КОММУТАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕМКОСТНОГО ДАТЧИКА Российский патент 2006 года по МПК G01D5/24 

Изобретение относится к коммутационному устройству для емкостного датчика и к способу регулировки напряжения сигнала, отражающего текущее значение переменной физической измеряемой величины, в частности статического давления текучей среды.

В ЕР-А 922962 раскрыто коммутационное устройство для емкостного датчика, содержащее:

- измерительный конденсатор переменной емкости, которая отрегулирована посредством детектируемой физической измеряемой величиной, при этом измерительный конденсатор несет заряд, пропорциональный текущему значению отрегулированной емкости,

- разряженный опорный конденсатор,

- инвертирующий усилитель,

- вход и выход которого через опорный конденсатор соединены между собой, причем вход усилителя временно подключен к измерительному конденсатору таким образом, что заряд измерительного конденсатора по возможности полностью передается на опорный конденсатор, а с выхода усилителя подается напряжение сигнала, которое по существу пропорциональное емкости измерительного конденсатора.

Недостатком такого типа коммутационного устройства является в числе прочего то, что переданный на измерительный конденсатор заряд зависит от текущего значения емкости последнего и, следовательно, потребляемый ток коммутационного устройства в рабочем режиме может колебаться в широком диапазоне. Потребляемый ток может достигать при этом нежелательно больших величин, в частности, при неисключаемом коротком замыкании в измерительном конденсаторе.

Другой недостаток указанного коммутационного устройства, используемого в емкостном датчике давления, состоит в том, что поданное напряжение сигнала пропорционально емкости измерительного конденсатора и, следовательно, не пропорционально детектируемой измеряемой величине.

Поэтому задачей изобретения является создание коммутационного устройства, предназначенного, в частности, для емкостного датчика и характеризующегося потреблением тока, практически не зависящим от текущего значения емкости измерительного конденсатора, а также образующего напряжение сигнала, зависящее от обратной величины емкости измерительного конденсатора.

Задача согласно изобретению решается коммутационным устройством для емкостного датчика, включающим в себя:

- первый разряженный до задаваемого остаточного заряда измерительный конденсатор переменной емкости, отрегулированной посредством детектируемой физической измеряемой величины,

- первый опорный конденсатор, несущий опорный заряд,

- первый буферный усилитель, вход которого соединен, по меньшей мере, временно с первым измерительным конденсатором таким образом, что с выхода первого буферного усилителя подается первое напряжение сигнала, пропорциональное по существу измерительному напряжению первого измерительного конденсатора, причем вход и выход первого буферного усилителя во время работы временно соединены между собой через первый опорный конденсатор таким образом, что опорный заряд по возможности полностью передается с первого опорного конденсатора на первый измерительный конденсатор.

Изобретение касается также способа регулировки напряжения сигнала, отражающего текущее значение переменной физической измеряемой величины, в частности статического давления текучей среды, при этом способ содержит следующие операции:

- обеспечение изменения емкости регулируемого измерительного конденсатора, которое соответствует изменению измеряемой величины,

- разрядку измерительного конденсатора до задаваемого остаточного заряда,

- образование опорного заряда на опорном конденсаторе,

- передачу опорного заряда с опорного конденсатора на измерительный конденсатор для создания измерительного напряжения, отражающего текущее значение его емкости,

- усиление измерительного напряжения приблизительно в один раз для образования напряжения сигнала.

Согласно первому предпочтительному варианту выполнения изобретения коммутационное устройство содержит первый выключатель, которым первый электрод первого измерительного конденсатора временно подключен к первому опорному потенциалу.

Согласно второму предпочтительному варианту выполнения изобретения первый измерительный конденсатор вторым электродом подключен ко второму постоянному опорному потенциалу.

Согласно третьему предпочтительному варианту выполнения изобретения оба опорных потенциала первого измерительного конденсатора являются одинаковыми, вследствие чего его остаточный заряд практически равен нулю.

Согласно четвертому предпочтительному варианту выполнения изобретения первый опорный конденсатор через первый электрод подключен к выходу первого буферного усилителя, для зарядки первого опорного конденсатора опорным зарядом в коммутационном устройстве предусмотрен второй выключатель, посредством которого первый опорный конденсатор временно подключен через второй электрод к выходу блока питания, с которого поступает зарядное напряжение.

