Преобразователь перемещения в частоту

(19 94 С 01 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТК.АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ У 22Л.П.Домниролев Ьо СССР20,02,80 в А.В. Из ь емкости ехника экс28-129.СССР1980. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ(57) Изобретение относится к области приборостроения и .измерительной техники и может быть использовано длямерения неэлектрических величин, в частности. давления или перемещения, с помощью емкостного датчика, Цель изобретения - повышение точности преобразования в условиях удаленности емкостного датчика - достигается путем устранения влияния паразитных емкостей линий связи. Для этого в преобразователь дополнительно введены интегратор 8, два активных фильтра 9 и 10 нижних частот, Кроме того, преобразователь содержит пороговый блок 1, резисторы 2 и 3, повторители 4 и 5, резистивный делитель 8 напря1 жения, дифференциальный усилитель 7, емкостной датчик 11 с подвижными 12 и 13 и неподвижными 14 и 15 электродами, первые линии 16 и 17 связи с экранами 18 и 19 и вторые линии 20 и 21 связи с двойными экранами 22-25 317283Преобразователь может использоватьсяв условиях криогенных или высокихтемператур окружающей среды без внесения дополнительных погрешностей,Просто согласовывается с входнымиустройствами ЭВМ,.5 ил, 1Изобретение относится к приборостроению и измерительной технике иможет быть использовано для измерениянеэлектрических величин, в частностидавления или перемещения, с помощьюемкостного датчика.Цельизобретения - повышение точности преобразования в условиях уда,ленности емкостного датчика путемустранения влияния паразитных емкостей линий связи,На фиг. 1 изображена электрическаясхема преобразователя перемещения вчастоту, на фиг, 2 - дифференциальный емкостной датчик; на фиг. 3 - эквивалентная схема подключения электродов одного из конденсаторов дифференциального емкостного датчика нафиг. 4 - эпюры напряжений в различных точках схемы преобразователя,нафиг, 5 - эпюра напряжений на входахпорогового блока преобразователя,Преобразователь перемещения подвижного электрода емкостного датчика в частоту содержит пороговый блок1, резисторы 2 и 3, повторители 4 и5, резистивный делитель б напряжения, дифференциальный усилитель 7,интегратор 8, активные фильтры 9 и10 нижних частот (ФНЧ), емкостнойдатчик 11 с подвижными 12, 13 и неподвижными 14, 15 электродами, первые линии 16 и 17 связи с экранами18 и 19 и вторые линии 20 и 21 связис двойными экранами 22, 23 и 24,25причем подвижные электроды 12 и 13емкостного датчика 11 через линии16 и 17 связи с заземленными экранами 18 и 19 соединены соответственнос выходами активных ФНЧ 9 и 10 и синвертирующим и неинвертирующим входами дифференциального усилителя 7,выход которого соединен с инвертирующим входом порогового блока 1, не 2инвертирующий вход которого соединенсо средним выводом резистивного делителя 6 напряжения, а выход - черезрезисторы 2 и 3 с входами соответст 5 венно первых и вторых активных ФНЧ9, 10 и повторителей 4, 5, через линии 20 и 21 связи с заземленнымивнешними экранами 23 и 25 с неподвижными электродами 14 и 15 емкост 10 ного датчика 11, с первым выводомрезистивного делителя 6 напряжения,с выходом преобразователя и с входоминтегратора 8, выход которого соединен с вторым выводом резистивногоделителя 6 напряжения, а выходы повторителей 4 и 5 соединены соответственно с внутренними экранами 22 и 24линий 20 и 21 связи,ЕмкостнЬй датчик 11 содержит ди 20 электрическое основание 26, подвижную диэлектрическую пластину 27 иэкранирующий электрод 28, причем неподвижные электроды 14 и 15 емкост- ного датчика 11 размещены на диэлектрическом основании 26, а подвижныеэлектроды 12, 13 - на подвижной диэлектрической пластине 27, внутрикоторой выполнен экранирующий электрод 28, соединенный