Преобразователь параметров емкостного датчика Советский патент 1991 года по МПК G01N27/22 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля состава и свойства веществ, например, концентрации отдельных компонентов, влажности газовых и жидких сред, солесодержания применительно к различным продуктам переработки, хранения, транспортировки в нефтяной, газовой, нефтехимической и химической промышленности, а также измерения параметров различных элементов и устройств при массовом контроле качества изделий в электро- м радиоэлектронной промышленности на различных стадиях их производства.

Целью изобретения является повышение точности преобразования параметров емкостного датчика.

На фиг. 1 представлена структурная схема преобразователя; на фиг. 2 - структурная схема компонентного детектора.

Преобразователь параметров емкостного датчика содержит (фиг. 1) управляемый

по частоте генератор 1 синусоидального напряжения, емкостный датчик, представленный четырехэлементной схемой замещения с параметрами Ci, C2, Gi, 62. устройство уравновешивания 3, регулируемый резистор 4, образцовые конденсаторы 5 и 6 одинаковой емкости, три операционных усилителя 7-9, три образцовых резистора 10-12, вычитающее устройство 13, управляемый делитель 14 напряжения, два компонентных детектора 15 и 16, фиксирующих равенство нулю разности вещественных составляющих отношений двух напряжений на двух частотах, два реверсивных счетчика 17 и 18, блоки умножения 19 и вычитания 20, генератор 21 импульсов, делитель 22 частоты. При этом выход генератора синусоидального напряжения соединен через емкостный датчик 2, последовательно включенные образцовый конденсатор 5 и регулируемый резистор 4, образцовый конденсатор 6 соответственно с входами операционных усилиО

(Я

00 О

телей 7-9, в цепи обратной связи которых включены образцовые резисторы 10-12 соответственно, к выходу операционного усилителя 7 присоединены первые входы компонентного детектора 15 и вычитающего устройства 13, к выходу операционного усилителя 8 непосредственно и через управляемый делитель 14 напряжения присоединены вторые входы компонентного детектора 15 и вычитающего устройства 13, выходы вычитающего устройства 13 и операционного усилителя 9 соединены соответственно с первым и вторым входами компонентного детектора 16, управляющие входы реверсивных счетчиков 17 и 18 подключены к первым выходам соответственно компонентных детекторов 15 и 16, к вторым выходам которых присоединены первый и второй входы блока 20 вычитания, выход реверсивного счетчика 17 соединен с входами устройства уравновешиваний 3 и блока 19 умножения, выход реверсивного счетчика 18 -с входами управляемого делителя 14 напряжения и блока 19 умножения, а также с третьим входом блока 20 вычитания, к входам реверсивных счетчиков 17 и 18 подключен генератор 21 импульсов, к выходу последнего через делитель 22 частоты присоединен управляющий вход генератора 1 синусоидального напряжения.

Компонентный детектор, например 15 (фмг. 2), определяющий разность вещественных составляющих отношений двух напряжений на двух частотах питания, содержит четыре компаратора 22-26, преобразователь 27 переменного напряжения в постоянное, управляемый делитель 28 напряжения, реверсивный счетчик 29, гензра- тор импульсов, фазовращатель 31, схему 32 сравнения. При этом первые входы компараторов 23 и 24 объединены и являются первым входом компонентного детектора 15, первый вход компаратора 25 соединен через фазовращатель 31 в преобразователь 27 переменного напряжения в постоянное соответственно с первым входом компаратора 26 и входом управляемого делителя 28 напряжения, выход которого соединен с вторым входом компаратора 23, вторые входы компараторов 24-26 заземлены, выходы компараторов 23-25, 26 подключены к схеме сравнения 32 выход реверсивного счетчика 29 соединен с управляющим выходом детектора 15, управляемого делителя напряжения 28 и является первым выходом компонентного детектора 15, а счетный и управляющие входы реверсивного счетчика 24 подключены соответственно к генератору 30 импульсов и первому выходу схемы 32 сравнения, второй выход которого является

