Измерительный преобразователь емкость-напряжение



Измерительный преобразователь емкость-напряжение
Измерительный преобразователь емкость-напряжение
Измерительный преобразователь емкость-напряжение
Измерительный преобразователь емкость-напряжение
Измерительный преобразователь емкость-напряжение

 


Владельцы патента RU 2589771:

Открытое акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева" (RU)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для построения средств измерения физических величин с помощью емкостных датчиков. Измерительный преобразователь емкость-напряжение содержит емкостный датчик, переходной конденсатор, источник опорного напряжения, генератор импульсов, масштабный преобразователь, первый двухпозиционный переключатель, первый операционный усилитель с конденсатором в цепи обратной связи, опорный конденсатор, второй операционный усилитель с накопительным конденсатором в цепи обратной связи, второй двухпозиционный переключатель. Для достижения технического результата введен усилитель, вход которого подключен к выходу первого операционного усилителя, а выход через переходной конденсатор подключен к входу второго двухпозиционного переключателя. Технический результат - повышение точности преобразования величины емкости в напряжение. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для построения средств измерения физических величин с помощью емкостных датчиков.

Известен преобразователь емкость-напряжение, выбранный в качестве аналога, опубликованный в статье "Measurement and control circuit collection: Diapers and designs on the night shift" Linear Technology Corp., Milpitas, Calif., Application Note 45, Jun. 1991. стр. AN45-9, содержащий источник опорного напряжения, первый и второй масштабные преобразователи, опорный конденсатор, конденсатор обратной связи, емкостный датчик, первый, второй, третий и четвертый двухпозиционные переключатели, интегратор. В таком преобразователе выходное напряжение устанавливается равным Uвых=ΔQ/Сос, где ΔQ - разность зарядов, инжектируемых в интегратор из опорного конденсатора и емкостного датчика при их одновременном подключении к суммирующему входу интегратора; Сос - емкость конденсатора обратной связи, так же подключаемой к суммирующему входу интегратора одновременно с опорным конденсатором и емкостным датчиком. Поскольку ΔQ=Uоп1*C-Uоп2оп, где Uоп1 - напряжение на выходе первого масштабного преобразователя, Uоп2 - напряжение на выходе второго масштабного преобразователя, С - емкость емкостного датчика, Соп - емкость опорного конденсатора, то выходное напряжение определяется выражением: Uвых=(Uоп1*C-Uоп2оп)/Сос. Устройство имеет низкую точность преобразования, обусловленную влиянием паразитных емкостей двухпозиционных переключателей.

Наиболее близким аналогом является преобразователь емкость-напряжение, описанный в авторском свидетельстве SU №1144010, опубликованном 07.03.1985 г. Устройство для измерения давления, в котором емкостный датчик и опорный конденсатор своими вторыми обкладками подключены к первому интегратору, на первую обкладку опорного конденсатора подается напряжение прямоугольной формы фиксированной амплитуды, а на первую обкладку емкостного датчика подается противофазное напряжение, амплитуда которого пропорциональна интегралу разности зарядов опорного конденсатора и емкостного датчика. Такое техническое решение обеспечивает существенное снижение влияния паразитных емкостей. Однако в цепи формирования напряжения, пропорционального разности зарядов опорного конденсатора и емкостного датчика, используется двухпозиционный переключатель, который при переключении заряжает проходной конденсатор дополнительным зарядом, что приводит к появлению существенной погрешности в величине выходного напряжения. На точность преобразования также влияет и напряжение смещения операционного усилителя, на котором построен интегратор, величина которого, как известно, зависит от температуры окружающей среды.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эксплуатационных характеристик.

Технический результат - повышение точности преобразования величины емкости в напряжение за счет увеличения амплитуды напряжения, подаваемого на вход двухпозиционного переключателя, что обеспечивает уменьшение влияния на величину выходного напряжения заряда, вносимого двухпозиционным переключателем, а также уменьшение влияния напряжения смещения интегратора.