с нулевой шиЗ 0 ной преобразователя,На фиг. 3 изображены паразитныеемкости 29,30,3 1 и 32,При подключении к преобразователю 35 одного из конденсаторов емкостногодатчика 11, например конденсатора, образованного электродами 12, 14 (С ) между центральной жилой коаксиальной линии 20 и ее внутренним экраном 40 22 образуется паразитная емкость 29,между внешним 23 и внутренним 22 экранами - паразитная емкость 30, между центральной жилой линии 16 и ее экраном 18 - паразитная емкость 31,40 Е 1:,Бс = -2 55 При этом 3а между электродом 12 этого конденсатора и экранирующим электродом 28 - паразитная емкость 32, Идентичные паразитные емкости образуются и при подключении другого конденсатора,образованного электродами 13; 15 (С ), к преобразователю линиями 21, 17,Резистивный делитель 6 напряжения состоит из последовательно соединенных резисторов 33 и 34, а интегратор 1 О 8 выполнен на операционном усилителе 35, резисторе 36 и емкости 37.Преобразователь представляет собой генератор, частота которого линейно зависит от перемещения подвиж ной диэлектрической пластины 27 дифференциального емкостного датчика 11 с размещенными на ней подвижными электродами 12, 13. При перемещении подвижной диэлектрической пластины 27 20 происходит изменение ейкостей между электродами (обкладками) 12, 14 и 13, 15, разделенными между собой экранирующим электродом 28. Емкость между обкладками 12, 14 определяет ся как где Б, - площадь перекрытия обкладок 12, 14;г - расстояние между обклад(ками 12, 14;Е - относительная диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками;Я, - диэлектрическая проницаемость вакуума.Соответственно емкость С 2 между обкладками 13, 15 определяется как где Б - площадь перекрытия обкла 2док 13, 15; 45г - расстояние между обкладка 2ми 13, 15,Когда подвижная пластина 27 дифференциального емкостного датчика 11занимает среднее положение, т,е. г, = 50= г, = г "и Я = Б = Б емкости2 о 1 2 01конденсаторов, образованные обкладками 12, 14 и 13, 15, равны, т,е,4Емкости С, и С 2 включены в цепь обратной связи операционных усилителей активных ФНЧ 9, 1 О и,совместно с резисторами 2, 3 и операционными усилителями активных ФНЧ 9, 10 образуют активные интеграторы, входы которых подключены к выходу порогового блока 1, Напряжение с выхода порогового блока 1, представляющее собой импульсы прямоугольной формы, интегрируется активными интеграторами, и с выходов активных ФНЧ 9 и 10 импульсы треугольной формы поступают на входы дифференциального усилителя 7, который осуществляет вычитание сигналов с выходов активных ФНЧ 9, 10, Напряжение с выхода дифференциального усилителя 7 является опорным напряжением для работы порогового блока 1.Пороговый блок 1 осуществляет сравнение сигналов с выхода дифференциального усилителя 7 и со среднего вывода резистивного делителя 6 напряжения. Напряжение на среднем выводе резистивного делителя 6 напряжения формируется из выходных напряжений порогового блока 1 и интегратора 8, Последний вырабатывает линейно изменяющееся напряжение с постоянной скоростью нарастания. Выходное напряжение порогового блока 1, поступающее через резистивный делитель 6 напряжения на его неинвертирующий вход, обеспечивает положительную обратную связь, необходимую для работы генератора, образованного пороговым блоком 1, интегратором 8 и резистивным делителем 6 напряжения, В среднем положении подвижной пластины 27 при С, =С 2 напряжения на выходах активных ФНЧ 9, 10 равны, напряжение на выходе дифференциального усилителя 7 равно нулю и генератор генериру,ет частоту Е Если подвижная пластина 27 дифференциального емкостного датчика 11переместилась на величину 1 в направлении неподвижной обкладки 15, .топри этом изменяется расстояние междуобкладками 12, 14 и 13, 15, т,е. г, ==г +1 иг =г - 1,о оСоответственно изменяются емкости(2) С - д-.