Измерительный преобразователь дифференциального емкостного датчика

. ф тф ТЕН АВТОР и ваай ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССР(71) Ленинградский политехнический ийстут им.М.И.Калинина и Энгельсское опыконструкторское бюро "Сигнал"(54) ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ЕМКОСТНОГО ДАТЧИКА(57) Использование: в измерительной технике, в частности для измерения параметров электрических цепей. Сущность изобретения: повышение точности измерения за счет увеличения чувствительности устройства, а также расширение функциональных возможностей, обусловленных получением линейной функции преобразования при работе с любыми типами дифференциальных, емкостных датчиков, Измерительный преобразователь содержит блок управления 1, источник опорного напряжения 14,1781637 10 20 35 коммутатор 15, ключи 16, 17 и 18, конденсаторы емкостного датчика 19 и 20, усилитель заряда 21, синхронный детектор 25 и устройство выборки-хранения 31. Алгоритм работы устройства основан на алгебраическом суммировании зарядов, формируемых на конИзобретение относится к койтрольноизмерительной технике, в частности к устройствам -"измерения параметров электрических цепей, Известны устройства преобразованйя электрической емкости в постоянное напряжение,К недостатку вышеописанных устройств следует отнести нелинейность функции преобразования и недостаточно высокую чувствительность при работе с дифференциальными емкостными датчиками.-. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство, содержащее источник опорного напряжения, выход которого соединен спервым неподвижным контактом первого переключателя, второй неподвижный контакт первого переключателя соединен с первым неподвижным контактом второго переключателя и подключен к общей шине устроиства; подвижные контакты первого ивторого переключателей соответственно через измеряемый и образцовый конденсаторы подключены ко входу усилителя, выход которого через синхронный детектор соединен со вторым неподвижным контактом второго переключателя, причем выход синхронного детектора является выходом устройства, генератор прямоугольного напряжения, выход которого соединен с управляющими входами переключателей и синхронного детектора.С целью увеличения чувствительности и получения линейной функции преобразования в устройство, содержащее источник опорного напряжения, выход которого соединен с первым входом переключателя,первый и второй конденсаторы емкостного 40 датчика, вторые выводы которых через усилитель заряда соединены со входом синхронного детектора, первый вывод первого конденсатора емкостного датчика соединен с выходом переключателя, введены: блок управления, устройство выборки-хранения и три ключа, выход источника опорного напряжения соединен с первым выводом первого ключа, второй вход переключателя соединен с первым выводом второго ключа денсаторах 19 и 20 емкостного датчика. В целом устройство представляет собой компенсационно-мостовое устройство астатического типа с динамическим режимом работы интегратора, 2 ил,и подключен к выходу устройства выборки- хранения, который является выходом устройства, первый выводтретьего ключа соединен с общей шиной устройства, вторые выводы ключей соединены через второй конденсатор емкортного датчика со входом усилителя заряда, первый выход блока управления соединен со входом управления второго ключа, второй выход блока управления соединен со входом управления переключателя, третий выход блока управления соединен со входом управления первого ключа, четвертый и шестой выходы блока управления подключены соответственно ко второму и первому входам управления синхронного детектора, пятый выход блока управления соединен со входом управления третьего ключа, седьмой выход блока управления соединен со входом управления устройства выборки-хранения, вход которого соединен с выходом синхронного детектора,Существенными отличиями заявляемого изобретения являются введение в устройство блока управления, трех ключей и устройства выборки-хранения, а также новых связей: выход источника опорного напряжения соединен с первым выводом первого ключа, первый вывод второго ключа соединен с выходом устройства выборки-, хранения и вторым входам переключателя, выход синхронного детектора соединен с информационным входом устройства выборки-хранения, первый выход блока управления соединен со входом управления второго ключа, третий выход блока управления соединен со входом управления первого ключа, первый и второй входы. управления синхронного детектора соединены соответственно с шестым и четвертым выходами блока управления, вход управления устройства выборки-хранения подключен к седьмому выходу блока управления.