Преобразователь параметров емкостных датчиков во временной интервал и напряжение

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 91 (В ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНПРИ ПНТ СССР ЯМ исдник изовеетения 2ТЕ 1 Ь ПАРАМЕТРОВ ЕМКОО ВРЕМЕННОЙ ИНТЕРВАЛ. СТНЫХ ДАТЧИКОВ ВИ НАПРЯЖЕНИЕ(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров ем"костных датчиков во временной интервал и напряжение. Цель - увеличениебыстродействия и расширение функциональных возможностей - достигаетсявведением в преобразователь генератора 1 линейно изменяющегося напряженияи логического элемента 2 И 8.Преобразователь содержит также ключ 2,измеряемыйемкостной датчик 3, образцовый конденсатор 4, усилитель 5 сигнала неравновесия, синхронный детектор 6, интегратор 7, компаратор 9. 4 ил. ически ник Э.Г. Емистемах управления,3. К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Бухгольц В.П., Тисевикостные преобразователи вавтоматического контроля иМ.: Энергия, 1972, с. 38-4Авторское свидетельствоУ 1205065, кл. С 01 К 27/2Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения параметров электрических цепей.Целью изобретения является увеличение быстродействия и расширение Функциональных возможностей,На фиг. 1 представлена Функциональная схема предлагаемого преобразова ртеля; на фиг. 2 - генератор линейноизменяющегося напряжения (ГЛИН); нафиг. 3 - эпюры временных диаграмм преобразователя; на фиг, 4 - временныедиаграммы напряжения на выходе интегратора,СУстройство содержит генератор 1линейно изменяющегося напряжения,ключ 2, измеряемый емкостной датчик3 (С) образцовый конденсатор 4.(С) усилитель 5 сигнала неравновесия, синхронный детектор 6, интегратор 7, логический элемент 2 И 8, компаратор 9,ГЛИН 1 содержит генератор 10 прямоугольного сигнала, источник 11 опорного напряжения, дешифратор 12, реверсивный счетчик 13, цифроаналоговыйпреобразователь (ЦАП) 14, КБ-триггер15, Фильтр 16 нижних частот, аналоговый инвертор 17.Устройство работает следующим образом.ГЛИН 1 (фиг,2) представляет собойцифровой генератор, генерирующий сигнал треугольной формы, частота и амплитуда которого стабильны, Реверсивный счетчик 13 переключается с частотой генератора 19 прямоугольных сигналов, частота которого стабилизирована 4 Окварцевым резонатором. Когда состояние реверсивного счетчика 13 достигает своего максимального значения, навтором выходе дешифратора 12 появляется сигнал "1", который устанавливает на выходе КЬ-триггера 15 состояние1". Выходной сигнал 1 с выходаКБ-триггера 15 поступает на вход управления направлением счета реверсивного счетчика 13, после чего ревер. сивный счетчик 13 начинает работать врежиме вычитания. При достижении нулевых состояний во всех разрядах реверсивного счетчика 13 на первом выходе"дешифратора 12 появляется сигнал55который устанавливает на выходе КЯтриггера 1 5 состояние О . Выходи оисигнал " О " с выхода КЯ-три г г ер а 1 5изменяет направление сч ет а р е вер си вного счетчика 13, переключив режим его работы на счет в плюс. Таким образом; весь процесс периодически повторяется, Выходы счетчика 13 и входы дешифратора 12 соединены с соответствующими им входами управления ЦАП 14. На аналоговый вход ЦАП 14 подается стабилизированное постоянное напряжение с источника 11 опорного напряжения. На выходе ЦАП 14, вследствие переключения реверсивного счетчика 13, формируется ступенчато изменяюшийся по треугольному закону сигнал. Для фильтрации ступенек предназначен фильтр 16 нижних частот на выходе которого получается линейно изменяющийся треугольный сигнал, Выход Фильтра 16 нижних частот является прямым выходом ГЛИН 1. Для получения инвертированного сигнала служит аналоговый инвертор 17 с коэффициентом передачи - 1, вход которого соединен с выходом фильтра 16 нижних частот. Выход аналогового инвертора 17 является инверсным выходом ГЛИН 1, а выходом управления ГЛИН 1 является выход КБ-триггера 15. Выходное напряжение треугольной формы с прямого выхода ГЛИН 1 (Фиг,3.1) и инверсного выхода ГЛИН 1 (фиг.3.2) через замкнутые контакты ключа 2 прикладываются к измеряемому 3 и образцовому 4 конденсаторам, При достижении линейно изменяющегося напряжения на прямом выходе ГЛИН 1 выходного напряжения интегратора 7, которое является выходным напряжением устройства (Фиг,3,1), срабатывает компаратор 9, Выходной сигнал компаратора 9 (фиг,3.4) размыкает ключ 2, Формируя на образцовом конденсаторе 4 напряжение трапецеидальной формы (фиг.3.5) . В момент раэмыкания ключа 2 ток через образцовый конденсатор 3 не протекает. Поэтому на вход усилителя 5 (в момент размыкания ключа 2;: подается ток, протекающий только через измеряемый конденсатор 3, При уменьшении линейно изменяющегося напряжения на прямом выходе ГЛИН 1 меньше порога срабатывания компаратора 9 вновь замыкается ключ 2, и на вход усилителя 5 подается ток, протекающий через измеряемый 3 и образцовый 4 конденсаторы. Выходное напряжение усилителя 5 показано на Фиг. 3.6, Для нормальной работы преобразователя должно выполняться условие5 152561Ск(о, тк. Тоько тБ (П где Ск - емкость измеряемого кондея"сатора 3; 5С- емкость, образцового конденсатора 4;Тцк " выходной временной интервал;Т - половина периода выходногосигнала ГЛИН 1; 10Бвмк - выходное напряжение преобразователя;По - значение опорного напряжения.