояние. Тот же самый импульс U>o через элемент 12 задержки, элемент ИЛИ 14 и через один из элементов И 15 или l6 поступает на вход одного из ключей 18 или 19 и вызывает изменение выходного напряже40 ния Uzo интегратора 20 в таком направлении, чтобы амплитуда сигнала на выходе детектора 9 снова соответствовала точке

"r". Последующие тактовые импульсы Оц с первого выхода ГТИ 11 непрерывно будут осуществлять пробные воздействия, увеличивая или уменьшал амплитуду напряжения на выходе интегратора 20, а ймпульсы Uio, формируемые на выходе формирователя 10, будут возвращать амплитуду сигнала на выходе амплитудного детектора 9 к значению, соответствующему точке "г", Таким образом, устройство из режима поиска переходит в режим слежения, При изменениях измеряемой величины устройство в режиме слежения будет формировать

55 тельный перепад амплитуды напряжения Ug на выходе детектора 9 не вызывает появления импульса Ою на выходе формирователя

10 импульсов, Далее последующие такто25 вые импульсы U1> с первого выхода ГТИ 1 через элементы ИЛИ 14, И 16 будут поступать на вход ключа 19 и будут уменьшать амплитуду сигнала на выходе амплитудного

1795381

30 на выходе интегратора 20 напряжение, амплитуда которого будет прямо пропорциональна измеряемой величине (см,формулу (2)).

С третьего выхода ГТИ 11 на вход блока

21 запоминания амплитуды напряжения поз ступают тактовые импульсы U<> и в этом блоке запоминается амплитудное значение выходного напряжения U2o интегратора 2о, которое поступает на выходные зажимы з преобразователя. Тактовые импульсы 011 во времени следуют после возвратных такToBblx импульсов U31 (после импульсов,фор2 мируемых на выходе формирователя 10), Поэтому амплитудное значение напряжения на зажимах преобразователя устойчиво соответствует точке "г" (фиг. 2).

Для высокого коэффициента усиления избирательного усилителя 8 погрешность преобразования устройства определяется в основном величиной 0,5 AU2o, где AU2o— величина дискретных приращений напряжения на выходе интегратора 20 при подзарядке его разнополярными импульсами, поступающими от блока питания 17 через ключи 18 и 19. При этом величина bU2o может быть достаточно малой.

Формула изобретения

1. Измерительный преобразователь неэлектрических величин с емкостным датчиком, содержащий источник стабильного постоянного напряжения, первый и второй коммутаторы, генератор прямоугольного напряжения, клеммы для подключения рабочего конденсатора, образцовый конденсатор и усилитель, вход которого соединен с токовым выводом образцового конденсатора и одной из клемм для подключения рабочего конденсатора, выход источника стабильного постоянного напряжения соединен с первым инфо,"мационным входом первого коммутатора, входы управления первого и второго коммутаторов соединены с выходом генератора прямоугольного напряжения, вторые информационные входы обоих коммутаторов соединены с общей шиной преобразователя, а выходы — с потенциальным электродом образцового конденсатора и второй клеммой для подключения рабочего конденсатора, отличающийся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости и точности преобразования, в него введены амплитудный детектор, формирователь им5

В предложенном преобразователе формирование сигнала компенсации U2o на выходе интегратора 20 осуществляется по знаку амплитудных приращений сигнала неравновесия, снимаемого с токовых электродов конденсаторов Со и. Сх (по знаку амплитудных приращений сигнала на выходе амплитудного детектора) и получаемых в результате пробных воздействий (в результате подзарядки интегратора 20 разнополярными импульсами), В связи с тем, что амплитуда сигнала неравновесия не чувствительна к фазовым нестабильностям, то в предложенном преобразователе для усиления сигнала неравновесия может использоваться избирательный узкополосный усилитель, настроенный на частоту колебаний генератора прямоугольного напряжения 7, При этом будет осуществляться эффективное подавление шумов и помех, наводимых на конденсаторы С и Сх, а фазовые сдвиги в избирательном усилителе не будут влиять на точность измерения. В свою очередь, снижение шумов и помех снизит порог чувствительности преобразователя и позволит фиксировать меньшие величины изменения полезного сигнала, а следовательно, повысить точность преобразования, пульсов, элемент задержки, счетный триггер, генератор тактовых импульсов, логический элемент ИЛИ, два логических элементов И, два ключа, источник питания, интегратор, блок запоминания амплитуды напряжения, при этом выход усилителя через амплитудный детектор соединен с первым входом формирователя импульсов, второй вход которого соединен с первым выходом генератора тактовых импульсов, а выход — с входом счетного триггера и с входом элемента задержки, выход которого соединен с первым входом логического элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с вторым выходом генератора тактовых импульсов, а выход — с первыми входами логических элементов И, вторые входы которых соединены соответственно с прямым и инверсным выходами счетного триггера, а выходы — с входами управления соответственно первого и второго ключей, аналоговые входы которых соединены с разными полюсами источника питания, а выходы ключей соединены между собой и с входом интегратора, выход которого соединен с первым информационным входом второго коммутатора и с первым входом блока запо12

1795381

Редактор В.Трубченко

Составитель О.Свинин

Техред М.Моргентал Корректор И.Шмакова

Заказ 427 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 минания амплитуды напряжения, второй вход которого соединен с третьим выходом генератора тактовых импульсов, а выход со- . единен с выходными зажимами преобразователя.

2. Преобразователь по и. 1, о т л и ч à е щ ий с я тем, что усилитель выполнен частотно-избирательным и настроенным на частоту колебаний . генератора прямоугольного напряжения.