Электрометрический преобразователь заряда Советский патент 1986 года по МПК G01R19/00 

10

15

25

Изобретение относится к электрозмерительной технике.

Цель изобретения - повышение точости и надежности преобразователя.

Иа фиг. 1 изображена функциональ- 5 ная схема предлагаемого преобразователя, па .фиг. 2 - блок-схема, поясняющая его работу в режиме компенса- 1даи дрейфа нуля усилителя заряда.

Электрометрический преобразователь заряда содержит усилитель 1 заряда., состоящий из электрометрического усилителя 2, интегрируюп;его конденсатора 3 и разрядного ключа 4. Вход усилителя 2, первая обкладка конденсатора 3 и первый вывод клю- ча 4 подключены к входу преобразователя . Выход усилителя 2, вторая обкладка конденсатора 3 и второй вывод ключа 4 подключены к выходу пре- 20 образователя . Выход преобразователя через последовательно соединен- усилитель 5 постоянного тока и блок 6 слежения-хранения подключен к первому выводу резистора 7. Вход управления ключа 4 и вход запуска таймера 8 подключены к шине Сброс преобразователя . Выход таймера 8 соединен с входом управления блока 6. Второй вывод резистора подключен к 30 аноду первого диода 9 и катоду второго диода 10, первую П и вторую 12 оптоэлектронные пары, состоящие из первого излучающего элемента 13, первого фотодиода 14, второго излу- 35 чающего элемента 15 и второго фотодиода 16 соответственно. Катод диода 9 соединен с анодом элемента 13, анод диода 10 - с катодом элемента 15. Анод фотодиода 14 и катод фото- 40 диода 16 подключены к входу усилит е- ля 2. Катоды элемента 13 и фотодиода 14, а также аноды элемента 15 и фотодиода 16 подключены к общей шине.

Электрометрический преобразователь заряда работает следующим образом.

До начала измерений разрядньй ключ 4 замкнут. Вьгходное напряжение усилителя 1 заряда в первый момент после включения питания имеет отличное от нуля значение и определяется величиной приведенного напряжения смещения нуля электрометрического усилителя 2. Выходной сигнал усилителя 1 заряда усиливается усилителем 5 постоянного тока в К раз (причем К 1) и поступает на вход блока 6 слежения-хранения аналогового сигна45

50

5

5

0 0 5 0

ля , Блок 6 находится в состоянии хранения сигнала, erq начальное выходное напряжер ие после подачи напряжения питания и отсутствии управляющего сигнала близко к нулю. Таким образом, практически отсутствует ток в цепи резистора 7.

После подачи команды управления на вход Сброс запускается таймер 8, выходной сигнал которого переводит блок 6 в режим слежения. При коэффициенте передачи блока 6 слежения-хранения, равном единице, выходное напряжение блока 6 равно выходному напряжению усилителя 5 постоянного тока. Начинает протекать ток в цепи резистора 7. В зависимости от полярности выходного тока блока 6, он протекает либо через первый излучающий элемент 13, либо через второй излучающий элемент 15. Фотодиод-приемник излучения, например .фотодиод 16, генерирует ток с полярностью, обратной полярности входного тока смещения усилителя 1 заряда. Вьгходное напря- же ние электрометрического усилителя 2 начинает увеличиваться, так как все устройство охвачено глубокой отрицательной обратной связью. Глубина обратной связи определяется коэффициентом усиления усилителя 5 постоянного тока и коэффициентом передачи блока 6, резистора 7 и оптоэлектрон- ных пар 11 и 12.

На фиг. 2 приведена блок-схема устройства в режиме компенсации дрейфа нуля усилителя заряда. Выходное напряжение устройства определяется величиной выходного напряжения электрометрического усилителя 2 и напряжением смещения нуля эквивалентного звена имеющего коэффициент передачи

45

К,

УС-КСХ

где К

К,

К.

-коэффициент усиления усилителя 2

-коэ(|)фициент передачи блока 6 слежения-хранения;

-коэффициент передачи по току оптоэлектронной пары 11 или 12.

Выходной сигнал электрометрического усилителя 2 определяется выражением

К

X

ьй.

6Х

где

Тр I

постоянная времени усилителя 1 заряда. Выполняя эквивалентные преобразования , можно найти выходное напряжение устройства

9Ы

. К..

Тр

± величина напряжения смещения нуля усилителя э постоянного тока.