ЕЕ Б 10 15 т.евеличины емкостей дифференциального емкостного датчика 11 связаны с перемещением подвижной пластины 27 соЬтношениями (2), (3). Изменение емкостей С, и С приводит к изменению скоростей нарастания напряжений на выходах активных ФНЧ 9 и 10 и к соответственному изменению напряжения на выходе дифференциального усилителя 7, которое линейно изменяется во времени при неравенстве величин емкостей С С Изменение напряжения на неинвертирующем входе порогового блока приводит к изменению. отрезка времени, за который напряжения на обоих входах порогового блока 1 становятся равны и, следовательно, к изменению частоты, генерируемой генератором, причем частота генератора связана с перемещением подвижной пластины 27 линейной зависимостью. Емкостный дифференциальный датчик 11 соединен со схемой преобразователя экранированными коаксиальными линиями 16, 17 и 20, 21, причем коаксиальные линии 20, 21 имеют двойную экранировку, Потенциал внутреннего экрана 22, 24 каждой коаксиальной линии 20, 21 уравнен с потенциалом центрального проводника, Напряжения с центральных проводников коаксиальных линий 20, 21 подаются на входы соответствующих повторителей 4, 5, с выходов которых напряжения поступают на внутренние экраны 22, 24 указанных коаксиальных линий 20, 21. Поскольку коаксиальные линии 16, 17 и 20, 21 снабжены экранами 18, 19 и 23, 25 соответственно, подсоеднненными к нулевой шине, то токи паразитных наводок протекают по экранам и нулевой шине, не влияя на работу устройства.Рассмотрим работу устройства на примере работы конденсатора емкостного датчика 11, образованного электродами 12, 14 с помощью эквивалентной схемы (фиг. 3). на.Паразитная емкость 30, образованная внешним 23 и внутренним 22 экра нами коаксиальной линии 20, такжеможет быть исключена из эквивалентной схемы, так как она зашунтирована малым выходным сопротивлением повторителя 4, напряжение на выходе 25которого не зависит от величины емкостной нагрузки в случае, если импеданс емкости 29 на рабочей частоте преобразователя (2 ) много больше выходного сопротивления повторителя 30 35 50 5Преобразовав выражение (1) 6Конденсатор (С,) соединен со схемой преобразователя центральным проводником коаксиальной линии 20, к которому подключен вход повторителя 4, соединенного выходом с внутренним экраном 22, Хаким образом, потенциал внутреннего экрана 22 всегда поддерживается равным потенциалу центрального проводника коаксиальной линии 20,Поскольку разность потенциалов на паразитной емкости 29, образованной центральным проводником и внутренним экраном 22,равна нулю, то эта емкость не влияет на работу схемы и из эквивалентной схемы может быть исключе 4. Влиянием емкости 30 можно пренебречь, поскольку выходное сопротивление повторителя 4 может быть сколь угодно малым, хотя это и потребует увеличения мощности, развиваемой повторителем 4 на выходе, Аналогичным образом из эквивалентной схемы могут быть исключены емкости 31 и 32, так как они шунтируются малым выходнымсопротивлением активного ФНЧ 9,Активный ФНЧ 9 не пропускает сигналы с частотой, превышающей частоту среза, которая выбирается таким образом, чтобы фильтр нижних частот не влиял на работу схемы на рабочей частоте, т,е, Г сс Г , где Е,. частота среза фильтра нижних частот, Е , - минимальная частота генерации преобразователя.Резисторы в фильтре нижних частот подбираются таким образом, чтобы их подключение не оказывало влияния на работу схемы по переменному току, т,е, сопротивление одного иэ резисторов должно быть много больше реактивного сопротивления емкости С на наивысшей частоте Г (К 21мС С13172838ЕВынеся + - иэ-под знака интеграла,получим сопротивление другого - много больше выходного сопротивления операционного усилителя активного ФНЧ 9, Фвых.оу 9 ) фПри соблюдении укаэанных условий ВС-цепь активного.