Способ преобразования выходного сигнала емкостного чувствительного элемента датчика и устройство для его осуществления
Изобретение относится к области электротехники. Техническим результатом является повышение быстродействия и помехозащищенности. Способ включает в себя генерацию прямоугольных импульсов, одновременное формирование двух временных интервалов, пропорциональных величинам двух измерительных емкостей и изменяющихся в противофазе, согласно измеряемой физической величине. По окончании первого временного интервала определяют, закончилось или нет к этому времени формирование второго временного интервала и, если закончилось, формируют сигнал, характеризующий достижение измеряемой физической величиной заданного значения. При этом выдерживают равенство двух временных интервалов при заданном значении измеряемой физической величины, а генерацию импульсов производят независимо от изменения измерительных емкостей. Устройство для осуществления способа включает в себя генератор прямоугольных импульсов (ГПИ), два резистора, соединенные одними выводами между собой, а другими с первыми обкладками конденсаторов, вторые обкладки которых соединены между собой, Д-триггер, входы которого соединены с первыми обкладками конденсаторов, и усилитель мощности. Выход ГПИ подключен к соединенным между собой выводам резисторов, а выход усилителя мощности является выходом преобразователя. 2 н.п., 1 з.п. ф-лы, 2 ил. 
Предлагаемое изобретение относится к электрическим средствам передачи выходного сигнала от чувствительного элемента датчика путем изменения параметров импульсов. Может быть использовано преимущественно для дистанционного автоматического контроля состояния двухпозиционных исполнительных элементов систем бортовой автоматики, работающих в тяжелых эксплуатационных условиях и обеспечивающих высокое быстродействие и точность.
Известны способы преобразования выходного сигнала емкостного чувствительного элемента датчика, основанные на измерении параметров электрических импульсов, генерируемых с использованием переменных емкостей чувствительного элемента или изменяющихся при пропускании их через эти емкости. Так, например, способ преобразования сигнала, реализуемый устройством для измерения малых отклонений объемов по заявке ФРГ №3732756 МКИ G 01 D 5/24, 1988 г. включает генерацию двух последовательностей прямоугольных импульсов, частота следования которых изменяется так, что формируемый периодический выходной сигнал будет иметь коэффициент заполнения, пропорциональный разности измерительных емкостей. Способ преобразования положения подвижного бесконтактного токосъемника резистивно-емкостного датчика по авт.св. №1446451 (СССР), МКИ G 01 В 7/00, 1988 г. основан на измерении напряжений на двух измерительных емкостях и преобразовании этих напряжений путем их сложения и деления напряжения на первой емкости на величину их суммы. Оба упомянутых способа содержат большое количество операций, выполняемых последовательно и используемых при преобразовании сигнала, точность выполнения которых существенно зависит от стабильности параметров радиоэлектронных элементов устройств, реализующих эти способы. В результате будем иметь низкую стабильность выходных характеристик и невысокое быстродействие.
Прототипом заявляемого технического решения является способ преобразования выходного сигнала емкостного чувствительного элемента датчика, реализуемый емкостным преобразователем давления или разности давлений по заявке Японии №63-52686, МКИ G 01 D 5/24, 1988 г. Способ включает генерацию последовательности прямоугольных импульсов, длительность которых пропорциональна величинам двух измерительных емкостей, преобразование длительностей каждой из последовательностей импульсов в напряжение, определение разности этих напряжений и умножение этой разности на напряжение, пропорциональное частоте следования импульсов. Полученный сигнал будет пропорционален измеряемой физической величине.
Период генерируемой последовательности импульсов равен сумме двух временных интервалов, каждый из которых пропорционален одной из двух измерительных емкостей. При этом любая импульсная помеха окажет влияние на величину только одного временного интервала, что изменит величину разности этих двух временных интервалов. А в условиях плотной компоновки бортовой аппаратуры изделий ракетной техники, когда в малом объеме сосредоточено большое количество сильноточных потребителей, появление таких помех неизбежно. Воздействие этих помех может проходить как по цепям питания, так и через чувствительные элементы. Преобразование частоты следования импульсов в напряжение требует анализа последовательности порядка десяти импульсов, что и определяет затраты времени на выполнение этой операции. А для повышения точности выполнения этой операции количество импульсов анализируемой последовательности нужно увеличивать.
Все отмеченные недостатки способа свойственны и емкостному преобразователю давления или разности давлений по заявке Японии №63-52686, МКИ G 01 D 5/24, 1988 г., реализующему способ-прототип и являющемуся прототипом заявляемого устройства.
