Измерительный преобразователь параметров емкостного датчика во временной интервал

(5 ц 5 6 0 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССРгоспАтент сссР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Ленинградский государственный технический университет(72) А.Л,Соловьев, В.С.Гутников, Г,В.Логинов, В.Г,Тимошенко и А.А,Андреев (56) Мартяшин А.И., Шахов Э.К Шляндин В,М, Преобразователи электрических параметров для систем контроля и измерения, М.: Энергия, 1976, с.295, рис. 5 - 6-2,Авторское свидетельство СССР М 1525619. кл, 6 01 й 27/26, 1989.(54) ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ЕМКОСТНОГО ДАТЧИКА ВО ВРЕМЕННОЙ ИНТЕРВАЛ (57) Использование: в измерительной технике, в частности в электронных измерительных преобразователях параметров пассивных электрических цепей. Сущность изобретения: алгоритм работы устройства Изобретение относится к измеритеной технике, в частности к устройствам длизмерения параметров электрическихпей. Целью изобретения является повышение точности преобразования и существенное упрощение конструкции.На фиг.1 приведена функциональная схема измерительного преобразователя параметров емкостного датчика во временной интервал, Устройство содержит; источник опорного напряжения 1, первый вывод которого соединен с первыми входами коммутаторов 2 и 3. Второй вывод источника опорного напряжения 1 соединен со вторыоснован на уравновешивании зарядов, формируемых на измеряемом и образцовом конденсаторах емкостного датчика. Устройство содержит источник опорного напряжения, электронные коммутаторы, образцовый и измеряемый конденсаторы емкостного датчика, усилитель сигнала неравновесия измерительной цепи, разделительный конденсатор, ключ, повторитель напряжения, интегратор, делитель напря,жения, компаратор, устройство фо рми рования напряжения развертки, логический элемент 2 И-НЕ и блок управления, Процесс уравновешивания в устройстве осуществляется приведением к нулю интеграла от выходного напряжения повторителя. Широтно-импульсное регулирование выходного сигнала измерительного преобразователя осуществляется с помощью компаратора и устройства формирования напряжения развертки. 2 ил,ми входами коммутаторов 2 и 3 и подключен к общей шине устройства. Выходы коммутаторов 2 и 3 соединены соответственно через образцовый 4 и измерительный 5 конденсаторы емкостного датчика со входом усилителя сигнала неравновесия измерительной цепи (УСН) 9, Выход УСН 9 через разделительный конденсатор 10 подключен к первому выводу ключа 11, который соединен со входом повторителя 12. Второй вывод ключа 11 соединен с общей шиной устройства. Выход повторителя 12 соединен через последовательно включенные интегратор 16 и делитель напряжения 17 с первым входом компаратора 18, Второй35 Сх Со - ( -) твкл Со тзщСХо То Сх То Сх 40. устройства формирования напряжения развертки 23, а выход компаратора 18 подключен к первому входу логического элемента2 И- НЕ 24, Выход логического элемента 2 ИНЕ 24 соединен со входом управления коммутатора 3. Первый выход блока управления(БУ) 27 соединен со входом управления ключа 11, Второй выход БУ 27 соединен со вторым входом логического элемента 24,подключен ко входу управления коммутатора 2 и соединен со входом устройства формирования напряжения развертки 23.Выход коммутатора 3 является выходом устройства.Усилитель сигнала неравновесия измерительной цепи (УСН) 9 содержит: параллельно включенные конденсатор б ирезистор 7, первые выводы которых соединены с инвертирующим входом операционного усилителя ОУ) 8, который являетсявходом УСН 9. Неинвертирующий вход ОУ 8соединен с общей шиной устройства, а выход ОУ 8 является выходом УСН 9.Повторитель 12 содержит: ОУ, неинвертирующий вход которого является входомповторителя 12. Инвертирующий вход ОУсоединен с его выходом и является выходом- повторителя 12,Интегратор 16 содержит: времязадающий резистор 13, первый вывод которогоявляется входом интегратора 16. Второй вы. вод резистора 13 соединен с первым выводом времязадающего конденсатора 14 иподключен к.инвертирующему входу ОУ 15,Неинвертирующий вход ОУ .15 соединен собщей шиной устройства. Второй выводконденсатора 14 соединен с выходом ОУ 15и. является выходом интегратора 16.