Измерительный преобразователь емкостного датчика Советский патент 1991 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения параметров электрических цепей.

Цель изобретения - повышение точно- сти измерения.

На фиг,1 приведена функциональная электрическая схема измерительного преобразователя емкостного датчика; на фиг.2 иЗ -эпюры напряжений в различных точках измерительного преобразователя емкостного датчика.

Измерительный преобразователь емкостного датчика содержит источник 1 опорного напряжения, первый 2, второй 3, третий 4 коммутаторы, образцовый конденсатор 5, емкостный датчик 6, включающий емкостный 7, резистивный 8 элементы, первый разделительный конденсатор 9, образцовый резистор 10, усилитель 11 сигнала неравновесия измерительной цепи, включающий операционный усилитель 11, первый конденсатор 12, резистор 13 обратной связи, операционный усилитель 14, первый синхронный детектор 15, включающий вто- рой разделительный конденсатор 16, четвертый 17 и пятый 18 коммутаторы, второй конденсатор 19, второй операционный усилитель 20, второй синхронный детектор 21, включающий третий разделительный кон- денсатор 22, шестой коммутатор 23, третий конденсатор 24, третий операционный усилитель 25, блок управления 26, включающий времязадающий конденсатор 27, резистор 28, первый 29, второй 30 элементы 2И - НЕ, первый триггер 31, третий элемент 2И 32, второй триггер 33, первый 34 и второй 35 элементы 2И.

Выходы положительного и отрицательного напряжения источника 1 соединены соответ- ственно с первым и вторым информационными входами коммутатора 3. Первые информационные входы коммутаторов 2 и 4 соединены с общей шиной устройства, а выходы коммутаторов 2 и 3 соединены соответствен- но с потенциальными выводами образцового конденсатора 5 и емкостного датчика 6. Выход коммутатора 4 через разделительный

конденсатор 9 соединен с потенциальным выводом образцового резистора 10. Токовые выводы образцового конденсатора 5, емкостного датчика 6 и образцового резистора 10 соединены со входом усилителя сигнала неравновесия измерительной цепи (УСН) 11, выход которого соединен с инфор- мационными входами синхронных детекторов (СД) 15 и 21. Выход синхронного детектора 15 соединен со вторым информационным входом коммутатора 2 и является первым выходом преобразователя, а выход СД 21 соединен со вторым информационным входом коммутатора 4 и является вторым выходом преобразователя. Выходы управления коммутаторов 2,3 и 4 соединены с первым выходом блока управления (БУ) 26, вход управления СД21 соединен со вторым выходом БУ 26. Первый и второй входы управления СД 15 соединены соответственно с тоетьим и четвертым выходами БУ 26,

Элементы 7 и 8 соединены параллельно и имитируют измеряемую емкость и активную проводимость емкостного датчика 6, вход которого соединен с выходом переключателя коммутатора 3, а выход с входом усилителя 14.

Первые выводы конденсатора 12 и резистора 13 соединены с инвертирующим входом операционного усилителя (ОУ) 14 и являются входом УСН 11, вторые выводы конденсатора 12 и резистора 13 соединены с выходом ОУ 14 и являются выходом УСН 11, неинвертирующий вход ОУ 14 соединен с общей шиной устройства.

Вход разделительного конденсатора 16 является информационным входом СД 15, входы коммутаторов (ключей) 17 и 18 являются соответственно первым и вторым входами управления СД 15. Подвижные контакты ключей 17 и 18 соединены со вторым выводом разделительного конденсатора 16, неподвижный контакт ключа 18 соединен с неинвертирующим входом ОУ 20 и подключен к общей шине устройства. Неподвижный контакт ключа 17 соединен с первым выводом запоминающего конденсатора 19 и инвертирующим входом ОУ 20.

выход которого соединен со вторым выводом конденсатора 19 и является выходом СД15.