При использовании рассмотренных способов преобразования выходного сигнала емкостного чувствительного элемента датчика в устройствах бортовой автоматики баллистических ракет и особенно их боевых ступеней определяющими эксплуатационными характеристиками являются быстродействие, точность и помехозащищенность выполняемого преобразования.
Целью предлагаемого изобретения по п.1 формулы изобретения является повышение быстродействия и помехозащищенности.
Для достижения этой цели формирование двух временных интервалов начинают одновременно, по окончании первого временного интервала определяют, закончилось ли формирование второго временного интервала и, если закончилось, формируют сигнал, характеризующий достижение измеряемой физической величиной заданного значения, причем генерацию импульсов производят не зависимо от изменения измерительных емкостей.
Целью предлагаемого изобретения по п.2 формулы изобретения является повышение точности.
Эта цель достигается тем, что заданное значение напряжения на емкости принимают равным 0,4÷0,6 амплитуды генерируемых импульсов.
Для достижения цели предлагаемого изобретения в преобразователь изменения емкостей двух переменных конденсаторов чувствительного элемента датчика по п.3 формулы изобретения введены последовательно соединенные Д-триггер и усилитель мощности, причем входы Д-триггера соединены с первыми обкладками конденсаторов, выход генератора прямоугольных импульсов подключен к соединенным между собой выводам резисторов, а выход усилителя мощности является выходом преобразователя.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами:
Фиг.1. Функциональная схема предлагаемого преобразователя изменения емкостей двух переменных конденсаторов чувствительного элемента датчика.
Фиг.2. Эпюры напряжений, поясняющие работу схемы и заявляемый способ.
Рассмотрим подробнее предлагаемый способ преобразования выходного сигнала емкостного чувствительного элемента датчика. Генерируемый прямоугольный импульс от независимого источника (см. фиг.2,а) подается одновременно на обе измерительные емкости чувствительного элемента. При этом также одновременно начинают формироваться два измерительных интервала Т1 и Т2, длительность которых пропорциональна величинам измерительных емкостей. Формирование каждого измерительного интервала заканчивается в момент достижения напряжением на соответствующей емкости заданного значения U3 (см. фиг.2б, в). По окончании первого временного интервала определяют, закончилось ли формирование второго временного интервала к этому моменту времени, т.е. достигло ли напряжение на второй измерительной емкости заданного значения. Если формирование второго временного интервала закончилось, то формируют сигнал, характеризующий достижение измеряемой физической величиной заданного значения (см. фиг.2, второй импульс). Если же формирование второго временного интервала к этому моменту времени не закончилось, то формирование выходного сигнала не производится (см. фиг.2, первый импульс).
В заявляемом способе процесс преобразования выходного сигнала чувствительного элемента датчика заканчивается в течение одного генерируемого импульса, что дает увеличение быстродействия не менее чем в 2 раза по сравнению с прототипом, так как в способе-прототипе формирование измерительных интервалов производится последовательно: сначала формируется измерительный интервал, пропорциональный величине первой измерительной емкости, после чего формируется второй измерительный интервал. Кроме того, для преобразования сигнала, определяемого как результат сравнения двух измерительных интервалов, в способе-прототипе используется преобразование частоты следования импульсов в напряжение. Это требует, как уже отмечалось, анализа последовательности порядка десяти импульсов, что предполагает снижение быстродействия по сравнению с заявляемым способом практически на порядок.
Вследствие одновременного формирования двух измерительных интервалов влияние импульсных помех (от источника питания и от воздействия электромагнитных полей на чувствительный элемент) на длительность этих временных интервалов будет одинаковым и не будет сказываться на результате их сравнения. Это обеспечит лучшую помехозащищенность предлагаемого способа.
Тот факт, что генерация импульсов производится независимо от величин измерительных емкостей, обеспечивает независимость процесса преобразования выходного сигнала от длительности этих генерируемых импульсов и частоты их следования, что также повышает помехозащищенность заявляемого способа.
Для повышения точности преобразования в способе по п.2 формулы изобретения предусмотрено принимать заданное значение напряжения на каждой емкости равным 0,4...0,6 амплитуды генерируемых импульсов, т.е. U3=0,4...0,6 Uп (см. фиг.2). Такая величина заданного значения напряжения на измерительной емкости обеспечивает с одной стороны нахождение рабочей точки формирования измерительного интервала на достаточно линейном участке экспоненты (см. фиг.2б, в) что повышает разрешающую способность измерения, а с другой стороны уровень сигнала на емкости в этом случае будет уже достаточным для обеспечения хорошей помехозащищенности.
