Преобразователь перемещения подвижного электрода плоскопараллельного дифференциального конденсатора в частоту

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 050680 (21) 2933805/18-21 (53) М. КП. с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет

G R 27/26

Государственный комитет

СССР но дедам изобретений и открытий () УДК 621. 317.. 75 (088. 8) Опубликовано 3004,82, Бюллетень №16

Дата опубликования описания 300482 (72) Автор изобретения

В.Н.Аксенов

1

Р з

Государственный научно исследовательский. институт теплоэнергетического приборостр(>ения нНИИТеплоприбор" т (71) Заявитель (54 ) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ПОДВИЖНОГО ЭЛЕКТРОДА

ПЛОСКОПАРАЛЛЕЛЬНОГО ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО КОНДЕНСАТОРА

В ЧАСТОТУ

20

30

Изобретение стносится к измерительной технике и может быть использовано для измерения различных неэлектрических величин, например давления или перемещения, с помощью емкостного датчика, представляющего собой дифференциальный конденсатор с плоскопараллельными электродами, в котором средний электрод является подвижным, Известно устройство для преобразования емкости в .частоту (11.

Недостатком указанного устройства является то, что оно непригодно для работы с дифференциальным конденсатором, в котором переменными являются одновременно две емкости.

Известен также преобразователь емкости в частотной сигнал, содержащий пороговый блок, выполненный в виде дифференциального операционного усилителя, выход которого соединен с входами двух RC-цепей, в которые включены емкости дифференциального конденсатора, и через делитель напряжения с неинвертирующим входом усилителя, а- его инвертирующий вход соединен с выходами RC-цепей через диодный мост РЗ.

Известное устройство не обеспечивает линейной зависимости частоты от перемещения подвижного электрода дифференциального конденсатора. Выходным сигналом, зависящим линейно от перемещения, является постоянная составляющая частотного сигнала.

Цель изобретения — повышение линейности преобразования.

Указанная цель достигается тем, что в преобразователь перемещения подвижного электрода плоскопараллельного дифференциального конденсатора в частоту, содержащий пороговый блок, выход которого соединен с входами RC-цепей, в которые включены емкости дифференциального конденсатора, и с одним входом делителя напряжения, средняя точка которого соединена с неинвертирующим входом порогового блока, введены дополнительно еще одна RC-цепь, вход которой соединен с выходом порогового блока, а выход— с его инвертирующим входом, и дифференциальный операционный усилитель, к входам которого подключены через усилители-.повторители выходы RC-цепей, а его выход подключен к второму входу делителя напряжения.

924б19

На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема преобразователя; на фиг.2 — форма сигналов в различных точках схемы.

Преобразователь включает в себя три RC-цепи (1-3), подключенные к выходу порогового блока 4, который выполнен на базе дифференциального операционного усилителя.

В цепи 1 и 2 включены емкости дифч еренциального конденсатора С1 и С, величины которых зависят от положения подвижного электрода.

Выход усилителя 4 подключен также к одному входу делителя 5 напряжения, средняя точка которого соединена с неиннертирующим входом . усилителя 4, а второй вход соединен с выходом второго дифференциального операционного усилителя 6, к входам которого через усилители-повторите- 20 ля 7 и 8 подключены входы RC-цепей

1 и 2. К инвертирующему входу усилителя 4 подключен выход RC-цепи 3, в которую включен конденсатор постоянной емкости С . 25

Емкостный датчик представляет собой дифференциальный конденсатор с плоскопараллельными электродами, образуюцими две емкости С „и Cg причем средний электрод является подвиж-30 ным. Перемецение среднего электрода вызывает изменение емкостей С1 и Су величины которых равны с,=; с—

Со Со (1)

1+х 1-х

35 где С = — д —

FE Е

F — плоцадь перекрытия электродов; величина межэлектродного за- 40 зора в исходном положении подвижного электрода;

x=

<3

S — перемещение среднего электрода.

Из выражений (1) следует, что зависимость С и С от перемещения нелинейна и для обеспечения линейной зависимости целесообразно использовать не разность емкостей (С -С 1), которая также нелинейна, а разность

1 1 2х

С, С,1 С, Преобразователь представляет со бой генератор прямоугольных импульсов, частота которого определяешься величинами емкостей С1 и С . При переходе порогового блока 4 из одного состояния в другое меняется скачкообразно знак напряжения на его вы- 60 ходе, который одновременно является выходом всего преобразователя. С помощью делителя 5 задается опорное напряжение на неинвертирующем входе порогового устройства, величина ко- 65 торого прямо пропорциональна напряжению на выходе порогового устройстна, которое постоянно н течение каждого полупериода, и напряжение на выходе усилителя б, величина которого переменна в течение каждого полупериода и определяется напряжением на емкостях С1 и С 1.