Вход разделительного конденсатора 22 является информационным входом СД 21, второй вывод разделительного конденсатора 22 соединен с подвижным контактом коммутатора 23, первый неподвижный контакт которого соединен с инвертирующим входом ОУ 25, и первым выводом конденса- тора 24, второй неподвижный контакт коммутатора 23 соединен с неинвертир ующим входом ОУ 25 и подключен к общей шине устройства, выход ОУ соединен со вторым, выводом конденсатора 24 и является выходом СД 21.

Первые выводы времязадающего конденсатора 27 и резистора 28 соединены между собой и подключены ко входам элемента 2И - НЕ 29. второй вывод резистора 28 соединен со входами элемента 2И - НЕ

30и подключен ко второму входу элемента 2И 32. Выход элемента 2И- НЕ 30 соединен со вторым выводом конденсатора 27 и Т - входом триггера 31. Неинвертирующий выход триггера 31 соединен с первым входом элемента 2И 32 и Т - входом триггера 33, а также является первым выходом БУ 26. Выход элементаа 2И 32 соединен с первым входом элемента 2И 34 и вторым входом элемента 2И 35, второй вход элемента 2И 34 и первый вход элемента 2И 35 соединены соответственно с неинвертирующим и инвертирующим выходами Т - триггера 33, причем выходы элементов 34 и 35 являются соответственно вторым и третьим выходами БУ 26. Инвертирующий выход Т - триггера

31является четвертым выходом БУ 26.

Измерительный преобразователь емкостного датчика работает следующим образом.

На элементах 29,30,27 и 28 реализован генератор прямоугольного напряжения, форма выходного напряжения, снимаемого с выхода элемента 2И - НЕ 30, изображена на фиг.2.1. Это напряжение подается на вход Т-триггера 31. Выходное напряжение, снимаемое с неинвертирующего выхода триггера 31 (фиг.2.2), управляет работой коммутаторов 2,3 и 4 и определяет цикл работы преобразователя,

Выходное напряжение элемента 2И 32 (фиг.2.4) задает временные интервалы уравновешивания, которые формируются после окончания переходного процесса в измерительной цепи преобразователя. Выходное напряжение, снимаемое с выходов Т-триггера 33 (выходное напряжение, снимаемое с неинвертирующего выхода Т - триггера 33 изображено на фиг.2.3) задает такт работы

преобразователя, обеспечивая независимость процессов уравновешивания как по активной, так и по реактивной составляющей сопротивления емкостного датчика. Форма выходных напряжений, формируемых на выходах элементов 2И 34 и 35, изображена соответственно на фиг.2.5 и 2.6. Эти напряжения поочередно управляют работой СД 15 и СД 21. При недоксмпенсации активной составляющей комплексного сопротивления емкостного датчика, обусловленного наличием паразитного резистивного элемента 8 (резистора), на выходе УСН 11 формируется сигнал, в котором присутствует линейно-изменяющаяся составляющая. Форма выходного напряжения УСН в момент переходного процесса в устройстве, обусловленного уравновешиванием обоих составляющих комплексного сопротивления емкостного датчика 6, изображена на фиг.2.7. Данная линейно-изменяющаяся составляющая выходного напряжения УСН 11, через конденсатор 22 (в момент срабатывания коммутатора 23 управляемого сигналом логической единицы с выхода элемента 2И 34) подается на вход ОУ 25, изменяет его выходное напряжение и уравновешивает ток, протекающий через паразитный резистор 8. В качестве образцовой меры активного сопротивления использован образцовый резистор 10. Назначение разделительного конденсатора 9 (Сэ) - Формирование двухполярного тока, протекающего через образцовый резистор 8 При этом должно выполняться требование: T«RoCg, где Т - половина периода выходного напряжения, снимаемое с выхода Т - триггера 31. Процесс уравновешивания реактивной составляющей емкостного датчика 6 заключается в приведении переменной составляющей выходного напряжения УСН 11 к нулевому значению. Это достигается передачей заряда разделительного конденсатора 16 на инвертирующий вход ОУ 20, входящего в состав СД 15. Достижение состояния равновесия в устройстве заключается в уравновешивании зарядов на измеряемом 7 и образцовом 5 конденсаторах, а также равновесии токов, протекающих через резистор 8 и образцовый резистор 10. В этом случае функции преобразования данного устройства представляют собой выражение:

