Измерительный преобразователь неэлектрических величин с емкостным датчиком

(54) ИЗМЕРИТЕЛ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИ ДАТЧИКОМ (57) Изобретен преобразования бочего конденс нения постоянн РАЗОВАТЕЛЬ С ЕМКОСТНЬР е предназначено для изменений емкости р ора датчика в изм о напряжения, Цел л. СУДАРСТ 8 ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ А ВТОРСКОМУ СВИДЕТ(21) 4072985/ (22) 30,05,86 (46) 15,09,87, (72) Ф.Б.Грине И.К.Надь, Е,Ю, (53) 62 1.3 17,3 (56) Авторское В 1057882, кл,изобретения - расширение функциональных возможностей устройства. Преобразователь содержит источник 1 стабильного постоянного напряжения, коммутаторы 2 и 3, генератор 4 прямоугольного напряжения, усилитель 7 ифазочувствительный детектор 8, Введение операционных усилителей 9 и 10и образование новых функциональныхсвязей обеспечивают работу преобразователя с различными типами емкостных датчиков и возможность регулирования крутизны и смещения нуля передаточной характеристики при сохранении ее линейности и стабильности,Изобретение относится к измерительной технике, может использоваться для измерения различных неэлектрических величин (перемещения угла поФворота, уровня вещества и т,д.) ипредназначено для преобразования изменений емкости рабочего конденсаторадатчика в изменения постоянного напряжения, 10Целью изобретения является расширение Функциональных возможностейпреобразователя путем обеспечения егоработы с различными типами емкостныхдатчиков, а также путем обеспечениявозможности регулирования крутизныи смешения нуля передаточной характеристики при сохранении ее линейностии стабильности.На чертеже представлена функциональная схема преобразователя,Устройство содержит источник 1стабильного постоянного напряжения,коммутаторы 2 и 3, генератор 4 прямоугольного напряжения, рабочие 5 и 6 25конденсаторы, усилитель 7, фазочувствительный детектор 8, операционныеусилители 9 и 10, резисторы 11 - 17,выходные зажимы 18 устройства. Приэтом резисторы 11 и 12 подключены одними из выводов соответственно к выходам операционных усилителей 9 и 10,а вторыми выводами - к их инвертирующим входам, к кОторым через резисторы13 и 14 подключен источник 1 постоян- зного напряжения, а через резисторы15 и 16 - выход устройства, выходоперационного усилителя 9 подключенчерез резистор 17 к инвертирующемувходу операционного усилителя 10аоа неинвертирующие входы операционныхусилителей подключены к общей шине,Первые информационные входы коммутаторов 2 и 3 подключены соответственно к выходам операционных усилителей 459 и 10, а вторые их входы - к общейшине, выходы коммутаторов 2 и 3 подключены к потенциальным электродамрабочих конденсаторов 5 и 6, вторыетоковые электроды которых соединеныи подключены к входу усилителя 7,выход которого подключен к входу фазочувствительного детектора 8, выходгенератора 4 прямоугольного напряжения подключен к управляющим входамкоммутаторов 2 и 3 и опорному входуФазочувствительного детектора 8, выход которого подключен к выходным зажимам 18 устройства,Устройство работает следующим образом,На потенциальные электроды рабочих конденсаторов 5 и 6 датчика подаются противопофаэные прямоугольныенапряжения, формируемые коммутатором2 из выходного напряжения первогооперационного усилителя 9 и коммутатором 3 из выходного напряженияоперационного усилителя 10. Коммутаторы 2 и 3 управляются генератором 4прямоугольного напряжения. При неравновесии схемы (когда отношение емкостей С 5 и Сб рабочих конденсаторов5 и б датчика не равно обратному отношению подаваемых на них напряжений)на соединенных вместе токовых электродах рабочих конденсаторов 5 и 6датчика действует разностный сигнал,который усиливается усилителем 7.Фаза прямоугольного сигнала на выходеусилителя 7 зависит от знака равновесия схемы, Это прямоугольное напряжение подается на вход фазочувствительного детектора 8, формирующегона своем выходе постоянное напряжение, которое подается на выходныезажимы 18 устройства и через резисторы 15 и 16 - на инвертирующие входыоперационных усилителей 9 и 10 соответственно. На эти же входы черезрезисторы 13 и 14 подается стабилизированное постоянное напряжение источника 1. На инвертирующий вход второго операционного усилителя 10 через резистор 17 подается также выходное напряжение первого операционного усилителя 9. Таким образом, изменение выходного напряжения фазочувствительного детектора 8 вызывает изменение выходных напряжений Пи Н, операционных усилителей 9 и 10 соответственно, что приводит к изменению соотношения напряжений на потенциальных электродах конденсаторов 5 и 6 датчика и к уменьшению напряжения неравновесия, Этот процесс продолжается до тех пор, пока схема не уравновесится, те. напряжение неравновесия не станет равным нулю, После этого постоянное напряжение на выходе фазочувствительного детектора 8 остается неизменным до тех пор, пока вновь не произойдет изменение емкостей рабочих конденсаторов 5 и 6 датчика.