Преобразователь параметров емкостного контактного датчика

(ЕМКде ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРпо делАм изоБРетений и отнРытий 54)(57) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВОСТНО 1 О ЕОИТАЕТПО 1 О ДАТЧИКА, соржащий генераторы прямоугольного напряжения и высокочастотного синусоидального напряжения, сумматор, операционный усилитель, опорный конденсатор, регулируемый элемент, интегратор, два фильтра нижних частот, фильтр верхних частот, весовой сум- матор, амплитудный детектор, причем выходы обоих генераторов соединены с входами сумматора, выход которого через емкостный датчиксоединен с входом операционного усилителя, в цепь отрицательной обратной связи которого включены последовательно соединенные регулируемый элемент и интегратор, а к выходу одновременно под ключены первый фильтр нижних частот, последовательно соединенные ключ и второй фильтр нижних частот, первый сумматор, последовательно соединенные фильтр верхних частот и амплитудный детектор, о т л и ч а ющ и й с я . тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в него введены Формирователь стробирующих импульсов, опорный резистор, амплитудно-временной дискриминатор, третий Фильтр нижних частот, схема сравнения, триггер, узел определения отношения напряжений, второй весовой су)оратор, причем выход генератора прямоугольного напряжения соединен одновременно с входом регулируемого элемента, формирователем стробирующих импульсов и первым входом триггера, выход операционного усилителя подключен к интегратору через амплитудно-временной дискриминатор, авход соединен с регулируемым элемен- том через опорный резистор, выход амплитудного .детектора соединен .с одним из входов второго весового сум С матора, другой вход которого соединен с первым входом узла определения Я отношения напряжений и выходом первого весового сумматора, причем выход второго весового сумматора сое" динен с первым входом схемы сравнения, второй вход которого соединен с выходом первого Фильтра нижних частот, а выход - с вторым входом триг гера, выход которого через фильтр нижних частот соединен . с вторым входом узла определения отношения напряжений, кроме того, выходы форми рователя стробйрующих импульсов соединены с входами амплитудно-временного дискриминатора и ключа.60 65 Изобретение относится к автоматическому измерению физико-химическихсвойств веществ по реактивным и активным составляющим полного сопротивления емкостного контактного (снеизолированными обкладками) датчикаи может быть использовано для измерения влажности, концентрации, солесодержания и т.п.Известен преобразователь параметров датчика в аналоговый сигнал,содержащий операционный усилитель,в цепи отрицательной обратной связикоторого включен диэлектрическийдатчик, представленный трехэлементной схемой замещения, а вход егочерез опорный конденсатор соединенс генератором треугольного напряжения, три перемножителя, три Фильтранижних частот, генератор ФункцийУолша, два весовых сумматора квацратор, устройство деления и ключ 1.Недостатком данноГо преобразователя является то, что он обеспечивает преобразование параметров.только бесконтактных (с изолированными обкладками) датчиков по трехэлементной последовательно-параллельной схеме замещения. Кроме того,преобразователь характеризуется недостаточно широким диапазоном соотношений элементов схемы замещения.Известен также электронный влагомер, содержащий емкостный преобразователь параметров, генератор прямоугольного напряжения, операционныйусилитель, Фильтр нижних частот, управляемый резистор (21 .Недостатком известного преобразователя является ограниченностьфункциональных возможностей, поскольку он обеспечивает преобразованиетолько одного суммарного параметрадвух элементов электрической схемы .замещения датчика, т.е. осуществляется получение .информации лишь ободном параметре датчика и, следовательно, лишь об одной характеристике вещества,Цель изобретения - расширениефункциональных воэможностей (увеличение количества элементов схемызамещения, параметры которых преобразуются в электрические сигналы).