Измеритель емкости для компенсационных датчиков механических величин Советский патент 1990 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к измерительной технике, является усовершенствованием изобретения по авт. св. № 1196779 и может быть использовано При измерении малых отклонений емкости от номинального значения в емкостных индикаторах рассогласования компенсационных датчиков механи- еских величин..

Цель изобретения - повышение точности и увеличение чувствительности преобразования.

Изобретение решает задачу преобразования малых отклонений емкости от Номинальных значений в напряжение,, | На фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема измерителя ем- ости для компенсационных датчиков механических величин; на фиг.2 -

Графическая зависимость нелинейности характеристики измерителя от соотношения постоянной времени (или длительности импульсов) генератора и постоянной времени, образованной

конденсаторами и резисторами двойного Т1-образного нелинейного четырехполюсника для диапазона изменения емкости, равного 0,1 (10%) от первоначальной величины при изменении площади перекрытия обкладок конденсаторов .

Устройство содержит два неподвиж- ных электрода 1 и 2, подвижный электрод 3, генератор 4 двухполяркого пря- гмоугольного напряжения (ГПН), первый и второй резисторы 5 и 6, первый, второй, третий и четвертый диоды 7- 10, первый, второй, третий и четвертый конденсаторы 11-14, первый, вто-с рой, третий и четвертый суммирующие резисторы 15-18, дифференциальный усилитель 19 постоянного тока (УПТ), общую шину 20, причем выход генератора 4 двухполярного прямоугольного напряжения соединен с первыми выводами первого и второго резисторов 5 и 6, второй вывод первого резистора 5 соединен с анодом первого, катодом третьего диодов 7 и 9 и первым не- подвижным электродом 1, второй вывод второго резистора 6 соединен с анодом второго катодом четвертого диодов 8 и 10 и вторым неподвижным электродом 2, при этом подвижный электрод 3 соединен с общей шиной 20, катод первого диода 7 соединен с первыми вьюодами первого суммирующего резистора 15,и первого конденсатора

11, катод второго диода 8 соединен с первыми выводами второго суммирующего резистора 16 и второго конденсатора 12, анод третьего диода соединен с первыми выводами третьего суммирующего резистора 17 и третьего конденсатора 13, а анод четвертого диода соединен с первыми выводами четвертого суммирующего резистора 18 и четвертого конденсатора 14, вторые выводы первого и второго суммирующих резисторов 15 и 16 объединены и соединены с первым входом дифференциального усилителя постоянного тока, второй вход которого соединен с объединенными вторыми выводами второго и третьего суммирующих резисторов 16 и 17. В устройстве неподвижные электроды

Iи 2 и подвижный электрод 3 образуют сравниваемые конденсаторы дифференциального емкостного индикатора рассогласования, составляющие двойной Т-образный нелинейный четырехполюсник

Первый диод 7 и первый конденсатор

IIобразуют первый пиковый детектор и соответственно вторые элементы 8 и 12 - второй, третьи элементы 9 и 13 - третий, а четвертые элементы 10 и 14 - четвертый пиковые детекторы, первый и четвертый суммирующие резисторы 15 и 18 образуют один сумматор,

а второй и третий суммирующие резисторы 16 и 17 - другой сумматор.

Измеритель емкости работает следующим образом.

При поступлении двухполярного напряжения прямоугольной формы с генератора 4 на цепи, образованные резисторами 5 и 6 и конденсаторами с электродами 1-3, на неподвижных электродах 1 и 2 возникает переменное напряжение, форма которого образована отрезками экспонент, В точке 21 напряжение равно сумме напряжений на конденсаторах 11 и 14. Так как диоды 7 и 10, подключенные соответственно к резисторам 5 и 6, пропускают напряжение разной полярности, то напряжение на сумматоре, образованном резисторами 15 и 18, в точке 21 равно

U Е , + Е iS-TSer+f)

(О

Напряжение на сумматоре, образованном резисторами 16 и 17, в точке 22 равно

LV -(E ;tu-Rc,-+T)+(E -|ксг т )j

(.)