Синхронный детектор 6 представляет 15 собой дифференцирующий усилитель. ,Дифференцирование выходного сигнала усиЛителя 5 производится детектором 6 .синхронно выходному сигналу управления ГЛИН 1, Выходной сигнал управ ления ГЛИН 1 представлен на фиг 3.3 и 4.1, Выходной сигнал синхронного детектора .6(фиг. 3.7 и 4.2) подается на вход интегратора 7. Выходное на пряжение интегратора. 7 (при условии, что измерительная цепь уравновешена) по окончании интервала времени Т равна нулю, Выходное напряжение интегратора 7 изображено на фиг. 4.7. Если . преобразователь уравновешен, то выполнено соотношение с =Со - ток, протекающийСочерез образцовыйконденсатор 4 (Со) .Выражение (1) может быть приведено,к виду Но так как скорости изменения выходных сигналов на прямом и инверсном выходе ГЛИН 1 равны, то выражение (2) примет вид=: С Т, (3)Из выражения (3) может быть определен выходной временной интервалСТ = -- -Т. (4)вмкАмплитуда выходных напряжений на прямом и инверсном выходе ГЛИН 1 ста 19 6бильна за счет применения источника 11 опорного напряжения, Скорость изменения выходных напряжений треугольной формы ГЛИН 1 такова,что за ста" бильный интервал времени Т выходное напряжение ГЩ 4 Н 1 на инверсном выходе достигнет .значения -0 , а на прямом выходе +О. Выходное напряжение интегратора 7 (которое является выходным напряжением устройства) равно по модулю напряжению на образцовом конденсаторе 4 (фиг,3.5) в момент размыкания ключа 2, т,е. выход" ное напряжение ГЛИН 1 достигает выходного напряжения преобразователя П ,за временной интервал Т ,(фиг.3. 1и 3.8)Иэ сказанного следует1 ПооТ " -- ,=У (5)1" оо оф Подставив значения (5) и (6) в выражение (2), получаем где Б- амплитуда выходных сигналов треугольной формы ГЛИН 1Определим выходное напряжение синхронного детектора й в момент времегде о - постоянная времени синхрон 6ного детектора 6;К 4 - коэффициент передачи усилителя 5, равный единице, деленной на емкость конденсатора обратной связи усилителя 5 (усилитель 5 представляет собой инвертирующийусилитель на ОУ и конденсаторах С,и С в прямой цепи,а в цепи отрицательной обратной связи С ), поэтомуПри а = 0,8 устройство уравновешивается за четыре периода сигнала ГЛИН 1 с точностью 0,133 и при частоте выходных сигналов ГЛИН 1 Еоо 525 10 Гц время уравновешивания равно 0,2 мс с точностью =О, 1 Х так как основной выходной величиной явля, ется временной интервал, то время выборки информации об измеряемой ве личине сокращено по сравнению с прототипом до величины половины периода выходного сигнала ГЛИН 1 (а - коэффициент передачи по цепи обратной связи), 15Достоинством изобретения по сравнению с прототипом является увеличение быстродействия, что ведет к снижению динамической погрешности измерительной системы, а также расширение функциональных возможностей за счет наличия двух выходных сигналов - временного интервала и постоянного напряжения, 25Формула и з обр ет енияПреобразователь параметров емкостных датчиков во временной интервал , и напряжение, содержащий ключ, второй вывод, которого соединен с первым выводом образцового конденсатора, зажимы , для подключения измеряемого емкостного датчика, усилитель сигнала неравновесия, вход которого соединен свторым выводом образцового конденсатора и с одним из зажимов для подключения измеряемого емкостного,датчика,выход усилителя неравновесия соединенс одним из входов синхронного детектора, выход которого соединен с входоминтегратора, а. выход последнего соединен с одним их входов компаратора,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью увеличения быстродействия ирасширения функциональных возможностей, в него введены генератор линейно изменяющегося напряжения, логический элемент .2 И, причем прямой выход генератора линейно изменяющегосянапряжения соединен с другим зажимомдля подключения измеряемого емкостного датчика и входом компаратора, аинверсный выход генератора линейноизменяющегося напряжения соединен спервым выводом ключа, первый входлогического элемента 2 И .соединен свыходом управления генератора линейно изменяющегося напряжения и входомуправления синхронного детектора, вто-рой вход логического элемента 2 И соединен с выходом компаратора и входомуправления ключа, выход логическогоэлемента 2 И является первым выходомустройства, а выход интегратора является вторым выходом устройства.