Напряжения на конденсаторы С1

Т

С и С н течение времени С.=О-—

3 2 соответственно равны

С С

Uc (t) =-Uo (1-е- „С ) «Uc (0) е-Я"C lФ

С1

Uc (t) и (1 е <с ) Uc (o) e 1с 1 о

t (t) =Up (1-e > )-UC (0) е где Т вЂ” период колебаний генератора (Т= );

1 напряжение на выходе пороговогo устройства;

UC„(o),Uc (p),.— остаточные напряUC (O) жения на емкосЬ тях С1 р С 1 и

С н момент переброса порогового блока.

В момент времени t= — (фиг. 2) нап2 ряжения на емкостях С „, С и С достигают величин UC „(O) р UC < p) р U C>(O) которые, соответственно, равны

T 1 Ь

1» С

Разлагая выражения (3) н ряд Тейлора и ограничивая разложение третьим членом, находим

UpT () UpT

Cq, 0) 4R C„ С (0) 4R Ct) от (4>

С (О) 4R>C

Напряжения 1) „(t) и UCg(t) являются входными для усилителей-повторителей 7 и 8, которые имеют коэффициент усилителя по напряжению К 1, 924619 выполняются на базе стандартных микросхем или полевых транзисторов, работающих в режиме истокового повторителя, и служат в качестве обычных буферных элементов для согласования входных и выходных сопротивлений уси- 5 лителя 6 и времязадающих цепей 1 и 2.

Выходные напряжения повторителей

Uz u Ug совпадают по форме и величине с напряжениями Up„(t) и VC<(t) подаются на разные входы дифференциального операционного усилителя 6, выходной сигнал которого пропорционален разности напряжений (U>-U8) и в

T момент времени t = — равен

2 )5 и =- — -() (5)

6 4Rgq R „С R kg

Величина опорного напряжения на неинвертирующем входе порогового блоT

70 ка 4 в момент времени t- =— равна

5 1 О 61 Ь (1 .(6) а я, 4R „(R«iRQ IR„G„R

На инвертирующий вход блока 4 пода-, ется выходное напряжение RC-цепи 3, которое равно П СЬ(t). В момент времеТ ни t=- напряжения на обоих входах

2 становятся равными, т.е. U я= Пц, пос- ) ле чего следует переход порогового .блока в другое состояние, изменяется полярность выходного сигнала на выходе порогового блока и начинается перезаряд конденсаторов С„ С и С .

Из условия равенства напряжений на входах порогового блока в момент

T времени t- следует, что () T Up Й3 ) ОоТ Rgb (40

0 4 ) н с,= а,„т,,, Н Р,, i „с, R FjlI

Учитывая, что частота f = вЂ, из выражения (7) следует, что 45 к=г — 6.Е Ж() <8)

0+ 4В5У61 В1С1 В 1С1

; +В

4R R С

51 Ъ 3

Подставляя вместо С „и С1 их эна- у чения и задавая В„= Е,)= R, получаем выражение зависимости. частоты преобразователя от перемещения подвижного электрода, которое равно

f fp (9)

2R5qRgq RCp и исходном состоянии, когда подвижный электрод занимает среднее положение (х=О), частота преобразователя равна f=fp и определяется толь" ко параметрами RC-цепи 3. При перемещении подвижного электрода (х О) частота f растет или убывает (в зависимости от направления перемещения подвижного электрода), причем изменение частоты в соответствии с выраR5

2R R 61RC0 т.е. линейно зависит от величины перемещения подвижного электрода.

Формула изобретения

Преобразователь перемещения подвижного электрода плоскопараллельного дифференциального конденсатора в частоту, содержащий пороговый блок, выход которого соединен с входами двух

RC-цепей, в которые включены емкости дифференциального конденсатора, и с одним входом делителя напряжения, средняя точка которого соединена с неинвертирующим входом порогового блока, отличающийся тем, что, с целью повышения линейности преобразования, в него введены дополнительно еще одна RC цепь, вход которой соединен с выходом порогового блока, а выход — с его инвертирующим входом, и дифференциальный операционный усилитель, к входам которого подключены через усилители-повторители выходы RC-цепей, à его выход подключен к второму входу делителя напряжения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Аналоговые интегральные схемы.

Под.ред. Дж.Коннели, М., "Мир", 1977, с. 184-187, рис. 5-22.

2. Авторское свидетельство СССР

9 751226, кл. G 01 R 27/26, 20 ° 02.80.

924619

graf(4

Рсз(р

- сФ

Составитель В.Стукан

Редактор В.Петрами Техред С. Мигунова

Корректор О.Билак

Заказ 2609/62 Тираж 719 Подписн ое

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий.113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

-й

oq (P) Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4