Устройство для измерения емкости или индуктивности

 

Ofl ИСАНИЕ

И ЗОБРЕТЕ Н ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскин

Социалистически«

Республик

< >883296 (б l ) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 27. 03. 80 (21) 2898634/18-21 с присоединением заявки М (23) Приоритет

Опубликовано 23.11.81 ° Бюллетень М43

Дата опубликования оянсания 23. 11.81 (51)M. К.п.

6 01 R 27/26

Гаеударатвений квинтет ссер

«о «е«аи наебретеннй н аткрыт«11 (53) УДК621. 317=;:. .335.2(088.8} (72) Автор изобретения

Г.Н.Комаров

Ростовский ордена Трудового Красного Знамени

,", -{71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЕМКОСТИ

ИЛИ ИНДУКТИВНОСТИ

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к частотнььт методам измерений, основанным на преобразовании физической величины в частоту переменного тока, а частоты в цифровой эквивалент с применением структурных методов коррекции погрешностей, может быть использовано для преобразования в цифровой код емкости или индуктивности, различных неэлектрических величин с помощью емкостных или индуктивных датчиков, например перемещений зазоров, влажности и т.п. а также при построении информационноизмерительных систем, предназначенных для автоматического управления технологическими процессами. Известно устройство для измерения емкости или индуктивности при не,,линейной функции преобразования АЦП, в котором нелинейную функцию преобра= зования аппроксимируют кусочно-линейной функцией, при этом количество необходимых образцовых мер рав2 йо числу участков аппроксимации. Процесс измерения строится из трех тактов. Сначала к входу АЦП, к контуру автогенератора, подключают неизвестную величину. По полученному значению кода выбирают две ближайшие образцовые меры, одна из которых меньше, а другая больше полученного кода.

Подключают по очереди и производят измерение этих образцовых мер.. Дан- . ные всех трех замеров вводят в вычислительный блок, который вычисляет скорректированный результат по определенной формуле (1 1.

Недостатком этого устройства является невысокая точность измерения обусловленная погрешностью, неизбежной при аппроксимации непрерывной функции кусочно-линейной (погрешность аппроксимации). Эта погрешность может быть значительной, так как участки аппроксимации должны быть достаточно большими во избежание их пере утывания, которое может проиэой8837!

35 ти при грубом измерении неизвестной величины, необходимом для выбора участка аппроксимации (т.е. для выбора двух ближайших образцовых мер, с помощью которых затем производят

5 коррекцию .грубого результата) . Еще более низкая точность получается при работе на пологой ветви функции преобразования. Низкая точность при работе на пологом участке функции t0 преобразования обусловлена низкой чувствительностью и погрешностью аппроксимации.

Другим недостатком известного устройства является узкий диапазон измеряемых емкостей и индуктивностей, обусловленный низкой чувствительнос" тью на пологой ветви нелинейной функции преобразования.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является преобразователь малых приращений емкости или индуктивности в напряжение, содержащий образцовый элемент, контролируемый элемент, коммутатор, автогенератор, смеситель, гетеродин перестраиваемой частоты, частотный детектор, усилитель низкой частоты, индикатор, дополнительный ключ, запоминающий блок, блок управления, реактивный элемент, источник опорного на пряжения, генератор коммутационного напряжения (2).

Недостаток известного устройства— узкий диапазон измерения и низкая точность измерения.

Цель изобретения — расширение диапазона измерения и повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения емкости или индуктивности, содержащее автогенератор, один из входов которого соединен с выходом коммутатора, первый вход последнего соединен

45 с первым зажимом для подключения КоН тролируемого элемента, второй вход соединен с зажимом для подключения образцбвого элемента, выход автогенератора соединен с одним из входов сме.сителя, другой вход которого соединен с выходом гетеродина перестраиваемой частоты, блок опорного напряжения, ключ, дополнительный образцовый элемент и блок управления, введены преобразователь код — напряжение, формирователь высокой частоты, блок цифровой автоподстройки частоты, вычислительный блок, частотомер и

96 4

Фильтр низкой частоты, причем выход смесителя через фильтр низких частот соединен с первым входом частотомера и с одним из входов формирователя высокой частоты, выход последнего соединен со вторым входом частотоме,ра, выход которого соединен со входом вычислительного блока и со входом блока цифровой автоподстройки Час.готы, выход которого соединен с управляющим входом автогенератора, а выход вычислительного блока соединен со входом преобразователя код — напряжение, выход последнего соединен с первым входом ключа, второй вход которого соединен с выходом блока опорного напряжения, выход ключа соединен со входом гетеродина перестраиваемой частоты, а управляющие входы ключа, блока цифровой автоподстройки частоты, формирователя высокой частоты, частотомера и коммутатора соответственно соединены с выходами блока управления, третий вход коммутатора соединен с зажимом для подключения дополнительного образцового элемента.