Указанная цель достигается тем,что в преобразователь параметров емкостного контактного датчика,содержащий генераторы прямоугольного напряжения и высокочастотного синусоидального напряжения, выходы которыхсоединены с входами сумматора,выходкоторого через емкостный датчик соединен с входом операционного усилителя, в цепь отрицательной обратнойсвязи которого включены опорный конденсатор и последовательно соединенные регулируемый элемент и интегратор, а к выходу одновременно подключены первый фильтр нижних часто,последовательно соединенные ключ,второй фильтр нижних частот, первыйсумматор, последовательно соединенные фильтр верхних частот и амплитудный детектор, введены Формирователь стробирующих импульсов, опорный резистор, амплитудно-временнойдискриминатор, третий Фильтр нижнихчастот, схема сравнения, триггер,10 узел определения отношения напряжений, второй весовой сумматор, при.чем выход генератора прямоугольного напряжения соединен одновременно с входом регулируемого элемента,15 формирователем стробирующих импульсов и первым входом триггера, выход операционного усилителя подключен к интегратору через амплитудно-временной дискриминатор, авход соединен с регулируемым элементом через опорный резистор, выход амплитудного детектора соединенс одним из входов второго, весовогосумматора, другой вход которого со 25единен с первым входом узла определения отношения напряжений и выходом первого весового сумматора, при-.чем выход второго весового сумматора соединен с первым входом схемысравнения, второй вход которого соединен с выходом первого фильтранижних частот, а выход - с вторымвходом триггера, выход которого через третий Фильтр нижних частот соединен с вторым входом узла опреде 35 ления отношения напряжений, крометого, выходы формирователя стробирующих импульсов соединены с входами амплитудно-временного.дискриминатора и ключа.На Фиг,1 приведена Функциональная схема преообразователя; наФиг,2 - временные диаграммы, поясняющие его работу,Преобразователь параметров емко 45 стного контактного датчика содержитгенератор прямоугольного напряже-. ния (ГПН) 1, емкостной контактный датчик (Д) 2, эквивалентная схема которого представлена емкостью С 1, характеризующей мгновенную поляризацию в исследуемом веществе и геометрическую емкость пустого датчика,резистором сквозной проводимости ссопротивлением В 1, резистором поляризационных потерь с сопротивлениемВ 2, а также емкостью С 2, характеризующей релаксационную поляризациюв веществе, операционный усилитель(ОУ) 3 с опорным конденсатором 4 емкостью С в цепи отрицательной обратной связи, первый Фильтр нижних частот (ФНЧ) 5, генератор синусоидального найряжения (ГСН) б, сумматор 7, формирователь стробирующих импульсов (УФСИ) 8, регулируемый элемент 9,опорный резистор 10 с сопротивлением,Значения То и Я выбираются из усло.вий.То 7(5 - 6) В СЫВеСоф 1,Н,С,1,которые легко реализуются выборомдостаточно низкой частоты прямоугольного и достаточно высокой частотысинусоидального напряжения. 60 амплитудно-временной дискриминатор(АВД) 11, интегратор 12, ключ 13,второй фильтр нижних частот (ФНЧ) 14,фильтр верхних частот (ФВЧ) 15, амплитудный детектор (АД) 16; схему сравкения (УС) 17, триггер 18, третийфильтр нижних частот (ФНЧ) 19, узелопределения отношения напряжений(УООН) 20, весовые сумматоры (ВС) 21и 22.При этом выход ГПН 1 одновременно. 10соединен с.управляющим входом регулируемого элемента 9, УФСИ 8, первымвходом сумматора 7, второй вход которого соединен с выходом ГСН б, а выход - через Д 2 - с входом ОУ З,кроме)5того, выход ОУ 3 одновременно соединен через АВД 11, интегратор 12,регулируемый элемент 9 и опорный резистор 10 с входом ОУ 3, через ключ13 и ФНЧ 14 с первым входом ВС 21,через ФВЧ 15 и АД 16 с вторыми входами ВС 21 и 22, первый вход ВС 22соединен одновременно с первым входом УООН 20 и выходом ВС 21, крометого, выход ВС 22 соединен с первымвходом УС 17, второй вход которогосоединен с выходом ФНЧ 5, а выходУС 17 - с вторым входом триггера 18,выход последнего через ФНЧ 19 соединен с вторым входом УООН 20, выходыУФСИ 8 соединены с управляющими входами АВД 11 и ключа 13,Работа преобразователя происходитследующим образом.С выхода ГПН 1 на первый вход сум.матора 7 поступает прямоугольное нап 35ряжение О ,(1),характеризующееся перйодом 2 Т и амплитудой 2 Оо.С выходаГНС б на второй вход сумматора 7 поступает синусоидальное напряжениеОопп (М= О впи = Ощгде О и а - 40соответственно амплитуда и круговаячастота напряжения.