Способ определения индуктивности индуктивного и ёмкости ёмкостного датчиков и измерительная цепь для его осуществления Российский патент 2024 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а именно к определению ёмкости ёмкостного датчиков и может быть использовано для преобразования параметров индуктивных и емкостных датчиков в код.

Ожидаемый технический результат при осуществлении изобретения - повышения точности измерения и расширение функциональных возможностей достигается формированием двух ортогональных гармонических напряжений с периодом Т, одно из которых подается на измеряемый элемент датчика, а второе - на образцовый резистор измерительной цепи, второй вывод которого подключен ко входу усилителя, между входом и выходом которого включен образцовый элемент датчика, при этом компенсацию погрешности от конечного значения комплексного коэффициента усиления усилителя, ёмкости кабеля связи и активных составляющих сопротивлений измеряемого и образцового элемента датчика осуществляют путем измерения двух напряжений с выхода усилителя для двух моментов времени t=0 и t = T/4, причем такие измерения проводятся дважды с переключением во втором такте подаваемых напряжений с измеряемого элемента на образцовый, а с образцового на измеряемый, а числовые значения измеряемой емкости определяется по результатам полученных значений напряжений без изменения схемы подключения датчика.

Известен 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 [1]. 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.

К недостаткам аналога относится отсутствие возможности коррекции погрешности преобразования для комплексного значения коэффициента усиления используемого операционного усилителя (ОУ). Также в аналоге не учитывается влияние на результат измерения ёмкости кабеля связи датчика с измерительной цепью, активных составляющих сопротивлений измеряемой и образцовой емкостей датчика, и кроме того не реализуется возможность измерения индуктивности индуктивного датчика при его подключении к измерительной цепи.

Наиболее близким по техническому существу и достигаемому положительному эффекту к заявляемому является способ определения ёмкости датчика [2], заключающийся в формировании двух гармонических напряжений на измеряемой и образцовой емкостях датчика, сдвинутых относительно друг друга на 90°, в котором компенсацию погрешности от конечности комплексного коэффициента усиления усилителя выполняют за счет 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.

К недостаткам прототипа относится отсутствие возможности коррекции погрешности измерения от наличия: ёмкости кабеля связи датчика с измерительной цепью, активных составляющих сопротивлений измеряемой и образцовой емкостей датчика, а также указанный способ не позволяет измерять индуктивность индуктивного датчика при его подключении к предложенной измерительной цепи.

Целью предлагаемого способа определения ёмкости ёмкостного датчика является повышения точности измерения и расширение функциональных возможностей при использовании схемы прямого преобразования на любой рабочей частоте.

Это достигается за счет того, что в известном способе определения емкости датчика в частоту формируются два гармонических напряжения с периодом Т, сдвинутых относительно друг друга на 90°, одно из которых подается на измеряемый элемент датчика, а второе - на образцовый резистор измерительной цепи, второй вывод которого подключен ко входу усилителя, между входом и выходом которого включен образцовый элемент датчика, при этом компенсацию погрешности от конечного значения комплексного коэффициента усиления усилителя, ёмкости кабеля связи и активных составляющих сопротивлений измеряемого и образцового элемента датчика осуществляют путем измерения двух напряжений с выхода усилителя для двух моментов времени t = 0 и t = T/4, причем такие измерения проводятся дважды с переключением во втором такте подаваемых напряжений с измеряемого элемента на образцовый, а с образцового на измеряемый, а числовые значения измеряемых емкости определяется по результатам измеренных значений напряжений без изменения схемы подключения датчика к измерительной цепи.

Совокупность признаков, позволяющих в заявляемом способе использовать двухтактные переключения подаваемых напряжений на датчик и образцовый элемент, и измерения двух напряжений с выхода усилителя в моменты времени t = 0 и t = T/4 в каждом из тактов, позволяют, в отличие от прототипа, получить существенные преимущества в коррекции погрешности определения емкости датчика.

При практической реализации заявляемого способа предложено процедуры измерения выходных напряжений и определения значений измеряемых параметров 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 значений измеряемых параметров датчиков по заданному алгоритму.

На фиг.1 приведена схема измерительной цепи, к которой подключается емкостной датчик. Здесь: БФН - блок формирования ортогональных гармонических напряжений, У - усилитель, МК - микроконтроллер, R₀ - образцовое сопротивление измерительной цепи, имеющее высокую температурную и временную стабильности.

Ёмкостный датчик на переменном токе можно представить двухэлементной параллельной схемой замещения, состоящей из непосредственно измеряемой емкости C и активной составляющей сопротивления RC измеряемой емкости, являющейся паразитным влияющим параметром. Внутри корпуса ёмкостного датчика формируют образцовую емкость C0, которая так же содержит активную составляющую сопротивления R0C.

Следовательно, влияющими факторами на результат измерения являются три параметра датчика в каждом конкретном случае. Кроме этого, неизвестен коэффициент усиления используемого ОУ и значение емкости кабеля связи датчика с измерительной цепью. В этих условиях необходимо выделить информацию только о значении измеряемого параметра и отстранится от влияния остальных.

Итак, имеет место шесть неизвестных, причем одна из них является измеряемой, а остальные – влияющими.

Рассмотрим реализацию способа. Прежде всего, МК обеспечивает в первом такте работы формирование на выходе БФН двух ортогональных комплексных напряжений и на датчике и образцовом сопротивлении измерительной цепи соответственно

, ,

где - амплитудное значение гармонических напряжений и .

