Измерительный преобразователь неэлектрических величин с емкостным датчиком Советский патент 1987 года по МПК G01B7/00 

Изобретение относится к измерительной технике, может использоваться для измерения различньтх неэлектрических величин (перемещения, угла, поворота, уровня вещества и т.д.) и предназначено для преобразования изменений емкости рабочего конденсатора датчика в изменения постоянного напряжения.IQ

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей преобразователя путем обеспечения его работы с различными типами емкостных датчиков, а также, путем обеспечения возможности регулирования крутизны и смещения нуля передаточной характеристики при сохранении ее линейности и стабильности.

На чертеже представлена функциональная схема преобразователя.

Устройство содержит источник 1 стабильного постоянного напряжения, коммутаторы 2 и 3, генератор 4 прямоугольного напряжения, рабочие 5 и 6 конденсаторы, yci-титель 7, фазочув- ствительный детектор 8, операционные усилители 9 и 10, резисторы 11 - 17, выходные зажимы 18 устройства. При

Устройство работает следующим образом.

На потенциальные электроды рабочих конденсаторов 5 и 6 датчика подаются противопофазные прямоугольные напряжения, формируемые коммутатором 2 из выходного напряжения первого операционного усилителя 9 и коммутатором 3 из выходного напряжения операционного усилителя 10. Коммутаторы 2 и 3 управляются генератором 4 прямоугольного напряжения. При неравновесии схемы (когда отношение ем15 костей С5 и С6 рабочих конденсаторов 5 и 6 датчика не равно обратному отношению подаваемых на них напряжений) на соединенных вместе тоиовых электродах рабочих конденсаторов 5 и 6

20 датчика действует разностный сигнал, который усиливается усилителем 7. Фаза прямоугольного сигнала на выходе усилителя 7 зависит от знака равновесия схемы. Это прямоугольное нап25 ряжение подается на вход фазочувстви- тельного детектора 8, формирующего на своем выходе постоянное напряжение, которое подается на выходные

зажимы 18 устройства и через резис- этом резисторы 11 и 12 подключены од- ЗО торы 15 и 16 - на инвертирующие входы ними из выводов соответственно к вы- операционных усилителей 9 и 10 соот- ходам операционных усилителей 9 и 10, ветственно. На эти же входы через а вторыми выводами - к их инвертирую- резисторы 13 и 14 подается стабили- пц1м входам, к которым через резисторы зированное постоянное напряжение ис- 13 и 14 подключен источник 1 постоян- ц точника 1. На инвертирующий вход вто- ного напряжения, а через резисторы 15 и 16 - выход устройства, выход oпepalI oннoгo усилителя 9 подключен через резистор 17 к инвертирующему входу операционного усилителя 10, а неинвертируюгцие входы операционных

рого операционного усилителя 10 через резистор 17 подается также выходное напряжение первого операционного усилителя 9. Таким образом, изменение 40 выходного напряжения фазочувствитель- ного детектора 8 вызывает изменение

усилителей подключены к общей шине, Первые информационные входы коммутаторов 2 и 3 подключены соответственно к выходам операционных усилителей 5 шб напряжений на потенциальных

9 и 10, а вторые их входы - к общей электродах конденсаторов 5 и 6 датчишине, выходы коммутаторов 2 и 3 подключены к потенциальным электродам рабочих конденсаторов 5 и 6, вторые - токовые электроды которых соединены и подключены к входу усштителя 7, выход которого подключен к входу фа- зочувствительного детектора В, выход генератора 4 прямоугольного напряжения подключен к управляю11р1м входам коммутаторов 2 и 3 и опорному входу фазочувствительного детектора 8, выход которого подключен к выходным зажимам 18 устройства.

Устройство работает следующим образом.

На потенциальные электроды рабочих конденсаторов 5 и 6 датчика подаются противопофазные прямоугольные напряжения, формируемые коммутатором 2 из выходного напряжения первого операционного усилителя 9 и коммутатором 3 из выходного напряжения операционного усилителя 10. Коммутаторы 2 и 3 управляются генератором 4 прямоугольного напряжения. При неравновесии схемы (когда отношение емкостей С5 и С6 рабочих конденсаторов 5 и 6 датчика не равно обратному отношению подаваемых на них напряжений) на соединенных вместе тоиовых электродах рабочих конденсаторов 5 и 6

датчика действует разностный сигнал, который усиливается усилителем 7. Фаза прямоугольного сигнала на выходе усилителя 7 зависит от знака равновесия схемы. Это прямоугольное напряжение подается на вход фазочувстви- тельного детектора 8, формирующего на своем выходе постоянное напряжение, которое подается на выходные

зажимы 18 устройства и через резис- торы 15 и 16 - на инвертирующие входы операционных усилителей 9 и 10 соот- ветственно. На эти же входы через резисторы 13 и 14 подается стабили- зированное постоянное напряжение ис- точника 1. На инвертирующий вход вто-

рого операционного усилителя 10 через резистор 17 подается также выходное напряжение первого операционного усилителя 9. Таким образом, изменение выходного напряжения фазочувствитель- ного детектора 8 вызывает изменение

выходных напряжений Ug и V, операци- онных усилителей 9 и 10 соответственно, что приводит к изменению соотно

ка и к уменьшению напряжения неравновесия. Этот процесс продолжается до тех пор, пока схема не уравновесится, т.е. напряжение неравновесия не станет равным нулю. После этого постоянное напряжение на выходе фазочувствительного детектора 8 остается неизменным до тех пор, пока вновь не произойдет изменение емкостей рабочих конденсаторов 5 и 6 датчика.