Устройство формирования напряженияразвертки 23 содержит: дифференцирующий конденсатор 19, первый вывод которого является входом блока 23, Второй выводконденсатора 23 соединен с первыми выводами резисторов 20 и 21. Второй вывод интегрирующего резистора 21 черезинтегрирующий конденсатор 22 соединен собщей шиной устройства является выходомблока 23. Второй. вывод диффе ренцирующего резистора 20 соединен с общей шинойустройства.Блок управления 27 содержит: генератор напряжения прямоугольной формы 25(частота которого стабилизирована кварцевым резонатором); выход которого соединен со счетным входом счетчика Джонсонас дешифрированными выходами 26, Входысчетчика 26 "установки в нулевое состояние" и "разрешение счета" соединены с общей шиной устройства, Восьмой выход (08) счетчика 26 является первым выходом БУ27, а выход "перенос" счетчика 26 являетсявторым выходом БУ 27,Недостаточная точность работы прото 5 типа заключается в несовершенстве структурного решения, которое обусловленоневозможностью включения в контур цепи отрицательной обратной связи ключа (формирующего напряжение питания10 измерительной цепи на конденсаторе емкостного датчика Со) и логического элемента,формирующего выходной временной интервал.Ввиду того, что выходной сигнал прото 15 типа формируется из выходного напряжения компаратора, реальный временнойинтервал с учетом времени срабатыванияключа и логического элемента описьваетсявыражением:Твых = То + свкл + гзад, (1)огде То - половина периода сигнала опорногогенератора;твкл. - время включения ключа(формиру 25 ющего напряжение питания измерительнойцепи);вазед - время задержки срабатывания логического элемента,Следовательно, величина относитель 30 ной погрешности, вызванная конечнымискоростными характеристиками ключа и ло-гического элемента, может быть определенаиз выражения Сх Схо - То - твкл - вазед Со Со Поэтому при использовании быстродействующих ключей типа К 590 КН 8 с 45 свкл, =3 10 С и логического элемента,564 серии (К 564 ЛА 7) с фекл. =11010 С, погрешность (2) будет иметь величину у0,12 (при частоте опорного генератора пилообразного напряжения 1 о50 кГц).50 Полностью устранить природу даннойпогрешности удалось при реализации предложенного в материалах данной заявки устройства, Сущность заявляемой структуры заключается в том, что ее реализация обес печила охват вышеназванных узлов контуром общей отрицательной обратной связи, Поэтому. влияние скоростных характеристик переключателя и логического элемента удалось минимизировать в К 3 раэ (где К/31798734 5 10 15 20 25 35 45 50Окрас.од.17 коэффициент петлевого усиления в контуре отрицательной обратной связи), В этом случае относительная погрешность, вызванная конечным быстродействием ключа и логического элемента, определяется из выраже- ния( СвклСх +таадСх ) (3) То Со Ку То Со Ку где Ку - коэффициент усиления интегратора по постоянному току (данная величина лежит в диапазоне Ку 20 10 50 1.0 ). Устз э ранение в структуре генератора линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) и применение экспоненциальной развертки существенно упростило конструкцию в целом,Функциональная схема измерительного преобразователя сигналов емкостного датчика во временной интервал приведена на фиг. 1. Измерительный преобразователь предназначен для работы с емкостными датчиками с изменяющейся величиной зазора, Для обеспечения нормальной работы измерительного канала в целом необходимо выполнить следующее соотношение емкостей измеряемого и образцового конденсаторов датчика: СхСо. Алгоритм работы устройства основан нэ уравновешивании зарядов, формируемых на измеряемом Сх 5 и образцовом Со 4 конденсаторах емкостногодатчика, Синхронизация работы всех узлов измерительного преобразователя осуществляется выходными сигналами блока управленя (БУ) 27.БУ 27 работает следующим образом. В качестве устройства формирования цикла работы преобразователя применен счетчик . Джонсона и дешифратор 26, преобразующий двоичный код в сигнал на одном из десяти выходов. На тактовый вход счетчика с дешифрованными выходами 26 подает-.