Преобразователь парметров емкостных датчиков во временной интервал Советский патент 1991 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для контроля емкостных датчиков.

Целью изобретения является повышение точности преобразования.

На фиг.1 представлена функциональная схема преобразователя параметров емкостных датчиков во временной интервал; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя параметров емкостных датчиков в о временной интервал.

Преобразователь параметров ем- - костных датчиков во временной интервал содержит емкостный датчик 1 (паразитные емкости кабельной линии связи указаны на фиг. 1 как С К( и С к а сопро гивление потерь датчика как Rn), операционный усилитель 2, выход которого через конденсатор 3 соединен с инвертирующим входом, операционный усилитель 4, i неинвертирующий вход которого соединен с выходом операционного усилителя 2, а инвертирующий вход через последовательно соединенные резистор 5 и конденсатор 6 подключен к общей шине. /Преобразователь содержит также опорный конденсатор 7, одна обкладка которого соединена с выходом операционного усилителя 4 и инвертирующими входами схем 8 и 9 сравнения, а другая - с инвертирующим входом/операционного усилителя 2, первой обкладкой емкостного датчика 1 и резистором 10, шунтирующим емкостный датчик и резистивный делитель 11, подключенный своим первым выводом к выводу схемы 8 сравнения , первой промежуточной точкой - к неинвертирующему входу схемы 9 сравнения, а второй промежуточной точкой - к неинвертирующему входу схемы 8 сравнения, т.е. ступени 12 и 13 делителя 11 в порядке увеличения коэффициента деления подключены к неинвертирующим входам схем 8 и 9 сравнения. При этом выход первой схемы 8 сравнения соединен с первыми входами элементов ИСКЛОЧАЮЩЕЕ ИЛИ 14 и ИС- /КЛОЧАЩЕЕ , ИЛИ-НЕ 15, первые входы которых соединены с выходом схемы 8 сравнения, а вторые входы - с выходом схемы 9 сравнения, операционный усилитель 16 , неинвертирующий вход которого соединен с неинвертирующим ьходом операционного усилителя 2 и общей шиной, а неинвертирующий вход с собственным выходом и защитным

экраном 17 кабельной линии связи емкостного датчика, операционный усилитель 18, инвертирующий вход которого соединен с вторым выводом резистивного делителя 11 и через резистор 19с собственным выходом и второй обкладкой емкостного датчика

1,а неинвертирующий вход - с общё й

ШИНОЙ.

Преобразователь работает следующим образом.

Одновременно с включением напряжения питания на выходе схемы 8

5 сравнения появляется напряжение, поступающее на резистивный делитель 11 и с его ступеней 12 и 13 на неинвертирующие входы схем 8 и 9 сравнения с коэффициентами деления k и т и чео РЈз резистор последней ступени делителя 1 на инвертирующий вход операционного усилителя 18, с выхода которого проинвертированное и поделенное с коэффицентом п «С та напря5 жение поступает на обкладку емкостного датчика 1, при этом из-за малости выходного сопротивления операционного усилителя 18, величина кабельной емкости со стороны запитки

Q датчика влияния на результат преобразования не оказывает. Коэффициент передачи операционного усилителя 18 меньше единицы и определяется отношением величины резистора 19 к вели,. чине резистора, входящего в последнюю ступень резистивного делителя 11. Сигнал с другой обкладки емкостного датчика 1, зашунтированного резистором Ю, поступает на вход уси0 лителя, в состав которого входят

операционный усилитель 2 с конденса- тором 3 в цепи обратной связи, опера- ционный усилитель 4, включенный по схеме усилителя переменного тока,

С неинвертирующий вход которого соединен с выходом операционного усилителя

2,а инвертирующий через резистор 5 и конденсатор 6 соединен с общей шиной, опорный конденсатор 7, включенный в цепь обратной связи, охватывающей операционные усилители 2

и 4, выходной сигнал операционного усилителя 4 (фиг.2а), являясь выходным сигналом усилителя, сравнивается на схемах 8 и 9 сравнения (фиг.26,в) с опорными напряжениями ступеней 12 и 13 резистивного делителя 11. В момент равенства напряжений на входе схемы 8 сравнения напряжение на ее

0

5

51

выходе скачкообразно меняет знак на противоположный, а далее работа преобразователя происходит аналогично.

Таким образом, в установившемся режиме в преобразователе присутствуют автоколебания, в течение каждого полупериода которых в момент равенства напряжений, поступакмтих на вход схемы 9 сравнения, ее выходной сигна также меняет знак. Сигналы с выходов схем 8 и 9 сравнения поступают на входы элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 14 и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ-15, на выходах которых формируются временные интервалы, определяемые величиной емкости и величиной сопротивления потерь емкостного датчика (фиг.2г,д). Операционный усилитель 16 поддерживает равенство потенциалов между потенциалами защитного зкрана 17 и инвертирующего и неинвертирующего входов операционного усилителя 2, обеспечивает уменьшение влияния паразитной кабельной емкости со стороны входа преобразователя на результат преобразования и при этом является схемой развязки между общей шиной измерительного усилителя и защитным экраном, что позволяет повысить по- мехоустойчивость преобразователя при наличии наводок на защитный экран 17 кабельной линии связи.

Для момента срабатывания схем 8 и 9 сравнения, без учета неидеаль- ноети коэффициентов преобразования, справедливы уравнения.