В уравновешенном состоянии схемы при достаточно больших коэффициентах усиления операционных усилителей 9

и 10, а также усилител уравнений, описывающих ства, имеет вид: Ug-Cj+U,,-C,0,

и 11 5г Т 5i.

3 °R„ . вих R.

и - 1т ( -

.R

Н

хБ«

R,,

(1)

выходное напряжение устройства (действующее на выходе 18);

стабилизированное постоянное напряжение источника 1; сопротивление резисторов

11-17 соответственно. системы (1) дает следуюие преобразования устрой-

R,.

rRl2RI- Rl2

лм р j-f 12 /-I

р 5 р П г 91

JSHI - о рDDP

Кц ,, 4. г 2 г

R Г R Р V I. к, к,, fc

Выбирая различные соотношения между величинами сопротивлений ,, можно получать различные передаточные характеристики устройства. Рассмотрим некоторые характерные примеры.

Датчик дифференциальньш, причем в среднем положении подвижного электрода (при ) выходное напряжение должно быть равно нулю. При этом функция передачи должна быть

Cf-Ct

пропорциональна величине ---, приС j+Cj

чем R,R,,,, R,,j, а резистор 14 исключаем из схемы ((R ), Тогда из (2) получим

-- iTlEfjEt

Изменяя отношение R,j/R,3, можно получить необходимую крутизну преобразования, не изменяя положения нуля отсчета.

Датчик также дифференциальный, но требуется сдвиг нуля отсчета, причем как и в предыдущем случае R,, ,,, P,, однако резистор 14 оставим в схеме.

Подставим эти соотношения в формулу (2)

й

н

вы. -Uo

1 г +c5i Би) г

р У Vp ТЗ 4 К.1 1X14 K,j

,+с,

и преобразуем данное выражение к следующему виду:

TI - тт Гл ч R)5 1 ,. . V

Ua..-Ue(R-- 2к:;-с;ТС2к7

Как видно из полученной формулы, изменяя сопротивление R , можно выбирать положение нуля отсчета (при этом для сохранения неизменной крутизны одновременно необходимо регулировать и R,.. так, чтобы величина 1513

-- - -- оставалась постоянной), а из- п м

меняя величину R - получать необходимую крутизну передаточной характе20 ристики.

Датчик не дифференциальный с переменной площадью электродов. При этом для получения линейного отсчета выходное напряжение должно быть пропор25 ционально отношению С5/С6, если емкость С5 является переменной, а С6 - постоянной (образцовой). Исключим из схемы резисторы 15, 17, а резисторы 11 и 12 сделаем одинаковыми, в

30 соответствии с чем подставим в формулу (2) следующие значения: R R ,

R.r.

тогда

и...-и„.(1-2- + 1).

tblf

Ri3-c,

R,

(5)

В данном случае изменением сопротивления R,j можно регулировать крутизну, а изменением сопротивления R „ - положение нуля отсчета.

Датчик не дифференциальный, с переменным зазором между плоскими электродами. В этом случае для получения линейной зависимости выходного сигнала от перемещения необходимо, чтобы

напряжение было обратно пропорционально емкости рабочего конденсатора. Устройство пригодно для работы и в этом случае необходимо только датчик включить так, чтобы его переменный

рабочий конденсатор был на месте конденсатора 6, а постоянный (образцовый) - на месте конденсатора 5. Выбор резисторов и вьфажение для Uj, при этом аналогичны предьщущему случаю.

Формула изобретения

Измерительный преобразователь неэлектрических величин с емкостным

датчиком, содержащий два коммутатора, вторые информационные входы которых подключены к общей шине, а выходы - к потенциапьньм электродам двух рабочих конденсаторов датчика, токовые электроды которых соединены и подключены через усилитель к входу фазочув- ствительного детектора, выход которого подключен к выходным зажимам устройства, генератор прямоугольного напряжения, выход которого соединен с управляющими входами коммутаторов и опорным входом фазочувствительного детектора, и источник стабильного постоянного напряжения, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей преобразователя путем обеспечения его работы с различными типами емкоРедактор Н.Горват

Составитель Н.Михалев

Техред М.Ходанич Корректор Л.Бескид

Заказ 4117/35 Тираж 676Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

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

...К.Ш..Я . .-«.HVH«.

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

5

стных датчиков, а также путем обеспечения возможности регулирования крутизны и смещения нуля передаточной характеристики при сохранении ее линейности и стабильности, он снабжен двумя операционными усилителями, выходы которых подключены непосредственно к первым информагдионным входам коммутатора и через резисторы - к своим инвертирующим входам, с которыми также через соответствующие резисторы соединены источник стабильного постоянного напряжения и выход фазочувствительного детектора, выход первого операционного усилителя через резистор подключен к инвертирующему входу второго операционного усилителя, а их неинвертирующие входы подключены к общей шине.

Изобретение предназначено для преобразования изменений емкости рабочего конденсатора датчика в изменения постоянного напряжения. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства. Преобразователь содержит источник 1 стабильного постоянного напряжения, коммутаторы 2 и 3, генератор 4 прямоугольного напряжения, усилитель 7 и фазочувствительный детектор 8. Введение операционных усилителей 9 и 10 и образование новых функциональных связей обеспечивают работу преобразователя с различными типами емкостных датчиков и возможность регулирования крутизны и смещения нуля передаточной характеристики при сохранении ее линейности и стабильности. 1 ил. J3 /J rcfbUx со оо О) i4 ;о