На фиг. 1 изображена функциональная схема измерительного преобразователя дифференциального емкостного датчика,Устройство содержит блок управления БУ) 1, в состав которого входит генератор напряжения прямоугольной формы 2, выход которого подключен ко входу первой интегрирующей цепи 3. Выход второй интегрирующей цепи 4 соединен со входом В счетчика с дешифрированными выходами 5. Выход первой интегрирующей цепи 3 соединен со входом С счетчика с дешифрированными 5 выходами 5. Выход 4 счетчика 5 соединен со входом интегрирующей цепи 4 и подключен к входу В Т-триггера 6, "Т-"вход триггера 6 соединен с выходОм первой интегрирующей цепи 3. Выход "0" счетчика 5 соединен 10 со входом инвертора 7, первым входом логического элемента. "2 ИЛИ" 8 и является первым выходом БУ 1. Выход инвертора 7 является вторым выходом БУ 1. Выходы "1" и "3" счетчика 5 соединены соответствейно 15 с первым и вторым входами логического элемента 2 ИЛИ 9. Вход инвертора 10 соединен с выходом генератора 2. Выход логического элемента "2 ИЛИ" 9 подключен к первому входу логического элемента 2 И 11,. 20 выход которого является четвертым выходом БУ 1. Выход триггера 6 является пятым выходом БУ 1. Выход логического элемента "2 ИЛИ 9 соединен с первым входом логиче 1 11ского элемента 2 И 12, выход которого явля ется шестым выходом БУ 1. Выход "2 счетчика 5 соединен со вторым входом логического элемента 2 ИЛИ 8, подключен к1 11первому входу логического элемента 2 И 13 и является третьим выходом БУ 1. Выход 30 инвертора 10,соединен со вторыми входами логических элементов 12 И 11, 12 и 13, Выходи иэлемента 2 И 13 является седьмым выходомБУ 1.Кроме того, устройство, приведенное на 35 фиг. 1, содержит источник опорного напря- жения 14, выход которого соединен с первым входом переключателя 15 и подключен к первому контакту ключа 16. Второй вход переключателя 15 соединен с первым кон тактом ключа 17. Первый контакт ключа 18 соединен с общей шиной устройства. Выход . переключателя 15 соединен с первым выво-дом конденсатора емкостного датчика 19, а . вторые выводы ключей 16, 17 и 18 соедине ны с первым выводом конденсатора емкост-ного датчика 20. Вторые выводы конденсаторов 19 и 20 соедйнены между собой и через последовательно включенныеусилитель заряда 21, синхронный детектор . 50 (СД) 25 и устройство выборки-хранения (УВХ) 31 подключены ко второму входу переключателя 15. Первый, третий и пятый вьходы БУ 1 соединены соответственно со входами управления ключей 17, 16 и 18. 55 Второй выход БУ 1 соединен со входом управления переключателя 15. Четвертый и, шестой выходы БУ 1 соединены соответст-венно со входами управления СД 25. Седь-мой выход БУ 1 соединен со входом управления УВХ 31. Выход,УВХ 31 являетсявыходом устройства.Усилитель заряда 21 содержит конденсатор 22 и резистор 23, первые выводы которых соединены с инвертирующим входомоперационного усилителя (ОУ) 24, которыйявляется входом усилителя заряда 21. Неинвертирующий вход ОУ 24 соединен с общейшиной устройства. Вторые выводы конденсатора 22 и резистора 23 соединены с выходом ОУ 24, который является выходомусилителя заряда 21.Синхронный детектор(СД) 25 содержит:конденсатор 26, первый вывод которого является информационным входом СД 25,Второй вывод конденсатора 26 соединенчерез ключ 27 с инвертирующим входом ОУ30, который подключен к первому выводуконденсатора 29. Неинвертирующий входОУ 30 подключен к общей шине устройстваи через ключ 28 соединен со вторым выводом конденсатора 26. Второй вывод конденсатора 26 соединен с выходом ОУ 30 иявляется выходом СД 25. Входы управленияключей 28 и 27 являются соответственнопервым и вторым входами управления СД25.