вторым выходом компонентного детектора 15,

Преобразователь работает следующим образом

Измерительная цепь питается от генератора 1 синусоидального напряжения. Генератор 1 периодически в два такта вырабатывает синусоидальное напряжение

U1 Ul Sin «1 t ИЛИ Ul 1 Ul Stn 0)2 l. УПравление генератором 1 осуществляется с помощью делителя частоты 22, которым производится деление импульсов, поступающих на его вход с выхода генератора импульсов 21. При этом, с

выхода операционного усилителя 7 на первые входы детектора 15 и вычитающего устройства 13 подается напряжение

U sin ( wi t -f (fn ) или U х

sin («Ј t ), где Ur -Uy, рт , ут/ амплитуда и фазовые углы, соответствующие частотам o)i , одг. Комплексное напряжение

25

U -Ui Y2Rio,

где Y2 - комплексная проводимость емкостного датчика 2;

Rio сопротивление резистора 10. 30Комплексная проводимость Y2 емкостного датчика 2, представленного четырех- элементной схемой замещения (фиг, 1) определена по формуле

35

Y2 Gi -f jwCi jwC2

1

1 + j a) T2

где Г2 Ca/Ga постоянная времени.

Одновременно на второй вход компо- нентного детектора 15 и вход управляемого делителя 14 напряжения с выхода операционного усилителя 8 поступает напряжение

(J& Us sin ( coi t + ра ), где Us1, рв амплитуда и фазовый угол, соответствующие частотам wi , шг. напряжения питания или

Ue Us l sin ( оц t 4- рв). Напряжение (Js пропорционально проводимости Y0 ветви из последовательно соединенных регули- руемого резистора 4 проводимостью Go и образцового конденсатора 5 емкостью Со, где Rn - сопротивление резистора 11.

U8 -UiY0Rii,

Комплексная проводимость ветви, состоящей из Со и G0:

,C0-rTf-, где TO Co/Go - постоянная времени.

516511866

Отношение этих напряжений Wi U2/U8яние квазиравновесия, о котором будет свипосле постановки значений будет следую-детельствовать отсутствие импульсов на выщим:-ходе детектора 15.

При достижении состояния квазиравноGi Ci Са 1 +0)2Т0Т2 $весия напряжение Ов совпадает пр фазе с

Wi (J о) р-+-р-+ р- составляющей Riote1 напряжения Uy1, а наUo о v-o 1 4- т &).V II-i-.il

r пряжение Ue -составляющей Riote напря+ J / игю1-- г-а)(т0 -12 ) жения О. С помощью компонентного

ri п., /,Q) iinm /1 мдетектора 16 обеспечивается приведение

Re Wi (j ft) + j lm Wi (j a,) ,1QизмвриЈльной цепи к второму состоя„ию

. .„квэзиравновесия.

где тю Ci/Go, Гц - Co/Gi - постоянныеНа первый вход компонентного детеквремени;ТОра g ПОдается напряжение Ui3 On1 x

Re, lm - символы, обозначающие веще-, , i N ,, и ,, и . /

ственную и мнимую составляющие комп- 15x sin (ол )илии1з и1з s.n( +

лексной величины.+ рк ) с выхода вычитающего устройства

При выполнении равенства ве-13. равное U13 , гдеО -комплекс

щественная составляющая Wi становитсянапряжения, существующего на выходе

независимой от частоты напряжения пита-управляемого делителя 14 напряжения,

ния20Напряжение Ui4 по фазе совпадает с напряжением Us. а его амплитуда пропорциrw ( i Gi Ci +C2 f14ональна коэффициенту передачи Ri4 упКе I Wi (j ш ) J - . (l)равляемого делителя 14 напряжения Ui4

Ri4 Ue.