ФНЧ 9 не оказывает влияния на работу схемы по переменному току, вследствие чего она также может быть исключена из рассмотрения в эквивалентной схеме (фиг, 3). Таким образом, инвертирующий вход операционного усилителя активного ФНЧ 9 находится под нулевым потенциалом (так называемый "виртуальный нуль"), так как напряжение на неинвертирующем входе его равно нулю, Разницу между напряжениями на входах операционного усилителя активного ФНЧ 9 , о,Цможно определить как Е1 Ц вык(4)вхчстак как К; со (до 10 ).5Напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя активного ФНЧ 9 поддерживается равным нулю, благодаря действию отрицательнойобратной связи через емкость Свследствие чего напряжение на выходеоперационного усилителя активногоФНЧ 9 совпадает с напряжением на емкости СНапряжение на емкости С связано стоком через эту емкость соотношениемц = - 1. йЕ+ц1с, С с, ос,огде Ц - начальное значение напряос,жения на емкости С(9) Ток через емкость С, равен току через токозадающий резистор 2, так как входное сопротивление операционного усилителя активного ФНЧ 9 стремится к бесконечности, ток через.реЕвык оо Н С ос(0) Езистор 2 равен + - где Б. - номи - к ф ганальное значение резистора 2, так как резистор 2 подключен к точке, имеющей потенциал +Е (выход порогового блока 1), а другой - к "виртуальному нулю", вследствие чего напряжение на емкости С, и на выходе операционного усилителя активного ФНЧ 9 равно Часть схемы, образованная токозадающим резистором 3, повторителем 5,активным ФНЧ 10, коаксиальными ли 10 ниями 17, 21 и емкостью С являетсясимметричной по отношению к описанной выше части схемы,Следовательно,15 ц =+ +цЕвык оу (О - Н С осв где У - начальное значение напряосжения на емкости СК - номинальное значение ре 9зистора 3,Работа преобразователя в случае,когда подвижный элемент дифференциального емкостного датчика 11 находится в среднем положении, т,е, С= С = С, осуществляется следующимобразом.Пусть пороговый блок 1 переходитв другое устойчивое состояние в моменты времени О, Т/2, Т (фиг, 4 а).Номинальные значения токоэадающихрезисторов 2, 3 установлены равнымиК, т,е, К = К = К. Напряжение навыходе активного ФНЧ 9 (пунктирнаялиния, фиг, 46) в период времени от35 0 до Т/2 определяется как Ецбык оу 9 я С-+цос,о В этот же период времени напряжение40 на выходе активного ФНЧ 10 (сплошная линия, фиг. 4 б) определяется как 45 Напряжения Ц , и Цос можно принять равными, так как вследствие воздействия отрицательной обратной связи по постоянному току постоянная составляющая напряжения на выходах ак тивных ФНЧ 9 и 10 равна нулю, а изменение напряжения относительно постоянной составляющей происходит по одному и тому же закону 55 Ц=+ - 1,ЕКСНапряжения с выходов активных ФНЧ9 и 10 подаются на входы дифференциального усилителя 7, где осуществляНа неинвертирующем входе порогового блока 1 напряжение (сплошная линия, фиг. 4 д) определяется как 30 К,э 2 Е е нонне,пв( иых пБ 1 К +К Кэ +Кэ 4 ЭЭ Э 4 ЭЭ(16) 9 1317283 10ется вычитание этих сигналов, Напря- которого определяется следующим обжение на выходе дифференциального разом.усилителя 7 (фиг, 4 а) определяется В период 0 сс Т напряжение Укак равно нулю, При С=Т/2 напряжение5 иеинв. пв( также равио НУЛЮ ИЛИ+Е + О (1- зз )"Ок КэьеЕ еез,зее аПри С=С (период времени Ос сТ)4напряжение на выходе дифференциального усилителя 7 и на инвертирующем 10 Отсюда следует, что приТ/2входе порогового блока 1 равно нулю напряжение на выходе интегратора 8(а:т)Е Е.ЕНа выходе операционного усилителя 35интегратора 8 напряжение линейно После перехода порогового блока 1уменьшается с коэффициентом 1 Л, в другое устойчивое состояние напря(фиг 4 г) где о = К С (где жение на его выходе меняет знак, аИГ, Г е ГДЕ (зК , С 7 - номинальные значения ре напряжение на его неинвертирующемзистора 36 и емкости 37, интегратоЭ 6 у э 7 омвходе ста ов т я равнымн и сра 8).