Преобразователь малых приращений емкостиили индуктивности b код

 

(72) Авторы изобретения.А.Я. Сапотницкий, Г.Н. Комаров и Н.В.

Ростовский ордена Трудового .Красного государственный университет (7! ) Заявитель (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МАЛЫХ ПРИРАЩЕНИ11 ЕМКОСТИ

ИЛИ ИНДУКТИВНОСТИ В КОД

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использова- но для точного измерения малых приращений емкости или индуктивности, а также величин, которые могут быть

5 представлены изменением емкости или индуктивности, например измерение зазора, толщины покрытия, износ поверхности, вибраций, там, где требуется высокая точность при очень высокой чувствительности (до 0,00)Ж), особенно там, где контактные методы неприменима, например при контроле вибраций тонкостенных конструкций.

Известен измеритель малых изменений емкости, содержащий кварцевый генератор, электронную лампу с сопротивлением и конденсатором в цепи катода и сопротивлениеМ в анодной цепи и колебательный контур с измеряемой емкостью, причем кварцевый генератор включен в цепь первой управляющей сетки, а колебательный контур — в цепи второй управляющей сетки. При

2 изменении емкости контур выходит из резонанса, что приводит к изменению величины выходного напряжения, снимаемого через разделительюй конденсатор с анода (1).

Недостатком измерителя является низкая точность, обусловленная отсутствием коррекции изменений параметров устройства под влиянием дестабилизирующих факторов.

Наиболее близким техническим pemeнием к предлагаемому является преобразователь малых приращений емкости или индуктивности в напряжение, содержащий образцовый и контролируеиий элементы, подключенные через ключ к измерительному генератору, смеситель, гетеродин, частотный детектор, усилитель низкой частоты (УНЧ}, индикатор и цепь автоподстройки частоты (АПЧ), содержащую дополнительно ключ, запоминающий блок, балансный усилитель, источник опорного напряжения и реактивный элемент, включенный в

4080 4 паратора, другой вход которого соединен с общей шиной, а выход — со входом одновибратора, выход которого частотнозависимую цепь измерительно.го генератора (2) .

Недостатком известного устройства является недостаточно высокая чувствительность и точность измерений ма. лых приращений емкости или индуктивности. Недостаток точности обусловлен тем, что не все элементы схемы охвачены цепью АПЧ, и их уходы не компенсируются, невозможностью значительного увеличения коэффициента

АПЧ, так как hro увеличение ведет к увеличению времени подстройки частоты и уменьшению полосы схватывания, самим методом частотной подстройки, который позволяет только уменьшить начальную расстройку до величины остаточной расстройки, а не исключить ее. Недостаток чувствительности обусловлен амплитудно-частотным методом измерения контролируемого приращения.

Кроме того, быстродействие преобразователя невелико, так как длительность такта подстройки частоты генератора с целью компенсации температурно-временного дрейфа не может быть сделана малой без внесения дополнительных погрешностей в точность, измерения.

Целью изобретения является повышение чувствительности, точности и быст- родействия преобразователя малых при.ращений емкости или индуктивности.

10!

40

50

Указанная цель достигается тем, что в преобразователь, содержащий образцовый элемент выход которого сое) дииен с соответствующим входом ключа, другой вход которого подсоединен к контролируемому элементу, измерительный генератор с реактивным элементом в частотозадающей цепи, смеситель, гетеродин, усилитель низкой частоты и дополнительный ключ, введены усилитель-ограничитель, фазовый детектор, фазосдвигающая цепь, частотозависимая резонансная цепь, преобразователь аналог код, компаратор, одновибратор и интегратор, причем выход смесителя подключен к входу усилителя-ограниI

1 чителя, выход которого соединен с первым входом фазового детектора непосредственно, а со вторым входом — через последовательно соединенные фазосдвигающую цепь и частотозависимую резонансную цепь, выход фазового детактора подключен к входу усилителя низкой частоты, выход которого соединен с одним из входов преобразователя аналог"код, со входом дополнительного ключа и с одним из входов комсоединен с управляющим входом ключа, с управляющим. входом преобразователя анапог-код и с управляющим входом дополнительного ключа, выход которого через дополнительный ключ и интегратор соединен с реактивным элементом.