Условием фиксации состояния квази- 25 равновесия имеет вид На второй вход детектора 16 поступает

,,, .,. Ч1 лнапряжениеир| ио1з1п(ш1Т+№1)и (Ju)i)(Jflu)0.р„ v

1 v (2)Ug -Ug stn( ) с выхода

«операционного усилителя 8. Напряже™ние Од пропорционально проводимости Ye образцового конденсатора 6:

U COS(7 )U9 -Ol Y6R12 -U1JWC6R12,

UB где Се - емкость конденсатора 6; j , || ц,Ri2 - сопротивление резистора 12.

- и cos (, Отношение напряжения Oi3 к Од поUeеле достижения первого состояния квазиравновесия (при условии Rio Rn Ri2) Вначале при питании измерительнойбудет равным цепи напряжением Ui Ui sin w- t, компонентный детектор 15 определяет отноше- 40ч Ui3 Ci €2 - Со Ri4 ние синфазной составляющей напряжения Л/2 (j ы ) - Св + 1 + л/2 т 2 Оу cos (7 -yjs1 ) к амплитудному значе- Са - С0 RI (or0 ч нию Ue. Затем при питании измерительной ш TG 1Сеl-i-ft r2 цепи напряжением Ui Ui sin шг t ком- 45 Re W2 (j о) + j lm W2 (j ш )}, понентный детектор 15 вырабатывает регулирующее воздействие в виде импульса,где TGI Ce/Gi - постоянная времени, длительность которого зависит от значения При выполнении условия С2 C0Ri4 ве- сигнала неравновесия. Компонентный де-щественная составляющая функции W2(jw) тектор 15 определяет направление измене- 50становится независимой от частоты и рав- ния образцовой меры. В соответствии снои этими двумя сигналами импульсы высокой

частоты с выхода генератора 21, импульсовRe W2Q У) Ci/Ce.(3)

поступают на прямой или обратный

вход реверсивного счетчика 17. Значение 55 Записанное условие состояния квазицифрового кода на выходе реверсивногоравновесия может быть представлено в ви- счетчика 17 изменяется, что приводит к из-де менению проводимости Go регулируемого

резистора 4. Процесс повторяется до техRe W2Q - )3 О

пор, пока не будет достигнуто первое состоили

U13 cos (yi3 - УЭ )

U9 Uis cosQia ) n

It

Ug

Компонентный детектор 16 определяет отношение синфазной составляющей напряжения к амплитуде напряжения Од и осуществляет приведение измерительной цепи к второму состоянию квазиравновесия путем регулирования коэффициента передачи управляемого делителя 14 напряжения, осуществляемого изменением цифрового кода на выходах реверсивного счетчика 18. Порядок выполнения операций уравновешивания аналогичен описанному. После достижения второго состояния квазирав- новееия определяются искомые значения параметров емкостного датчика. Коэффициент передачи Ri4 управляемого делителя 14 напряжения пропорционален емкости Са.

Rl4 C2/C0.

Цифровой код FIB на выходах реверсивного счетчика 18 несет информацию об искомом значении емкости С2 Са Fie Со.

Сигнал Fie на выходе компонентного генератора 16 детектора (3) пропорционален емкости Ci схемы замещения, Искомое значение емкости

Ci Fie С0.

Блок 19 умножения осуществляет умножение сигналов Fn и Fie, снимаемых с выходов реверсивных счетчиков 17 и 18. Так как сигнал Fi на выходе реверсивного счетчика 17 соответствует проводимости GolFn Gol регулируемого резистора 4, а условие первого состояния квазиравновесия (2) выполняется при т0 - га, что соответствует равенству Ga GoCa/Co, то после подстановки в последнее выражение значений Go Ft и Са FteCo, получают Ga FV Fia

Блок 20 вычитания после достижения второго состояния квазиравновесия от сигнала FIS с выхода детектора 15 дважды производит вычитание сигналов Fie и Fte, существующих на выходах детектора 16 и реверсивного счетчика 18. Учитывая, что согласно выражению (1) FIS Gi IG0 + С11C0 + + CalCo после выполнения вычитаний сигнал Fao на входе вычитания будет равным F20 FIS - Fie - Fie Gi/Go.

