Устройство для измерения приращений емкости или индуктивности

 

(72) Автор изобретения

А.Я.Сапотницкий

/ у

Ростовский ордена Трудового Красного .Знамени государственный университет (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРИРАЩЕНИЙ

ЕМКОСТИ ИЛИ ИНДУЕТИВНОСТИ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для точного измерения приращений емкости или индуктивности, а также величин, которые могут быть представлены изменением емкости или индуктивности, например изменения зазора, толщины покрытия, износа поверхности, там, где требуется высокая точность при очень высокой чувствительности (около 0,00001X) особенно там, где, наряду с точностью и чувствительностью, требуется большой диапазон измеряемых приращений, например при измерении неплоскостности или непараллельности. поверхностей.

Известен преобразователь малых приращений емкости или индуктивности в напряжение, содержащий образцовый и контролируемый элементы, подключенные через ключ к измерительному генератору, .смеситель, гетеродин, частотный детектор, усилитель низкой частоты инпикатор и цепь автоподстрой2. ки частоты (АПЧ), выполненную в виде дополнительного ключа, запоминающего блока,балансного усилителя, источника опорного напряжения и реактивного элемента, включенного в частотозадающую цепь измерительного генератора (1).

Однако известное устройство обладает недостаточно высокой чувствительностью и точностью при малом диапазон измеряемых приращений. Недостаток точности обусловлен тем, что не все элементы схемы охвачены цепью АПЧ и их уходы не комнейсируются, невозможностью значительного увеличения коэ4"

@ициента автоматической подстройки частоты, так как его 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, причем чувствительность и диапазон измеряемых приращений связаны обратно пропорциональной зависимостью.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является пре- . образователь малых приращений емкости или индуктивности в код, содержащий образцовый и контролируемый элементы, подключенные через ключ к измерительному генератору, смеситель, гетеродин, усилитель-ограничитель, фазовый детектор, фаэосдвигающую и частотозависящую резонансную цепь (. ЧРЦ), усилитель низкой частоты, компаратор, одновибратор и цепь фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), состоящую из дополнительного ключа, интегратора и реактивного элемента, включенного в частотозадающув цепь измерительного генератора (2).

Недостатком этого устройства является очень узкий диапазон измеряемых приращений.

Цель изобретения. — расширение диапазона измеряемых приращений емкости. или индуктивиости..

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения приращений емкости или индуктивности, содержащее образцовый элемент, выход которого соединен с одним из входов ключа, другой вход которого соединен с зажимами для подключения контро лируемого элемента, а выход — c пер+ . вым входом генератора, второй вход последнего соединен через реактивный элемент с интегратором, а выход - с

:одним из входов смесителя, другой вход которого соединен с выходом гетеродина, а выход - со входом усилителя-ограничителя, высод которого соединен с первым входом фазового детектора непосредственно, а со вторым входом - через последовательно соединенные фазосдвигающую и частотоэависимую резонансную цепи, выход фазового детектора подключен ко входу усилителя низкой частоты, выход кото- Ж рого соединен с одним из входов компаратора, второй вход которого соединен. с общей шиной и дополнительный ключ, введены коммутатор, блок настройки, компенсирующий реактивный элемент и индикатор, причем вход коммутатора подключен к выходу усилителя низкой частоты, а выходы - к входам

883795 4 интегратора и блока настройки, выход последнего подключен к индикатору и ко входу компенсирующего реактивного элемента, выход которого через дополнительный ключ соединен с частотозависимой резонансной цепью, управляющий вход коммутатора соединен с выходом компаратора, а коммутирующий выход— с управляющими входами ключа и доЯолнительного ключа.

На чертеже представлена структурная электрическая схема устройства для измерения приращений емкости или индуктивности.

Устройство 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 (ФД) 9 и через фазосдвигающую цепь 10 — с ЧРЦ 11. Выход последней соединен со вторым входом ФД 9. Выход ФД 9 посоединен ко входу усилителя 12 низкой частоты, выход которого соединен со входом коммутатора 13 и первым входом компаратора 14, второй вход которого соединен с общей шиной. Выход коипаратора 14 соединен с управляющим входом коммутатора 13. Первый выход коммутатора 13 через интегратор 15 соединен со входом реактивного элемента

5. Второй выход коммутатора 13 соединен с блоком 16 настройки. Выход блока 16 настройки подключен к индикатору 17 и компенсирующему реактивному элементу 18, выход которого подключен ко входу дополнительного ключа 19. Выход дополнительного ключа 19 подключен к ЧРЦ 11. Коммутирующий выход коммутатора 13 соединен с управляющими входами ключа 3 и дополнительного ключа 19.

Процесс измерения приращений емкости или индуктивности 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 устройства. При этом с помощью цепи обратной связи, состоящей из интегратора 15 и реактив883795 ного элемента 5, восстанавливается такая частота генератора 4, при которой на выходе усилителя 12 низкой частоты устанавливается напряжение, равное нулю.

Это происходит следующим образом, Выходное напряжение фазового детектора 9 усиливается в усилителе 12 низкой частоты и суммируется в интеграторе 15. Выходное напряжение последнего, воздействуя на реактивный элемент 5, восстанавливает необходимув частоту генератора 4. ЧРЦ

11 рассчитывается совместно с образцовым элементом 1 так, чтобы в первоначальный момент времени вывести реактивный элемент 5 на середину его характеристики.

