СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЕМКОСТИ В ЧАСТОТУ Российский патент 2001 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, в частности к преобразующим устройствам емкостных датчиков съема информации, и может использоваться для построения различных измерительных устройств.

Известен способ преобразования емкости в частоту, основанный на изменении частоты генерации автоколебательной системы при включении в нее преобразуемой емкости [См. а.с. N 913280 СССР, МКИ G 01 R 27/26, 1982, Бюл. N 10] .

Недостатками описанного аналога, снижающими чувствительность преобразования, являются собственный дрейф частоты генерации автоколебательной системы и конечное значение добротности этой системы.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранный в качестве прототипа способ преобразования RCL-параметров в частоту, основанный на использовании процессов в RCL-цепи при периодическом воздействии и интегрировании указанных процессов [См. а.с. N 375585 СССР, МКИ G 01 R 27/26, 1973, Бюл. N 16].

Недостатком описанного аналога является то, что частота преобразования формируется на основе сравнения проинтегрированного напряжения переходного процесса с порогом, то есть по единственному отсчету. Таким образом, чувствительность преобразования определяется чувствительностью элемента, выполняющего указанное сравнение, и принципиально ограничена его параметрами и воздействием внешних дестабилизирующих факторов, приводящих к изменению значения порога.

Техническая задача изобретения заключается в повышении чувствительности преобразования емкости в частоту.

Поставленная техническая задача решена изобретением. Как и в прототипе, в соответствии с предлагаемым способом используют процессы в RCL-цепи при периодическом воздействии и интегрирование указанных процессов. В отличие от прототипа, на RCL-цепь производят периодическое воздействие прямоугольными импульсами напряжения, которые формируют из постоянного напряжения путем чередования интервалов его коммутации на RCL-цепь и интервалов обработки тока переходного процесса RCL-цепи, в интервалах обработки ток переходного процесса интегрируют, а затем выделяют из него постоянную составляющую, которую используют при управлении частотой коммутации, до получения нулевого приращения постоянной составляющей проинтегрированного тока за интервалы коммутации и обработки, полученную таким образом частоту коммутации противопоставляют преобразуемой емкости.

На чертеже изображена эквивалентная схема, описывающая способ преобразования емкости в частоту.

Способ осуществляется следующим образом: в интервале коммутации от 0 до Т производят коммутацию постоянного напряжения на RCL-цепь, а в интервале обработки от Т до 2Т осуществляют интегрирование тока переходного процесса RCL-цепи. Ток переходного процесса на интервале обработки меняет свой знак, следовательно, его можно представить в виде положительного и отрицательного импульсов, следующих друг за другом. Данный вид тока переходного процесса обусловлен тем, что емкостной датчик с преобразуемой емкостью C включен в последовательную RL-цепь параллельно элементу с параметром R, что известно из [Конторович М.И. Операционное исчисление и процессы в электрических цепях. Изд-е 4-е - М.: Советское радио, 1975, 320 с., с. 22, рис. 3.2]. Интеграл сигнала указанной формы в момент времени 2Т равен сумме площадей положительного и отрицательного импульсов тока. Эта сумма площадей представляет собой ошибку преобразования емкости в частоту. Интегрирование тока переходного процесса каждого последующего интервала обработки приводит к накоплению ошибок преобразования, что отражается в линейном изменении постоянной составляющей проинтегрированного тока. В зависимости от соотношения площадей положительного и отрицательного импульсов тока ошибка преобразования будет положительной, отрицательной или равной нулю. Таким образом, постоянная составляющая проинтегрированного тока будет положительной линейно возрастающей, отрицательной линейно спадающей или равномерной соответственно. Для получения частоты коммутации, соответствующей преобразуемой емкости, выделяют постоянную составляющую проинтегрированного тока, которую используют при управлении частотой коммутации, чтобы получить нулевое приращение постоянной составляющей за время t от 0 до 2Т. Полученную таким образом частоту коммутации противопоставляют преобразуемой емкости.

