Измеритель электрической емкости Советский патент 1991 года по МПК G01R27/26 

05 N3

СО

оо 1 J

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для применения в измерительных приборах на станках с ЧПУ в качестве встраиваемого бесконтактного емкостного измерительного датчика с автономным электропитанием.

Целью изобретения является повышение точности и стабильности измерений.

На фиг. 1 приведена схема измерителя емкости; на фиг. 2 - пример его использования в измерительной головке; на фиг. 3 - временные диаграммы . ,

Измеритель электрической емкости содержит (фиг. 1) последовательно соединенные генератор тактовых импульсов и ждущий мультивибратор 2, ждущий мультивибратор 3, измеряемую емкость 4 (Сх) и компенсирующую емкость 5 (Cof,}, логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 6, логические элементы И 7 и 8, / 5-триггер 9, блок 10 индикации. Выход генератора 1 тактовых импульсов соединен с первым входом ждущего мультивибратора 3, к второму входу которого подключена компенсирующая емкость 5. Измеряемая емкость 4 подключена к второму входу ждущего мультивибратора 2, выход которого соединен с первыми входами логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 6 и логического элемента И 8, выход ждущего мультивибратора 3 соединен с вторым входом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 6 и первым входом логического элемента И 7, выход логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 6 соединен с вторыми входами логических элементов И 7 и 8, выход логического элемента И 7 подключен к S-входу / 5-триг- гера 9, выход логического элемента И 8 - к Л -входу / 5-триггера 9 и первому входу блока 10 индикации, второй и третий входы которого подключены к прямому и инверсному выходам / 5-триггера 9 соответственно. Оба ждущих мультивибратора 2 и 3 выполнены на одном кристалле интегральной микросхемы.

Одним из вариантов использования измерителя электрической емкости является (фиг. 2) измерительная головка для станков с ЧПУ, содержащая корпус 11, внешний измерительный щуп в виде трубчатого заземленного экрана 12 с наконечником 13, скрепленный со щупом опорный фланец 14, группу контактных элементов 15 и 16, размещенных соответственно на фланце и корпусе 11. Экран 12 отделен от наконечника 13 диэлектрической прокладкой 17. Экран 12 и наконечник 13 выполнены из электропроводного материала. Внутри трубчатого экрана 12 размещен изолированный электропровод 18, электрически соединенный с наконечником 13, последний может иметь различную форму, в том числе и форму шара. Головка содержит также внутренний щуп виде трубчатого заземленного экрана 19 с наконечником 20. Экран 19 отделен от на0

5

0

5

0

5

0

5

0

конечника 20 диэлектрической прокладкой 21. Экран 19 и наконечник 20 выполнены из электропроводного материала. Внутри трубчатого экрана 19 размещен изолированный электропровод 22, электрически соединенный с наконечником 20. Последний может иметь различную форму, в том числе форму шара. Внутренний щуп расположен в специальном отсеке 23, находящемся внутри измерительной головки и сообщающемся посредством отверстий (не показано) с внешней средой. Отсек 23 снабжен микрометрическим винтом 24, электрически соединенным с корпусом 11 измерительной головки и проходящим через него наружу. Наружный конец микрометрического винта 24 имеет прорезь 25 для регулировки, внутренний - электропроводную площадку 26 круглой формы, расположенную относительно центра наконечника 20.

Электрическая часть измерительной головки выполнена по схеме описанного измерителя электрической емкости, представленной на фиг. 1. Измеряемая емкость Сх образована между наконечником 13 и контролируемой поверхностью 27, компенсирующая емкость Con образована наконечником 20 и электропроводной площадкой 26.

Измеритель электрической емкости работает следующим образом.

Генератор 1 тактовых импульсов вырабатывает сигналы прямоугольной формы с тактовой частотой fr, по переднему фронту каждого из указанных сигналов осуществляется одновременный запуск ждущих мультивибраторов 2 и 3, выполненных по одинаковым электрическим схемам на одном кристалле (один корпус интегральной микросхемы), длительность выходного импульсного сигнала ждущего мультивибратора 2 пропорциональна величине измеряемой электрической емкости 4, включенной во вре- мязадающую цепь указанного мультивибратора 2. Длительность выходного импульсного сигнала ждущего мультивибратора 3 пропорциональна величине компенсирующей электрической емкости 5 (Соп), которая по своей величине и другим техническим параметрам (например, no TKE) близка к измеряемой емкости 4 (Сх). Изменение величины измеряемой емкости 4 (Сх) на ±ДС соответствует пропорциональному изменению длительности импульсного сигнала ждущего мультивибратора 2 на величину ±Д7 (фиг. 3), получаемую в результате выделения разностного по длительности сигнала между импульсными сигналами ждущих мультивибраторов 2 и 3 логическим элементом ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 6. Определение знака («+ соответствует увеличению значения измеряемой емкости 4, а «- ее уменьшению) осуществляется двумя логическими элементами И 7 и 8 и У 5-триггером 9 (фиг. 3), сигналы которых поступают на соответствующие входы блока 10 индикации.