2RC kU (1)

ZKbon

+ knU

ЛТ

он

kU,

(2)

Т &Т

С а - величина емкости емкостного датчика;

оп

R

/

k, m Т 2&Т

5

5

- величина емкости опорного конденсатора 7;

R R

----- - величина сопротивR + Rn

пения, эквивалентная величине сопротивления резистора 10 и величине сопротивления потерь емкостного датчика 1, включенных параллельно; коэффициенты деления ступеней 12 и 13 резистивного делителя 11 соответственно; коэффициент передачи операционного усилителя 18, причем n c m;

время между двумя срабатываниями схемы 8 сравнения; ДТ - вррмя между срабатыванием схемы 9 сравнения и последующим срабатыванием схемы 8 сравнения.

Решая совместно уравнения (1) и (2),

получаем

n ТТ 2&Т

п

Г-

-(

m

.1. n

. С±.

on

(3)

Т 2&Т

С учетом влияния на результат преобразования паразитной емкости кабельной линии связи и конечного значения коэффициентов усиления операционных усилителей передаточная функция усилителя, выполненного на операционных усилителях 2 и 4 преобразователя, имеет вид

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля емкостных датчиков. Целью изобретения является повышение точности преобразования. Преобразователь параметров емкостных датчиков во временной интервал содержит емкостный датчик 1, операционный усилитель 2, введенные операционные усилители 4 и 16, схемы 8 и 9 сравнения, резистивньй делитель 11 со ступенями 12 и 13, элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 14 и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ 15, защитный 17, операционный усилитель 18, резисторы и конденсаторы, показанные на схеме, В преобразова- теле исключается влияние на точность преобразовать коэффициента ослабления синфазного сигнала, изменение величины которого приводит к погрешности. 2 ил. (Л с 13

С С

on

1 + iT К,

де С4 01

ОС

величина емкости емкостного датчика 1;

величина емкости опорного конденсатора 7; величина емкости конденсатора 3, включенного в цепь обратной связи операционного усилителя 2;

С„ + С.. + С

+ С

Кг т ос т °«л величина суммарной емкости с учетом емкости линии связи (С), приведенная к вхйду усилителя;

Сое.+-.. . (4) С on Соп

(4)

1К,, К„- коэффициенты усиления операционных усилителей 2 и 4 с ,. разомкнутой обратной связью 50 на рабочей частоте.

Исходя из выражения (4, величина погрешности усилителя равна

1

, А 1 . JL . 1 + Т, с Т KiK r

Кг С0„

on

I

(Ь

ак как для современных операционусилителей величина коэффициента

усиления К4«КЈг 10 - 10 , w вели- связи емкостного датчика 1 и преобрачиной

.L.,. .

KiK

on

ввиду ее малости можно пренебречь , и тогда величина погрешности-определяется отношением величины С00 к Соп и KjT, т.е. может быть выбрана достаточно малой. Преобразователь параметров емкостных датчиков во временной интервал обладает меньшей погрешностью преобразования, обусловленной влиянием паразитной емкости кабельной линии

зователя, конечным значением величины коэффициентов усиления операцион- ных усилителей, кроме того, в преобразователе за счет включения усилителя , выполненного на операционных усилителях 2 и 4 по схеме инвертирующего каскада, исключается влияние JQ на точность преобразования коэффициента ослабления синфазного сигнала, изменение величины которого приводит к погрешности

где MC - величина коэффициента ослабления синфазного, сигнала; /Ш.- величина изменения коэффи- циента ослабления синфазного сигнала в условиях эксплуатации .

Формула изобретения

Преобразователь параметров емкостных датчиков во временной интервал, содержащий емкостный датчик, первый конденсатор, первый резистор, шунтирующий емкостный датчик, первый операционный усилитель, первую и вторую схемы .сравнения, резистнвный делитель, подключенный одним из выводов к выходу первой схемы сравнения, а первой промежуточной точкой - к неинвертирующему входу второй схемы сравнения, инвертирующие входы первой и второй схем сравнения соединены между собой, выход первого one-, рационного усилителя через первый конденсатор соединен с первой обкл ад- кой емкостного датчика и инвертирующим входом первого операционного усилителя, вторая промежуточная точка резистивного делителя соединена с неинвертирующим входом первой схемы сравнения, отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности преобразования, в него введены второй, третий и четвертый операционные усилители, элементы ИСКЛЮзователя, конечным значением величины коэффициентов усиления операцион- ных усилителей, кроме того, в преобразователе за счет включения усилителя , выполненного на операционных усилителях 2 и 4 по схеме инвертирующего каскада, исключается влияние на точность преобразования коэффициента ослабления синфазного сигнала, изменение величины которого приводит к погрешности

(6)

ЧАЮЩЕЕ ИЛИ И ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛЙ-НЕ, два резистора и два конденсатора, неинвертирующий вход второго операционного усилителя подключен к выходу первого операционного усилителя, выход второго операционного усилителя подключен к инвертирующим входам первой и вто ой схемы сравнения и через второй конденсатор подключен к инвертирующему входу первого операционного .гсилителя, инвертирующий вход второго операционного усилителя через последовательно включенные второй резистор и третий конденсатор подключен к общей шине, выход первой схемы сравнения подключен к первым

5 входам элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ, вторые входы которых подключены к выходу второй схемы сравнения, неинвертирующий вход третьего операционного усилите0 ля подключен к неинвертирующему входу первого операционного усилителя и общей шине, инвертирующий вход третьего операционного усилителя подключен к его выходу и защитному экрану ка5 бельной линии связи емкостного датчика, инвертирующий-вход четвертого onew рационного усилителя подключен к вто- тому выводу резистивного делителя и через третий резистор - к собствен0 ному выходу и второй обкладке емкостного датчика, неинвертирующий вход третьего операционного усилителя подключен к общей шине.

0