ЕМКОСТНОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2001 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для преобразования емкости с заземленным электродом при возможном наличии паразитного шунтирующего активного сопротивления в напряжение.

Для измерений емкости обычно используются дифференцирующие цепочки или мостовые измерительные устройства, которые непригодны при наличии активного сопротивления, параллельного рабочей емкости.

Известен прибор для одновременного измерения активной и реактивной составляющих комплексных сопротивлений, содержащий последовательно соединенные генератор синусоидального сигнала, дифференцирующую цепочку, два фазовых детектора для регистрации активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления, а также интеграторы выходных сигналов, подключенные к фазовым детекторам. Дифференцирующая цепочка построена по стандартной схеме дифференцирующего усилителя на операционном усилителе, содержащем рабочую емкость или индуктивность. Работой фазовых детекторов управляет синхронизированный от генератора блок ограничителей [1].

Недостатками измерителя комплексного сопротивления являются большие погрешность измерения емкости и сложность схемы, обусловленные применением жестко стабилизированного по амплитуде генератора синусоидального напряжения. Использование в схеме фазовых детекторов приводит к дополнительной погрешности, связанной с преобразованием переменного напряжения в постоянное.

Известны измерительные цепи дифференциальных емкостных датчиков с заземленным общим электродом, которые содержат генератор синусоидального сигнала, подключенные через резисторы два рабочих конденсатора, разностное устройство, фазочувствительный выпрямитель и схему сравнения. Выходное напряжение прямо пропорционально разности рабочих емкостей и обратно пропорционально сумме рабочих емкостей [2].

Недостатками измерительных цепей дифференциальных емкостных датчиков с заземленным общим электродом являются наличие погрешностей измерения емкости из-за применения перестраиваемого по частоте генератора синусоидального сигнала и сложность схемы, обусловленная применением фазочувствительного выпрямителя и схемы сравнения.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту (прототипом) является коммутационное компенсационно-мостовое измерительное устройство (КМИУ). Коммутационное КМИУ содержит следующие элементы: соединенные последовательно источник постоянного напряжения, систему прецизионного масштабирования и коммутационный блок, управляемый генератором прямоугольного сигнала. Первый выход коммутационного блока подключен к выводу рабочей емкости, второй выход этого блока подключен к выводу эталонной емкости, другие выводы рабочей и эталонной емкостей соединены и подключены к системе автоматического уравновешивания. Система автоматического уравновешивания состоит из следующих блоков: соединенных последовательно входного усилителя, квадратурного детектора и интегратора. Выход интегратора подключен к системе прецизионного масштабирования для уравновешивания напряжения в точке соединения рабочей и эталонной емкостей. При этом рабочая и эталонная емкости соединены выводами со входом входного усилителя системы автоматического уравновешивания [3].

Коммутационный КМИУ имеет следующие недостатки:
- возможное наличие активного сопротивления, параллельного рабочей емкости, вносит погрешность в результат измерения и уменьшает его достоверность из-за того, что измерение производится во время статического режима;
- отсутствует возможность проводить измерения емкости с заземленным электродом;
- большое время измерения, обусловленное применением в системе автоматического уравновешивания интегратора.

Сущность изобретения заключается в том, что в емкостной преобразователь, содержащий генератор прямоугольного сигнала, рабочую и эталонную емкости, входной усилитель, соединенный входом с выводом эталонной емкости, введено устройство выборки-хранения вход которого подключен к выходу входного усилителя, при этом первый выход генератора прямоугольного сигнала подсоединен через резистор к другому выводу эталонной емкости, второй - через резистор к выводам рабочей емкости и дополнительной эталонной емкости, третий - к управляющему входу устройства выборки-хранения, при этом другой вывод дополнительной эталонной емкости соединен со входом входного усилителя, а другой вывод рабочей емкости подключен к земле.

Емкостной преобразователь может быть снабжен фильтром низкой частоты, вход которого соединен с выходом устройства выборки-хранения.

Таким образом, использование предлагаемого емкостного преобразователя позволяет производить измерения емкости с заземленным электродом.

Техническим результатом является уменьшение влияния активного сопротивления, параллельного рабочей емкости, на результат измерения, повышение быстродействия устройства, за счет исключения интегратора.

Уменьшение влияния активной составляющей рабочей емкости на результат измерения, повышающее его достоверность, достигается путем использования при измерении узкого участка переходного процесса перезаряда емкостей, длительностью около 1 мкс. Это достигнуто использованием синхронизированного от генератора прямоугольного сигнала устройства выборки-хранения, введенного в емкостной преобразователь.

Повышение быстродействия устройства достигнуто за счет исключения из схемы интегратора. Время измерения определяется введенным в устройство фильтром низкой частоты и, при его отсутствии, равно одному периоду выходного напряжения генератора прямоугольного сигнала, который, в свою очередь, может быть сопоставим с длительностью переходного процесса.

Заявляемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена функциональная схема емкостного преобразователя с устройством выборки-хранения и дополнительной эталонной емкостью, а на фиг. 2 - функциональная схема емкостного преобразователя с устройством выборки-хранения, фильтром низкой частоты и дополнительной эталонной емкостью.