При формировании указанных напряжений осуществляется фазовое управление по шине управления изменением напряжений на выходе БФН.

При подключении к измерительной цепи ёмкостного датчика исходные уравнения для расчёта выходного напряжения ОУ будут иметь вид

(1)

Здесь: X_C=1/ωC, X_0C=1/(ωC₀ ), X_К=1/(ωC_К) – сопротивления измеряемой, образцовой ёмкостей, а также кабеля связи датчика с измерительной цепью, соответственно. Коэффициент усиления усилителя является мнимой величиной и рассчитывается из выражения

(2)

где: K_у – модуль коэффициента усиления.

Подставим второе уравнение системы (1) в первое и учтем, что коэффициент усиления имеет комплексное значение согласно уравнению (2), а значение потенциала на неинвертирующем входе усилителя φ_б=0 В.

где: .

После некоторых преобразований выходное напряжение усилителя будет определяться выражением

Значения действительной составляющей A и мнимой составляющей B комплексного числа являются неизвестными. Однако их введение позволило снизить число неизвестных с шести до четырех. После приведения подобных членов получим математическое выражение для комплексного значения выходного напряжения усилителя

Производится измерение выходного напряжения ОУ с помощью аналого-цифрового преобразователя AD0 микроконтроллера в два момента времени: при t = 0 и t = T/4. На фиг 2, а проиллюстрирована векторная диаграмма для случая t = 0. Анализ векторной диаграммы показывает, что при этом складываются мнимая составляющая, пропорциональная u₀₁ и действительная составляющая, пропорциональная u₀₂, а измеряемое напряжение равно

В момент времени t = T/4 (фиг.2, б) будут складываться, согласно векторной диаграмме, действительная составляющая, пропорциональная u₀₁ и мнимая составляющая, пропорциональная u₀₂. Необходимо обратить внимание, что мнимая составляющая, пропорциональная u₀₂ будет с отрицательным знаком. Измеряемое напряжение равно

После этого производится переключение подаваемых напряжений: на датчик будет подаваться u₀₂, а на образцовый элемент u₀₁. Повторно производятся два измерения: одно в момент времени t = 0, а второе – t = T/4.

Анализ векторной диаграммы показывает, что при t = 0 будут складываются мнимая составляющая, пропорциональная u₀₂ и действительная, пропорциональная u₀₁, а при t = T/4 – действительная составляющая, пропорциональная u₀₂ и мнимая, пропорциональная u₀₁, причем с отрицательным знаком. Измеренные напряжения при этом определяются уравнениями

Решение системы из четырех уравнений для , , и позволяет определить как активную составляющую сопротивления датчика , так и ёмкостное сопротивление

Откуда значение ёмкости, рассчитанное микроконтроллером, определяется по формуле

Источники информации

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

2. Патент РФ на изобретение №2795381, кл. G 01 R 27/26, опубл.03.05.2023.

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а именно к определению индуктивности индуктивного и ёмкости ёмкостного датчиков, и может быть использовано для преобразования параметров индуктивных и емкостных датчиков в код. Сущность заявленного способа заключается в том, что формируются два ортогональных гармонических напряжения с периодом Т, одно из которых подается на измеряемый элемент датчика, а второе – на образцовый резистор измерительной цепи, второй вывод которого подключен к входу усилителя, между входом и выходом которого включен образцовый элемент датчика, при этом компенсацию погрешности от конечного значения комплексного коэффициента усиления усилителя, ёмкости кабеля связи и активных составляющих сопротивлений измеряемого и образцового элемента датчика осуществляют путем измерения двух напряжений с выхода усилителя для двух моментов времени t=0 и t=T/4, причем такие измерения проводятся дважды с переключением во втором такте подаваемых напряжений с измеряемого элемента на образцовый, а с образцового на измеряемый, а числовое значение емкости определяется по результатам полученных значений напряжений без изменения схемы подключения датчика из следующего выражения:

где U₁, U₂ – измеренные напряжения на выходе усилителя в первом такте при t=0 и t=T/4; U₃, U₄ – измеренные напряжения на выходе усилителя во втором такте при t=0 и t=T/4. Техническим результатом при реализации заявленного решения является повышение точности и расширение функциональных возможностей. 2 ил.

Способ определения ёмкости ёмкостного датчика, заключающийся в формировании двух гармонических напряжений с периодом Т, сдвинутых относительно друг друга на 90°, одно из которых подается на измеряемый элемент датчика, с целью повышения точности измерения и расширения функциональных возможностей второе напряжение подается на образцовый резистор измерительной цепи, второй вывод которого подключен к входу усилителя, между входом и выходом которого включен образцовый элемент датчика, отличающийся тем, что с целью компенсации погрешности от комплексного коэффициента усиления усилителя, ёмкости кабеля связи и активных сопротивлений измеряемого и образцового элемента датчика осуществляют измерение двух напряжений с выхода усилителя в два момента времени t = 0 и t = T/4, причем такие измерения проводятся дважды с переключением во втором такте подаваемых напряжений с измеряемого элемента на образцовый, а с образцового на измеряемый, а числовое значение емкости определяется по результатам полученных значений напряжений без изменения схемы подключения датчика из выражения

где U₁, U₂ – измеренные напряжения на выходе усилителя в первом такте при t = 0 и t = T/4; U₃, U₄ – измеренные напряжения на выходе усилителя во втором такте при t = 0 и t = T/4.