Это достигается тем, что в измерительный преобразователь емкость-напряжение, содержащий переходной конденсатор, источник опорного напряжения, выход которого подключен к входу генератора импульсов и входу масштабного преобразователя, первый двухпозиционный переключатель, управляющий вход которого подключен к выходу генератора импульсов, а первый контакт подключен к выходу масштабного преобразователя, первый операционный усилитель с конденсатором в цепи обратной связи, вход которого через опорный конденсатор подключен к выходу генератора импульсов, а через емкостный датчик вход первого операционного усилителя подключен к выходу первого двухпозиционного переключателя, второй двухпозиционный переключатель, управляющий вход которого подключен к выходу генератора импульсов, а второй контакт к общей шине, второй операционный усилитель с накопительным конденсатором в цепи обратной связи, вход которого соединен с первым контактом второго двухпозиционного переключателя, а выход подключен ко второму контакту первого двухпозиционного переключателя, в отличие от известного добавлен усилитель, вход которого подключен к выходу первого операционного усилителя, а выход через переходной конденсатор подключен к входу второго двухпозиционного переключателя.

На чертеже приведена функциональная схема предлагаемого измерительного преобразователя емкость-напряжение, которая содержит емкостный датчик 1, источник опорного напряжения постоянного тока 2, генератор импульсов 3, опорный конденсатор 4, первый операционный усилитель 5 с конденсатором 6 в цепи обратной связи, второй операционный усилитель 7 с накопительным конденсатором 8 в цепи обратной связи, первый двухпозиционный переключатель 9, переходной конденсатор 10, масштабный преобразователь 11, второй двухпозиционный переключатель 12, усилитель 13. Емкостный датчик 1 может быть выполнен в виде конденсатора. Выход источника опорного напряжения постоянного тока 2 подключен к входу генератора импульсов 3 и входу масштабного преобразователя 11. Управляющий вход первого двухпозиционного переключателя 9 подключен к выходу генератора импульсов 3, а первый его контакт подключен к выходу масштабного преобразователя 11. Вход первого операционного усилителя 5 с конденсатором 6 в цепи обратной связи через опорный конденсатор 4 подключен к выходу генератора импульсов 3, а через емкостный датчик 1 вход первого операционного усилителя 5 подключен к выходу первого двухпозиционного переключателя 9. Управляющий вход второго двухпозиционного переключателя 12 подключен к выходу генератора импульсов 3, а второй контакт к общей шине. Вход второго операционного усилителя 7 с накопительным конденсатором 8 в цепи обратной связи соединен с первым контактом второго двухпозиционного переключателя 12, а выход подключен ко второму контакту первого двухпозиционного переключателя 9. Вход усилителя 13 подключен к выходу первого операционного усилителя 5, а выход через переходной конденсатор 10 подключен к входу второго двухпозиционного переключателя 12.

Принцип действия преобразователя основан на уравновешивании токов, протекающих через емкостный датчик 1 и опорный конденсатор 4. Импульсы напряжения амплитудой U0 с выхода генератора 3 поступают на опорный конденсатор 4. Синхронно с этими импульсами срабатывают двухпозиционные переключатели 9 и 12, причем при наличии нулевого потенциала на выходе генератора 3 двухпозиционные переключатели 9 и 12 занимают положение, при котором у переключателя 9 первый контакт замкнут с выходом, у переключателя 12 первый контакт замкнут с входом, а при высоком потенциале у переключателя 9 второй контакт замкнут с выходом, у переключателя 12 второй контакт замкнут с входом. При этом изменение заряда на опорном конденсаторе определяется его емкостью (С0) и напряжением U0, т.е. ΔQ0=U00. Изменение заряда на емкостном датчике 1 определяется его емкостью (Сх) и разностью напряжений на входах переключателя 9, т.е. ΔQx=(Uвых-K*U0)*Cx, где Uвых - выходное напряжение усилителя 7; К - коэффициент преобразования масштабного преобразователя 11. Изменение зарядов на конденсаторах 1 и 4 приводит к изменению напряжения на выходе усилителя 5

где С - емкость конденсатора 6 в цепи обратной связи усилителя 5; δ - статическая погрешность усилителя 5. После усиления напряжения Uy усилителем 13 с коэффициентом усиления, равным Кл, изменение напряжения на выходе усилителя 13 будет равно