Согласно пятому предпочтительному варианту выполнения изобретения коммутационное устройство содержит для передачи опорного заряда на первый измерительный конденсатор третий выключатель, посредством которого первый опорный конденсатор своим вторым электродом временно подключен к входу первого буферного усилителя.

Согласно шестому предпочтительному варианту выполнения изобретения коммутационное устройство содержит схему для выборки и хранения напряжения сигнала.

Согласно седьмому предпочтительному варианту выполнения изобретения коммутационное устройство содержит дополнительно второй измерительный конденсатор, при этом вход первого буферного усилителя временно подключен ко второму измерительному конденсатору таким образом, что с выхода буферного усилителя подается напряжение сигнала, пропорциональное по существу измерительному напряжению второго измерительного конденсатора.

Согласно восьмому предпочтительному варианту выполнения изобретения коммутационное устройство дополнительно содержит:

- второй опорный конденсатор, несущий опорный заряд,

- второй буферный усилитель, вход которого соединен, по меньшей мере, временно с первым измерительным конденсатором таким образом, что выход второго буферного усилителя образует второе напряжение сигнала, пропорциональное по существу измерительному напряжению первого измерительного конденсатора, причем вход и выход второго буферного усилителя во время работы временно соединены между собой через второй опорный конденсатор таким образом, что опорный заряд передается по возможности полностью со второго опорного конденсатора на первый измерительный конденсатор.

Согласно девятому предпочтительному варианту выполнения изобретения коммутационное устройство дополнительно содержит реактивный каскад с емкостью, которая, по возможности, равна паразитной емкости, частично расходующей опорный заряд, образуемый первым опорным конденсатором.

Согласно десятому предпочтительному варианту выполнения изобретения токоподвод коммутационного устройства, соединяющий первый измерительный конденсатор с входом первого буферного усилителя, содержит активно защищающий экран.

В первом предпочтительном варианте выполнения способа согласно изобретению для образования сигнала, реагирующего на изменение измеряемой величины, проводится выборка и временное хранение напряжения сигнала.

Во втором предпочтительном варианте выполнения способа согласно изобретению для образования опорного заряда на опорный конденсатор подают зарядное напряжение в течение времени, пока через него не снизится задаваемое опорное напряжение.

В третьем предпочтительном варианте выполнения способа согласно изобретению величина остаточного заряда, до которой разряжается измерительный конденсатор, составляет около нуля.

Подробнее изобретение и его преимущества поясняются ниже с помощью примеров осуществления, изображенных на чертежах; на чертежах одинаковые детали обозначены одинаковыми позициями. Для большей наглядности приведенные позиции не указаны на последующих фиг.1-4.

При этом изображено на:

фиг.1 схематически коммутационное устройство для емкостного датчика,

фиг.2 схематически временные характеристики сигналов коммутационного устройства на фиг.1,

фиг.3 схематически улучшенный вариант выполнения коммутационного устройства на фиг.1,

фиг.4 схематически другой улучшенный вариант выполнения коммутационного устройства на фиг.1.

На фиг.1 схематически показано коммутационное устройство для емкостного датчика, в частности для датчика абсолютного, относительного или дифференциального давления. Коммутационное устройство служит для того, чтобы на выходе первого буферного усилителя OV₁ образовывался тактовый и циклически обновляемый сигнал напряжения ΔU_S1 сигнала, отображающий емкость С_М1 регулируемого и/или саморегулирующегося первого измерительного конденсатора К_М1. Буферный усилитель OV₁ может быть, например, преобразователем полного сопротивления.

Сигнал напряжения ΔU_S1, образованный коммутационным устройством, преобразуется предпочтительно блоком АЕ обработки сигналов датчика, использующего коммутационное устройство, в соответствующий, в частности, цифровой измерительный сигнал x_p, который через шину данных может передаваться далее в вышестоящую измерительную службу; при необходимости измерительный сигнал x_р может быть и аналоговым сигналом, например, шлейфовым током от 4 мА до 20 мА. Обработка таких сигналов напряжения на выходах усилительных схем хорошо знакома среднему специалисту, и поэтому здесь не требуется ее подробное пояснение. С соответствующими примерами выполнения схемы, используемой в качестве блока АЕ обработки сигналов, можно ознакомиться в уже упомянутой заявке ЕР-А 922962.

Во время работы коммутационного устройства емкость измерительного конденсатора К_М1 регулируется переменной физической измеряемой величиной р, в частности статическим давлением, воздействующим на датчик, т.е. изменение измеряемой величины р вызывает соответствующее изменение текущего значения емкости измерительного конденсатора К_М1.