Искомое значение проводимости Gi определяется по цифровому коду Fao на выходе блока 20 вычитания

Gi Fao Go.

Компонентный детектор, например, 15 работает следующим образом .

При питании измерительной цепи частотой с/л на первый вход компаратора 23, являющийся первым входом детектора, поступает напряжение Uy1 sln( t + fn ). Одновременно на второй вход компаратора 23 поступает постоянное напряжение ths.e1 с выхода управляемого делителя 28 напря- жения, которое пропорционально амплитуде Us1 синусоидального напряжения Ue

ив sin( t + ), существующего на втором входе компонентного детектора Uis 6

5 Ri5.6 Us , где Ri5.6 коэффициент передачи управляемого делителя 28 напряжения, регулирование которого осуществляется изменением цифрового кода на его управляющих входах. Компаратором 23 формируются

0 сигналы логической 1, если разность на его входах - Uis.61 больше нуля, или логического О, если разность меньше нуля, С выхода компаратора 23 сигнал поступает на первый вход схемы 32 сравнения, а на его

5 второй вход подаются импульсы, формируемые с помощью фазовращателя 31, сдвигающего входной сигнал на угол л/1 относительно сигнала на его входе и компаратора 26. При этом передний фронт этого импуль0 сэ соответствует моменту времени, при котором значение сигнала Ue1 или Ue является максимальным. Этому моменту времени, например, соответствует мгновенное значение информативного сигнала, равное синфаз5 ной составляющей сигнала U поЪтношению

к сигналу Ue1 - (ti) Ua cos ((pi - ра ) . Для определения отношения синфазной

составляющей Uy1 cos (fn - ) к амплитуде Us с помощью управляемого делителя 28 напряжения устанавливается на втором входе компаратора 23 напряжение

U281 Has Ue1 cos (ф ) . при котором значение коэффициента пере- 5 дачи Ras управляемого делителя 28 напряжения равно

К2В и,г cos ()

50

08

(5)

Для этого схемой 32 сравнения на основании анализа сигналов, получаемых с выходов компараторов 23-26, вырабатываются команды для управления реверсивным счет- чиком 29, Компараторы 24 и 25 служат для однозначного определения направления уравновешивания. Ими формируются импульсы, соответствующие моментам перехода информативных сигналов и Us1

через нулевое значение. Эти импульсы анализируются схемой 32 сравнения. Если первым срабатывает компаратор 24, а затем компаратор 25, то с момента времени, соответствующего срабатыванию компаратора 26 и до срабатывания компаратора 23, импульсы проходят на прямой выход реверсивного счетчика 29. Если при этом первым срабатывает компаратор 23, а затем компаратор 26, то импульсы с выхода генератора 30 проходят на обратный вход реверсивного счетчика 29. Если первым срабатывает компаратор 25, а затем компаратор 24, то при описанной последовательности срабатывания компараторов 23 и 26 направление регулирования цифрового кода на выходе реверсивного счетчика 29 противоположное. При поступлении импульсов на один из входов реверсивного счетчика 29 изменяется значение цифрового кода на управляющих входах управляемого делителя 28 напряжения и соответственно коэффициент передачи R28 до тех пор, пока моменты времени, соответствующие срабатыванию компараторов 23 и 26, не совпадут. Далее при питании измерительной цепи напряжения частотой од коэффициент передачи управляемого делителя 28 фиксируется и, поэтому, на его выходе напряжение U2811 R28 (6)

сравнивается со значением информативного напряжения U в момент времени, соответствующий максимальному значению опорного сигнала U8II Оа и- UT U x

х cos (pj - рв ) . Выполнение равенства

iW-U/cosO11-) 0 свидетельствует о достижении первого состояния квазиравновесия, подставив в последнее выражение значения U28 (6) и R28 (5). Получают

I

i

i

U cos ( -узв ) ц

i i Us

-U7MCOS( -ffc) 0.

