Устройство для измерения неэлектрических величин Советский патент 1989 года по МПК G01B7/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения малых перемещений, давления и др. величин, преоб- разуемых в индуктивность, а также в системах автоматического контроля и регулирования технологическими прцессами .

Целью изобретения является повы- шение быстродействия и надежности путем упрощения регулировки и подбора образцовых емкостей устройства.

На чертеже представлена структурная схема устройства,

Устройство состоит из блока 1 сравнения, индуктивного датчика 2, блока 3 управления, дешифратора 4, цифрового отсчетного блока 5 и компенсационного блока 6.

Блок 1 сравнения включает два идентичных LC-генератора 7 и 8. В контур генератора 7 включен индуктивный датчик 2. Генераторы элект- ричес у1 соединены между собой через нелинейный элемент 9, содержащий параллельно соединенные резистор R J, и два диода VD1 VD2 , включенные встречно. При этом частоты

генераторов синхронизированы, а расстройка л из контуров определяется выражением

Л-LI -С1 - L2 С2,

где L1, С1 - величина индуктивности и емкости контура генератора 7, соответственно;L2, С2 - величина индуктивности

и емкости контура генератора 8, соответственно ,

и приводит к изменению угла фазового сдвига (|1 между напряжениями контуров

Выходы генераторов подключены к входам фазового нуль-органа 10, выход которого в виде уровней напряжения, соответствуюиц1х О или 1 в зависимости от знака фазового сдвига, образует выход блока сравне- ния.

Блок 3 управления содержит регистр 11 последовательного приближения, тактовьй генератор 12 и триггер 13. Вход данных регистра 11 соединен с выходом фазового нуль-органа, а его выход через дешифратор 4 с цифровым отсчетным блоком 5, отображающим информацию о входной величине в преде

лах цикла измерения, и с цифровым входом умножающего цифроаналогового преобразователя (ИАП) 14. Тактовый генератор 12, определяющий цикл измерения, выпатнен в виде управляемого генератора прямоугольных импульсов, выход которого подключен к тактовому входу регистра 11, а вход Запуск соединен с выходом триггера 13, один вход которого соединен с ключом 15 Пуск, а другой - с выходом окончания преобразования регистра 11.

Компенсационный блок 6 выполнен в виде сложного контура, содержащего индуктивность L2 понижающего трансформатора 16, основной компенсирующий конденсатор С2, операционные усилители 17, 18 и 19, умтножающий ЦАП 14, переменный резистор 20, включенный в цепь обратной связи между выходом операционного усилителя 18 и выводом внутреннего резистора обратной связи ЦАП 14, образцовый конденсатор GO и переключатель 2 коэффициента трансформации трансформатора 16.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии, характеризующемся тем, что индуктивность L1 индуктивного датчика 2 соответствует минимальному значению измеряемого параметра, а регистр II находится в состоянии, которое соответствует минимальной компенсационной емкости, переменным компенсирующим конденсатором С2 устанавливается нулевая расстройка контуров, т.е. Л 0.

При воздействии измеряемого параметра индуктивность датчика увеличивается на величину AL, пропорциональную отклонению параметра от минимального значения. При этом расстройка контуров генераторов 7 и 8 и знак угла сдвига фаз между напряже- нияни генераторов положительны, т.е.. 4 С1(Ы + /aL)-L2-C2 0, а напряжение на выходе фазового нуль-органа 10 равно нулю.

Фазовый сдвиг sin g и величина расстройки 4L связаны соотношением:

sin Lf

R c -a;oCJ Ль

R - сопротивление цепи синхронизации;

u g - собственная частота генераторов.

Предельная относительная расстроть 2 ка - т. Сохранение максиС о

мальнок области захватывания при высокой чувствительности при разной расстройке контуров обеспечивается связью между генераторами 7 и 8 через нелинейное сопротивление диодов VD1 и VD2, а для уг.еньшения гистерезиса блока 1 сравнения, вызванного при малых расстройках реактивной связью между генераторами, обусловленной емкостью переходов диодов, последние зашунтированы резистором

RCПри нажатии ключа 15 триггер 13

заттускает тактовый генератор 12, счетные импульсы которого поступают на тактовый вход регистра 11, Сигнал с выхода фазового нуль-органа, поступающий на вход данных регистра 11, переадресуется в последнем в соответствующий разряд. Запись в регистр осуществляется последовательно, начиная со старшего разряда. ЦАП 14 осуществляет регулирование коэффициента передачи операционного усилителя 18 по программе поразрядного уравновешивания в двоичном коде. Напряжение с выхода операционного усилителя 18 через о }1ерационный усилитель 19, являющийся повторителем, подается на образцовый конденсатор Ср. При этом эквивалентное знчение компенсационной емкости определяется выражением: С (1 - К ,,)-Со, где К„ К,,, К коэффициенты передачи первого, вторго и третьего операционных усилителей, соответственно; С,, - емкость образцового конденсатора.