Предлагаемый емкостной преобразователь содержит генератор прямоугольного сигнала 1, эталонные емкости 2 и 3, рабочую емкость 4, резисторы 5 и 6, входной усилитель 7, устройство выборки-хранения 8. Емкостной преобразователь может быть снабжен фильтром низкой частоты 9 для дополнительного помехоподавления.

Первый выход генератора прямоугольного сигнала 1 подключен к выводу резистора 5, второй выход генератора прямоугольного сигнала 1 подключен к выводу резистора 6, третий выход генератора прямоугольного сигнала 1 подключен к управляющему входу устройства выборки-хранения 8, другой вывод резистора 5 подключен к выводу эталонной емкости 2, другой вывод резистора 6 подключен к выводам эталонной емкости 3 и рабочей емкости 4, другие выводы эталонных емкостей 2 и 3 соединены и подключены ко входу входного усилителя 7, другой вывод рабочей емкости 4 подключен к земле, выход входного усилителя 7 подключен ко входу устройства выборки-хранения 8 (см. фиг. 1). Выход устройства выборки-хранения 8 может быть подключен к фильтру низкой частоты 9 (см. фиг. 2).

Генератор прямоугольного сигнала 1 собран по стандартной схеме мультивибратора на инверторах.

Входной усилитель 7 собран по схеме преобразователя тока в напряжение с нулевым входным сопротивлением.

Устройство выборки-хранения 8 представляет собой конденсаторную ячейку памяти, запись в которую производится при помощи электронного ключа, подключенного к выходу входного усилителя 7, управляемого при помощи одновибратора, формирующего прямоугольный импульс длительностью 1 мкс, подключенного к генератору прямоугольного сигнала 1.

Фильтр низкой частоты собран по стандартной схеме с пассивными частотозадающими элементами.

Емкостной преобразователь работает следующим образом. Напряжение с выхода генератора прямоугольного сигнала 1 подается через резистор 5 на первую эталонную емкость 2 и инвертированное напряжение через резистор 6 на вторую эталонную емкость 3 с ответвлением тока на рабочую емкость 4. Суммарный сигнал подается на входной усилитель 7, где ток преобразуется в напряжение. В момент времени, когда на выходе генератора прямоугольного сигнала появляются фронты напряжения, на RC-цепочках схемы возникает переходный процесс перезаряда емкостей. На начальном участке переходного процесса ток на входе входного усилителя 7, а значит и напряжение на его выходе, пропорционально рабочей емкости 4, и влияние активного сопротивления на него минимально. Длительность данного участка равна 1-2 мкс. Это напряжение записывается в устройство выборки-хранения 8 и может фильтроваться при помощи фильтра низкой частоты 9.

Таким образом, емкостной преобразователь позволяет производить преобразование емкости с заземленным электродом в напряжение при значительном уменьшении влияния активной составляющей рабочей емкости на результат преобразования, а также повысить быстродействие устройства.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Гаврилюк М. А., Соголовский Е.П. Электронные измерители CLR. Львов: Вища школа, 1978. -с. 104-109.

2. Арбузов В.П. Измерительные цепи дифференциальных емкостных датчиков. // Приборы и системы управления. - 1998.- N 2. - С. 28- 29.

3. Гриневич Ф. Б. , Новик А.И. Измерительные компенсационно-мостовые устройства с емкостными датчиками. Киев: Наук. думка, 1987. - с. 41-48, 92-95 (прототип).

Использование: в измерительной технике для преобразования емкости с заземленным электродом при возможном наличии паразитного шунтирующего активного сопротивления в напряжение. Согласно изобретению в емкостной преобразователь, содержащий генератор прямоугольного сигнала, рабочую и эталонную емкости, входной усилитель, соединенный входом с выводом эталонной емкости, введено устройство выборки-хранения, вход которого подключен к выходу входного усилителя. Первый выход генератора прямоугольного сигнала подсоединен через резистор к другому выводу эталонной емкости, второй - через резистор к выводам рабочей емкости и дополнительной эталонной емкости, третий - к управляющему входу устройства выборки-хранения. Другой вывод дополнительной эталонной емкости соединен с входом входного усилителя, а другой вывод рабочей емкости подключен к земле. Технический результат: уменьшение влияния активного сопротивления, параллельного рабочей емкости, на результат измерения, повышение быстродействия устройства. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Емкостной преобразователь, содержащий генератор прямоугольного сигнала, рабочую и эталонную емкости, входной усилитель, соединенный входом с выводом эталонной емкости, отличающийся тем, что в него введено устройство выборки-хранения, вход которого подключен к выходу входного усилителя, при этом первый выход генератора прямоугольного сигнала подсоединен через резистор к другому выводу эталонной емкости, второй - через резистор к выводам рабочей емкости и дополнительной эталонной емкости, третий - к управляющему входу устройства выборки-хранения, при этом другой вывод дополнительной эталонной емкости соединен с входом входного усилителя, а другой вывод рабочей емкости подключен к земле. 2. Емкостной преобразователь по п.1, отличающийся тем, что он снабжен фильтром низкой частоты, вход которого соединен с выходом устройства выборки-хранения.