На чертеже приведена функциональная электрическая схема устройства.

Устройство содержит образцовый элемент 1, имеющий например, нулевое значение и образцовый элемент 2, подключенные к соответствующим зажимам коммутатора 3, имеющего зажимы для подключения контролируемого элемента

4, общий зажим коммутатора 3 подключен к колебательному контуру автогенератора 5, выход которого соединен с входом смесителя 6, другой вход которого соединен с выходом гетеродина 7 перестраиваемой частоты, выход смесителя 6 через фильтр 8 нижних частот соединен с первым входом частотомера 9, второй вход частотомера соединен с выходом формирователя 10 высокой частоты, который своим входом подключен к выходу фильтра низкой частоты, выход частотомера 9 соединен со входом блока 11 цифровой автоподстройки частоты и с вычислительным блоком, выход блока цифровой автоподстройки частоты соединен с управляющим входом автогенератора 5, а выход вычислительного блока 12 — с преобразователем 13 код-напряжение выход которого соединен с входом ключа 14, к другому входу которого подсоединен .выход блока 15 опорного напряжения, выход ключа 14 соединен с

883796

Ь вЂ” частота автогенератора 5, м равная — 1 (г)

К

М /См де к — коэффициент, пропорциональности с — значение образцового эле мента 2, например емкости.

С учетом (2)

1 тм к " > с <<

Как известно, функция Т как период частоты автогенератора 5 нелинейна и имеет пологий участок, при работе на котором резко снижается чувствиельность преобразования, что.привоит к снижению точности измерения к сужению диапазона-измеряемых емкотей илн индуктивностей..Полученный частотомере 9 код Т вводится в выислительный блок 12 где из (3) по ормуле обратного преобразования опрееляется !

С К Тем м (+q „p (4

Известно, что С.. по (4 ) является линейной функцией.

Полученное значение С„„умножают в вычислительном блоке 12 на коэффициент пропорциональности, выбираемый из условия требуемого угла наклона линейной функции преобразования т = 1С (6) 1 мСр, >. (6);

hh Г управляющим входом гетеродина 7, а управляющий вход ключа 14 соединен с выходом блока 16 управления, другие выходы которого соединены соответственно с управляющими входами ком- у г

:мутатора 3, частотомера 9, формирователя 10 высокой частоты и блока 11 цифровой автоподстройки частоты.

Устройство работает следующим образом. 16

Один из элементов — образцовый элемент 1, например, с нулевым значением, образцовый элемент 2 или контролируемый элемент 4 — подключается коммутатором 3 к контуру автогенератора 5, сигнал которого с помощью смесителя 6, гетеродина 7 перестраиваемой частоты, имеющего возможность перестройки по частоте и филь- . тра 8 нижней частоты переносится и на разностную частоту, поступающую на вход частотомера 9> работающего в ржиме измерения периода либо в режиме измерения отношения частот. ф

В первом такте в частотомере 9 фор- 25 мируется код периода разностной частоты, являющийся функцией образцового элемента 1, например, с нулевым значением. Полученный код сравнивается в блоке 1! цифровой автопод- зф стройки частоты с опорным кодом и при их неравенстве вырабатывается в блоке ll цифровой автоподстройки частоты управляющее воздействие, которое подстраивает частоту автогенератора 5 до получения равенства сравниваемых кодов. При этом происходит коррекция аддитивной составляющей погрешности, т.е. коррекция нуля.

