Измерительный преобразователь с емкостным датчиком

)5 6 01 й 27/26 АНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ МУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ К АВТО ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Институт автоматики АН КиргССР(56) Карандеев К.Б., Гриневич Ф.Б., НовикА,И. Емкостные самокомпенсированныеуровнемеры, М.: Энергия, 1966, с,144.Левшина Е.С., Новицкий П.В. Измерительные преобразователи, Л,: Энергоатомиэдат, 1983, с.145,Авторское свидетельство СССРМ 1057882, кл. 6 01 В 27/26, 1982,Чередов А.Н,. Клементьев А.В. Измерительный преобразователь емкости в напряжение. - Приборы и техника эксперимента.1984, Я 5, с,128 - 129.(57) Изобретение относится к технике изме.рения неэлектрических величин электрическими методами и предназначено для преобразования параметров емкостного датчика в изменение выходного напряжения, Целью изобретения является расширение диапазона преобразования емкости в напряжение. Измерительный преобразователь с емкостным датчиком содержит первый источник 1 постоянного стабильного напряжения, первый 3 и второй 4 коммутаторы, измерительный емкостный датчик 6, первый образцовый конденсатор 7, преобразователь 9 заряда в напряжение, дискретный интегратор 10, генератор 11 прямоугольных импульсов, Введение второго источника 2 постоянного стабильного напряжения, третьего коммутатора 5 и второго образцового конденсатора 8 позволяет частично компенсировать заряд емкостного датчика на входе преобразователя заряда, что существенно расширяет диапазон измерения емкости датчика. 2 ил,15 20 датчиком, содержащий генератор переменного напряжения, измерительный и образцовый конденсаторы, операционный 30 Изобретение относится к технике измерения неэлектрических величин электрическими методами, предназначено для преобразования параметров емкостного датчика в изменение выходного электрического напряжения и может быть использовано для измерения, например, угла поворота, перемещений, уровень веществ, их влажности и т.д.Известен преобразователь с использованием моста с тесной индуктивной связью, который содержит генератор синусоидального напряжения стабилизированной амплитуды, рабочий и образцовый конденсаторы, преобразователь постоянного напряжения в синусоидальное, усилитель, фазочувствительный детектор.Недостатком известного устройства является его сложность и нетехнологичность изготовления из-за наличия большого количества намоточных элементов.Известен измерительный преобразователь неэлектрических величин с емкостным усилитель. Недостаток преобразователя - низкая точность преобразования, обусловленнаянестабильностью генератора синусоидального напряжения.Известен измерительный преобразователь неэлектрических величин с емкостным датчиком, содержащий источник постоянного стабильного напряжения, рабочий и образцовый конденсаторы, два коммутатора, усилитель, фазочувствительный детектор и генератор прямоугольных импульсов.Недостатком преобразователя является малый диапазон измерения, ограниченный уровнем выходного напряжения,соответствующего начальному значению емкости датчика, и максимально допустимым выходным напряжением устройства.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является преобразователь емкости в напряжение, содержащий источник постоянного стабильного напряжения, емкостный датчик и образцовый конденсатор, на которые порются импульсы напряжения, формируемые с помощью коммутаторов из опорного и выходного напряжения, преобразователь заряда в напряжение, дискретный интегратор и генератор прямоугольных импульсов,Недостатком известного преобразователя является малый диапазон преобразо-,вания емкости в напряжение, который ограничен уровнем выходного напряжения,соответствующего начальному значению 5 10 35 40 емкости датчика, и максимально допустимым выходным напряжением.Цель изобретения - расширение диапазона преобразования.Поставленная цель достигается путем обеспечения частичной компенсации заряда измерительного емкостного датчика. Конструктивно это реализовано следующим образом, В измерительный преобразователь емкости в напряжение, содержащий источник постоянного стабильного напряжения, два коммутатора, измерительный датчик и образцовый конденсатор, преобразователь заряда в напряжение, дискретный интегратор и генератор прямоугольных импульсов, введены второй источник постоянного стабильного напряжения, полярность которого противоположна полярности первого источника напряжения, третий коммутатор и второй образцовый конденсатор, потенциальный электрод которого соединен с выходом третьего коммутатора, управляющий вход которого соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов; первые информационные входы первого и третьего коммутатором соединены, соответственно, с выходами первого и второго источников постоянного стабильного напряжения, первый информационный вход второго коммутатора соединен с выходом дискретного интегратора, второй информационный вход третьего коммутатора соединен с общей шиной.