Для упомянутого выше случая, при котором детектируемой физической измеряемой величиной р является статическое давление, измерительным конденсатором К_М1 может служить, например, емкостная ячейка для измерения давления с упруго деформируемой мембраной, которая несет на себе одну из, по меньшей мере, двух конденсаторных пластин и которая, реагируя на изменение измеряемой величины изменением степени прогибания, изменяет относительный зазор между первой и второй конденсаторными пластинами. Конструкция и назначение таких чувствительных к давлению измерительных конденсаторов специалисту известны, поэтому нет необходимости останавливаться на этом подробно. Например, варианты выполнения таких измерительных конденсаторов описаны в US-A 5001595, US-A 5005421, US-A 5050034, US-A 5079953, US-A 5194697, US-A 5400489, US-A 5539611. Само собой разумеется, что при необходимости измерительным конденсатором К_М1 может служить и конденсатор, реагирующий на изменения других физических измеряемых величин, таких как, например, температура и/или диэлектрическая проницаемость, измеряемых изменением своей емкости.

Как показано на фиг.1, измерительный конденсатор К_М1 подключен первым электродом к первому, в частности, постоянному опорному потенциалу U_М11, например, массе. Кроме того, измерительный конденсатор К_М1 вторым электродом подключен к входу буферного усилителя OV₁. Таким образом со стороны входа посредством буферного усилителя OV₁ практически непосредственно снимают измерительное напряжение ΔU_М1, на которое влияет текущее значение заряда и текущая емкость С_М1 измерительного конденсатора К_М1.

Согласно изобретению измерительный конденсатор К_М1 разряжают в начале измерительного цикла до определенного остаточного заряда Q_Res1. Для этого во время работы коммутационного устройства ко второму электроду измерительного конденсатора К_М1 временно подключают второй опорный потенциал U_M12. В этом случае соответствующее остаточное напряжение ΔU_M1,0 измерительного конденсатора К_М1 составит

Предпочтительно, чтобы для разрядки измерительного конденсатора К_М1 был предусмотрен в коммутационном устройстве подключенный параллельно этому конденсатору первый выключатель S₁₁, который, будучи управляемым первым бинарным тактовым сигналом clk₁, используется для управляемой повторной временной подачи второго опорного потенциала U_М12 на второй электрод измерительного конденсатора К_М1.

Предпочтительно, чтобы опорный потенциал U_М12 был равен опорному потенциалу U_М11, в результате чего измерительный конденсатор К_М1 в этом случае при разрядке закорачивается. Таким образом очень легко достигается положение, при котором измерительный конденсатор К_М1 уже через очень короткое время разрядки несет только заданный остаточный заряд Q_Res1, который практически равен нулю. В случае необходимости оба опорных потенциала могут выбираться также разными.

Наряду с измерительным конденсатором К_М1 коммутационное устройство содержит также, по меньшей мере, один первый опорный конденсатор К_Ref1 с задаваемой, в частности, дискретно регулируемой емкостью С_Ref1, на первом электроде которого стабилизируется текущее значение потенциала, определяемое напряжением ΔU_S1 сигнала. Для этого опорный конденсатор К_Ref1, как показано на фиг.1, своим первым электродом постоянно соединен с выходом буферного усилителя OV₁. Необходимо также отметить, что и напряжение ΔU_S1 сигнала необходимо соотносить со вторым опорным потенциалом U_M12, являющимся практически нулевой точкой схемы.

Во время работы второй электрод опорного конденсатора К_Ref1 временно нагружается зарядным напряжением ΔU_L, подаваемым блоком питания VE, таким образом, что на опорном конденсаторе К_Ref1 устанавливается опорное напряжение ΔU_Ref1, которое по существу равно текущему значению разности ΔU_L-ΔU_S1 между зарядным напряжением и напряжением сигнала. В соответствии с этим опорный конденсатор К_Ref1 несет соответствующий опорный заряд Q_Ref1, величина которого определяется по существу произведением С_Rеf1·ΔU_Ref1. Зарядное напряжение ΔU_L соотносится в этом случае аналогично остаточному напряжению измерительного конденсатора К_М1 со вторым опорным потенциалом U_M12.