Таким образом, где К э, Кэ 4 - номинальные значениярезисторов 33 и 34 реезистивного делителя 6 35напряжения,В период 0 с сТ/2, когда напряжение на выходе порогового блока 1 равно +Е, напряжение на неинвертирующем входе порогового блока 1 линейно уменьшается от значения, равного По , до достижения раОЕХ,ИНВ, ПБ(венства напряжений на входах порогового блока 1 в период 0 с Т сТ, т, е, до нулевого напряжения на неинвертирующем входе порогового блока 1, так как напряжение на его инвертирующем входе равно нулю (пунктирная линия, фиг. 4 д), В момент переключения порогового блока 1 напряжения на еговходах равны, т,е, Онеине пе( Оинв пе( После переключения порогового блока 1 напряжение на его выходе изменяет знак, напряжение на выходе операцион ного усилителя 35 интегратора 8 не изменяется, а напряжение на неинвертирующем входе порогового блока 1 становится равным По значениеВ следующий момент Е меняет знак и напряжение становится равным "о е не . Поскольку напряжеО, ЕХ, НЕИНВ. ПБ(ние на выходе операционного усили- . теля 35 интегратора 8 изменяется по-ЕТ+ак(эну П З (КС) По.". 8 то напряжение на входе порогового блока 1 уменьшается по модулю,В момент достижения нулевого уровня на инвертирующем входе порогового блока 1 происходит его переключение в другое устойчивсе состояние, меняется знак напряжения на его выходе и далее процесс повторяется с частотой 2 (фиг. 4 д) .(17) При С=Т/2 напРЯжение Пвх ивине.пБ( =О. Напряжение на неинвертирующем входе порогового блока. 1 в интервале =О-Т/2 изменяется по закону17283 12вых дут дут ( вых оу Мо вых ау 9Е (1+х) Е (1-х)+ 11 -115 авыхо (о овых оу 9 4 Бэв Сзт кзз э 4(19) 5 ц К 2 Е Хх вых аут 07 1 т С х(20) т,е, напряжение на выходе дифференциального усилителя 7 и на входепорогового блока 1 в период времени 20 0 с Т Т/2 линейно возрастает. Напряжение на выходе интегратора 8 и нанеинвертирующем входе порогового блока 1 линейно уменьшается, и в моментравенства напряжений на входах пороговый блок 1 переходит в другое ус(тойчивое состояние (момент Т /2,фиг, 4 а), и напряжение на его выходе меняет знак. В период времени0 с Т /2 напряжение на неинверти,рующем входе порогового блока 1 определяется как 4 п ЕЕ,Б г+1(28) Подставив (26) и (27) в (28) и решив уравнение относительно 1 определяют50 Т /2: Бзз+Бм(пунктирная линия, фиг46), где о вык оу 9 (о начальное напряо, вык, оу 9(1 ожение на выходах операционных усилителей активных ФНЧ 9, 10 в моментвремени =0 , а напряжение на выхо(де дифференциального усилителя 7 определяется как Т /22 Бзз 0=2 Е зз Т/2(1- з ).кзз +НзФ Бзв Сзт Б зз+Б з 4(18) Решив уравнение (18) относительноТ, получим 1В результате, с учетом Г= в , получаем выражение для частоты Г на выходе генератора в случае С,=С В случае, когда подвижный элемент с электродами 12 и 13 дифференциального емкостного датчика 11 не находится в среднем положении,т.е.С, С устройство работает следующим образом.При смещении подвижного элемента емкостного датчика 11 относительно среднего положения в момент времени с=О на расстояние 1,(фиг, 2) емкости С, и С определяются как Са4 ЕГ,З Са(21) В момент времени С=О пороговый блок 1 переходит в состояние, при котором на его выходе устанавливается напряжение +Е (фиг, 4 а) . При этом напряжение на выходах активных ФНЧ 9, 10 (фиг. 46) изменяются по закону(фиг. 4 в) .Если учесть, что начальные. напряжения на конденсаторах С, С в мо(мент =0равны (поскольку постоянная составляющая поддерживается равной нулю с помощью цепи отрицательной обратной связи), то Езв Сзт)+ 2 Езз +м Бзз +Бм а напряжение на инвертирующем входе13 13С момента времени Т/2 напряженияна выходе интегратора 8 и на выходахактивных ФНЧ 9, 10 начинают нарастать, причем напряжение на выходе активного фНЧ 9 нарастает со скоростью(1+х)КС да на выходе активного фНЧ 10(1-х)со скоростью - (фиг.4 б), т,е.