Определение величины емкости Сх осуществляется следующим образом.

Допустим, что ждущий мультивибратор 2 имеет в составе емкость ждущего мультивибратора 3. При этом равенство С-Соп устанавливается первоначально при наладке устройства посредством подстройки переменной емкости Соп до момента равенства по длительности выходных сигналов обоих мультивибраторов, т. е. Топ-Тщм. или Топ-Та а.0, где Топ - длительность выходного сигнала ждущего мультивибратора 3; Тилм.- длительность выходного сигнала ждущего мультивибратора 2. Тогда величина емкости Сх может быть определена из соотношения

T M-T0n KR(C+Cx)-KRC0,:, но так как , то

Tv-M.- Ton KRCoa+KRCJl-KRCon KRClc или

.

При выборе величины резистора R, одинакового для обоих ждущих мультивибраторов 2 и 3 и равного такой величине, что его произведение на постоянный коэффициент К будет равно 1, получим

,

т. е. длительность разностного сигнала Д7 равна величине измеряемой емкости Сх и определяется путем измерения длительности этого интервала.

Величину емкости Сх можно определить также следующим образом. Измеряем длительность разностного сигнала Д7 и прибавляем или вычитаем эту величину от Т0„, т. е. при длительности сигнала получим

/о/1- А А Сол - ИЛИ

(СОЯ-С)/(, отсюда

с

с л/ГПри условии K., получим

А А Т

или

1

/ on 1илм.& , ил,м 1 п А/ . При Т«Ам.Топ ПОЛУЧИМ

IvbtvbL. оп А А А Соп

ИЛИ

ДГ+/ЩС,-Сол)/(,

АГ-АИ

При УСЛОВИИ /(/, ПОЛУЧИМ

. Тогда

Ти$м. - ИЛИ . Топ + ДТ,

но так как 7 on const, то операция определения величины измеряемой емкости сводится к простому сложению измеренного значения Д7 с постоянной величиной Топ, что может быть осуществлено как в ручном, гак и в автоматическом режиме в блоке 10 индикации.

Коэффициент К определяется экспериментально для каждой конкретной серии интегральных микросхем и зависит от пороговых значений конкретных серий, так, например, для серии К561 /(0,69.

Работа электрической схемы измеритечь- ной головки осуществляется аналогично работе измерителя электрической емкости, при этом величина результата измерений

пропорциональна величине зазора между наконечником 13 и контролируемой поверхностью 27.

Повышение точности и стабильности измерений происходит за счет одинакового

воздействия таких факторов, как, например, изменение величины питающего напряжения, изменения температуры, влажности, атмосферного давления, а также старения элементов электрической схемы и т. д., на

Q оба ждущих мультивибратора, выполненных на одном кристалле интегральной схемы по одинаковым электрическим принципиальным схемам, что вызывает одинаковое увеличение или уменьшение длительности их выходных импульсных сигналов, но практически не влияет на изменение величины разностного сигнала между ними.

5

Формула изобретения

„ Измеритель электрической емкости, содержащий последовательно соединенные генератор тактовых импульсов и первый ждущий мультивибратор, а также блок индикации, объект измерения подключен к второму входу первого ждущего мультивибратора, и компенсирующую емкость, отличаю- щийсят&л, что, с целью повышения точности и стабильности измерения, в него введены второй ждущий мультивибратор, логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, два логических элемента И и / 5-триггер, выход

0 генератора тактовых импульсов соединен с первым входом второго ждущего мультивибратора, выход первого ждущего мультивибратора соединен с первым входом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и первым входом первого логического эле5 мента И, выход второго ждущего мультивибратора соединен с вторым входом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и первым входом второго логического элемента И, выход логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединен с вторыми входами первого и второго логических элементов И, выход первого логического элемента ИЛИ подключен к S-входу / -триггера, выход второго логического элемента И подключен к / -входу / 5-триггера, выход

5 первого логического элемента И подключен к первому входу блока индикации, второй и третий входы которого соединены соответственно с прямым и инверсным выходами A S-триггера, к второму входу второго жду

щето мультивибратора подключена компен- мультивибратора выполнены на одном крис- сирующая емкость, причем оба ждущих талле интегральной микросхемы

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для применения в измерительных приборах на станках с ЧПУ в качестве встраиваемого бесконтактного емкостного измерительного датчика с автономным электропитанием. Цель изобретения - повышение точности и стабильности измерений. Генератор тактовых импульсов вырабатывает сигналы прямоугольной формы с тактовой частотой. По переднему фронту каждого из указанных сигналов осуществляется одновременный запуск ждущих мультивибраторов 2 и 3, выполненных на одном кристалле. Длительности выходных импульсных сигналов ждущих мультивибраторов 2 и 3 пропорциональны соответственно величинам измеряемой 4 и компенсирующей 5 емкостей. Определение знака разности величин емкостей осуществляется двумя логическими элементами И 7 и 8 и / 5-триггером 9 Измеритель электрической емкости содержит также логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 6 и блок 10 индикации 3 ил и (Л

27

в

3

Фиг. 2

Фиг.З