Для временного приложения зарядного напряжения ΔU_L к опорному конденсатору К_Refl предпочтительно, чтобы коммутационное устройство содержало второй выключатель S₁₂, соединяющий между собой указанный конденсатор и блок питания VE и управляемый вторым бинарным тактовым сигналом clk₂, являющимся, в частности, синфазным тактовому сигналу clk₁. Тактовые сигналы clk₁, clk₂ образованы таким образом, что во время работы коммутационного устройства оба выключателя S₁₁ и S₁₂ остаются разомкнутыми перед началом t₁ первой фазы t₁-t₂.

В способе согласно изобретению для определения емкости C_M1 измерительный конденсатор K_M1 во время фазы t₁-t₂ разряжается сначала до заданного остаточного напряжения ΔU_M1,0 по возможности полностью через, по меньшей мере, временно замкнутый выключатель S₁₁. Практически одновременно с разрядкой измерительного конденсатора K_M1 заряжается опорный конденсатор К_Ref1 посредством зарядного напряжения ΔU_L, подаваемого через замкнутый выключатель S₁₂. При необходимости разрядка измерительного конденсатора K_M1 и зарядка опорного конденсатора К_Ref1 происходит на фазе t₁-t₂, а также с временным смещением. К концу t₂ фазы t₁-t₂ выключатели S₁₁ и S₁₂ снова размыкаются.

Продолжительность фазы t₁-t₂ задается таким образом, чтобы не позднее окончания фазы t₂ измерительный конденсатор К_М1 мог оказаться разряженным до заданного остаточного заряда, составляющего, например, Q_Res1=0. Также не позднее окончания фазы t₂ опорный конденсатор K_Ref1, как уже упоминалось, должен нести опорный заряд:

По окончании фазы t₁-t₂ и во время второй фазы t₃-t₄ в способе согласно изобретению опорный заряд Q_Ref1 по возможности полностью отводится с опорного конденсатора К_Ref1 и по возможности полностью передается на измерительный конденсатор K_M1 таким образом, чтобы к концу t₄ фазы t₃-t₄ практически имело место равенство

С учетом зависимостей (1) и (2) из равенства (3) теперь можно вывести измерительное напряжение ΔU_M1 следующим образом:

Как следует из зависимости (4), измерительное напряжение ΔU_M1 в коммутационном устройстве согласно изобретению практически обратно пропорционально величине емкости C_M1 измерительного конденсатора K_M1. Этим достигается преимущество, которое заключается в том, что при использовании коммутационного устройства согласно изобретению в емкостном датчике давления, в котором емкость C_M1 зависит, как известно, от величины, обратной измеряемому давлению, повышение давления, несмотря на соответствующие коэффициенты усиления, вызывает также пропорциональное повышение измерительного напряжения ΔU_M1.

Для передачи опорного заряда Q_Ref1 на измерительный конденсатор K_M1 предпочтительно, чтобы коммутационное устройство содержало, как показано на фиг.1, третий выключатель S₁₃, который, будучи управляемым третьим тактовым сигналом clk₃ со сдвинутой по отношению к тактовым сигналам clk₁, clk₂, фазой, соединяет второй электрод опорного конденсатора К_Ref1 с входом буферного усилителя OV₁.

Как показано на фиг.2, выключатель S₁₃, который ранее, в частности во время фазы t₁-t₂, оставался разомкнутым, замыкается во время фазы t₃-t₄. Текущая разница уровней сигнала, образующаяся между входом и выходом буферного усилителя OV₁ сразу после замыкания выключателя S₁₃, в результате этого практически сразу компенсируется. Иначе говоря, присутствующее на опорном конденсаторе К_Ref1 опорное напряжение ΔU_Ref1 устанавливается равным нулю после замыкания выключателя S₁₃, в результате чего также неизбежно разряжается опорный конденсатор К_Ref1. Протекающий при этом разрядный ток переносит практически полностью опорный разряд с опорного конденсатора К_Ref1 на измерительный конденсатор K_M1.

Указанные выше выключатели S₁₃, S₁₁, S₁₂ могут быть реализованы средним специалистом известным образом с помощью транзисторов, в частности канальных транзисторов. Необходимо подчеркнуть, что хотя выключатели S₁₁, S₁₂, S₁₃ и обозначены как нормальноразомкнутые контакты, они являются выключателями, которые замыкаются в том случае, когда соответствующий тактовый сигнал clk₁, clk₂ или clk₃ достигает высокого уровня. При необходимости выключатели S₁₁, S₁₂, S₁₃ могут быть также выполнены в виде нормальнозамкнутых контактов, которые соответственно замыкаются в том случае, когда соответствующий тактовый сигнал clk₁, clk₂, или clk₃ достигает низкого уровня. Само собой разумеется, что в таком случае тактовые сигналы должны инвертироваться соответствующим образом.