В уравновешенном состоянии схемы при достаточно больших коэффициентах усиления операционных усилителей 9,Ктх Ктт Ктт Ктг КттП =-Б---- -Б К, К, КК, К,х Ктг(1) где Б - выходное напряжение уст 8 Ыхройства (действующее навыходе 18);Б, - стабилизированное постоянное напряжение источника 1;К, - К, - сопротивление резисторов11-17 соответственно.Решение системы (1) дает следующее уравнение преобразования устройства:(2)- С 5+( ---- ) СВыбирая различные соотношения между величинами сопротивлений К -К, 30 можно получать различные передаточные характеристики устройства, Рассмотрим некоторые характерные примеры,Датчик дифференциальный ф причем 35 в среднем положении подвижного электрода (при С =Сс) выходное напряжение П , должно быть равно нулю, При этом функция передачи должна быть С 5-Сспропорциональна величине в в в , приС +С, фчем К=К,=К, К=2 К, а резистор 14исключаем из схемы К = сь ),14Тогда из (2) получим Б =-БКтт С 5 СЬ+СтЬ 5 СИзменяя отношение К /К , можнот тЗфполучить необходимую крутизну преобразования, не изменяя положения нуля отсчета. Датчик также дифференциальный,но требуется сдвиг нуля отсчета, причем как и в предыдущем случае К= ода резир 14 оставим и схеме,Подставим эти соотношения в формулу (2)+( - -)К Кт 4 К 5Ьы о С +Сси преобразуем данное выражение кследующему виду: К 15 Ктс С 5 Сс К т 5 1Ьых с К 2 К С +С 2 К15 Как видно из полученной формулы, изменяя сопротивление К , можно выбирать положение нуля отсчета (при этом для сохранения неизменной крутизны одновременно необходимо регулировать и К так, чтобы величина 1 1К 15 2 К 4- оставалась постоянной), а изменяя величину К - получать необхо 18димую крутизну передаточной характеристики,Датчик не дифференциальный с переменной площадью электродовПри этомдля получения линейного отсчета выходное напряжение должно быть пропорционально отношению С 5/С 6, если емкость С 5 является переменной, а С 6 -постоянной (образцовой). Исключимиз схемы резисторы 15, 17, а резисторы 11 и 12 сделаем одинаковыми, всоответствии с чем подставим в формулу (2) следующие значения: К;-К,= ",К =Кт;ттогда(5)тз с т 4В данном случае изменением сопротивления К, можно регулировать крутизну,а изменением сопротивления К- положение нуля отсчета,Датчик не дифференциальный, с переменным зазором между плоскими электродами, В этом случае для получениялинейной зависимости выходного сигнала от перемещения необходимо чтобынапряжение было обратно пропорционально емкости рабочего конденсатора,Устройство пригодно для работы и вэтом случае необходимо только датчиквключить так, чтобы его переменныйрабочий конденсатор был на месте конденсатора 6, а постоянный (образцовый) - на месте конденсатора 5Выборрезисторов и выражение для П , приэтом аналогичны предыдущему случаю. Формула изобретения Измерительный преобразователь неэлектрических величин с емкостным1337649 Составитель Н,МихалевТехред М.Ходанич Корректор Л,Бескид Редактор Н.Горват Заказ 4117/35 Тираж 676 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб д, 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул, Проектная, 4 датчиком, содержащий два коммутатора,вторые информационные входы которыхподключены к общей шине, а выходы -к потенциальным электродам двух рабочих конденсаторов датчика, токовыеэлектроды которых соединены и подключены через усилитель к входу фазочувствительного детектора, выход которого подключен к выходным зажимам устройства, генератор прямоугольногонапряжения, выход которого соединенс управляющими входами коммутаторови опорным входом фазочувствительногодетектора, и источник стабильногопостоянного напряжения, о т л и ч а -ю щ и й с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностейпреобразователя путем обеспеченияего работы с различными типами емкостных датчиков, а также путем обеспечения возможности регулирования крутизны и смещения нуля передаточной характеристики при сохранении ее линейности и стабильности, он снабжен двумя операционными усилителями, выходы которых подключены непосредственно к первым информационным входам коммутатора и через резисторы - к своим инвертирующим входам, с которыми также через соответствующие резисторы соединены источник стабильного постоянного напряжения и выход фазочувствительного детектора, выход первого операционного усилителя через резистор подключен к инвертирующему входу второго операционного усилите"ля, а их неинвертирующие входы подключены к общей шине.