Преобразователь емкости в интервал времени

 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, в частности к преобразующим устройствам емкостных датчиков съема информации. Технический результат заключается в повышении чувствительности преобразования малой емкости в интервал времени. Предложен преобразователь, в котором положительные и отрицательные выходы источника постоянного напряжения через третий и четвертый ключи соответственно подключены к второму выводу первого ключа, первый вывод которого подключен к измерительному двухполюснику, состоящему из последовательно соединенных катушки индуктивности и шунтирующего резистора, параллельно которому подключен измеряемый конденсатор. Через второй ключ к измерительному двухполюснику последовательно подключены интегратор и компаратор с гистерезисом, противофазные выходы которого подключены к управляющим входам третьего и четвертого ключей. Поочередная коммутация первого и второго ключей обеспечивается генератором с противофазными выходами. Емкости измеряемого конденсатора соответствует интервал времени, при котором напряжение на противофазных выходах компаратора с гистерезисом остается неизменным. Предложенный преобразователь позволяет получить высокую чувствительность преобразования малой емкости вследствие накопления интегратором напряжения ошибки преобразования и сравнения его с порогом в компараторе с гистерезисом. 1 ил.

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, в частности к преобразующим устройствам емкостных датчиков съема информации, и может использоваться для построения измерительных устройств.

Известен преобразователь емкости в интервал времени, содержащий источник постоянного напряжения, генератор, первый ключ, измеряемый конденсатор, включенный посредством зажима в измерительный двухполюсник, содержащий катушку индуктивности [см. а.с. СССР 1195291, МКИ G 01 R 27/26, 1985, БИ 44].

Недостатком описанного аналога, снижающим чувствительность преобразования малой емкости измеряемого конденсатора является то, что измерительный двухполюсник содержит емкостные элементы, которые частично шунтируют емкость измеряемого конденсатора.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранный в качестве прототипа преобразователь емкости в интервал времени, содержащий источник постоянного напряжения, генератор, противофазные выходы которого соединены с управляющими входами первого и второго ключей, первые выводы которых подключены к измерительному двухполюснику, который состоит из последовательно соединенных катушки индуктивности и шунтирующего резистора, параллельно которому через зажим подключен измеряемый конденсатор, второй вывод второго ключа соединен с входом интегратора [см. патент РФ 2153176, МКИ G 01 R 27/26, 2000, БИ 20 (II ч.)].

Недостатком прототипа является то, что в нем производится обработка тока переходного процесса в течение времени коммутации первого и второго ключей, которое тем меньше, чем меньше емкость измеряемого конденсатора. Поэтому необходимо иметь быстродействующие ключи и интегратор, что приводит к снижению чувствительности преобразования в силу задержек коммутации ключей и неидеальности процесса интегрирования.

Техническая задача изобретения заключается в повышении чувствительности преобразования малой емкости в интервал времени.

Поставленная техническая задача решена изобретением. Предлагаемый преобразователь содержит источник постоянного напряжения, генератор, противофазные выходы которого соединены с управляющими входами первого и второго ключей, первые выводы которых подключены к измерительному двухполюснику, который состоит из последовательно соединенных катушки индуктивности и шунтирующего резистора, параллельно которому через зажим подключен измеряемый конденсатор, второй вывод второго ключа соединен с входом интегратора. В отличие от прототипа в преобразователе выход интегратора подключен к входу компаратора с гистерезисом, противофазные выходы которого соединены с управляющими входами третьего и четвертого ключей, первые выводы которых подключены к второму выводу первого ключа, а вторые выводы третьего и четвертого ключей подключены соответственно к положительному и отрицательному выходам источника постоянного напряжения.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена функциональная схема преобразователя емкости в интервал времени.

Преобразователь емкости в интервал времени, содержащий источник постоянного напряжения 1, генератор 2, противофазные выходы которого соединены с управляющими входами первого 3 и второго 4 ключей, первые выводы которых подключены к измерительному двухполюснику 5, который состоит из последовательно соединенных катушки индуктивности 6 и шунтирующего резистора 7, параллельно которому через зажим 8 подключен измеряемый конденсатор 9, второй вывод второго ключа соединен с входом интегратора 10, выход которого подключен к входу компаратора с гистерезисом 11, противофазные выходы которого соединены с управляющими входами третьего 12 и четвертого 13 ключей, первые выводы которых подключены к второму выводу первого ключа 3, а вторые выводы третьего 12 и четвертого 13 ключей подключены соответственно к положительному и отрицательному выходам источника постоянного напряжения 1.