Как видно из фиг.2, тактовые сигналы clk₁, clk₂, clk₃ в любом случае необходимо формировать так, чтобы выключатель S₁₃ замыкался всегда только в том случае, когда оба выключателя S₁₁, S₁₂ остаются разомкнутыми. При необходимости тактовые сигналы, как это показано на фиг.2, могут иметь отличающиеся между собой отношения "импульс-интервалы". Для подавления помех, воздействующих на напряжение сигнала, тактовые сигналы, как это описано в ЕР-А 922962, могут варьироваться во время работы при соблюдении описанных выше граничных условий в отношении их тактовой частоты или их фазового положения.

Для образования тактовых сигналов clk₁, clk₂, clk₃ может применяться, например, соответствующий электронный блок VE управления датчика, использующего коммутационное устройство.

В предпочтительном улучшенном варианте выполнения способа согласно изобретению для получения измерительного сигнала x_р проводится выборка и хранение напряжения ΔU_S1 сигнала во время третьей фазы t₄-t₅, следующей за фазой t₃-t₄, с помощью первой схемы для выборки и хранения SH₁, управляемой тактовым сигналом clk_SH1 выборки. Тактовый сигнал clk_SH1 выборки формируется, как это показано на фиг.2, таким образом, что схема выборки и хранения SH₁ активируется только после замыкания выключателя S₁₃ и после актуализации напряжения ΔU_S1 сигнала, т.е. после подключения к выходу буферного усилителя OV₁, на котором это напряжение присутствует. Кроме того, ширину импульса тактового сигнала clk_SH1 выборки задают таким образом, чтобы схема выборки и хранения SH₁ снова отключалась от буферного усилителя OV₁ не позднее окончания фазы t₄-t₅.

К схеме выборки и хранения SH₁ может быть дополнительно подключен известным среднему специалисту образом аналого-цифровой преобразователь, служащий для получения цифрового сигнала, отражающего напряжение ΔU_S1 сигнала. Для коррекции возможного дрейфа зарядного напряжения ΔU_L целесообразно подать на аналого-цифровой преобразователь (не показан) через опорный вход, например, опорное напряжение, прямо пропорциональное зарядному напряжению ΔU_L.

Кроме того, исследованиями было установлено, что при конкретной реализации коммутационного устройства согласно изобретению может иметь место случай, когда могут образовываться и коммутироваться практически неизбежные паразитные емкости коммутационного устройства таким образом, что значительная удельная доля опорного заряда Q_Ref1, составляющая около 1%-10%, на измерительный конденсатор KM₁ не передается. В этом случае происходит значительное искажение напряжения ΔU_S1 сигнала. Кроме того, такие паразитные емкости, которые могут быть образованы, например, обычно применяемыми схемами защиты от сверхнапряжений, емкостями линии и входными емкостями буферного усилителя OV₁, являются в большинстве случаев переменными, в результате чего заранее практически нельзя точно определить их влияние на напряжение ΔU_S1 сигнала.

Для повышения точности определения напряжения ΔU_S1 сигнала в предпочтительном усовершенствованном варианте выполнения изобретения предусмотрен реактивный каскад BS₁ емкости С_BS1, которая, во-первых, по возможности равна паразитной емкости C_PS1, потребляющей часть опорного заряда Q_Ref1, и, во-вторых, ведет себя, по меньшей мере, аналогично во время работы. Для по возможности точного воспроизведения такой паразитной емкости C_PS1 реактивный каскад BS₁ выполнен по существу идентичным коммутационным структурам PS₁, образующим паразитную емкость C_PS1.

В соответствии с предпочтительным усовершенствованным вариантом выполнения изобретения для компенсации долей опорного заряда Q_Ref1, переданных на коммутационные структуры PS₁, заряжают реактивный каскад BS₁ с образованием емкости C_BS1 на четвертой фазе t₅-t₆ с помощью напряжения ΔU_S1 сигнала. В указанном варианте выполнения в коммутационном устройстве предусмотрен для этого четвертый выключатель S₁₄, который, как это показано на фиг.3, управляется четвертым тактовым сигналом clk₄ и который соединяет первый электрод реактивного каскада BS₁ с выходом буферного усилителя OV₁ с напряжением ΔU_S1 сигнала.