На фиг. 1 изображена структурная схема преобразователя емкости в напряжение; на фиг. 2 - выходные характеристики преобразователя при различных режимах работы,Преобразователь содержит источник 1 постоянного стабильного напряжения, второй источник 2 постоянного стабильного напряжения, полярность которого противоположна полярности первого, коммутаторы 3-5, измерительный емкостный датчик 6, первый и второй образцовые конденсаторы 7 и 8, преобразователь 9 заряда в напряжение, дискретный интегратор 10 и генератор 11 прямоугольных импульсов, Токовые электроды емкостного датчика 6 и первого и второго образцовых конденсаторов 7 и 8 соединены вместе и подключены через преобразователь 9 заряда к дискретному интегратору 10, Потенциальные электроды измерительного емкостного датчика 6 и образцовых конденсаторов 7 и 8 соединены с выходами коммутаторов 3-5, Первые информационные входы коммутаторов 3 и 5 соединены соответственно с выходами первого 1 и второго 2 источников постоянного стабильного напряжения, первый информационный вход коммутатора 4 соединен свыходом дискретного интегратора, Вторые информационные входы коммутаторов 3 - 5 соединены с общей шиной устройства Выход генератора 11 прямоугольных импульсов соединен с управляющими входами 5 коммутаторов 3-5 и управляющим входом дискретного интегратора 10,ПреобразОватель работает следующим образом,На потенциальные электроды измери тельного датчика 6 и образцового конденсатора 8 подаются прямоугольные импульсы противоположной полярности, формируе. мые коммутатором 3 из напряжения Оо 1 источника 1 постоянного стабильного 15 напряжения и коммутатором 5 из напряжения Оо 2 источника 2 постоянного стабильного напряжения. На потенциальный электрод образцового конденсатора 7 поступают прямоугольные импульсы, форму руемые коммутатором 4 из выходного напряжения Овых измерительного преобразователя. Коммутаторы управляются генератором 11 прямоугольных импульсов, Алгебраи еская сумма зарядов, образую щихся на датчике и обоих образцовых конденсаторах. реобразуется преобразователем 9 заря,в в импульсные напряжения, которые накапливаются в дискретном интеграторе 10, Изменение емкости изме рительного датчика, обусловленное изменением контролируемого параметра, приводит к разбалансу зарядов на входе преобразователя 9 заряда, который компенсируется за счет изменения выходного. на пряжения дискретного интегратора 10.Установившийся режим работы устройства характеризуется равенством001 С 6- О 02 СВ = -ОвыхС 7, (1) где Оо 1 и Оо 2 - соответственно напряжения 40 первого (положительного) и второго (отрицательного) источников постоянного стабильного напряжения; Сб - емкость датчика; Ст и Св - значения емкостей первого и 45 второго образцовых конденсаторов (индексы соответствуют обозначениям конденсаторов на фиг, 1), .Знак выходного напряжения устройства противоположен знаку заряда, определя емого левой частью равенства (1),Передаточная функция устройства имеет вид Ц,- --- , Д/ юО 01 Сб-О 02 Св8 частном случае, подобрав /001/ = /О 02/, можно записатьСб- Св Овых = 001С 7 Получаемое расширение диапазонапреобразования в предлагаемом устройстве можно пояснить с помощью графика на фиг. 2, выходные характеристики на котором даны для неизменной чувствительности преобразователя (С 7 = сопвт). Характеристика 1 на фиг, 2 соответствует передаточной характеристике известного устройства, опиСЫВаЕМОй ВЫражЕНИЕМ Овых = - О 01 - (ПРИСвО 02 Св = О).Емкость датчика Сб можно представитьв видеСб = Сбн+ ЬСб,где Сбн - начальная емкость датчика (например, емкость незаполненного датчика уровня, емкость незаполненного илизаполненного обезвоженной средой датчика и т.п,):ЬСб - приращение емкости датчика засчет изменения контролируемого параметра.При подключении к преобразователюдатчика с начальной емкостью Сб на выходе его появится напряжение, что будет соответствовать, нижнему пределу измененияемкости датчика. Верхний же предел изменения емкости датчика будет соответствовать максимальному напряжению Овых максна выходе преобразователя и для характеРИСтИКИЕГО ЗНаЧЕНИЕ будЕт Сбк 1. ДИаПазон измерения. па емкости при этомсоставит Ь Сб = Сбк 1- Сбн (так, например, визвестном преобразователе выходное напряжение преобразователя меняется отОвых = 2,25.