Uebix.1 Uon

Re

ивых.2 --и0п ,(1)

Сх

Со Rx где ивых.1 - выходное напряжение преобразователя, снимаемое с выхода СД 15;

ивых.2 - выходное напряжение преобразователя, снимаемое с выхода СД 21;

Don величина напряжения, снимаемого с выходов ИОН 1 с учетом того, что величина напряжений на выходах ИОН 1 относительно общей шины преобразователя равна Uon/2;

Сх - емкость элемента 7 емкостного датчика б;

С0 - величина сопротивления элемента 8., шунтирующего емкостной датчик 6;

Ro величина сопротивления образцового резистора 10.

Поочередно уравновешивание каждой из составляющих комплексного сопротивления измеряемого емкостного датчика (которое задано алгоритмом работы блока управления) описывается линейными уравнениями:

. О ( 1 - Со )П1 +

+ (

1 -Cc

Cl6 nl -I C12C19/ J

(2)

C22tT n2 ,

()

t C22 n2 I

+ 1 + (i -тНгт-П

Rx C12 C24 Cl2 C24 / J

где m - число тактов уравновешивания измеряемой емкости элемента 7;

nz - число тактов уравновешивания ре- зистивного элемента 8;

ивых1 0, произвольные значения выходных напряжений СД 15 и СД 21 до начала измерения (начальные условия);

Ci2,Ci6,Cig,C22 - величина емкости конденсаторов 12,16,19,22;

г- длительность временного интервала (снимаемого с выхода логического элемента 2И 34) сигнала управления работой СД21.

Форма выходных напряжений в момент переходного процесса, обусловленного уравновешиванием устройства UBuxi ni - несущее информацию об измеряемой емкости 7 датчика и 0Вых2 п2 - несущее информацию о величине сопротивления элемента 8, шунтирующего датчик, при значении а 1 и ai 1 , приведены на фиг.2.8 и 2,9, где: «1 CoCi6/Ci2Cig- коэффициент передачи контура отрицательной обратной связи и цепи уравновешивания заряда измеряемой емкости 7; 02 С22 т /RoCi2C2 - коэффициент передачи контура отрицательной обратной связи цепи уравновешивания тока, протекающего через элемент 8.

Анализируя выражение (2) можно сделать вывод, что: а) при щ ,ai 1 работа преобразователи аппроксимируется инерционным звеном первого порядка (фиг.2.8 и

2.9); б) при щ -az 1 преобразователь уравновешивается за три периода, причем один цикл требуется для уравновешивания активной составляющей емкостного датчика и два цикла для

уравновешивания реактивной составляющей комплексного сопротивления емкостного датчика (в данном случае переходный процесс называется критическим); в) при 2 «1 -переходный

процесс носит затухающий колебательный характер; г) при а, ai 2 , преобразователь самовозбуждается и переходит в автоколебательный режим.

В результате использования данного

технического решения осуществляется возможность создания простых измерительных преобразователей комплексного сопротивления, представленного двухэлементной схемой замещения, с высокими метрологическими характеристиками.

Формула изобретения 1. Измерительный преобразователь емкостного датчика, содержащий первый операционный усилитель, который имеет цепь

обратной связи между первым входом и вы- ходом и второй вход которого соединен с общей шиной преобразователя и первый синхронный детектор соединенные последовательно, второй синхронный детектор,

первая и вторая клеммы для подключения емкостного датчика, причем первая клемма соединена с входом первого операционного усилителя, а выходы первого и второго синхронных детекторов являются соответст0

венно первым и вторым выходами

измерительного преобразователя емкостного датчика, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, введены источник опорного напряжения, первый, второй