Как только компенсируется температурно-временной дрейф параметров элементов устройства, т.е. ЧРЦ I! будет настроена в резонанс, на выходе усилителя 12 низкой частоты установит. ся напряжение, равное нулю, срабатыва ет компаратор 14. На этом заканчивается первый такт. Сигнал с выхода компаратора 14 поступает на управляющий вход коммутатора 13, который отключает цепь обратной связи и под= включает компенсируницув цепь. При этом интегратор 15 запоминаек величину необходимого воздействия на время действия второго такта. Компенсирующая (измерительная) цепь состоит из блока 16 настройки, компенсирующего. реактивного элемента 18 дополнительного ключа )9 и индикатора 17.

Во втором такте ключ 3, управляемый коммутатором 13, подключает к частотозадавщей цепи,генератора 4 контролируемый элемент 2. Одновременно коммутатор 13 подключает выход усилителя !2 низкой частоты к блоку 16 настройки и компенсирующий реактивный элемент 18 через дополнительный ключ 19 к ЧРЦ II. Сигнал от генератора 4 с частотой, соответствующей величине контролируемой емкости или индуктивности, подается на первый вход смесителя 6, на второй его вход подается сигнал гетеродина 7. Часто та, равная разности этих частот, усиливается в усилителе 8 и подается на первый вход ФД 9 и через фазосдвигающув цепь 10 на вход ЧРЦ )l.

Комплексный коэффициент передачи

ЧРЦ ll меняется в соответствии с изменением частоты, поступающей на ее вход относительно частоты ее резонанса. С выхода ЧРЦ )1 сигнал поступает на второй вход ФД 9. На выходе

ФД 9 присутствует сигнал, равный произведению сигналов, поступающих на его входы с учетом сдвига фаз меж" ду ними. Игновенное напряжение на выходе усилителя 12 низкой частоты при условии, что фазосдвигавщая цепь

10 обеспечивает предварительный сдвиг фазы на 90, определяется по формуле

Ф

U® ) э х«6 (9o +) ), где К

15 — коэффициент передачи усилителя низкой частоты, Uq >< — наибольшее значение модуля

ФД 9;

Я вЂ” мгновенная разность фаз на

20 входах ФД 9.

Сигнал с выхода ФД 9 усиливается в усилителе 12 низкой частоты и посту пает на вход блока 16 настройки. Блок

16 настройки перестраивает компенсиру>>,þùèé реактивный элемент 18 подклю.!ченный к ЧРЦ 11 до тех пор, пока ЧРЦ )1 не будет настроена в резонанс, т е. на частотуИ)) ) -)Р— N)-gy. Лри этом выходное напряжение ФД 9 и усилителя

30 12 низкой частоты становится равным нулю и снова срабатывает компаратор

14. Коммутатор 13 отключает вход блока 16 настройки от выхода усилителя

12 низкой частоты и компенсирующий реактивный элемент 18 от ЧРЦ 11. На этом заканчивается второй такт и начинается снова первый.

При этом индикатор 17 показывает величину контролируемого приращения емкости или индуктивности.

В качестве блока 16 настройки мо- гут быть использованы, например, интегратор или серводвигатель, а в качестве компенсирующего реактивного элемента — варикан или переменная емкость, В качестве индикатора 17могут быть использованы стрелочный или цифровой вольтметры или шкала, расположенная на оси компенсирующего реак, тивного элемента 18. При необходимости соосно с компенсирующим Реак тивным элементом можно установить высокоточный переменный резистор.

И

Питание этого резистора необходимо осуществлять от высокостабильного источника. При этом выходное напряжение, снимаемое со средней точки это- . го резистора, пропорционально измеря883795

Формула изобретения

ВНИИПИ Заказ 10218/68 Тираж 735 Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 емому приращению емкости или индуктивности, В качестве коммутатора 13 можно применить реле, управляемое триггером.

Устройство для измерения приращений емкости или индуктивности, содержащее образцовый элемент, выход которого соединен с одним из входов ключа, другой вход которого соединен с зажимами для подключения контролируемого элемента, а выход подключен к первому входу генератора, второй вход последнего соединен через реактивный элемент с, интегратором, а вы ход — с одним из входов смесителя, другой вход которого соединен с выходом гетеродина, а выход — со входом усилителя-ограничителя, выход которого соединен,с первым входом фазового детектора непосредственно, а со вторым входом — через последовательно соединенные фаэосдвигающую .и частатозадающую резонансную цепи, выход фазового детектора подключен ко входу усилителя низкой частоты, выход которого соединен с одним из вхо дов компаратора, второй вход которого соединен с общей шиной и дополнительный ключ, о т л и ч а ю щ е— е с я тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых приращений, в .него введены коммутатор, блок настройки, компенсирующий реактивный элемент и индикатор, причем вход комщ мутатора подключен к выходу усилителя низкой частоты, а выходы — ко входам интегратора и блока настройки, выход последнего подключен к индикатору,и ко входу компенсирующего реактивного элемента, выход которого через дополнительный ключ соединен с частотозависимой резонансной цепью, управляющий вход коммутатора соединен с выходом компаратора, а коммутирующий выход - с управляющими входами ключа и дополнительного ключа.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

l. Авторское свидетельство СССР

Я - 579589, кл. G 01 Й 27/26, Ol ° 03.76.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке У 2801156/18-21, кл. G Ol R 27/26, 24.07.79 (прототип).