Устройство выборки-хранения (УВХ) 31содержит ключ 32, первый вывод которогоявляется информационным входом УВХ 31,Второй вывод ключа 32 соединенс неинвертирующим входом ОУ 33 и через конденсатор 34 подключен к общей шине устройства,Выход ОУ 33, являющийся выходом УВХ 31соединен С неинвертирующим вхОдом этОгОусилителя. Вход управления ключа 32 является входом управления УВХ 31.Недостаточная чувствительность прототипа обусловлена его функцией преобразования:Сх1.Овых = Оо - 7Согде Оных - значение выходного напряженияпреобразователя,Сх - значение емкости измеряемогоконденсатора,Со - значение емкости образцового конденсатора,Оо - значение выходного напряженияопорного истсчника,В этом случае относительное значениеприращения выходного напряжения ЬОвыхпреобразователя, при изменении измеряе-мой емкости на величину ЬСх 1 определяетсяиз выражения:ЬСхФункция преобразования предлагаемого устройства описывается выражением:Сх СоОвых = ОоИспользование предлагаемого устройства позволяет обеспечить относительное значение приращения выходного напряжения ЬОвых, при изменении значения измеряемой емкости на величину ЛСх.Овых=(Со - Ь Сх) -- (Сх Л Сх)СоИз айализа выражений (1) и (2) следует,что при величине Сх одного порядка с вели.чиной емкости Со. предложенная структураобеспечивает более высокую чувствительность,чем прототип.Использование предлагаемой структуры позволяет обеспечить линейную характеристику преобразования при работе сдифференциальными емкостными датчиками с изменяющейся величиной зазора, таки датчиками с переменной площадью обкладок, Емкости измеряемого Сх и опорного Соконденсаторов описыва 1 отся выражением:еъ - еЯСх=, Со -ббгде е - диэлектрическая проницаемость диэлектрика емкостного датчика.Ях, Яо - соответственно площади взаимнога перекрытия обкладак измеряемого иобразцового конденсаторов датчика,бх, бо - соответственно величины зазоров между. обкладками измеряемой и опор.ной емкостями датчика,Яр 8 ЯхСо - Сх бо бхСо+ Сх Явэ ЕЯхбо . бхЯо бх - Ях бо (3)Яо бх + Ях боВыражение (3) говорит о том, что функция преобразования нового устройства будет, линейна как при работе сдифференциальными датчиками с. переменной площадью обкладок, так и дифференциальными датчиками с изменяющейсявеличиной зазора. Следовательно, можносделать вывод, что предлагаемое устройство может быть использовано как универсальный инструмент с любыми типамидифференциальных емкостных датчиков.Заявляемое устройство представляетсобой компенсационный преобразователь с55 Это напряжение поступает на вход синхрон нага детектора (СД) 25. В момент замыкания ключа 27 (см,фиг. 2.6) происходит масштабирование напряжения ЛО 1 с коэффициентам К 25 = -С 26 С 29. Вследствие этого на выходе ОУ 30 формируется напряжение: уравновешиванием зарядов, Структурнаясхема измерительного преобразователяприведена на фиг.1. АЛгоритм работы уст-.ройства задается блоком управления (БУ) 1.5 Выходной сигнал генератора напряженияпрямоугольной формы 2 через интегрируащую цепь 3 подается на тактовые входысчетчика - дешифратора 5 и Т-триггера 6(Выходное напряжение генератора 2 изо 10 бражено на фиг, 2,1). Цикл работы устройства разбит на два такта преобразования изадается последовательностью выходныхимпульсон счетчика - дешифратора 5 и Ттриггера 6. Для синхронизации их работы н15 устройство введена интегрирующая цепь 4.Постоянная времени этой цепи имеет величину:в 4 С 4 (1-2) т,где ю - время срабатывания триггера 6,20 Я 1 С 4 - постоянная времени интегрирующей цепи 4.Интегрирующая цепь 3 предназначенадля фоамирования фазового сдвига междусигналами управления переключателя 15,25 ключей 16, 17, 18 и сигналами управленияСД 25 и УВХ 31, Стробирование сигналовуправления СД 25 и УВХ 31 осуществляетсяс помощью инвертара 10 и логических элементов 11,.12 и 13. Сигналы управления30 работой переключателя 15 и ключей 16, 17,18 изображены соответственно на фигурах2.3, 2,5 и 2,2. Напряжения, подаваемые напервый и второй входы управления СД 25 иУВХ 31,изображены соответственна на фиг,35 2,7, 2.6 и 2,8, В результате такого алгоритмаработы переключателя 15 и клочей 16, 17 и18 на конденсаторах емкостного датчикаформируются напряжения, изобракенныена фиг. 2.9 (Напряжения на конденсаторах40 19 и 20 изображены соответственно