Измерительный преобразователь емкостного датчика

союз сОВетскихСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 7667 9) ( ) 01 Р 27/26 АВТОРСКОМУ С ЕТЕЛЬСТВ ческий инстиГОСУДАРСТВЕ ННЫ И КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Ленинградский палитетут им М,И,Калинина(54) ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙТЕЛЬ ЕМКОСТНОГО ДАТЧ(57) Изобретение относитсной технике, в частности ктроля и измерения никових Л.Р. Опредементных двухпоздат, 1986. с.41. ПРЕОБРАЗОВАИКАя к измерительстройствам кон- параметров электрических цепей. Целью изобретения является повышение точности измерения. Преобразователь содержит источник 1 опорных напряжений, три коммутатора 2,3 и 4, измеряемый емкостной датчик б, представленный двухэлементной схемой замещения, содержащей информативный емкостной элемент 7 и резистивный элемент 8, образцовые элементы - конденсатор 5 и резистор 10, разделительный конденсатор 9, усилитель 11 сигнала неравновесия измерительной цепи, выход которого соединен с информационными входами синхронных детекторов 15 и 21, Синхронный детектор 15 выполняет функ1677667 10 20 30 35 40 цию преобразования разности зарядов в постоянное напряжение, которое несет информацию о величине измеряемой емкости 7. Синхронный детектор 21 выполняет функцию диференцирующего преобразователя тока в постоянное напряжение, которое несет информацию о величине сопротивления Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам дляизмерения параметров электрических цепей.Цель изобретения - повышение точности измерения,На фиг,1 приведена функциональнаяэлектрическая схема измерительного преобразователя емкостного датчика; на фиг.2и 3 - эпюры напряжений в различных точкахизмерительного преобразователя емкостного датчика,Измерительный преобразователь емкостного датчика содержит источник 1 опорного напряжения, первый 2, второй 3,третий 4 коммутаторы, образцовый конденсатор 5, емкостный датчик 6, включающийемкостный 7, реэистивный 8 элементы, первый разделительный конденсатор 9, образцовый резистор 10, усилитель 11 сигналанеравновесия измерительной цепи, включающий операционный усилитель 11, первыйконденсатор 12, резистор 13 обратной связи, операционный усилитель 14, первыйсинхронный детектор 15, включающий второй разделительный конденсатор 16, четвертый 17 и пятый 18 коммутаторы, второйконденсатор 19, второй операционный усилитель 20, второй синхронный детектор 21,включающий третий разделительный конденсатор 22, шестой коммутатор 23, третийконденсатор 24, третий операционный усилитель 25, блок управления 26, включающийвремязадающий конденсатор 27, резистор28, первый 29, второй 30 элементы 2 И - НЕ,первый триггер 31, третий элемент 2 И 32,второй триггер 33, первый 34 и второй 35элементы 2 И,Выходы положительного и отрицательногонапряжения источника 1 соединены соответственно с первым и вторым информационными входами коммутатора 3, Первыеинформационные входы коммутаторов 2 и 4соединены с общей шиной устройства, а выходы коммутаторов 2 и 3 соединены соответственно с потенциальными выводами образцовогоконденсатора 5 и емкостного датчика 6, Выход коммутатора 4 через разделительный 8. Особенностью преобразователя является алгоритм работы, который задается блоком управления 26 и основан на поочередном уравновешивании зарядов на измеряемом 7 и образцовом 5 конденсаторах и токов, протекающих через паразитный 8 и образцовый 10 резисторы. 3 з.п,ф-лы, 3 ил,конденсатор 9 соединен с потенциальным выводом образцового резистора 10, Токовые выводы образцового конденсатора 5, емкостного датчика 6 и образцового резистора 10 соединены со входом усилителя сигнала неравновесия измерительной цепи(УСН) 11, выход которого соединен с инфор-. мационными входами синхронных детекторов (СД) 15 и 21. Выход синхронного детектора 15 соединен со вторым информационным входом коммутатора 2 и является первым выходом преобразователя, а выход СД 21 соединен со вторым информационным входом коммутатора 4 и является вторым выходом преобразователя, Выходы управления коммутаторов 2,3 и 4 соединены с первым выходом блока управления (БУ) 26 вход управления СД 21 соединен со вторым выходом БУ 26, Первый и второй входы управления СД 15 соединены соответственно с тоетьим и четвертым выходами БУ 26,Элементы 7 и 8 соединены параллельно и имитируют измеряемую емкость и активную проводимость емкостного датчика 6, вход которого соединен с выходом переключателя коммутатора 3, а выход с входом усилителя 14,Первые выводы конденсатора 12 и резистора 13 соединены с инвертирующим входом операционного усилителя (ОУ) 14 и являются входом УСН 11, вторые выводы конденсатора 12 и резистора 13 соединены с выходом ОУ 14 и являются выходом УСН 11, неинвертирующий вход ОУ 14 соединен с общей шиной устройства.