где Е

R

амплитуда выходного напряже ния генератора 4 напряжения прямоугольной формы сопротивление резисторов 5 и 6; / С,,С2- измеряемые емкости -}

tu - длительность импульса генератора 4.

Так как период генератора прямоугольного напряжения на операционном усилителе равен Т 2,2(RC)f, где (RC)r - постояннаяй времени времязада- ющей цепи ГПИ, то длительность импульса tu Т l,l(RC)r. Таким образом, при С С Ј и U, U2 0 на входах дифференциального усилителя 19 постоянного тока напряжения будут равны нулю и на выходе дифференциального усилителя 1 9 .постоянного тока напряжение равно нулю.

Поскольку при перемещении подвижного электрода 3 емкости изменяются в разные стороны, напряжения на входах дифференциального усилителя 19 постоянного тока подвергаются соответствующим изменениям и на выходе появляется разностный сигнал

U - Uo 2(--

(1Т4 j.UHOr

е t«c.i4 +1

ь -,

ЧЧ«с)г 3

е iRCiH +

(3)

где (RC,)4 и (RC2)4. - постоянные времени, образованные конденсаторами и резисторами двойного Т-образного нелинейного четырехполюсника0

Экспериментальное и теоретическое исследование описанной выгае схемы позволяет выявить возможность линеаризации статической характеристики схемы.

Для получения линейной зависимости выходного сигнала от изменения емкостей необходимо выбирать определенные соотношения между Постоянной времени генератора прямоугольного напряжения и постоянной времени, образованной конденсаторами и резисторами двойного Т-образного нелинейного четырехполюсника (RC )r/(Re) . Эти соотношения зави

6

(

сят от способа изменения емкости: или за счет изменения зазоров между обкладками конденсаторов двойного Т-образного нелинейного четырехполюсника, или за счет изменения площадей перекрытия обкладок этих конденсаторов ,

Для случая изменения зазоров между , обкладками конденсаторов постоянная времени времязадающей цепи генератора прямоугольного напряжения зависит от постоянной времени двойного Т-образного нелинейного четырех- полюсника следующим образом

А

(RC)r у-г (RC)4,

0

5

0

5

0

5

0

5

где ,32 для диапазона изменения

емкости, равного 0,2 первоначальной величины; ,35 для диапазона 0,5 от первоначальной величины; ,45 для диапазона, равного первоначальной величине емкости.

При изменении площади перекрытия обкладок конденсаторов параметр А принимает следующие значения:

,60 для диапазона изменения емкости, равного 0,1 от первоначальной величины; ,58 для диапазона 0,2 от

первоначальной величины; ,55 для диапазона 0,33 от

первоначальной величины; ,50 для диапазона 0,4 от первоначальной величины; ,44 для диапазона 0,5 от первоначальной величины. При отклонении от принятого оптимального соотношения для данных диапазонов изменения емкостей характеристика становится нелинейной.

Зависимость нелинейности для диапазона изменения емкости равного 0,1 от первоначальной величины при изменении площади перекрытия обкладок конденсатора приведена на фиг.2.

На фиг.2 кривая нелинейности монотонна, имеет один экстремум, и в точке оптимума нелинейность характеристики практически равна нулю.

Характеристики для других диапазонов изменения емкостей при изменения площади и при изменении зазоров ежду обкладками конденсаторов имеют аналогичный вид.

/к

Фиг г

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении малых отклонений емкости от номинального значения и емкостных индикаторах рассогласования компенсационных датчиков механических величин. Целью изобретения является повышение точности и увеличение чувствительности преобразования, что достигается путем исключения на входах усилителя постоянного тока напряжений близких по величине к амплитуде генераторв прямоугольного напряжения при равных значениях измеряемых емкостей. Измеритель емкости содержит два неподвижных электрода 1 и 2, подвижный электрод 3, генератор прямоугольного напряжения 4, резисторы 5 и 6,диоды 7 - 10, конденсаторы 11 - 14, суммирующие резисторы 15 - 18, дифференциальный усилитель постоянного тока 19, общую шину 20. 2 ил.