Во втором такте частотомером 9 формируется код периода разностной частоты, являющийся функцией образцового элемента 2. Значение этого кода равно

Заменяя в (1) частоРУ $ на получаем T=T тогда ) бЗ

М t где

И вЂ” коэффициент умножения периода разностной частоты, yl =1, 10, 100..., — частота гетеродина 7.переГ страиваемои частоты, устанавливаемая стабильным напряжением, подаваемым через ключ l4 с блока 15 опорного напряжения в цепь установки частоты гетеродина 7, Из (6 ) находим

М обеспечивающее линейность периода разностной частоты

1» «% = " и(в) р- > г Ñ

Полученное в виде кода в вычислительном блоке 12 значение преобразуется в преобразователе 13 .код-напряжение в напряжение соответствукщей величины, которое через управляемый блоком 16 управления ключ 14 подается в цепь установки частоты гетеродина 7.перестраиваемой .частоты, уста883796 8

-, =(1 „,=Ы„, (<>) получим

1о

Формула изобретения

15 навливая его частоту равной . Ло( сле установки частоты гетеродйна 7 перестраиваемой частоты на выхо( де фильтра 8 низкой частоты появляется разностная частота 5 р, период ( которой есть линейная функция образ-, цового элемента 2.

Из полученной разностной частоты формируют высокую частоту в формирователе 10 высокой частоты. Формирователем 10 высокой частоты из разностной может быть синхронизируемый генератор с постоянным отношением синхронизации N. Значение высокой частоты на выходе формирователя 10 высокой частоты равно т.е. тождество.

Из (12) и (14) видно, что отношение частот Н, пропорциональное измеряемому параметру, не зависит от к, т.е. из результата измерения исключена мультипликативная составляющая погрешности.

Р=(g -g )11= †. (9) ий и г вс

В третьем такте аналогично, заменяя образцовый элемент 2 на измеряемый параметр С> формируют разностную частоту, период которой является линейной функцией С„, т.е. на выходе фильтра 8 нижней частоты получают ((с()

P 1 VnC где и 4

t — — и.

r х mC

После этого частотомер 9 переводят с помощью блока 16 управления, в режим измерения отношения высокой частоты, определяемой по (9) к полученной разностной, определяемой по (l0), и получают код отношения частот F С

N — "- — и (41)

-у, с

Полученный код отношения частот Н вводят в вычислительный блок 12, где умножают его на номинал образцового элемента и, таким образом, получают точное скорректированное значение измеряемого параметра (емкости или индуктивности).

Действительно, подставляя в(11) зн чения1С (и С определяемые по (4) . Ц олучаем

Подставляя в (12 ) значения Тх и т„„, определяемые по (3) с учетом то25 зо

З5

4О

55 цового элемента, выход автогенератора соединен с одним из вхбдоЭ айе" : сителя, другой вход которого е((единен с выходом гетеродина нерестраиваемой частоты блок бпорнОГО яяпря» жения, ключ, дополнительный обраацовый элемент и блок управления, о т л и ч а ю щ е е с я тем, чу, с це"> лью расширения диапазона измерения и повышения точности измерения, в наго введены преобразователь коднапряжение, формирователь высокой частоты, блок цифровой автоподстройки частоты, вычислительный блок, частотомер и AH(lbTp низкой частоты, причем выход смесителя через фильтр низкой частоты соединен с первым входом частотомера и с одним из входов фор= мирователя высокой частоты, выход последнего соединен со вторым входом частотомера, выход которого соединен со входом вычислительного блока и со входом блока цифровой автоподстройки частоты, выход которого соединен с управляющим входом автогенератора, а выход вычислительного блока соединен со входом преобразователя код— напряжение, выход последнего соединен с первым входом ключа; второй вход которого соединен с выходом блока опорного напряжения, выход ключа соединен со входом гетеродина перестраиваемой частоты, управляющие входы ключа, блока цифровой автоподстройки частоты формирователя высокой чаУстройство для измерения емкости или индуктивности, содержащее автагенератор, один из входов которого

2О СОЕДИНЕН С ВЫХОДОМ КО(й4УтатоРа Первый вход последнего соединен с пер» вым зажимом для подключеййя контрйтируемого элемента, второй вход еоьдй- нен с зажимом для подключения образ883796

9 стоты, частотомера и коммутатора соответственно соединены с выходами блока . управления, третий вход коммутатора соединен с зажимом для подключения дополнительного образцового элемента.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Алиев Г.N. и др. Автоматическая коррекция погрешностей цифровых измерительных приборов. "Энергия", 1975, с. 25.

2. Авторское свидетельство СССР .9 579589, кл. G 01 Я 27/26, 01.03.76 (прототип).

Составитель Л.Сотникова

Редактор О.Половка ТехредА.Бабинец: . Корректор В.Синицкая

Заказ 10218 68 Тираж 735 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 3-35, Раушская наб., д. 4/5

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