Образованный таким образом в реактивном каскаде BS₁ заряд распределяется пятым переключателем S₁₅, управляемым пятым тактовым сигналом clk₅, на пятой фазе t₇-t₈, по меньшей мере, частично между измерительным конденсатором K_M1, разряженным описанным выше образом, и таким же образом разряженными коммутационными структурами PS₁. Фаза t₇-t₈ располагается, как это четко показано на фиг.2, практически между обеими фазами t₁-t₂, t₃-t₄ измерительного цикла, который начинается после зарядки реактивного каскада BS₁ на фазе t₇-t₈.

В этом улучшенном варианте осуществления способа согласно изобретению при соблюдении приведенного выше условия, согласно которому паразитная емкость C_PS1 может достигать около 1%-10% от измерительной емкости C_M1 и, предположив, что паразитная емкость C_PS1 и измерительная емкость C_M1 почти не изменяются в течение периода, являющегося продолжительным по сравнению с продолжительностью измерительного цикла, будем иметь для измерительного напряжения ΔU_M1 следующее приближение:

Как однозначно вытекает из зависимости (5), данное приближение соответствует равенству (4) при условии, что C_PS1 равно C_BS1. Допущение относительно того, что емкости C_PS1 и C_M1 относительно медленно изменяются в течение двух последовательных измерительных циклов, можно легко подтвердить соответственно высоким показателем воспроизводимости измерительных циклов, т.е. соответственно высокой выбранной частотой тактовых сигналов. Кроме того, необходимо напомнить, что приведенное приближение тем точнее, чем меньше паразитная емкость C_PS1 по сравнению с измерительной емкостью C_M1.

Также было обнаружено, что наряду с упомянутыми паразитными емкостями дополнительной причиной случайных помех напряжения ΔU_S1 могут служить мешающие напряжения, возникающие вдоль тракта передачи сигналов, расположенного между измерительным конденсатором K_M1 и буферным усилителем OV₁.

Для подавления упомянутых мешающих факторов, воздействующих на напряжение ΔU_S1 сигнала, в предпочтительном улучшенном варианте выполнения изобретения предусмотрен токоподвод VL, который соединяет первый электрод измерительного конденсатора K_M1 с входом буферного усилителя OV₁ и который, по меньшей мере, частично экранирован. Для исключения искажения напряжение ΔU_S1 сигнала обычно непостоянными емкостями проводников, дополнительно привнесенных токоподводом VL в тракт передачи сигналов, в указанном улучшенном варианте предусмотрено наличие гальванического соединения между, в частности, соосным экраном GD токоподвода VL и выходом буферного усилителя OV₁. Эта мера, известная как "активная защита" (active guarding) или "совместно перемещающийся экран", служит для того, чтобы разрядить по возможности полностью емкость проводников, образованную между первым электродом измерительного конденсатора K_M1 и экраном GD, или, по меньшей мере, поддерживать ее на уровне преимущественно постоянного заряда.

В том случае, когда, как это, например, принято при измерении разницы давлений, одновременно с измерением емкости C_M1 измерительного конденсатора K_M1 необходимо измерить также емкость С_M2 второго измерительного конденсатора К_M2, то может применяться наряду с описанным выше первым каскадом для сбора измерительной информации, состоящим, по меньшей мере, из измерительного конденсатора K_M1, опорного конденсатора K_Ref1, буферного усилителя OV₁ и выключателей S₁₁, S₁₂, S₁₃, практически идентичный второй каскад для сбора измерительной информации, образованный, по меньшей мере, из второго измерительного конденсатора К_M2, второго опорного конденсатора K_Ref2, второго буферного усилителя OV₂, шестого, седьмого и восьмого выключателей S₂₁, S₂₂, S₂₃, причем со стороны выхода буферного усилителя OV₂ может определяться известным образом второе напряжение ΔU_S2, характеризующее измерительное напряжение ΔU_M2, падающее через измерительный конденсатор К_M2. Для управления выключателями S₂₁, S₂₂, S₂₃ могут использоваться в данном случае, например, соответствующие тактовые сигналы clk₁, clk₂ clk₃, см. фиг.4.