равенство, аналогичное выражению (2). Для достижения этого состояния схема 32 сравнения на основании анализа сигналов с выходов компаратора 23-26 вырабатывает команды для управления реверсивным счет- чиКом, например, 17, изменяющим значение образцовой меры в настоящем случае проводимости Go регулируемого резистора 4,

Формула изобретения

1. Преобразователь параметров емкостного датчика, содержащий генератор синусоидального напряжения, первый операционный усилитель, образцовый резистор и образцовый конденсатор, генератор импульсов, причем первые выводы емкостного

датчика и первого образцового резистора присоединены к входу первого операционного усилителя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены второй образцовый конденсатор,

0 регулируемый резистор, устройство уравновешивания, второй и третий операционный усилители с образцовыми резисторами в цепи обратной связи, вычитающее устройство, блок вычитания, управляемый делитель на5 пряжения, два реверсивных счетчика, блок умножения и два компонентных детектора, причем управляемый по частоте генератор синусоидального напряжения соединен с вторым выводом емкостного датчика, а че0 рез первый образцовый конденсатор и регулируемый резистор, а также через второй образцовый конденсатор с входами соответственно второго и третьего операционных усилителей, к выходу первого операционно5 го усилителя присоединены второй вывод первого образцового резистора, первые входы первого компонентного детектора и вычитающего устройства, к выходу второго операционного усилителя непосредственно

0 и через управляемый делитель напряжения - соответственно вторые входы первого компонентного детектора и вычитающего устройства, выходы вычитающего устройства и третьего операционного усилителя соеди5 нены соответственно с первым и вторым входами второго компонентного детектора, управляющие входы второго и первого реверсивных счетчиков подключены к первым выходам соответственно первого и второго

0 компонентов детекторов, к вторым выходам которых присоединены первый и второй входы блока вычитания, выход первого реверсивного счетчика соединен с входом устройства уравновешивания и первым вхо5 дом блока умножения, выход второго реверсивного счетчика - с входами управляемого делителя напряжения, а также - с третьим входом блока вычитания и вторым входом блока умножения, к входам реверсивных

0 счетчиков подключен генератор импульсов, выход которого соединен также через делитель частоты с управляющим входом генератора синусоидального напряжения.

2. Преобразователь по п.1. о т л и ч а ю5 щ и и с я тем, что компонентный детектор, представляющий собой разностный детектор вещественных составляющих отношений двух напряжений на двух частотах, содержит четыре компаратора, преобразователь переменного напряжения в постоянное, управляемый делитель напряжения, реверсивный счетчик, генератор импульсов, фазовращатель и схему сравнения, причем первые входы первого и второго компараторов объединены и являются первым входом компонентного детектора, первый вход третьего компаратора соединен через фазовращатель и преобразователь переменного напряжения в постоянное соответственно с первым входом четвертого компаратора и входом управляемого делителя напряжения, вторые входы второго, третьего и

0

четвертого компараторов заземлены, выходы четырех компараторов подключены к схеме сравнения, выходы реверсивного счетчика, являющиеся первым выходом компонентного детектора, соединены с управляющими входами управляемого делителя напряжения, а счетный и управляющие входы реверсивного счетчика подключены соответственно к генератору импульсов и схеме сравнения, второй выход которого является вторым выходом компонентного детектора.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля состава и свойств материалов Целью изобретения является повышение точности. Преобразователь параметров емкостного датчика содержит импульсный и синусоидальный генераторы, делитель напряжения, емкостный датчик, образцовые конденсаторы и резисторы, операционные усилители, реверсивные счетчики, компонентные детекторы, делитель, умножитель, устройства вычитания, уравновешивания. Повышение точности достигается за счет реализации устройством метода прямого сравнения уравновешиванием. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Фиг. I

Фие.2