Таким образом, выходное напряжение устройства в реяптме компенсации стремится к уровню, определяемому шумами используемых элементов.

После окончания интервала времен формируемого таймером 8, блок 6 слежения-хранения переходит в режим хранения, а все устройство подготовлено к преобразованию входных сигналов. Входные заряды преобразуются, в ток, который интегрируется усилителем 1 заряда.

Выходное напряжение усилителя 1

заряда и определяется по формуле вых t

-, i l(i

1-сиоSX

е ,„„1. 1„ ток смещения нуля электрометрического усилителя 2j входной ток, пропорциональный величине измеряемых зарядов;

ток компенсации, равен выходному току оптоэлектрон- ных пар;

- емкость интегрирующего конденсатора 3.

В случае точного ра.венства токов смещениями компенсации отсутствует дрейф нуля. Однако практически за счет конечного коэффициента усиления усилителя 5, а также за счет обеспечения запаса устойчивости в контуре компенсации, величина тока смещения нуля не равна току компенсации. Это приводит к возникновению составляющей погрешности преобразования за счет дрейфа нулевого уровня, входящей в полную погрешность преобразования . В режиме измерения .блок 6 слежения-хранения хранит величину управляющего воздействия, равную ewx управляющего воздействия за счет дрейфа характеристик блока 6 может быть минимизирован при применении в качестве запоминающего

0

5

0

5

0

5

0

5

элемента блока цифроаналогового преобразователя .

Предлагаемый преобразователь(по сравнению с известными)повышает точность измерения малых зарядов и токов в случаях, когда дрейф нуля усилите. Я заряда но сит экспоненциаль- ньй характер (при соизмеримых величинах времени измерения и постоянной времени цепи обратной связи) и не может быть смоделирован линейно изменяющимся напряжением. Кроме того, преобразователь надежен в работе за счет обеспечения защиты от пробоя входной цепи усилителя при воздействии зарядов статического электричества и отсутствии напряжения питания, а при поданном напряжении питания - . при перегрузке усилителя в случае его насыщения..

Формула изобретения

Электрометрический преобразователь заряда, coдepжaшJ й усилитель заряда, вход которого подключен к входу преобразователя, а вход управления - к шине Сброс, и последовательно соединенные усилитель постоянного тока и блок слежения-хранения, о т- личающийся тем, что, с це- лью повышения точности и надежности, в него введены таймер, резистор, два диода, первая и вторая оптоэлектрон- ные пары, состоящие из первого излучающего элемента и первого фотодиода и из второго излучающего элемента и второго фотодиода соответственно, причем выход усилителя заряда подключен к выходу преобразователя и входу усилителя постоянного тока, вход запуска таймера подключен к шине Сброс, а выход - к входу управления блока слежения-хранения, выход которого через резистор подключен к аноду первого диода и катоду второго диода, анод первого излучающего элемента соединен с катодом первого диода, катод второго излучающего элемента соединен с анодом второго диода, анод первого фотодиода и катод второго фотодиода подключены к входу усилителя заряда, катоды первого излучающего элемента и первого фотодиода, а также аноДы второго излучающего элемента и второго фотодиода подключены к общей шине.

Фиг. 2

Изобретение относится к электроизмерительной технике. Целью изобретения является повышение точности и надежности преобразователя. Для этого в электротехнический преобразователь заряда дополнительно введены резистор 7, таймер 8, диоды 9 и 10, оптоэлектронные пары 11 и 12, . состоящие из первого излучающего элемента 13 и первого фотодиода 14 и из второго излучающего элемента 15 и второго фотодиода 16 соответственно. Устройство также содержит усилитель 1 заряда, состоящий из электрометрического усилителя 2, интегрирующего конденсатора 3 и разрядного ключа 4, последовательно соединенные усилитель 5 постоянного тока и блок 6 слежения-хранения. Преобразователь позволяет повысить точность измерения малых зарядов и токов в , когда дрейф нуля усилителя заряда носит экспоненциальный характер и не может быть смоделирован линейно-изменяющимся напряжением. Повысить надежность за счет обеспечения защиты входной цепи усилителя от воздействия статического электричества и при перегрузке усилителя в случае его насыщения. 2 ил. (Л CSpoc

Редактор А.Ревин

Составитель С.Рыбин

Техред А.Кравчук Корректор Л.Пилипенко

Заказ 5225/45Тираж 728 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобр етений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4