Вход разделительного конденсатора 16 является информационным входом СД 15, входы коммутаторов ключей) 17 и 18 являются соответственно первым и вторым входами управления СД 15. Подвижные контакты ключей 17 и 18 соединены со вторым выводом разделительного конденсатора 16, неподвижный контакт ключа 18 соединен с неинвертирующим входом ОУ 20 45 и подключен к общей шине устройства, Неподвижный контакт ключа 17 соединен с первым выводом запоминающего конденсатора 19 и инвертирующим входом ОУ 20, 1677667ход триггера 31 соединен с первым входом элемента 2 И 32 и Т - входом триггера ЗЗ, а также является первым выходом БУ 26. Выход элементаа 2 И 32 соединен с первым входом элемента 2 И 34 и вторым входомэлемента 2 И 35, второй вход элемента 2 И 34 и первый вход элемента 2 И 35 соединены соответственно с неинвертирующим и инвертирующим выходами Т - триггера 33, причем выходы элементов 34 и 35 являютсясоответственно вторым и третьим выходами БУ 26. Инвертирующий выход Т - триггера 31 является четвертым выходом БУ 26.Измерительный преобразователь емкостного датчика работает следующим образом,На элементах 29,30,27 и 28 реализован генератор прямоугольного напряжения, форма выходного напряжения, снимаемого с выхода элемента 2 И - НЕ 30, изображенана фиг.2.1. Это напряжение подается на вход Т-триггера 31, Выходное напряжение, снимаемое с неинвертирующего выхода триггера 31 (фиг,2.2), управляет работой коммутаторов 2,3 и 4 и определяет цикл работы преобразователя,Выходное напряжение элемента 2 И 32 (фиг,2,4) задает временные интервалы уравновешивания, которые формируются после окончания переходного процесса в измерительной цепи преобразователя, Выходное напряжение, снимаемое с выходов Т-триггера 33 (выходное напряжение, снимаемое с неинвертирующего выхода Т - триггера 33 изображено на фиг.2.3) задает такт работы 253055 выход которого соединен со вторым выводом конденсатора 19 и является выходом СД 15,Вход разделительного конденсатора 22 является информационным входом СД 21, 5 второй вывод разделительного конденсатора 22 соединен с подвижным контактом коммутатора 23, первый неподвижный контакт которого соединен с инвертирующим входом ОУ 25, и первым выводом конденса тора 24, второй неподвижный контакт коммута- тора 23 соединен с неинвертирующим входом ОУ 25 и подключен к общей шине устройств; выход ОУ соединен со вторым выводом конденсатора 24 и является выходом СД 21, 15Первые выводы времязадающего конденсатора 27 и резистора 28 соединены между собой и подключены ко входам элемента 2 И - НЕ 29, второй вывод резистора 28 соединен со входами элемента 2 И - НЕ 20 30 и подключен ко второму входу элемента 2 И 32. Выходэлемента 2 И - НЕ 30 соединен со вторым выводом конденсатора 27 и Т - . входом триггера 31, Неинвертирующий выпреобразователя, обеспечивая независимость процессов уравновешивания как по активной, так и по реактивной составляющей сопротивления емкостного датчика. Форма выходных напряжений, формируемых на выходах. элементов 2 И 34 и 35, изображена соответственно на фиг.2.5 и 2.6. Эти напряжения поочередно управляют работой СД 15 и СД 21. При недокомпенсации активной составляющей комплексного сопротивления емкостного датчика, обусловленного наличием паразитного резистивного элемента 8 резистора), на выходе УСН 11 формируется сигнал, в котором присутствует линейно-изменяющаяся составляющая. Форма выходного напряжения УСН в момент переходного процесса в устройстве, обусловленного уравновешиванием обоих составляющих комплексного сопротивления емкостного датчика 6, изображена на фиг.2.7. Данная линейно-изменяющаяся составляющая выходного напряжения УСН 11, через конденсатор 22 (в момент срабатывания коммутатора 23 управляемого сигналом логической единицы с выхода элемента 2 И 34) подается на вход ОУ 25, изменяет его выходное напряжение и уравновешивает ток, протекающий через паразитный резистор 8. В качестве образцовой меры активного сопротивления использован образцовцй