В момент изменения выходного напряжения генератора 3 до 0 соответствующее изменение на выходе усилителя 13 преобразуется в приращение напряжения на выходе усилителя 7. Происходит это следующим образом. При подключении переходного конденсатора 10 через второй переключатель 12 к входу операционного усилителя 7 происходящее при этом изменение напряжения на выходе усилителя 13 приводит к изменению напряжения на переходном конденсаторе 10 на величину Uл+σ, где σ - приращение напряжения на переходном конденсаторе 10, обусловленное паразитной инжекцией электрического заряда переключателем 12, что, в свою очередь, приводит к приращению заряда на накопительном конденсаторе 8. Изменение напряжения на выходе усилителя 7 происходит до тех пор, пока изменение напряжения на выходе усилителя 13 не станет равным значению напряжения на входе операционного усилителя 7. Тогда при подключении переходного конденсатора 10 к входу операционного усилителя 7 передача заряда в накопительный конденсатор 8 не происходит и, следовательно, напряжение на выходе операционного усилителя 7 не изменяется.

Таким образом, в установившемся режиме выполняется соотношение

где Коу - коэффициент усиления операционного усилителя 7, а γ - его напряжение смещения по входу. Выражение определяет потенциал входа операционного усилителя 7. Знак минус в этом выражении определяется инвертирующей схемой включения операционного усилителя.

С учетом значений ΔQ0 и ΔQx равенство (1) преобразуется к виду

откуда

При выполнении условия СхКлКоу>>С, которое обеспечивается большими значениями Кл и Коу, статическое уравнение преобразования устройства имеет вид

Уравнение (3) наглядно показывает, что введение в устройство усилителя с коэффициентом усиления Кл уменьшает погрешность измерения, вносимую двухпозиционным переключателем 12 и напряжением смещения операционного усилителя 7 в Кл раз. Следует заметить, что альтернативный путь уменьшения влияния указанных погрешностей путем уменьшения отношения на практике не всегда возможен, поскольку обычно емкость емкостных датчиков не превышает десятков пикофарад.

Таким образом, наличие усилителя, включенного между выходом первого операционного усилителя и первым выводом переходного конденсатора, позволяет достичь технического результата - повысить точность преобразования величины емкости в напряжение за счет увеличения амплитуды напряжения, подаваемого на вход двухпозиционного переключателя, что обеспечивает уменьшение влияния на величину выходного напряжения заряда, вносимого двухпозиционным переключателем, а также влияния напряжения смещения интегратора.

Измерительный преобразователь емкость-напряжение, содержащий переходной конденсатор, источник опорного напряжения, выход которого подключен к входу генератора импульсов и входу масштабного преобразователя, первый двухпозиционный переключатель, управляющий вход которого подключен к выходу генератора импульсов, а первый контакт подключен к выходу масштабного преобразователя, первый операционный усилитель с конденсатором в цепи обратной связи, вход которого через опорный конденсатор подключен к выходу генератора импульсов, а через емкостный датчик вход первого операционного усилителя подключен к выходу первого двухпозиционного переключателя, второй двухпозиционный переключатель, управляющий вход которого подключен к выходу генератора импульсов, а второй контакт к общей шине, второй операционный усилитель с накопительным конденсатором в цепи обратной связи, вход которого соединен с первым контактом второго двухпозиционного переключателя, а выход подключен к второму контакту первого позиционного переключателя, отличающийся тем, что он снабжен усилителем, вход которого подключен к выходу первого операционного усилителя, а выход через переходной конденсатор подключен к входу второго двухпозиционного переключателя.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электроизмерительной техник, в частности к устройствам для контроля качества изоляции, характеризуемого ее пробивным напряжением, и может быть использовано в средствах для диагностики состояния изоляции асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения диэлектрической проницаемости и влажности материалов при помощи устройства влагомер-диэлькометр, которое содержит электронный блок, измерительную ячейку и первичный преобразователь, представляющий собой отрезок длинной линии, образованный металлическим прутком и металлическим основанием, при этом измерительная ячейка конструктивно совмещена с первичным преобразователем и содержит детектор, подключенный непосредственно к входу первичного преобразователя.

