Способ определения емкости датчика и измерительная цепь для его осуществления Российский патент 2023 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а именно к определению емкости емкостного датчика и может быть использовано для преобразования параметров емкостных датчиков в код.

Ожидаемый технический результат при осуществлении изобретения – повышение точности определения емкости емкостного датчика, достигается формированием двух гармонических напряжений на измеряемой и образцовой емкостях датчика, сдвинутых относительно друг друга на 90 градусов, измерении их значений при равенстве нулю выходного напряжения усилителя, причем такие измерения проводятся дважды с переключением во втором такте входных напряжений с измеряемой емкости на образцовую, а с образцовой на измеряемую, а числовое значение измеряемой емкости определяется по результатам полученных значений напряжений.

Известен преобразователь информативного параметра емкостного датчика, в котором для повышения точности преобразования информативного параметра осуществляют два последовательных такта измерения [1]. В первом такте к входу усилителя подключена опорная емкость, на которую от первой обмотки трансформатора подается синусоидальное напряжение и выходное напряжение усилителя пропорционально опорной емкости. Во втором такте к входу усилителя подключается так же измеряемая емкость, на которую от второй обмотки трансформатора подается противофазное синусоидальное напряжение. В данном случае напряжение на выходе усилителя определяется разностью измеряемой и опорной емкостей датчика. Повышение точности преобразования информативного параметра достигается путем логометрической коррекции от результата деления данных напряжений.

К недостаткам аналога относится неполная коррекция погрешности преобразования, а лишь ее снижение вследствие предлагаемого алгоритма. Кроме того, учитывая комплексное значения коэффициента усиления усилителя погрешность преобразования является так же комплексной величиной, и использование предложенного алгоритма является неэффективным для коррекции комплексной погрешности преобразования.

Наиболее близким по техническому существу и достигаемому положительному эффекту к заявляемому способу является преобразователь емкости датчика в частоту, в котором на измеряемую и образцовую емкости датчика, подключенные к входу усилителя, подаются гармонические напряжения, сдвинутые друг относительно друга на 90 градусов [2]. Синфазный и квадратурный фазочувствительные выпрямители выделяют действительную и мнимую составляющие выходного напряжения усилителя, а по сигналу с выхода схемы сравнения изменяется частота генератора до тех пор, пока эти составляющие не станут равны. Значение частоты на выходе генератора зависит от постоянной времени используемого фазовращателя, измеряемой и образцовой емкостей датчика.

Использование прототипа не позволяет скорректировать погрешность преобразования в случае комплексного значения коэффициента усиления используемого операционного усилителя (ОУ). Как известно, в активной полосе частот начиная с нескольких десятков герц и вплоть до частоты единичного усиления f₁ логарифмическая амплитудно-частотная характеристика операционного усилителя имеет спад -6 дБ/октава (или -20 дБ/декада), а следовательно, коэффициент усиления является чисто мнимой величиной и рассчитывается из выражения

Модуль коэффициента усиления ОУ равен

- рабочая частота.

С учетом сказанного, исходное уравнение для расчета выходной частоты генератора прототипа, без учета емкости кабеля связи, будет иметь вид

где – измеряемая и образцовая емкости датчика, – сопротивление обратной связи усилителя, U_о – комплексное действующее значение опорного напряжения, U₁ – комплексное действующее значение выходного напряжения усилителя.

Откуда частота выходного напряжения генератора определяется выражением

Здесь погрешность преобразователя емкости датчика в частоту

которая зависит от рабочей частоты и коэффициента усиления используемого ОУ.

Следовательно, использование прототипа не позволяет скорректировать погрешность преобразования в случае комплексного значения коэффициента усиления используемого ОУ. Кроме того, наличие обратной связи требует настройки преобразователя и дополнительного времени на перестройку частоты для обеспечения равенства синфазной и квадратурной составляющих выходного напряжения усилителя.

Целью предлагаемого способа определения емкости датчика является повышение точности, заключающееся в возможности определения измеряемой емкости датчика при использовании схемы прямого преобразования на любой рабочей частоте.

Это достигается за счет того, что в известном преобразователе емкости датчика в частоту формируются два гармонических напряжения на измеряемой и образцовой емкостях датчика, сдвинутых относительно друг друга на 90 градусов, но в отличии от прототипа осуществляют измерения этих напряжений при равенстве нулю выходного напряжения усилителя, причем такие измерения проводятся дважды с переключением во втором такте входных напряжений с измеряемой емкости на образцовую, а с образцовой на измеряемую, а числовое значение измеряемой емкости определяется по результатам полученных значений напряжений.

Совокупность признаков, позволяющая в заявляемом способе использовать двухтактные измерения подаваемых напряжений при их переключении и равенстве нулю выходного напряжения усилителя, позволяют, в отличие от прототипа, получить существенные преимущества в компенсации погрешности определения емкости датчика.