Включение конденсатора С в контур генератора по трансформаторной схеме через переключатель 21 для изменения коэффициента трансформации обеспечивает требуемый диапазон измерения. Таким образом, компенсационый блок 6 обеспечивает получение набора компенсирзтопшх емкостей, представленных во взвешенном двоичном коде.

Двоичный код на информационных выходах регистра 11 управляет работо ЦАП 14, изменяя коэффициент передачи К« усилителя 18, равный

(S 2

+ S

n-2

+ . . .+

. S, ... S,-2),

0

5

0

5

0

5

где Rj,j. - сопротивление переменного

резистра 20 плавной регули- ровки ком 1енсационного

шага; R - сопротивление прецизионной

матрицы 1АП;

п - число разрядов преобразова- 0ния.

Ступенчатое изменение эквивалентной емкости С компенсирует расстройку контуров, вызванную изменением индуктивности L1. По завершению цикла преобразования сигнал с выхода регистра II переводит триггер 13 в исходное состояние, останавливая тактовый генератор 12. При этом расстройка равна нулю, т.е. (L1+ /5 L)- С

5

(С + C,,g), а

L2 г, К-КзКос

(S,.

ST 0 t -- R-2

+S,...-bS;-2 - +...-hS - )

Двоичный код . . .S p на выходе регистра 11 преобразуется с помощь дешифратора 4 в код, управляющий работой цифрового отсчетного блока 5. Формула изобретения

Устройство для измерения неэлектрических величин, содержащее индуктивный датчик, компенсационный блок и последовательно соединенные блок сравнения, блок управления, дещифратор и цифровой отсчетный блок, блок сравнения выполнен в виде двух автогенерато-. ров, в контур одного из которых включен индуктивный датчик, и соединенного с выходами автогенераторов фазового нуль-органа, выход которого является выходом блока сравнения, а контуры автогенераторов связаны нелинейным элементом в виде двух диодов, включенных параллельно встречно, блок управления включает тактовый генератор, накопитель и ключ, а компенсационный блок включает образцовый конденсатор, соединенный через nepieключатель с первой обмоткой понижающего трансформатора, выполненной с отводами, вторая обмотка которого с параллельно подключенным к ней переменным компенсирующим конденсатором образует контур второго автогенератора блока сравнения, отлич аю- щ е е с я тем, что, с целью повышения быстродействия и надежности, оно снабжено входящими в состав компенсационного блока тремя операционными усилителями, переменным резистором и умножающим цифроаналоговым преобразователем, входящим в блок управления триггером и входящим в нелинейный элемент блока сравнения резистором, подключенным параллельно диодам, накопитель блока управления выполнен в виде регистра последовательного приближения, вход данных которого соединен с выходом блока сравнения, тактовый вход - с тактовым генератором, управляемым ключом через триггер, второй вход которого соединен с выходом окончания преобразования регистра последовательно

с

0

го приближения, информационный выход последнего - с дешифратором и цифровым входом умножающего цифро- аналогового преобразователя, вход опорного напряжения которого соединен с выходом первого операционного усилителя, а аналоговый выход - с входом второго операционного усилителя, выход которого соединен с входом третьего операционного усилителя и через переменный резистор - с выводом резистора обратной связи цифроаналогового преобразователя, а выход третьего операционного усилителя через образцовый конденсатор соединен-с входом первого операционного усилителя и с переключателем.

Изобретение может быть использовано для измерения малых перемещений. Цель изобретения - повышение быстродействия и надежности. Устройство осуществляет автоматическую ступенчатую компенсацию расстройки фазогенераторной системы, содержащей два идентичных автогенератора 7 и 8, в контур одного из которых включен индуктивный датчик 2, путем изменения по программе поразрядного уравновешивания компенсационной емкости, включенной в контур второго автогенератора через понижающий трансформатор 16, являющийся одновременно индуктивностью этого контура. В устройстве предусмотрена ступенчатая и плавная регулировка ширины компенсационного шага. Автогенераторы связаны между собой нелинейным элементом, выполненным в виде двух параллельно соединенных диодов, включенных встречно, и резистора. Блок управления 3 устройства выполнен на основе регистра последовательного приближения, управляемого тактовым генератором 12, запускаемым ключом 15 через триггер 13, а компенсационный блок 6 - на основе образцового конденсатора Со, умножающего цифроаналогового преобразователя 14 и трех операционных усилителей 17, 18 и 19. Выходом устройства является цифровой отсчетный блок 5, подключенный через дешифратор 4 к цифровому выходу регистра последовательного приближения. 1 ил.