Измерительный преобразователь с емкостным датчиком Советский патент 1992 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к технике измерения неэлектрических величин электрическими методами, предназначено для преобразования параметров емкостного датчика в изменение выходного электрического напряжения и может быть использовано для измерения, например, угла поворота, перемещений, уровень веществ, их влажности и т.д.

Известен преобразователь с использованием моста с тесной индуктивной связью, который содержит генератор синусоидального напряжения стабилизированной амплитуды, рабочий и образцовый конденсаторы, преобразователь постоянного напряжения в синусоидальное, усилитель, фазочувствительный детектор.

Недостатком известного устройства является его сложность и нетехнологичность изготовления из-за наличия большого количества намоточных элементов.

Известен измерительный преобразователь меэлектрических величин с емкостным датчиком, содержащий генератор переменного напряжения, измерительный и образцовый конденсаторы, операционный усилитель.

Недостаток преобразователя - низкая точность преобразования, обусловленная нестабильностью генератора синусоидального напряжения.

Известен измерительный преобразователь неэлёктрических величин с емкостным датчиком, содержащий источник постоянного стабильного напряжения, рабочий и образцовый конденсаторы, два коммутатора, усилитель, фазочувствительный детектор и генератор прямоугольных импульсов.

Недостатком преобразователя является малый диапазон измерения, ограниченный уровнем выходного напряжения, соответствующего начальному значению емкости датчика, и максимально допустимым выходным напряжением устройства.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является преобразователь емкости в напряжение, содержащий источник постоянного стабильного напряжения, емкостный датчик и образцовый конденсатор, на которые подаются импульсы напряжения, формируемые с помощью коммутаторов из опорного и выходного напряжения, преобразователь заряда в напряжение, дискретный интегратор и генератор прямоугольных импульсов.

Недостатком известного преобразователя является малый диапазон преобразо: вания емкости в напряжение, который ограничен уровнем выходного напряжения, соответствующего начальному значению

емкости датчика, и максимально допустимым выходным напряжением.

Цель изобретения - расширение диапазона преобразования.

Поставленная цель достигается путем обеспечения частичной компенсации заряда измерительного емкостного датчика. Конструктивно это реализовано следующим образом. В измерительный преобразова0 тель емкости в напряжение, содержащий источник постоянного стабильного напряжения, два коммутатора, измерительный датчик и образцовый конденсатор, преобразователь заряда в напряжение, дискретный

5 интегратор и генератор прямоугольных импульсов, введены второй источник постоянного стабильного напряжения, полярность которого противоположна полярности первого источника напряжения, третий комму0 татор и второй образцовый конденсатор, потенциальный электрод которого соединен с выходом третьего коммутатора, управляющий вход которого соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов, пер5 вые информационные входы первого и третьего коммутаторомсоединены, соответственно, с выходами первого и второго источников постоянного стабильного напряжения, первый информационный вход

0 второго коммутатора соединен с выходом дискретного интегратора, второй информационный вход третьего коммутатора соединен с общей шиной.

На фиг. 1 изображена структурная схе5 ма преобразователя емкости в напряжение;

на фиг. 2 - выходные характеристики преобразователя при различных режимах работы.

Преобразователь содержит источник 1

постоянного .стабильного напряжения, вто0 рой источник 2 постоянного стабильного на- пряжения, полярность которого противоположна полярности первого, коммутаторы 3-5, измерительный емкостный датчик б, первый и второй образцовые кон5 денсаторы 7 и 8, преобразователь 9 заряда в напряжение, дискретный интегратор 10 и генератор 11 прямоугольных импульсов. Токовые электроды емкостного датчика 6 и первого и второго образцовых конденсато0 ров 7 и 8 соединены вместе и подключены через преобразователь 9 заряда к дискретному интегратору 10. Потенциальные электроды измерительного емкостного датчика 6 и образцовых конденсаторов 7 и 8 соедине5 ны с выходами коммутаторов 3-5. Первые информационные входы коммутаторов 3 и 5 соединены соответственно с выходами первого 1 и второго 2 источников постоянного стабильного напряжения, первый информационный вход коммутатора 4 соединен с

выходом дискретного интегратора. Вторые информационные входы коммутаторов 3-5 соединены с общей шиной устройства Выход генератора 11 прямоугольных импульсов соединен с управляющими входами коммутаторов 3-5 и управляющим входом дискретного интегратора 10.