Выражение установившегося тока переходного процесса в интервале обработки в замкнутой форме при воздействии периодических прямоугольных импульсов напряжения на RCL-цепь имеет вид

E1 - амплитуда импульсов;
p1, p2 - корни характеристического уравнения
R, C, L - параметры RCL-цепи;
C - преобразуемая емкость;
Т - интервал обработки;
t - текущее время, которое меняется от Т до 2Т.

Уравнение (1) получено на основании использования преобразования Лапласа. Проинтегрируем уравнение (1) в интервале от Т до 2Т. После преобразования получим уравнение, связывающее преобразуемую емкость с интервалом обработки, а следовательно, и частотой коммутации, равной 1/2Т.

Таким образом, периодическое импульсное воздействие прямоугольными импульсами напряжения на RCL-цепь с преобразуемой емкостью C и интегрирование тока переходного процесса обеспечивают высокую чувствительность преобразования емкости в частоту, вследствие накопления ошибки преобразования, обусловленной неравенством площадей положительного и отрицательного импульсов тока на интервале обработки. Причем преобразуемой емкости соответствует частота коммутации, при которой постоянная составляющая проинтегрированного тока имеет нулевое приращение за интервалы коммутации и обработки.

Заявляемый способ возможно реализовать в устройстве на базе выпускаемых отечественной промышленностью радиоэлектронных элементов. В частности, интегрирование тока переходного процесса легко осуществить интегратором, построенным на операционном усилителе [П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Т. 1. Пер. с англ. - 4-е изд. перераб. и доп. - М.: Мир, 1993. - 413 с. С.237]. Интервалы коммутации и обработки могут быть сформированы путем использования двух аналоговых ключей [П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Т. 1. Пер. с англ. - 4-е изд. перераб. и доп. - М.: Мир, 1993. - 413 с. С. 149], у которых первые выводы соединяют и подключают к RCL-цепи. При этом второй вывод первого ключа подключают к источнику постоянного напряжения, а второй вывод второго ключа подключают к входу интегратора. Управляющие выводы аналоговых ключей подключают к противофазным выходам перестраиваемого генератора частоты коммутации. Постоянная составляющая выделяется фильтром низкой частоты и по ее знаку и изменению во времени производят перестройку генератора частоты коммутации.

Изобретение относится к преобразующим устройствам емкостных датчиков съема информации и может использоваться для построения различных измерительных устройств. Способ основан на использовании процессов в RCL-цепи при периодическом воздействии прямоугольных импульсов напряжения, которые формируют из постоянного напряжения путем чередования интервалов его коммутации на RCL-цепь и интервалов обработки тока переходного процесса RCL-цепи, которая содержит датчик с преобразуемой емкостью С. При обработке ток переходного процесса интегрируют и выделяют из него постоянную составляющую. Частоту коммутации устанавливают такой, чтобы обеспечить нулевое приращение постоянной составляющей проинтегрированного тока. Технический результат заключается в получении высокой чувствительности преобразования вследствие того, что производят интегральную обработку тока переходного процесса, в результате которой происходит накопление ошибок преобразования каждого интервала обработки. 1 ил.

Способ преобразования емкости в частоту, основанный на использовании процессов в RCL-цепи при периодическом воздействии и интегрировании указанных процессов, отличающийся тем, что на RCL-цепь производят периодическое воздействие прямоугольными импульсами напряжения, которые формируют из постоянного напряжения путем чередования интервалов его коммутации на RCL-цепь и интервалов обработки тока переходного процесса RCL-цепи, который на интервалах коммутации и обработки меняет свой знак, в интервалах обработки ток переходного процесса интегрируют, а затем выделяют из него постоянную составляющую, которую используют при управлении частотой коммутации до получения нулевого приращивания постоянной составляющей проинтегрированного тока за интервалы коммутации и обработки, полученная таким образом частота коммутации соответствует преобразуемой емкости С.