К .,оразность напряжений уменьшается,Уменьшаются также напряжения на выходе дифференциального усилителя 7и на инвертирующем входе пороговогоблока 1 (фиг. 4 в, фиг, 4 д. пунктирная линия), В момент времени Т устанавливается равенство напряженийна входах порогового блока 1, который вновь переходит в первоначальноеустойчивое состояние, Далее процессповторяется,/Докажем, что отрезки времени 0Т /2 и Т /2 - Т равны между собой(фиг. 4 д, 5).Из треугольников О АВ и ВСТ следует, что они равны, так как равныуглы ОАВ и ВСТ , т,е, неизменнаскорость изменения напряжения (безучета знака) на выходе интегратора8 и на неинвертирующем входе порогового блока 1. Равны также углы АО Ви СВТ , так как неизменна скоростьизменения напряжения (без учета знака) на выходе дифференциального уси-.лителя 7, т.е.5 10 15 20 25 30 т.е, частота Г линейно зависит от перемещения подвижной диэлектрической пластины 27 дифференциального емкостного датчика 11.Преимущества данного преобразователя позволяют повысить точность преобразования емкости в частоту в условиях удаленности датчика, что обусловлено уменьшением влияния паразитных емкостей линий связи, соединяющих датчик с устройством, и увеличением линейности преобразования за счет использования в схеме преобразования интеграторов на активных элементах. Реализация предлагаемого устройства позволит обеспечить точность и достоверность информации с датчика при пространственной удаленности датчика в случае эксплуатации в условиях воздействия неблагоприятных внешних факторов, в условиях криогенных или высоких температур окружающей среды, без внесения дополнительных погрешностей, обусловленных влиянием соединительных линий. Частотный выход устройства позволяет осуществить простое согласование с входными устройствами ЭВМ,формула из обретения(31) где КЭ 4 АО В=90 - М и 1 СВТ =90 -м .1Отрезки ОА и ВС также равны меж 1 ду собой. В момент времени 0напряжение на неинвертирующем входе порогового блока 1 (отрезок О А) равно Уменьшаясь в период времени О - Т/2, напряжения на неинвертирующем и инвертирующем входах порогового блока 1 уравниваются, достигая значения д 0.Частота на выходе генератора определяется как 1 1 Км +Т 4 Кя Квб Св2 х Кя+Км +д 7 РСо 35 40 45 50 55 Преобразователь перемещения в частоту, содержащий емкостный датчик, пороговый блок, реэистивный делитель напряжения, два повторителя, два резистора и дифференциальный усилитель, причем средний вывод реэистивного делителя напряжения соединен с неинвертирующим входом порогового блока, выход которого соединен с первым выводом резистивного делителя напряжения, с выходом преобразователя и через первый и второй резисторы с входами соответственно первого и второго повторителей и через первую и вторую линии связи с первым и вторым выводами емкостного датчика, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности преобразования в условиях удаленности емкостного датчика, в преобразователь дополнительно введены два активных фильтра нижних частот и интегратор, причем входы первого и второго активных фильтров нижних частот соединены с входами соответственно, первого и второ 15 13 го повторителей, а выходы - соответственно с инвертирующим и неинвертирующим входами дифференциального усилителя и через третью и четвертую линии связи с заземленными экранами с третьим и четвертым выводами емкостного датчика, вход интегратора соединен с выходом преобразователя, а выход - с вторым выводом резистив 17283 16ного делителя напряжения, первая ивторая линии связи выполнены с двойной экранировкой, внутреннне их экраны соединены с выходами соответственно первого и второго повторителей, а внешние их экраны заземлены,а выход дифференциального усилителясоединен с инвертирующим входом порогового блока,