Преобразователь работает следующим образом.

На потенциальные электроды измерительного датчика 6 и образцового конденсатора 8 подаются прямоугольные импульсы противоположной полярности, формируемые коммутатором 3 из напряжения Uoi источника 1 постоянного стабильного напряжения и коммутатором 5 из напряжения Uo2 источника 2 постоянного стабильного напряжения. На потенциальный электрод образцового конденсатора 7 поступают прямоугольные импульсы, формируемые коммутатором 4 из выходного напряжения 1)Вых измерительного преобразователя. Коммутаторы управляются генератором 11 прямоугольных импульсов. Алгебраическая сумма зарядов, образующихся на датчике и обоих образцовых конденсаторах, преобразуется преобразователем 9 заряда в импульсные напряжения, которые накапливаются в дискретном интеграторе 10. Изменение емкости измерительного датчика, обусловленное изменением контролируемого параметра, приводит к разбалансу зарядов на входе преобразователя 9 заряда, который компенсируется за счет изменения выходного на- пряжения дискретного интегратора 10.

Установившийся режим работы устройства характеризуется равенством

Uoi€6 - Uo2Ce -ивыхСу,(1)

где Do 1 и Uoa - соответственно напряжения первого (положительного) и второго (отрицательного) источников постоянного стабильного напряжения;

Се - емкость датчика;

С и Се - значения емкостей первого и второго образцовых конденсаторов (индексы соответствуют обозначениям конденсаторов на фиг. 1).

Знак выходного напряжения устройства противоположен знаку заряда, определяемого левой частью равенства (1).

Передаточная функция устройства имеет вид

,. Uoi Ce-Uo2 Се/Ол

ивых .Ц)

В частном случае, подобрав /Uoi/ /UK/, можно записать

и I |Л. С6 С8 Uubix - Uoi Ј-.

Получаемое расширение диапазона преобразования в предлагаемом устройстве можно пояснить с помощью графика на фиг. 2, выходные характеристики на кото- 5 ром даны для неизменной чувствительности преобразователя (С const). Характеристика 1 на фиг. 2 соответствует передаточной характеристике известного устройства, опиСвQ сываемой выражением ивых -Uoi (при

Uo2C8 0).

Емкость датчика Се можно представить в виде

Се Сбн + АСб,

5 где Сбн - начальная емкость датчика (например, емкость незаполненного .датчика уровня, емкость незаполненного или заполненного обезвоженной средой датчика и т.п.):

0ДСб - приращение емкости датчика за

счет изменения контролируемого параметра.

При подключении к преобразователю датчика с начальной емкостью Сбн на выхо5 де его появится напряжение, что будет соответствовать. нижнему пределу изменения емкости датчика. Верхний же предел изменения емкости датчика будет соответствовать максимальному напряжению Unbtx макс

0 на выходе преобразователя и для характеристики 1 его значение будет Сбк1. Диапазон измерения, по емкости при этом составит А Се Сбк1 - Сбн (так, например, в известном преобразователе выходное на5 пряжение преобразователя меняется от ивых - 2,25 до иВых макс 9,0 В при изменении емкости датчика от См 5 пФ до Ск 20 пФ; при этом чувствительность преобразователя составит S 0,45 В/пФ.

0 Учитывая, что знак заряда на входе преобразователя 9 зарядов не изменяется в процессе работы, напряжение на выходе всего устройства также не будет менять своего знака.

5 ; При подключении второго источника 2 постоянного стабильного напряжения и второго образцового конденсатора 8 происходит частичная компенсация зарядов на входе преобразователя 9 зарядов, а соот0 ветственно и уменьшается выходное напряжение. В частном случае можно подобрать Uo2 или Се таким образом, чтобы UoiCe ио2Сз; тогда ивых 0, а для достижения ивыхмакс емкость датчика должна принять

5 значение Сбк2 (характеристика 2 на фиг. 2). Диапазон измерения в этом случае составляет А Сб Сбк2 - Сбн, что свидетельствует о его расширении по сравнению с предыдущим случаем.