Изобретение относится к измерению потенциала земли. Способ измерения электрического потенциала земли, включающий этапы: размещения измерительной пластины в непосредственной близости от земли, но с обеспечением электрохимического разделения указанной пластины и земли при помощи барьера, причем измерительная пластина имеет оперативную емкостную связь с землей; измерения электрического потенциала земли при помощи измерительной пластины; подачи первого сигнала, представляющего потенциал, измеренный измерительной пластиной, на усилитель, содержащий по меньшей мере один каскад; и сравнения потенциала, измеренного измерительной пластиной, с опорным напряжением.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерениям погонной емкости одножильного электрического провода в процессе его производства. Способ заключается в создании гармонического электрического поля между участком поверхности изоляции провода и заземленной электропроводящей жилой посредством помещенного в воду трубчатого измерительного преобразователя, через который перемещают контролируемый провод, с измерительным и двумя обеспечивающими однородность электрического поля на его краях дополнительными защитными электродами, измерении при известных амплитуде и частоте приложенного к электродам гармонического напряжения силы тока, протекающего через измерительный электрод, и суммарной силы тока, протекающего через все электроды измерительного преобразователя, и определении значения погонной емкости по формуле: где Ix - сила тока, протекающего через измерительный электрод; I1 - суммарная сила тока, протекающего через все электроды измерительного преобразователя; С0(I1) и k(I1) - экспериментально определенные функции тока I1.

Изобретение относится к измерительной технике и метрологии, а именно к технике измерения электрической емкости на постоянном электрическом токе, измеряемой путем счета электронов.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения физических параметров материала, в том числе и при экстремальных температурах. Способ включает в себя измерение напряжения зондирующего сигнала во входной цепи первичного преобразователя, заполняемого контролируемым материалом, причем первичный преобразователь выполнен в виде отрезка длинной линии.

Использование: для определения комплексной диэлектрической проницаемости материалов с помощью электромагнитных волн. Сущность изобретения заключается в том, что устройство содержит отрезок металлической волноводной линии передачи, плоскопараллельную пластину и дополнительно введены второй отрезок металлической волноводной линии передачи, снабженный фланцами с обоих концов, одинакового внутреннего поперечного сечения с первым отрезком металлической волноводной линии передачи, варакторный диод, внутренняя часть второго отрезка металлической волноводной линии передачи заполнена диэлектриком, плоскопараллельная пластина выполнена из металла и снабжена окном с размерами, равными размерам внутреннего поперечного сечения отрезка металлической волноводной линии передачи, металлические выводы варакторного диода и плоскопараллельная пластина разделены изолятором, плоскопараллельная пластина и фланец одного конца второго отрезка металлической волноводной линии передачи соединены между собой механически, длина второго отрезка металлической волноводной линии передачи кратна половине длины электромагнитной волны во втором отрезке металлической волноводной линии передачи с диэлектриком.

Техническое решение относится к измерительной технике и предназначено для измерения диэлектрической проницаемости и влажности материала. Способ включает в себя измерение напряжения зондирующего сигнала во входной цепи первичного преобразователя, заполняемого контролируемым материалом, причем первичный преобразователь выполнен в виде короткозамкнутого на конце отрезка длинной линии.

Изобретение относится к области сварочного производства. Представленные устройство и способ могут быть использованы для определения во время процесса сварки индуктивности сварочного кабеля на основе измерения размаха пульсации напряжения на выходных сварочных клеммах при переключении силовых полупроводниковых переключателей.

Группа изобретений относится к медицине и может быть использована для емкостного измерения физического движения в пациенте, который содержит изменяющиеся во времени статические заряды.

Использование: для оценки свойств исследуемых областей, с использованием «мягкого поля». Сущность изобретения заключается в том, что способ включает: получение информации о приложенных входных сигналах и измеренных выходных сигналах для возбуждаемого объекта с использованием множества преобразователей; формирование матрицы полной проводимости на основе упомянутой информации о приложенных входных сигналах и измеренных выходных сигналах; определение множества моментов с использованием упомянутой матрицы полной проводимости и вычисление распределения свойств возбуждаемого объекта с использованием упомянутого множества моментов. Технический результат: обеспечение возможности повышения точности и скорости визуализации свойств объектов. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 11 ил.
Наверх