На чертеже представлена структурная электрическая схема преобразователя малых приращений емкости или индуктивности в код

Преобразователь содержит образцовый элемент 1 и контролируемый элемент 2, подключенные через ключ 3 ко входу генератора 4, к другому входу которого подключен реактивный элемент .

5. Выход генератора 4 подключен к первому входу смесителя 6, ко второму входу которого подключен гетеродин 7.

Выход смесителя 6 подключен ко входу усилителя-ограничителя 8, выход которого соединен с первым входом фазового детектора 9 и через фазосдвигающую цепочку 10 — с частотозависимой резонансной цепью (ЧРЦ) 11. Выход последней соединен со вторым входом фазового детектора 9. Выход фазового детектора 9 подсоединен ко входу усилителя 12,низкой частоты, выход которого соединен с преобразователем

13 аналог-.код, первым входом компаратора 14, второй вход которого соединен с общей шиной, и входом дополнительного ключа 15. Выход компаратора 14 соединен со входом одновибратора 16. Выход компаратора 14 соединен со входом одновибратора 16. Выход последнего соединен с управляюшими входами ключа 3, дополнительного ключа 15 и преобразователя 13 аналог-код. Выход дополнительного ключа 15 подключен ко входу интегратора

17, выход которого соединен со входом реактивного элемента 5.

Процесс измерения малых приращений емкости или индуктивностн складывается из двух тактов.

В первом такте через ключ 3 к частотозадающей цепи генератора 4 подключается образцовый элемент 1 и производится компенсация уходов всех элементов схемы преобразователя, т.е. с помощью обратной связи, состоящей из дополнительного ключа 15,,интегратора 17 и реактивного элемента 5, восстанавливается такая час тота генератора 4, при которой и» выходе

Сигнал с выхода фазового детектора 9 усиливается в усилителе !2 низкой частоты и преобразуется в преобразователе 13 аналог-код в код, соответствующий измеряемому приращению.

Таким об азом, в устройстве реализовано извлечение информации об изменении частоты, а следовательно, об изменении емкости илн индуктивности.

5 8240 усилителя 12 низкой частоты устанавливается напряжение, равное нулю.

Выходное напряжение фазового детектора усиливается .в усилителе 12 низкой .частоты и суммируется в интеграторе 17. Выходное напряжение последнего, воздействуя на реактивный элемент 5, восстанавливает необходимую частоту генератора 4. Частотозависимая резонансная цепь II рассчиты- !О вается совместно с образцовым элементом 1 так, чтобы в первоначальный момент времени вывести реактивный элемент 5 на середину его характеристики. 1% . Как только компенсируется температурно-временной дрейф параметров элементов устройства, т. е. частотно-ре, зонансная цель 11 будет настроена в резонанс, на выходе усилителя низкой участоты 12 установится напряжение, равное нулю, срабатывает компаратор

14. На этом заканчивается первый такт.

Длительность первого такта зависит от величины уходов параметров элементов схемы и скорости отработки этих уходов . цепью обратной связи. Это время можно сделать сколь у"одно малым, увеличи— вая суммарный коэффициент усиления тракта подстройки. Автоколебательньш

30 режим цепи обратной связи устраняется присутствием компаратора 14, который, сработав, запускает одновибратор

16. Импульс одновибратора 16 с помощью дополнительного ключа 15 отключает цепь обратной связи, и интегратор 17 "запоминает" величину компенсирующего воздействия на время действия второго такта измерения.

Время второго такта (такта непосредственного измерения контролируемого приращения) равно длительности импульса одновибратора 16. Длительность этого импульса определяется в основном быстродействием преобразователя !3 аналог-код.