до Овых макс = 9,0 В при изменении емкости датчика от Сн = 5 пФ до Ск ="20 пФ; при этом чувствительность преобразователя составит 3 = 0,45 В/пФ.Учитывая, что знак заряда на входе преобразователя 9 зарядов не изменяется впроцессе работы, напряжение на выходевсего устройства также не будетменять своего знака,При подключении второго источника 2постоянного стабильного напряжения и второго образцового конденсатора 8 происходит частичная компенсация зарядов навходе преобразователя 9 зарядов, а соответственно и уменьшается выходное напряжение. В частном случае можно подобратьО 02 или Св таким образом, чтобы Оо 1 СбОо 2 Сз; тогда Овых = О, а для достиженияОвыхмакс емкость датчика должна принятьзначение Сбк 2 (хаРактеРистика 2 на фиг, 2).Диапазон измерения в этом случае составЛЯЕт АС 6 = Сбк 2 - Сбн, ЧтО СВИДЕтЕЛЬСтВУЕтио его расширении по сравнению с предыдущим случаемЗначения ОО 2 и С 8 можно вь 1 брать таким образом, чтобы напряжение на выходе преобразователя при начальной емкости датчиКа Сбта СОСтаВИЛО - Овых макс ПРИ ЭТОМ значение +Овых иаков достигает при емкости датчика Сека (характеристика 3 иа фиг. 2 а диапазон изменения составляет ЬСб = =Сбк; Сбн(например, при сохранении прежней чувствительности преобразования Я = =0,45 В/пф и изменении выходного напряжения Овых отВ до+9 В можно регистрировать изменение емкости датчика Ь сб до 40 пф, что превышает указанный первоначальный диапазон Ь Сб = 15 пф более чем в 2,5 раза),Настройку преобразователя можно производить при заданном или предварительно определенном диапазоне изменения емкости датчика. В этом случае величины напряжения источника 2 постоянного стабильного напряжения в емкости Сб второго образцового конденсатора 8 выбирают из условия 001(Сбн+ 2 ЬС 6 = 002 С 8,1 и а затем значение емкости С 7 первого образцового конденсатора 7 выбирают при значении максимального по абсолютной величине выходного напряжения преобразователя при величине емкости датчика, равной Сбн или Сбн + ЬС 6ШТаким образом, предлагаемый преобразователь емкости в напряжение позволяет существенно расширить диапазон измерения емкости датчика. Дополнительное преимущество предлагаемого преобразователя проявляется в возможности использования его с датчиками, имеющими сравнительно большую начальную емкость, что косвенно может обеспечить и расширение области его применения.формула изобретения Измерительный преобразователь с емкостным датчиком, содержащий первый источник постоянного стабильного напряжения, два коммутатора, измерительный емкостной датчик, первый образцовый конденсатор, преобразователь заряда в напряжение, дискретный интегратор, генератор прямоугольных импульсов, причем токовые электроды измерительного емкостного датчика и первого образцового конденсатора соединены и подключены через 10 преобразователь заряда в напряжение квходу дискретного интегратора, потенциальные электроды измерительного емкостного датчика и первого образцового конденсатора соединены соответственно с 15 выходами первого и второго коммутаторов,вторые информационные входы первого и второго коммутаторов подсоединены к об.- щей шине преобразователя, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с 2 р управляющими входаМИ первого и второгокоммутаторов и дискретного интегратора, выход которого является выходом устройства, отл и чаю щий с ятем, что, с целью расширения диапазона преобразования, 25 дополнительно введены второй источникпостоянного стабильного напряжения, полярность которого противоположна полярности первого источника постоянного стабильного напряжения, третий коммута- ЭО тор и второй образцовый конденсатор, потенциальный электрод которого соединен с выходом третьего коммутатора, управляющий вход которого соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов, 35 первые информационные входы первого итретьего коммутаторов соединены соответственно с выходами первого и второго источников постоянного стабильного напряжения,первыйинформационныйвход 4 О второго коммутатора соединен с выходомдискретного интегратора, второй информационный вход третьего коммутатора соединен с общей шиной устройства,1718145 Составитель А. КудрявцеТехред М.Моргентал Корректор С. Черни Редактор В. Данко С СР дственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. уя.Гагарина, 101 П аказ 878 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открмтиям при 113035, Москва. Ж. Раушская наб 4/б