ся напряжение прямоугольной формы от генератора 25, Форма выходного напряжения генератора 25 приведена на фиг.2,1. Частота работы генератора 25 должна быть стабилизирована кварцевым резонатором.Напряжение управления работой ключа 11 (фиг, 2.2) снимается с выхода 08 счетчика 26, который является первым выходом БУ 27, С выхода "перенос" счетчика 26 снимается сигнал (фиг.2.3), который управляет работой коммутатора 2 и задает цикл работы преобразователя, При работе ключей 2 и 3 на образцовом 4 и измеряемом 5 конденсаторах емкостного датчика формируются напряжения прямоугольной формы амплитудой Оо, где Оо - выходное напряжение опорного источника 1. Данные напряжения изображены соответственно нэ фиг, 2.4 и 2,5, Усилитель сигнала неравновесия измерительной цепи (УСН) 9 выполнен на ОУ 8, конденсаторе 6 и резисторе 7. Назначение резистора 7 - обеспечить отрицательную обратную связь каскада по постоянному току. Поэтому для нормального функционирования устройства необходима реализация соотношения: КтСб То, где В 7, Сб - соответственно сопротивление резистора 7 и емкость конденсатора б; Та - длительность цикла преобразования, Функционально УСН 9 представляет собой устройство преобразования разности зарядов, формируемых на конденсаторах С 5 и Со 4, в напряжение, Выходное напряжение УСН 9 приведено на фиг. 2.6, Это напряжение подается на вход устройства восстановления составляющей разности уравновешиваемых напряжений, которое выполнено с помощью ключа 11, разделительного конденсатора 10 и повторителя 12, Принцип работы этого устройства основан в установлении на входе интегратора 16 нулевого потенциала (в моменты времени 11 - с 2) после окончания каждого цикла преобразования Поэтому формирование приращений входного напряжения интегратора 16 (при начэле каждого цикла преобразования То)30 происходит от нулевого потенциала. Наличие в структуре конденсатора 10 позволяет исключить влияние напряжения смещения ОУ 8 на формирование выходного временного интервала. Выходное напряжение повторителя 12 (которому также соответствует временная диаграмма, приведенная на фиг,2.6) подается на вход интегратора 16. В результате этого процесса нэ выходе интегратора 16 формируется пилообразное на 40 пряжение, Скорость и направление приращения этого напряжения задаются соответственно амплитудой и полярностью выходного напряжения повторителя 12, Для обеспечения работоспособности устройства в целом введен делитель 17, Назначение этого делителя - обеспечение захвата напряжением развертки выходного напряжения интегратора 16. Коэффициент деления делителя 17 выбирается из следующего соотношения: где Ор - амплитуда напряжения развертки, снимаемого с выхода блока 23;Онас,од. - выходное напряжение насыщения ОУ 15;К 17- коэффициент деления делителя 17, 1798734Напряжения, снимаемые с выходов делителя 17 и устройства формирования напряжения развертки 23, приведены соответственно на фиг.2.7.а и фиг, 2.7.б. Данные напряжения подаются на компаратор 18, который вырабатывает импульс окончания процесса формирования выходного временного интервала Твых Напряжения, формируемые компаратором 18 и логическим элементом 24, приведены соответственно на фиг. 2.8 и фиг,2.9, Напряжение, снимаемое с выхода логического элемента 24, управляет длительностью 5 10 включения коммутатора 3 и обеспечивает уравновешивание измерительной цепи.Из алгоритма работы устройства следует, что уравновешивание измерительной цеГ пи осуществляется автоматической регулировкой длительности выходного 20 временного интервала. Окончание этого процесса достигается при уравновешивании приращений выходного напряжения интегратора 16 в моменты времени 1 а - ть и 1 ь-тс (см, фиг. 2.7), Следовательно, состояние равновесия устройства описывается выражением: 25(4) ОаЬ ОЬс = 0 напряжений интегратора 16 до начала и после окончания цикла преобразования Тф равны. Причем абсолютное значение этого напряжения не входит в функцию преобразования устройства, Общее уравнение преобразования измерительного преобразователя емкости во временной интервал определяется из выражения (4); 35 40 де То и Твых - соответств ыходной временной интерС 6 и С 14- саответствен енсаторов 6 и 14;й 1 з - сопротивление ре В результате несложн ий уравнение (5) примет в но опорныйалы;о емкости кон зистора 13,ых преобразаваТвых = Ео. ражения (6), описывающего функбраэования устройства, следует аботе с емкостными датчиками с щейся величиной зазора абеспечи Из в.