и третий коммутаторы, первый конденсатор, образцовый конденсатор, образцовый резистор, первый разделительный конденсатор и блокупрзвления, причем первый вход блока управления соединен с входами управления первого, второго и третьего коммутаторов, второй выход блока управления соединен с входом управления второго синхронного детектора, третий и четвертый выходы блока управления соединены соответственно с первым и вторым входами управления первого синхронного детектора, первые информационные входы первого и третьего коммутаторов соединены с общей шиной измерительного преобразователя

емкостного датчика, вторые информационные входы их соединены соответственно с выходом первого и второго синхронных детекторов, первый и второй выходы источника опорного напряжения соединены соответственно с первым и вторым информационными входами второго коммутатора, выход которого соединен с второй клеммой для подключения емкостного датчика, выход первого коммутатора через образцовый конденсатор, а выход третьего коммутатора - через последовательно соединенные разделительный конденсатор и образцовый резистор, соединены с входом первого операционного усилителя, вход второго синхронного детектора соединен с входом первого синхронного детектора, а первый конденсатор включен параллельно цепи обратной связи первого операционного усилителя.

2,Преобразователь по п. 1, от л и ч а ю- щ и и с я тем, что первый синхронный детектор содержит четвертый и пятый коммутаторы, второй операционный усилитель, второй конденсатор, второй разделитель- ный конденсатор, причем вход второго разделительного конденсатора соединен с входом первого синхронного детектора, выход его соединен с информационным входом четвертого и пятого коммутаторов, вы- ходы которых соответственно соединены с первым и вторым входами второго операционного усилителя, первый вход второго операционного усилителя через второй конденсатор соединен с его выходом, а вто- рой вход его соединен с общей шиной преобразователя, выход второго операционного усилителя соединен с выходом первого синхронного детектора, управляющие входы четвертого и пятого коммутаторов со- ответственно соединены с первым и вторым входами управления первого синхронного детектора.

3.Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ющ и и с я тем, что второй синхронный детек- тор содержит третий операционный усилитель, третий конденсатор, третий разрядный конденсатор, шестой коммутатор, причем вход третьего разделительного конденсатора соединен с входом второго синхронного детектора, выход его соединен с информационным входом шестого ключа, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами третьего операционного усилителя, первый вход которого соединен через третий конденсатор с его выходом, а второй вход его - с общей шиной преобразователя, выход третьего операционного усилителя соединен с выходом второго синхронного детектора, управляющий вход шестого коммутатора соединен с входом управления второго синхронного детектора.

4. Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что блок управления содержит времязадающий конденсатор, резистор, первый и второй элементы 21/1 - НЕ, первый и второй триггеры, первый, второй и третий элементы 2И, причем выход первого элемента 2И - НЕ соединен последовательно с вторым элементом 2И - НЕ, первым триггером, вторым триггером, вторым входом первого элемента 2И, выход которого соединен с вторым выходом блока управления, первые клеммы времязадающего конденсатора и резистора соединены с входом перпого элемента 2И - НЕ, вторые клеммы которых соответственно соединены с выходом и входом второго элемента 2И - НЕ, выход первого триггера соединен с первым выходом блока управления, второй выход второго триггера соединен с первым входом второго элемента 2И, выход которого соединен с третьим выходом блока управления, второй выход первого триггера соединен с четвертым выходом блока управления, первый выход триггера через первый вход третьего элемента 2И соединен с первым входом первого элемента 2И и вторым входом второго элемента 2И, второй выход второго триггера соединен с пятым выходом блока управления.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам кон- троля и измерения параметров электрических цепей. Целью изобретения является повышение точности измерения. Преобразователь содержит источник 1 опорных напряжений, три коммутатора 2,3 и 4, измеряемый емкостной датчик 6, представленный двухэлементной схемой замещения, содержащей информативный емкостной элемент 7 и резистивный элемент 8, образцовые элементы - конденсатор 5 и резистор 10, разделительный конденсатор 9, усилитель 11 сигнала неравновесия измерительной цепи, выход которого соединен с информационными входами синхронных детекторов 15 и 21. Синхронный детектор 15 выполняет функ