При практической реализации заявляемого способа предложено процедуры измерения входных напряжений и определение емкости датчика осуществлять на основе микроконтроллера. Последний также управляет всеми режимами работы: процессом формирования двух гармонических напряжений и их переключением; определением моментов времени измерения напряжений, а также расчетом измеряемой емкости датчика по заданному алгоритму.

На фиг.1 приведена схема измерительной цепи, к которой подключается емкостной датчик. Здесь: БФН – блок формирования гармонических напряжений, У – усилитель, выполненный на базе ОУ , МК – микроконтроллер.

Рассмотрим реализацию способа. Прежде всего МК обеспечивает в первом такте работы формирование на выходе БФН двух комплексных напряжений и на измеряемой и опорной емкостях датчика соответственно.

,

где – амплитудное значение напряжений и .

При формировании указанных напряжений осуществляется фазовое управление по шине управления изменением напряжений на выходе БФН. Выходное напряжение ОУ может быть найдено из системы уравнений

Подставим второе уравнение системы (2) в первое и учтем, что коэффициент усиления имеет комплексное значение согласно уравнению (1)

где:

После преобразования выходное напряжение усилителя может быть найдено из выражения

Здесь:

.

После этого производится измерение входных напряжений, поступающих на и , которые так же подаются на входы аналого-цифрового преобразователя AD0 и AD1 микроконтроллера. При этом указанные измерения проводятся при равенстве нулю выходного напряжения усилителя, что фиксируется встроенным в МК компаратором, на один из выводов которого AIN1 подается напряжение с выхода усилителя, а другой – AIN0 соединен с общим проводом, имеющим нулевой потенциал. На фиг 2, а проиллюстрирована векторная диаграмма для данного случая . Анализ векторной диаграммы (фиг.2, а) показывает, что выполняется равенство отрезков, отсекаемых на мнимой оси составляющими выходного напряжения и справедливо выражение

где:

,

U _1, U_{2 –} мнимые составляющие напряжений на измеряемой и опорной емкостях в первом такте при фазе ɷt₁.

После этого производится переключение подаваемых напряжений и на будет подаваться , а на – . После чего производится повторное измерение входных напряжений при нулевом напряжении с выхода усилителя. Фаза при этом будет иной и равной . Анализ векторной диаграммы на фиг.2, б показывает, что для данного случая будет справедливо следующее выражение

где:

,

U ₃, U₄ – мнимые составляющие напряжений на измеряемой и опорной емкостях во втором такте при фазе ɷt₂.

Числовое значение емкости датчика определяется из решения системы уравнений (3) и (4) по одному из следующих выражений

или

Для подтверждения заявляемого свойства предложенного способа преобразования в программе Mathcad было проведено моделирование процесса преобразования. Результаты приведены ниже.

Источники информации

1. Патент РФ на изобретение №1822986, кл. G 01 R 27/26, опубл. 23.06.1993.

2. Патент РФ на изобретение №1827647, кл. G 01 R 27/26, опубл. 15.07.1993.

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а именно к способам для измерения емкости датчика. Способ определения емкости датчика заключается в формировании двух гармонических напряжений на измеряемой и образцовой емкостях датчика, сдвинутых относительно друг друга на 90°. Компенсацию погрешности от конечности комплексного коэффициента усиления усилителя выполняют путем измерения двух входных напряжений, подаваемых на емкости, при равенстве нулю выходного напряжения усилителя, причем такие измерения проводятся дважды с переключением во втором такте входных напряжений с измеряемой емкости на образцовую, а с образцовой на измеряемую, а числовое значение измеряемой емкости определяется по результатам полученных значений напряжений по одному из следующих выражений:

или ,

где U₁, U₂ – мнимые составляющие напряжений на измеряемой и опорной емкостях в первом такте при фазе ωt₁; U₃, U₄ – мнимые составляющие напряжений на измеряемой и опорной емкостях во втором такте при фазе ωt₂; , – измеряемая и опорная емкости. Устройство для измерения построено на базе блока формирования гармонических напряжений, микроконтроллера и операционного усилителя. Технический результат при осуществлении изобретения - повышение точности измерений. 2 ил.

Способ определения емкости датчика, заключающийся в формировании двух гармонических напряжений на измеряемой и образцовой емкостях датчика, сдвинутых относительно друг друга на 90°, отличающийся тем, что выполняют компенсацию погрешности от конечности комплексного коэффициента усиления усилителя, для чего осуществляют измерения двух входных напряжений, подаваемых на емкости, при равенстве нулю выходного напряжения усилителя, причем такие измерения проводятся дважды с переключением во втором такте входных напряжений с измеряемой емкости на образцовую, а с образцовой на измеряемую, а числовое значение измеряемой емкости определяется по результатам полученных значений напряжений по одному из следующих выражений:

где U₁, U₂ – мнимые составляющие напряжений на измеряемой и опорной емкостях в первом такте при фазе ; U₃, U₄ – мнимые составляющие напряжений на измеряемой и опорной емкостях во втором такте при фазе ; С_x, C₀ – измеряемая и опорная емкости.