Измерительный преобразователь емкости Советский патент 1985 года по МПК G01R27/26 

1 Изобретение относится к технике иэмерений и может быть использовано в системах отбора и обработки инфор мации в качестве измерительного пре образователя параметров емкостных датчиков. Известен линейный преобразователь емкости в напряжение, содержащий испытуемый конденсатор и образц вый конденсатор, установлеиньп в це пи обратной связи операционного уси лителя Ci 7. Известный преобразователь характ ризуется недостаточной точностью пр образования, ограниченная условиями устойчивости операционного усилителя (ОУ) при больших его коэффициентах усиления. Наиболее близким к предлагаемому является измерительный преобразователь емкости, содержащий испытуемый конденсатор, источник входного напр жения, образцовый конденсатор, операционный усилитель, выход которого через образцовый конденсатор соединен с его инвертирующим входом и с первым выводом испытуемого конденса тора, второй вьшод которого через источник входного напряжения соединен с общим проводом устройства и с неинвертирующим входом усилителя, трехполюсник стабилизации режима, состоящий из двух последовательно соединенных резисторов, первый из которых соединен с инвертирующим входом, а второй - с выходом ОУ, то ка соединения этих резисторов через последовательно соединенные третий резистор и шунтирующий конденсатор соединена с общим проводом устройст ва Г2. Недостатком описанного преобразо вателя является низкая точность пре образования, обусловленная погрешностями стабилизации режима ОУ трех полюсником. Эта погрешность для выходного напряжения преобразователя О-/) , С) бх с полученного при условии, что (k-H)R, , . имеет следующее математическое выражение: 62 где-С - емкость испытуемого датчика;Сд - ёмкость образцового конденсатора;ы частота входного напряженияR и R - сопротивления резисторов трехполюсника стабилизации режима ОУ по постоянному току; С - емкость шунтирующего конденсатора трехполюсника. Целью изобретения является повышение точности преобразования. Указанная цель достигается тем, что в измерительный преобразователь емкости, содержащий источник входного напряжения, выходом соединенный с первой клеммой для подключения измеряемого объекта, вторая клемма измерительного преобразователя для подключения измеряемого объекта Ъоёдинена с одним из выводов образцового конденсатора, с инвертирующим входом основного операционного усилителя и с одним из выводов первого резистора, второй вывод которого подключен к первому выводу второго резистора, выход основного операционно1 о усилителя соединен с вторым выводом образцового конденсатора, а неинвертирующий вход основного операционного усилителя подключен к корпусам измерительного преобразователя, источника входного напряжения и к второму выводу шунтирующего конденсатора, введены дополнительный операционный усилитель, четыре масштабных резистора и разделительный конденсатор, при этом первый вывод шунтирующего конденсатора соединен с первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с выходом дополнительного операционного усилителя непосредственно и через четвертый масштабный резистор - с его инвертирующим входом и с первым выводом третьего масштабного резистора, второй- вывод которого через разделительный конденсатор подключен к выходу основного операционного усилителя и к первому выводу второго масштабного резистора, вторым вьшодом соединенного с неинвертирующим входом дополнитель.ного операционного усипителя непосредственно и через первый масштабный резистор - с корпусом измерительного преобразователя.

На чертеже приведена схема изме-. рительного преобразователя емкости.

Измерительньй преобразователь содержит источник 1 входного напряжения, испытуемый емкостньп датчик 2, основной операционный усилитель (ОУ) 3, образцовый конденсатор 4, резисто ры 5 и 6 стабилизации режима ОУ, ;иунтирующий конденсатор 7, дополнительный ОУ 8, разделительный конденсатор 9, первый масштабный резистор 10 соединенный своим -выводом с неинвертирующим входом дополнительного ОУ 8 и через второй масштабный резистор ; 11 - с одним из выводов разделительного конденсатора 9, вывод которого через третий масштабный резистор 12 соединен с инвертирующим входом дополнительного ОУ 8 и с выводом четвертого масштабного резистора 13, первую 14 и вторую 15 клеммы измерительного преобразователя для подключения измеряемого объекта.

Измерительный преобразователь работает следутащим образом.

Напряжение Ug с источника 1 входного напряжения поступает на вход основного ОУ 3j коэффициент нередачи которого определяется отноше.нием преобразуемой емкости 2 к емкос ти образцового конденсатора 4. Режим ОУ 3 по постоянному току обеспечивается трехполюсНИКОМ стабилизации режима, состоящим из резисторов 5, 6 и шунтирующего конденсатора 7. Для уменьшения погрешности преобразователя, обусловленной влиянием параметров трехполюсника на коэффициен передачи ОУ 3, используется дополнительный ОУ 8. Дифференциальное включение этого усилителя при соответствующем выбора сопротивлений резисторов 10-13 обеспечивает (при достаточно большой емкости разделиПри

тельного конденсатора 9) подавление переменной составляющей выходного напряжения ОУ 3 на выходе ОУ 8. Благодаря этому элементы 5, 6 и 7 трехполюсника обеспечивают по цепи обратной связи стабильность режима ОУ 3 только по постоянному напряжению и не влияют на преобразование емкости при переменном входном напряжении.

Приведем математическое описание процесса преобразования, атематическое выражение для выходного напряжения UgbK измерительного преобразователя имеет следующий вид:

,,,. -U«v-:c U,-r

()

бых- -вхс jioR,,C

де - сопротивления резисторов 5 и 6 соответственно;

и - выходное напряжение ОУ 8, определяемое математическим выражением

-f RI

1 -16blX R f ju)C, R +R

/ R.

-+1 .

(3).

RjH/ju) с

де С - емкость разделительного

емкое конденсатора;

Ri, Rj ,Кз и R - сопротивления масштабных резисторов 10, 11, 12 и 13 соответственно. После подстановки вьфажения (3) в (2) и математических преобразований получается выражение (1), где. погрешность j преобразования имеет вид 1 Г Д, СЛ juilg C V L V . l-t-juJR j. j. .. ,,j,,., ,,,.,jv.2 выполнении условия ц) RS Cg 1 50 -выражение (4) приобретает вид

Из выражения (5) видно, что при выборе параметров в соответствии с соотношением при нас ройке измеряемого лреобразователя погрешность преобразования j обращается в нуль, что и обеспечивает повьшение точности преобразот вания.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЕЖОСТИ, содержащий источник входного напряжения, выходом соединенный с первой клеммой для подключения измеряемого объекта, вторая клемма измерительного преобразователя для подключения измеряемого объекта соединена с. одним из вьтодов. образцового конденсатора, инвертирующим входом основного операционного усилителя и одним из выводов первого резистора, второй вывод которого I подключен к первому выводу второго резистора, выход основного операционного усилителя соединен о вторым выводом образцового конденсатора, а неинвертирующий вход основного операционного усилителя подключен к корпусам измерительного преобразователя, источника входного напряжения и к второму выводу шунтирующего конденсатора, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности преобразования, в него введены дополнительный операционный усилитель, четыре масштабных резистора и разделительный конденсатор, при этом первый вывод шунтирующего конденсатора соединен с первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с выходом дополнительного опе(Л рационного усилителя непосредственно и через четвертый масштабный резистор - с его инвертирующим входом и с первым выводом третьего масштабного резистора, второй вывод которого через разделительный конденсатор подключен к выходу основного операционного усилителя и к первому выоь воду второго масштабного резистора, вторым выводом соединенного с неинСП вертирующим входом .дополнительного со операционного усилителя непосредстСи венно и через первый масштабный резистор - с корпусом измерительного преобразователя.