резистор 10. Назначение разделительного конденсатора 9 (С 9) - формирование двухполярного тока, протекающего через образцовый резистор 8. При этом должно выполняться требование: ТВОС 9, где Т - половина периода выходного напряжения, снимаемое с выхода Т - триггера 31. Процесс уравновешивания реактивной составляющей емкостного датчика 6 заключается в приведении переменной составляющей выходного напряжения УСН 11 к нулевому значению. Это достигается передачей заряда разделительного конденсатора 16 на инвертирующий вход ОУ 20, входящего в состав СД 15, Достижение состояния равновесия в устройстве заключается в уравновешивании зарядов на измеряемом 7 и образцовом 5 конденсаторах, а также равновесии токов, протекающих через резистор 8 и образцовый резистор 10. В этом случае функции преобразования данного устройства представляют собой выражение:Сх, ЙоОвых.1= Ооп - , живых.2=Сов - , (1)Со х где Увы,1 - выходное напряжение преобразователя, снимаемое с выхода СД 15;Овых.2 - выходное напряжение преобразователя, снимаемое с выхода СД 21;Оо - величина напряжения, снимаемого с выходов ИОН 1 с учетом того, что величина напряжений на выходах ИОН 1 относительно общей шины преобразователя равна Ооп/2; 5С, - емкость элемента 7 емкостного датчика 6;Со - величина сопротивления элемента 8 шунтирующего емкостной датчик 6;Яо - величина сопротивления образцово О го рези с гора 10.Поо ередно уравновешивание каждоЙ из составляющих комплексного сопротивления измеряемого емкостного датчика ,которое задано алгоритмом работы блока 15 управления) описывается линейными уравнениями:Сб л 1Овы 01=2 ы О ( 2 - Со С ) 20Сг С 19Р)Сгг г пг 25Овы 2 П 2 = О вых 2 0 ( 2+Бо Сг Сг 4Сгг т Г 1 х Сггтг 1т 2 х Сг Сг 4 . 2 Во С 1 г Сг 4 /30где п 1 - число тактов уравновешивания измеряемой емкости элемента 7;пг - число тактов уравновешивания резистивнОГО ЗГемента 8, 35Оаых 101, ОехЯО) - произвольные значения выходных напряжений СД 15 и СД 21 доначала измерения (начальные условия);С 1 г,Сб,С 19,Сгг - ВЕличина ЕмкоСти конденсаторов 12,16,19,22;т - длительность в ременного интервала (снимаемого с выхода логического элемента 2 И 34) сигнала управления работойСД 21.Форма выходных напряжений в моментпереходного процесса, обусловленногоуравновешиванием устройства Овхп 11 -несущее информацию об измеряемой емкости 7 датчика и Овыхг 1 пг 1 - несущее информацию о величине сопротивления элемента8, шунтируюцего датчик, при значенииа 1 1 и аг 1,приведены нафиг,2,8 и 2,9,где: а 1 = СВС 16/СгС 9 - коэффициент передачи контура отрицательной обратнойсВязи и цепи уравновешивания заряда измеряемой емкости 7; аг .=. Сгг т ИоСгСг 4 -коэффициент передачи контура отрицательной обратной связи цепи уравновешиваниятока, протекающего через элемент 8,Анализируя выражение (2) можно сделать вывод, что: а) при а,аг (1 работа преобразователя аппроксимируется инерционньм звеном первого порядка (фиг.2,8 и 2,9); б) при ат =-аг =: 1 преобразователь уравновешивается за три периода, причем один цикл требуется для уравноВешивания активной составляющей емкостного датчика и два цикла для уравновешивания реактивной составляющей комплексного сопротивления емкостного датчика в данном случае переходный процесс называется критическим); в) при 2а 1; аг1 - переходньй процесс носит затухающий колебательный характер; г) при а 1, аг 2, преобразователь самовозбуждается и переходит в автоколебательный режим,В результате использования данного технического решения осуществляется возможность создания простых измерительных преобразователей комплексного сопротивления, представленного двухэлементной схемой замещения, с высокими метрологическими характерис тиками.Формула изобретения 1. Измерительный преобразователь емкостного датчика, содержащий первый операционный усилитель, который имеет цепь обратной связи мех(ду первым входом и выходом и второй вход которого соединен с общей шиной преобразователя и первый синхронный детектор соединенные последовательно, второй синхронный детектор, первая и вторая клеммы для подключения емкостного датчика, причем первая клемма соединена с входом первого операционного усилителя, а вьходы первого и второго синхронных детекторов являются соответственно первым и вторым выходами измерительного преобразователя емкостногодатчика,отличающийся тем, что, с целью повышения точности, введены источник опорного напряжения, первый, второй