Значения Uo2 и Се можно выбрать таким образом, чтобы напряжение на выходе преобразователя при начальной емкости датчика Сбн, составило - Увых макс. При этом значение +ивых макс достигает при емкости датчика Сбкз (характеристика 3 на фиг. 2|. а диапазон изменения составляет АСе Сбк.- Сбн (например, при сохранении прежней чувствительности преобразования S 0,45 8/пФ и изменении выходного напряжения Увых от -9 В до +9 В можно регистрировать изменение емкости датчика Л Ы до 40 пФ, что превышает указанный первоначальный диапазон Д Се 15 пФ более чем в 2,5 раза).

Настройку преобразователя можно производить при заданном или предварительно определенном диапазоне изменения емкости датчика. В этом случае величины напряжения источника 2 постоянного стабильного напряжения в емкости Cs .второго образцового конденсатора 8 выбирают из условия Uoi (Сбн + 2 АСб Uo2Cs,

а затем значение емкости Су первого образцового конденсатора 7 выбирают при значе- нии максимального по абсолютной величине выходного напряжения преобразователя при величине емкости датчика, равной Сбн или Сбн + ДСе .

Таким образом, предлагаемый преобразователь емкости в напряжение позволяет существенно расширить диапазон измерения емкости датчика. Дополнительное преимущество предлагаемого преобразователя проявляется в возможности использования его с датчиками, имеющими сравнительно большую начальную емкость, что косвенно может обеспечить и расширение области его применения.

Формула изо бретени я Измерительный преобразователь с емкостным датчиком, содержащий первый источник постоянного стабильного напряжения, два коммутатора, измерительный емкостной датчик, первый образцовый конденсатор, преобразователь заряда в напряжение, дискретный интегратор, генератор прямоугольных импульсов, причем токовые электроды измерительного емкостного датчика и первого образцового конденсатора соединены и подключены через

преобразователь заряда в напряжение к входу дискретного интегратора, потенциальные электроды измерительного емкостного датчика и первого образцового конденсатора соединены соответственно с

выходами первого и второго коммутаторов, вторые информационные входы первого и второго коммутаторов подсоединены к общей шине преобразователя, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с

управляющими входами первого и второго коммутаторов и дискретного интегратора, выход которого является выходом устройства, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона преобразования,

дополнительно введены второй источник постоянного стабильного напряжения, полярность которого противоположна полярности первого источника постоянного стабильного напряжения, третий коммутаТОР и второй образцовый конденсатор, потенциальный электрод которого соединен с выходом третьего коммутатора, управляющий вход которого соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов,

первые информационные входы первого и третьего коммутаторов соединены соответственно с выходами первого И второго источников постоянного стабильного напряжения, первый информационный вход

второго коммутатора соединен с выходом дискретного интегратора, второй информационный вход третьего коммутатора соединен с общей шиной устройства.

4«

А/Г

ЯА

bfXMdto

UA,

&btX.Mui&

Фиг. 2

Изобретение относится к технике изме- . рения неэлектрических величин электрическими методами и предназначено для преобразования параметров емкостного датчика в изменение выходного напряжения. Целью изобретения является расширение диапазона преобразования емкости в напряжение. Измерительный преобразователь с емкостным датчиком содержит первый источник 1 постоянного стабильного напряжения, первый 3 и второй 4 коммутаторы, измерительный емкостный датчик 6, первый образцовый конденсатор 7, преобразователь 9 заряда в напряжение, дискретный интегратор 10, генератор 11 прямоугольных импульсов. Введение второго источника 2 постоянного стабильного напряжения, третьего коммутатора 5 и второго образцового конденсатора 8 позволяет частично компенсировать заряд емкостного датчика на входе преобразователя заряда, что существенно расширяет диапазон измерения емкости датчика. 2 ил.