С выхода сумматора 7 на вход измерительной схемы (ИС), состоящей иэдатчика 2, ОУ 3 и опорного кондеисатора 4, поступает напряжениеО, которое, например, на интервале времени 1- 1 З (фиг.4) описывается выраженйемО = Оп+О т50Найряжение йа выходе ОУ 3 на данном интервале имеет вид При выполнении указанных условийи при ф ) о)2с, .с,О Ю. - 0,40) 0 о+ - 0 ооээ с о т ,Соо С,о"о+ "офс "вЮ 0 г(1) э( )ссэ,с,с, о йсоософИнфсрмацию о значении Н 1 получают с помощью контура автоматического регулирования, состоящего из ИС,АВД 11, интегратора 12, регулируемого элемента 9 и опорного резистора10. При этом напряжение на выходеАВД 11 Оввай н пропорционально разности вольт-секундных площадей Я(иЯ (фиг.2 б) напряжений, получаемыхпутем стробирования напряжения ОочЭс помощью следующих друг за другомстробирующих импульсов СИ 1 и СИ 2,.длительность которых равна То/4(фиг.2 в и г),а начало СИ 1 совпадаетс моментом времени = То/Яэ(4 то . тоэг с а, фгде Кощ н - коэффициент передачиАВД 11 по постоянному току.Напряжение на выходе интегратора12 6 пределяется какОннтгЮф 0 авьн Р р"унтгде т - постоянная времени интегратора 12.На выходе элемента 9 формируетсяпрямоугольное напряжение (фиг.2 д)с амплитудойОМо= ОЮНт 4 гКМЭ(Кмо - коэффициент передачи М 9 по, постоянному току) и периодом, равным 2 То и. сдВинутым на Т по отношеф нию к напряжению Оом (М .В установившеся режиме ОВе 1= О, т.е, контур авторегулирования за счет дествия отрицательной обратной связи, обеспечивает выравнивание площадей Я 1 и Я , что соответствует компенсации составляющей 9 (1)л-напряжения Ооээ и выполнению условия равновесия контурао.Преобразование значения С 1 в постоянное напряжение ц, осуществляется с помощью ФВЧ 15, АД 16. При этом напряжение на выходе ФВЧ 15, частота среза которого Ю, выбран1из условия - с ср, с ср описываетсятвыражениемгде Крв 45 - коэФФициент затухания фильтра йо амплитуде на частоте Я, Соответственно на выходе АД 16 имеад(ь - ад(втвчс -- "с(где К - коэффициент передачи АД 16.Преобразование значения С 2 осуществляется с помощью ключа 13,ФНЧ 14 и ВС 21При этом постояннаясоставляющая импульсов на выходеключа 13, выделяемая с помощью ФНЧ14, определяется как1 о Пнч(4 2 С, (С(+ЯСоответственно напряжение на выходе ВС 21"ВСВ( = фРаД(В+ф)ФН 4 Игде ( и мв - весовые коэффициентыВС 21 соответственно по первому ивторому входам..,Цсль выбрать значения МВ = 1 иПо2 2 К К Пад(вдв 4(в П1- 1 П С:Вс( 2 С- Пся,Преобразование значения 22 в электрический сигнал осуществляется спомощью ФНЧ 5, ВС 22, триггера 18,ФНЧ 19, УООН 20, УС 17. При этом напервый вход УС 17 с выхода ВС 22 по.ступает напряжение Пвс в= Пс(о(4+ Псгьв фгде ч 4 = 1,МЧ= 0,632 - весовые кбэффициенты ВС 22.Тогда Овсы = (рс( + 0 фб 32 ПсуНа второй вход УС 17 поступаетнапряжение при2С( Сг9 н 45 с с ( Ц"о оЧрн 45 згде Кн 45 - коэффициент передачиФНЧ 5 (Кн 45 Ф 1)5 Прн этом на выходе УС 17 получа-(в)а импульсы, длительность полярности которых (фиг.2 е)лс(т - То + " фН10 Длительность положительных импульсов с выхода триггера 18 (Фиг.2 ж)пропорциональна 8 т(в = Т +- Т"3,Из импульсной последовательностина выходе триггера 18 с помощьюФНЧ 19 выделяется постоянная составляющаяун 4(9 ун 4(9 т(в"т(8 КФн 4(9 П 1(8 Нв Ся фгде йт( - амплитуда импульсов навыходе триггера 18;коэффициент передачи ФНЧ19.Напряжение ОЧрн 9 поступает наодин из входов УООН 20, на второйвход которого поступает напряжение251 У(Сгс 2 С(рНа выходе УООН 20 получаем напряжение, пропорциональное 22Кунч(9 цт(8 Рг Сг4 =21 (,30Чоонао ц С ЧООнгО Тном(9 фргоЙсорпвсоРгх цв рогде КЧ Оно - коэффициент передачиУООН 20, имеющий разГВ 1мерность ц .Предлагаемый преобразовательобладает более широкими функцио 40 нальными возможностями по сравнению.:с известным, поскольку обеспечивает получение информации о параметрах четырех элементов схемы замещения датчика, т.е. более полной45 информации о физико-химических свойствах исследуемого вещества, в частности при использовании емкостногоконтактного датчика и предлагаемогопреобразователя может быть одновре 50 менно получена информация о влажности вещества (по значению С, хими.ческом (по соотношению С( и В иФилиал ППП Патентфф, г.ужгород, ул,Проектная аказ 255/33ВНИИПИ Госпо делам113035, Мо оставитель И.Клешнинаехред С. Легеза Тираж арственного изобретений ва, Ж, Р 97 комитета СС и открытийушская наб