Преобразователь изменения емкостей двух переменных конденсаторов чувствительного элемента датчика в выходной сигнал по п.3 формулы изобретения содержит (см. фиг.1) генератор прямоугольных импульсов (ГПИ) 1, два резистора R1 и R2, соединенные одними выводами между собой, а другими выводами - с первыми обкладками конденсаторов С1 и С2, вторые обкладки которых соединены между собой, а также последовательно соединенные Д-триггер 2 и усилитель мощности 3. Причем входы Д-триггера 2 соединены с первыми обкладками конденсаторов C1 и C2, выход ГПИ 1 подключен к соединенным между собой выводам резисторов R1 и R2, а выход усилителя мощности 3 является выходом преобразователя.
Предлагаемый преобразователь изменения емкостей двух переменных конденсаторов чувствительного элемента датчика в выходной сигнал работает следующим образом. ГПИ 1 генерирует последовательность прямоугольных импульсов, которая подается одновременно на зарядно-разрядные цепи конденсаторов С1 и С2, образованные соответственно резисторами R1 и R2. Напряжение с конденсаторов C1 и C2 подается соответственно на С- и Д- входы Д-триггера 2. При положительном перепаде напряжения на С-входе в Д-триггер 2 записывается состояние Д-входа и сохраняется до возникновения следующего положительного перепада напряжения. Изменение емкостей конденсаторов приводит к изменению крутизны экспонент на входах С и Д Д-триггера. В момент достижения на входе С заданного значения напряжения, напряжение на входе Д сравнивается с этим заданным значением и, если оно достигло этого значения, на выходе Д-триггера появляется сигнал, свидетельствующий о достижении измеряемой физической величиной заданного уровня. Для согласования слаботочного выходного сигнала Д-триггера 2 с нагрузкой необходимо усиление этого выходного сигнала по мощности. Для этой цели служит усилитель мощности 3, который может быть выполнен, например, на транзисторе по схеме с общим эмиттером, работающем в режиме насыщенного ключа (см., например, Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. М.: Энергия, 1967, с.367, рис.14-1).
ГПИ 1 может быть выполнен, например, по схеме, приведенной в ОСТ 11.340.907-80 на с.204а черт.353а. Для уменьшения влияния входного сопротивления и обеспечения уровня срабатывания 0,4...0,6 амплитуды генерируемых импульсов в качестве Д-триггера может быть применена, например, микросхема 564ТМ2.
Предлагаемое схемное решение устройства позволяет конструктивно разместить его в непосредственной близости от чувствительного элемента датчика (в корпусе электромагнита) и, тем самым, снизить влияние помех на измерительные цепи. Проведенные испытания опытного образца преобразователя показали, что в диапазоне температур от -5° до +135°С при питании ГПИ 1 и Д-триггера 2 от общего источника стабилизированного напряжения 10 В, точность контроля величины хода штока электромагнита при его срабатывании не хуже 0,01 мм. Предлагаемый способ и реализующее его устройство превосходят прототип по быстродействию более чем на порядок при одинаковой частоте генерируемых импульсов.
Равенство двух временных интервалов при заданном значении измеряемой физической величины обеспечивается предварительной регулировкой зарядно-разрядных цепей конденсаторов С1 и С2, например, за счет подбора номиналов резисторов R1 и R2.
Формула изобретения
1. Способ преобразования выходного сигнала емкостного чувствительного элемента датчика, включающий генерацию последовательности прямоугольных импульсов, формирование двух временных интервалов, пропорциональных величинам двух измерительных емкостей и изменяющихся в противофазе согласно измеряемой физической величины, в момент достижения напряжения на каждой емкости заданного значения и формирование сигнала, характеризующего измеряемую физическую величину, по результатам сравнения временных интервалов, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия и помехозащищенности формирования двух временных интервалов начинают одновременно, по окончании первого временного интервала определяют закончилось ли формирование второго временного интервала и, если закончилось, формируют сигнал, характеризующий достижения измеряемой физической величиной заданного значения, при этом выдерживают равенство двух временных интервалов при заданном значении измеряемой физической величины, а генерацию импульсов производят независимо от изменения измерительных емкостей.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, заданное значение напряжения на емкости принимают равным 0,4...0,6 амплитуды генерируемых импульсов.
3. Устройство для изменения емкостей двух переменных конденсаторов чувствительного элемента датчика в выходной сигнал, содержащее генератор прямоугольных импульсов и два резистора, соединенные одними выводами между собой, а другими - с первыми обкладками конденсаторов, вторые обкладки которых соединены между собой отличающееся тем, что с целью повышения быстродействия, в него введены последовательно соединенные Д-триггер и усилитель мощности, причем входы Д-триггера соединены с первыми обкладками конденсаторов, выход генератора прямоугольных импульсов подключен к соединенным между собой выводам резисторов, а выход усилителя мощности является выходом преобразователя.
РИСУНКИ