Предпочтительно, чтобы блок АЕ обработки сигналов в указанном улучшенном варианте выполнения содержал дополнительно вторую схему выборки и хранения SH₂ для напряжения ΔU_S2 сигнала, вырабатываемого вторым каскадом для сбора измерительной информации.

Для этого улучшенного варианта выполнения изобретения было найдено, что, в частности, в том случае, когда оба каскада для сбора измерительной информации, например, вследствие жестких допусков по отдельным компонентам имеют разные переходные характеристики, циклическая подстановка отдельных компонентов каскада для сбора измерительной информации, т.е., например, обоих буферных усилителей OV₁, OV₂ и/или обоих опорных конденсаторов К_Ref1, K_Ref2 и/или при необходимости обеих схем выборки и хранения SH₁, SH₂, обеспечивает за среднее время наиболее точные результаты измерений. Подстановка отдельных компонентов может проводиться, например, с помощью обычного переключающего устройства, состоящего из первого, второго, третьего и четвертого переключателей W₁₁, W₁₂, W₂₁ и W₂₂, которые после нескольких, например приблизительно 10-100 повторений описанных выше и содержащих, по меньшей мере, фазы t₁-t₂, t₃-t₄ измерительных циклов, переводятся из показанных позиций по возможности синхронно в соответствующие альтернативные и наоборот.

Первый каскад для сбора измерительной информации предложенного коммутационного устройства и, если имеется, второй каскад для сбора измерительной информации и/или реактивный каскад BS₁ предпочтительно выполнить монолитными, например, в виде единого модуля ASIC. Наряду с существенной экономией места, занимаемого коммутационным устройством, это имеет также то преимущество, что второй каскад для сбора измерительной информации может быть выполнен в виде идентичного дубликата первого каскада для сбора измерительной информации. Кроме того, таким способом возможно очень просто привести в соответствие реактивный каскад BS₁ со схемными структурами PS₁, образующими паразитную емкость C_PS1.

Коммутационное устройство для емкостного датчика содержит измерительный конденсатор (K_М1), емкость которого определяется измеряемой величиной (р), опорный конденсатор (К_Ref1) и буферный усилитель (OV₁), вход которого подключен, по меньшей мере, временно к измерительному конденсатору (K_М1) таким образом, что с выхода буферного усилителя (OV₁) подается напряжение сигнала, пропорциональное напряжению измерительного конденсатора (K_М1). В начале каждого измерительного цикла измерительный конденсатор (K_М1) разряжается до заданного остаточного заряда, а опорный конденсатор (К_Ref1) заряжается до заданного опорного заряда. Затем опорный заряд передается с опорного конденсатора (К_Ref1) на измерительный конденсатор (K_М1). Для этого вход и выход буферного усилителя (OV₁) временно соединены между собой во время работы через опорный конденсатор (К_Ref1). Благодаря этому коммутационное устройство образует напряжение сигнала, зависящее от величины, обратной емкости измерительного конденсатора, причем ток потребления практически не зависит от текущего значения емкости измерительного конденсатора (K_М1). 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Коммутационное устройство для емкостного датчика, содержащее

разряженный до задаваемого остаточного заряда первый измерительный конденсатор (K_М1) переменной емкости, регулируемой посредством детектируемой физической измеряемой величины (р),

первый опорный конденсатор (К_Ref1), несущий опорный заряд, и

первый буферный усилитель (OV₁),

вход которого подключен, по меньшей мере, временно к первому измерительному конденсатору (K_М1) таким образом, что с выхода первого буферного усилителя (OV₁) подается первое напряжение сигнала, пропорциональное по существу измерительному напряжению первого измерительного конденсатора (K_М1), причем вход и выход первого буферного усилителя (OV₁) временно соединены между собой во время работы через первый опорный конденсатор (К_Ref1) таким образом, что опорный заряд по возможности полностью передается с первого опорного конденсатора (К_Ref1) на первый измерительный конденсатор (K_М1).

обеспечение изменения емкости регулируемого измерительного конденсатора (K_М1), соответствующей изменению измеряемой величины (р),

разрядка измерительного конденсатора (K_М1) до задаваемого остаточного заряда,

образование опорного заряда на опорном конденсаторе (К_Ref1),

передача опорного заряда с опорного конденсатора (К_Ref1) на измерительный конденсатор (K_М1) для образования измерительного напряжения, отображающего текущее значение его емкости, и

усиление измерительного напряжения при коэффициенте усиления около 1 для получения напряжения сигнала.