цию пре что при изменяю Из (4) следует, что при уравновешивании 30системы абсолютные значения выходныхвается линейная зависимость от величиныизменения зазора:(7) Зхс,где Сх -, Ях - площадь взаимного пе"хрекрытия обкладок измеряемого конденсатора Сх,пх - величина зазора между обкладками измеряемого конденсатора Сх,е - диэлектрическая проницаемость среды диэлектрика.При использовании данного измерительного преобразователя с емкостными датчиками с изменяющейся площадью обконденсатора использовать конденсатор 4, а в качестве образцового конденсатора - конденсатор 5, В этом случае также обеспечивается линейная функция преобразования измерительного канала относительно изменения площади взаимного перекрытия обкладок измеряемого конденсатора. При этом следует иметь в виду, что в этом случае необходима также выполнение соотношения: С 5С 4.Достоинством предлагаемого устройства, по сравнению с прототипом, является повышение точности преобразования и су- щественное упрощение конструкции. Данное устройство макетировалось на кафедре "Информационно-измерительной техники" Ленинградского государственного технического университета, Анализ метрологических характеристик предлагаемого устройства и прототипа позволил сделать вывод, чта температурная и временная стабильности метрологических характеристик предлагаемого устройства выше, чем у прототипа и других ранее известных структур, В том числе величина температурной погрешности относительно прототипа была уменьшена с величиной 0,03/10 С, в диапазоне температур -60 С+100 С, до значения 0,012 о /1,С. П ри практической реализации преобразователя были использованы микросхемы 561, 590, 544 и 140 серий. а в качестве счетчика с дешифрированными выходами 26 применялась микросхема К 561 ИЕ 8,Экономический эффект не подсчитывался, так как основной целью предлагаемого изобретения является повышение точности,Формула изобретения Измерительный преобразователь параметров емкостнага датчика ва временной кладок необходимо в качестве измеряемогоинтервал, содержащий измеряемый и образцовый конденсаторы емкостного датчика, первые выводы которых соединены с входом усилителя сигнала неравновесия измерительной цепи, интегратор, компаратор и ключ, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности и упрощения конструкции, в него введены первый и второй коммутаторы, блок управления, разделительный конденсатор, повторитель напряжения, делитель напряжения, устройство формирования напряжения развертки, логический элемент 2 И - НЕ и источник опорного напряжения, первый. вывод которого соединен с первыми входами первого и второго коммутаторов, второй вывод источника опорного напряжения соединен с вторыми входами первого и второго коммутаторов, а также подключен к первому выводу ключа и соединен с общей шиной устройства, выходы первого и второго коммутаторов соединены соответственно с вторыми выводами образцового и измерительного конденсаторов емкостного датчика, выход усилителя сигнала неравновесия измерительной цепи через разделительный 5 конденсатор подключен к второму выводуключа и соединен через последовательно включенные повторитель, интегратор и делитель напряжения с первым входом компаратора, первый вывод блока управления 10 соединен с входом управления ключа,второй выход блока управления соединен с входом управления первого коммутатора и первым входом логического элемента 2 И-НЕ, а также через устройст во формирования напряжения разверткисоединен с вторым входом компаратора, выход.компаратора соединен с вторым входом логического элемента 2 И - НЕ, выход которого подключен к входу управле ния второго коммутатора, выход второгокоммутатора является выходом устройства.1798734 итель А,Солов М,Моргентал едактор С,Куркова Корректор Н,Ревска аз 770 ТиражВНИИПИ Государственного комитет313035, Москва,Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина,Сост Техр Подписноео изобретениям и открытиям при ГКНТ СС35, Раушская наб., 4/5