и третий коммутаторы, первый конденсатор, образцовяй конденсатор, образцовый резистор, первый разделительный конденсатор и блок управления, причем первый вход блока управления соединен с Входами управления первого, второго и третьего коммутаторов, второй Выход блока управления соединен с входом управления второго синхронного детектора, третий и четвертый выходы блока управления соединены соответственно с первьм и вторым входами управления первого синхронного детектора, первые информационные входы первого и третьего коммутаторов соединены с общей шиной измерительного преобразователяемкостного датчика, вторые информационные входы их соединены соответственно с выходом первого и второго синхронных детекторов, первый и второй выходы источника опорного напряжения соединены соответственно с первым и вторым информационными входами второго коммутатора, выход которого соединен с второй клеммой для подключения емкостного датчика, выход первого коммутатора через образцовый конденсатор, а выход третьего коммутатора - через последовательно соединенные разделительный конденсатор и образцовый резистор, соединены с входом первого операционного усилителя, вход второго синхронного детектора соединен с входом первого синхронного детектора, а первый конденсатор включен параллельно цепи обратной связи первого операционного усилителя.2, Преобразователь по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что первый синхронный детектор содержит четвертый и пятый коммутаторы, второй операционный усилитель, второй конденсатор, второй разделительный конденсатор, причем вход второго разделительного конденсатора соединен с входом первого синхронного детектора, выход его соединен с информационным входом четвертого и пятого коммутаторов, выходы которых соответственно соединены с первым и вторым входами второго операционного усилителя, первый вход второго операционного усилителя через второй конденсатор соединен с его выходом, а второй вход его соединен с общей шиной преобразователя, выход второго операционного усилителя соединен с выходом первого синхронного детектора, управляющие входы четвертого и пятого коммутаторов соответственно соединены с первым и вторым входами управления первого синхронного детектора.3. Преобразователь по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что второй синхронный детектор содержит третий операционный усилитель, третий конденсатор, третий разрядный конденсатор, шестой коммутатор, причем вход третьего разделительногоконденсатора соединен с входом второго5 синхронного детектора, выход его соединенс информационным входом шестого ключа,первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами третьего операционного усилителя,10 первый вход которого соединен через третий конденсатор с его выходом, а второйвход его - с общей шиной преобразователя,выход третьего операционного усилителясоединен с выходом второго синхронного15 детектора, управляющий вход шестого коммутатора соединен с входом управлениявторого синхронного детектора.4. Преобразователь по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что блок управления содержит20 времязадающий конденсатор, резистор,первый и второй элементы 2 И - НЕ, первыйи второй триггеры, первый, второй и третийэлементы 2 И, причем выход первого элемента 2 И - НЕ соединен последовательно с25 вторым элементом 2 И - НЕ, первым тригге- .ром, вторым триггером, вторым входом первого элемента 2 И, выход которого соединенс вторым выходом блока управления, первые клеммы времязадающего конденсатора30 и резистора соединены с входом первогоэлемента 2 И - КЕ, вторые клеммы которыхсоответственно соединены с выходом и входом второго элемента 2 И - НЕ, выход первого триггера соединен с первым выходом35 блока управления, второй выход второготриггера соединен с первым входом второгоэлемента 2 И, выход которого соединен стретьим выходом блока управления, второйвыход первого триггера соединен с четвер 40 тым выходом блока управления, первый выход триггера через первый вход третьегоэлемента 2 И соединен с первым входомпервого элемента 2 И и вторым входом второго элемента 2 И, второй выход второго45 триггера соединен с пятым выходом блокауправления,1677667 г.г Коррек вку акаэ 3113 Тираж 392 Подписное ННИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 духУсч Составитель В.Ежов актор Н.Химчук Техред М,Моргентал