Устройство работает следующим образом. Пусть напряжение на противофазных выходах компаратора с гистерезисом 11 таково, что третий ключ 12 замкнут, а четвертый ключ 13 разомкнут. Тогда на второй вывод первого ключа 3 поступает напряжение с положительного выхода источника постоянного напряжения 1. Генератор 2 вырабатывает управляющие сигналы, которые попеременно с равным временем коммутации переключают первый 3 и второй 4 ключи. Таким образом, на измерительный двухполюсник 5 поступают положительные периодические прямоугольные импульсы напряжения, формируемые из источника постоянного напряжения 1. В результате этого в точке соединения первого 3 и второго 4 ключей возникает переходной процесс. В течение времени коммутации, когда замкнут второй ключ 4, на вход интегратора 10 поступает ток переходного процесса, а в течение времени коммутации, когда второй ключ разомкнут 4, ток на входе интегратора 10 равен нулю. Ток переходного процесса определяется параметрами измерительного двухполюсника 5 и емкостью измеряемого конденсатора 9. Причем ток переходного процесса на входе интегратора 10 меняет свой знак. Таким образом, можно выделить два импульса тока переходного процесса различной полярности. Характер изменения напряжения на выходе интегратора 10 во времени определяется соотношением площадей указанных импульсов тока переходного процесса. Так, если эти площади равны, то напряжение на выходе интегратора 10 в момент размыкания второго ключа 4 равно нулю. В противном случае, в момент размыкания второго ключа 4, на выходе интегратора 10 будет присутствовать напряжение ошибки преобразования, равное сумме площадей импульсов тока переходного процесса различной полярности. Напряжение на выходе интегратора 10 сохраняется в течение времени, когда второй ключ 4 разомкнут. Последующее интегрирование приводит к добавке к напряжению ошибки преобразования точно такого же значения, в результате чего происходит накопление напряжения ошибки преобразования. Напряжение ошибки преобразования зависит от соотношения емкости измеряемого конденсатора 9 и времени коммутации первого 3 и второго 4 ключей. Нулевое напряжение ошибки преобразования соответствует оптимальному времени коммутации по отношению к конкретной емкости измеряемого конденсатора 9. Причем чем меньше данная емкость, тем меньше оптимальное время коммутации. Поэтому с помощью генератора 2 устанавливают фиксированное время коммутации, которое больше оптимального времени коммутации, соответствующего наибольшей из возможных емкостей измеряемого конденсатора 9. При таком времени коммутации и положительных периодических прямоугольных импульсах напряжения напряжение ошибки преобразования будет положительным, а его величина определяться значением емкости измеряемого конденсатора 9. Накопление интегратором 10 напряжений ошибок преобразования приводит к тому, что на компаратор с гистерезисом 11 поступает положительное линейно возрастающее напряжение. Как только данное напряжение достигнет напряжения верхнего порога компаратора с гистерезисом 11 напряжение на его противофазных выходах сменится на противоположное; третий ключ разомкнется 12; четвертый ключ 13 замкнется; напряжение верхнего порога компаратора с гистерезисом 11 сменится на напряжение нижнего порога компаратора с гистерезисом 11. В результате этого на измерительный двухполюсник 5 будут поступать отрицательные периодические прямоугольные импульсы напряжения, а напряжение на выходе интегратора 10 начнет уменьшаться за счет накопления отрицательного напряжения ошибки преобразования. Как только напряжение на входе компаратора с гистерезисом 11 достигнет напряжения нижнего порога компаратора с гистерезисом 11, произойдет повторное переключение третьего 12 и четвертого 13 ключей и процесс повторится. Следует отметить, что поскольку скорость нарастания и спада напряжения на входе компаратора с гистерезисом 11 одинаковая, то смена напряжения на его выходах будет происходить через равные интервалы времени. Таким образом, формируется интервал времени, который соответствует емкости измеряемого конденсатора 9. Временным выходом преобразователя является любой из выходов компаратора с гистерезисом 11. При изменении емкости измеряемого конденсатора 9 изменяется и величина напряжения ошибки преобразования и, как следствие, интервал времени, в течение которого напряжение на входе компаратора с гистерезисом 11 изменяется от одного напряжения порога компаратора с гистерезисом 11 до другого.

Обеспечение преобразования малой емкости в интервал времени с повышением чувствительности преобразования стало возможным благодаря тому, что время коммутации больше оптимального времени коммутации, что в свою очередь приводит к возникновению ненулевого напряжения ошибки преобразования, которое накапливается интегратором 10 и сравнивается с напряжением верхнего (нижнего) порога компаратора с гистерезисом 11. По результату сравнения с помощью третьего 12 и четвертого ключей 13, а также источника постоянного напряжения 1 с положительным и отрицательным выходом происходит смена полярности периодических прямоугольных импульсов напряжения.

Заявляемое изобретение представляет значительный интерес для народного хозяйства, так как позволит повысить чувствительность преобразования малой емкости в интервал времени.

Заявляемое решение не оказывает отрицательного воздействия на состояние окружающей среды и может быть реализовано на базе выпускаемых отечественной промышленностью радиоэлектронных элементов.

Формула изобретения

Преобразователь емкости в интервал времени, содержащий источник постоянного напряжения, генератор, противофазные выходы которого соединены с управляющими входами первого и второго ключей, первые выводы которых подключены к измерительному двухполюснику, который состоит из последовательно соединенных катушки индуктивности и шунтирующего резистора, параллельно которому через зажим подключен измеряемый конденсатор, второй вывод второго ключа соединен с входом интегратора, отличающийся тем, что выход интегратора подключен к входу компаратора с гистерезисом, противофазные выходы которого соединены с управляющими входами третьего и четвертого ключей, первые выводы которых подключены к второму выводу первого ключа, а вторые выводы третьего и четвертого ключей подключены соответственно к положительному и отрицательному выходам источника постоянного напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1