80 6 родина 7. Частота, равная разности этих частот, усиливаечся и ограничи- . вается по амплитуде в усилителе-ограничителе 8. С выхода усилителя-ограничителя 8 сигнал подается на первый вход фазового детектора 9 и через азосдвигающую цепь 10 — на вход частотно-резонансног цепи 11.

Комплексный коэффициент передачи частотно-резонансной цепи 1! меняется в соответствии с изменением частоты, поступающей на ее вход .относительно частоты ее резонанса.

С выхода этой цепи сигнал постпает на второй вход фазового детектора 9. На его выходе присутствует сигнал,равный произведению сигналов, поступивших на его входы с учетом сдвига фаз между ними.

Напряжение на выходе фазового детектора 9 определяется по формуле

08ц! = К О,! 132 соз (Р 1 где U - амплитуда сигнала на первом входе ФД;

U — амплитуда сигнала на втором

Ф входе ФД, т.е. на выходе ЧРЦ

11ю (— сдвиг фаз на его входах, т.е, суммарный сдвиг фазы на

ФЦ 10 и ЧРЦ 11;

К вЂ” .коэффициент пропорциональности, учитывающий особенности ФД 9.

Импульс одновибратора 16 также подается на управляющие входы ключа 3 и преобразователя 13 аналог-код. Ключ

3 подключает на время действия этого импульса к частотозадающей цепи генератора 4 контролируемый элемент 2, при этом изменяется частота генератора 4 в соответствии с величиной изме" ряемого приращения емкости иль. индуктивности отйосительно образцового элемента 1. Сигнал ат генератора 4 подается на первый вход смесителя 6, на второй его вход подается сигнал гетеВ качестве часч.отно-резонансной цепи 11 можно применять как пассивные цегп; (например одиночный или систему связанных контуров 2Т-мост), так и активные цепи, например резонасный усилитель. Применение последовательно соединенных пассивных и активных резонансных элементов в качестве частотно-резонансной цепи 11 позволяет получить сколь угодно высокую чувствительность к изменению частоты генератора 4, т.е. к измеряемому приращению индуктивностн или емкости.

Формула изобретения

Преобразователь малых приращений емкости или индуктивности в код,-содержащий образцовый элемент, выход которого соединен с одним из входов ключа, другой вхоД которого соединен с зажимами для подключения контролируемого элемента, а выход — к первому входу генератора, второй вход последнего соединен с реактивным элементом, а выход — с одним из входов смесителя, другой вход которого соединен с выходом гетеродина, усилитель низкой частоты и дополнительный ключ, о т.— л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения, чувствительности и точности, в него введены усилитель-ограничитель„ фазовый детектор, фазосдвигающая:;цепЬ, частотозависимая резонансная цейь, преобразователь

-аналог-код, компаратор, одновибратор, причем выход смесителя подключен к входу усилителя-ограничителя, выход которого соединен с первым входом

824080 8 фазового детектора непосредственно, а со вторым входом — через последовательно соединенные фазосдвигающую цепь и частотозависимую резонансную цепь, выход фазового детектора подключен ко входу усилителя низкой частоты, выход которого соединен с одним иэ входов преобразователя аналогкод, со входом дополнительного ключа

1ф и с одним из входов компаратора, другой вход последнего соединен с общей шиной, а выход — со входом одновибратора, выход которого соединен с управляющими входами ключа, дополни1% тельного ключа и преобразователя аналог-код, выход преобразователя аналог-код через дополнительный ключ и интегратор соединен с реактивным элементом.

2Е Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

I, Авторское свидетельство СССР

Ф 355395, кл. G 01 и 27/26, 1972..

2. Авторское свидетельство СССР

II 579589, кл. G 01 R 27/26, 01.03. 76

Составитель Л. Сотникова

P акто В. Данко М.Голинка . Ко екто М. Шароши

Заказ 2101 65 Тирах 732 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4