сплошной и штрихпунктирной линиями), Как былоотмечена выше процесс уравновешиваниязарядов на конденсаторах емкостного датчика 19 и 20 разбит на два такта, В первом45 тактепреобразования в работе участвуютпереключатель 15, ключи 17 и 18, Напряжение, снимаемое с выхода усилителя заряда21 (изображено на фиг.2.10),описываетсявыражением:50Ь О = Оо -- Овых - ОвыхС 19 С 19 С 20 С 22 С 22 С 22в этом случае носит апериодический характер;при 2а1 переходный процесс носитколебательно-затухающий характер, а пере, ходная характеристика устройства аппроксимируется переходной характеристикойзвена второго порядка;при а2 измерительный преобразователь самовозбуждается, В этом случае процесс возбуждения вызван повышенным 10значением коэффициента передачи цепи отрицательной обратной связи.,при ОаК где 1 - любое отрицательное число. В этом случае обратная связьстановится положительной и устройствосамовозбуждается, Состояние устройства приа = О соответствует цепи обратной связи и.потере работоспособности,В ы ше проведен н ы й а нализ позволяет.создавать измерительные преобразователи 20с заданными динамическими свойствами.Данный преобразователь макетировалсяна кафедре информационно-измерительнойтехники Ленинградского политехническогоинститута им,У.И,Калинина, В настоящее 25время в ОКБ ЭГ 10 "Сигнал" г. Энгельс Саратовской области изготовлены опытные образ. цы и проведены стендовые испытания этого, устройства, Результаты практических исследований при работе преобразователя с дифференциальными емкостными датчика сдиапазоном измерения: емкостей 1,2 - 5,6пФ показали, что точность преобразованияэтого устройства не хуже 0,05 О при времени уравновешивания измерительной цеди 350,8 мС, это в три раза выше,чем у известныхустройств,В качестве элементной базы преобразователя были использованы микросхемы серий К 544, К 590, К 140 и К 561.,Счетчик - 40дешифратор 5 выполнен на микросхеме К561 ИЕ 8,. Экономический эффект не подсчитывался, так как целью предполагаемого изобретения является повышение точности, 45достигаемой за счет увеличения разрешающей способности, обусловленной высоким значением чувствительности заявляемого устройства.Формула изобретения Измерительный преобразователь дифференциального емкостного датчика, содержащий источник опорного напряжения, выход которого соединен с первым входом коммутатора, первый и второй конденсаторы емкостного датчика, первые выводы которых через усилитель заряда соединены с информационным входом синхронного детектора, второй вывод первого конденсатора емкостного датчика соединен с выходом коммутатора, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения чувствительности и расширения функцйональных возможностей, обусловленных получением линейной характеристики преобразования как при работе с дифференциальными емкостными датчиками с изменяющейся величиной зазора между обкладками, так и при работе с дифференциальными емкостными датчиками с изменяющейся площадью обкладок, в него введены блок управления, устройство выборки-хранения и три ключа, первый вывод первого ключа соединен с выходом источника опорного напряжения, первый вывод второго ключа соединен с вторым входом коммутатора и выходом устройства выборки-хранения, который является выходом устройства, первый вывод третьего ключа соединен с общей шиной устройства, вторые выводы ключей через второй конденсатор емкостного датчика соединены с входом усилителя заряда, а выход синхронного детектора подключен к информационному входу устройства выборки-хранения, вход управления коммутатора соединен с вторым выходом блока управления, входы управления первого, второго и третьего ключей соединены соответственно с третьим, первыми пятым выходами блока управления, первый и второй входы управления синхронного детектора соединены соответственно с шестым и четвертым входами блока управления, а седьмой выход блока управления соединен с входами управления устройства выборки-хранения,.2,8 2. Составитель А.Соловьеведактор В,Трубченко Техред М,Моргентал Корректор И,при ГК оизводственно-издательский комбинат "Патент"; г. Ужгород, ул.Гагарина аказ 4272 Тираж ВНИИПИ Государственного комитета по изобретени 113035, Москва, Ж-ЗБ, Раушская