Измерительный преобразователь емкости датчика Советский патент 1992 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к измерительной и преобразовательной технике и может найти применение в устройствах преобразования физических величин с емкостными датчиками.

Известен преобразователь емкости датчика, содержащий датчик, генератор переменного напряжения, электронный ключ, диодно-резистивные цепи, фильтр низкой частоты и сумматоры (авт.св. № 1026081, кл. G01 R 27/26, 1983).

Недостатками известного преобразователя являются низкие чувствительность и помехоустойчивость, обусловленные тем, что для получения информации о емкости датчика используется только процесс разряда этой емкости. Кроме того, известный пре- образователь имеет низкую точность.

которая обусловлена влиянием паразитных емкостей соединительных проводов, подключающих емкостной датчик к преобразователю.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является измерительный преобразователь емкости датчика, описанный в патенте США №4142144, кл. G01 R 27/26. 1979.

Устройство-прототип содержит генератор переменного напряжения, вывод которого соединен с выводом емкостного датчика, диод, соединенный своими выводами встречно-параллельно базо-эмиттер- ному переходу транзистора, база которого подключена к другому выводу генератора переменного напряжения, эмиттер соединен с вторым электродом емкостного датчиVIел

00 СП

о

Јь

ка, первый вывод которого подключен к общей шине , а коллектор транзистора является выходом преобразователя.

Работа устройства-прототипа заключается в следующем. Переменное напряжение с выхода генератора поступает на базу транзистора, который в зависимости от соотношения напряжений на его базе и эмиттере оказывается в проводящем или непроводящем состоянии, Поскольку в качестве эмит- терной нагрузки транзистора служит конденсатор датчика, то в течение времени, когда транзистор проводит ток, его эмиттер- ный ток, а следовательно, и ток коллектора будут пропорциональны емкости конденсатора датчика. В период времени, когда транзистор находится в непроводящем состоянии, конденсатор датчика перезаряжается через диод напряжением с выхода генератора переменного напряжения.

Основным недостатком устройства- прототипа является невысокая точность преобразования, обусловленная прямым влиянием паразитной емкости кабеля, соединяющего датчик с преобразователем, а также низкой чувствительностью, так как транзистор находится в проводящем состоянии только в один полупериод выходного напряжения генератора.

Целью изобретения является повышение точности за счет уменьшения паразитных емкостей на результат преобразования.

Нафиг.1. представлена блок-схема измерительного преобразователя емкости датчика.

Измерительный преобразователь емкости датчика содержит генератор 1 переменного напряжения, емкостной датчик 2, первый и второй диоды 3 и А, первый и второй, комплементарный первому, транзисторы 5 и 6, дифференциальный усилитель 7, зеркало 8 вытекающего и зеркало 9 втекающего токов, преобразователь 10 разности токов в напряжение.

Вывод генератора 1 переменного напряжения соединен с выводом емкостного датчика 2, первый и второй диоды 3 и 4 соединены своими выводами встречно-параллельно базо-эмиттерным переходам соответственно первого и второго транзисторов 5 и 6, инвертирующий вход дифференциального усилителя 7 соединен с базами первого и второго транзисторов 5, 6 и с вторым выводом емкостного датчика 2, неинвертирующий вход дифференциального усилителя 7 соединен с вторым выводом генератора 1 переменного напряжения и с общей шиной 11, а выход соединен с эмиттерами первого и второго транзисторов 4 и 5, входы зеркал вытекающего и втекающего

токов 8 и 9 соединены соответственно с коллекторами первого и второго транзисторов 5 и 6, а выходы соответственно соединены с входами суммирования и вычитания

преобразователя 10 риазности токов в па- пряжение, выход которого является выходом преобразователя.

На фиг. 2 представлена блок-схема преобразователя 10 разности токов в напряжение.

Преобразователь разности токов в напряжение Юсодерхсит второй дифференциальный усилитель 12, инвертирующий t- неинвертирующий входы которого являются соответствующими входами преобразователя 10 разности токов в напряжение, причем неинвертирующий вход второго дифференциального усилителя 12 соединен с вы водами резистора 13 и конденсатора 14,

вторые выводы которых соединены с общей шиной 11, инвертирующий вход соединен с выводами вторых резистора 15 и конденсатора 16, вторые выводы которых соединены с выходом второго дифференциального усилителя 12, являющегося выходом преобразователя 10 разности токов в напряжение.

Измерительный преобразователь емкости датчика работает следующим образом. Переменное напряжение с первого вывода

генератора 1 поступает на первый вывод емкостного датчика 2, на втором выводе которого первый дифференциальный усилитель 7 поддерживает потенциал общей шины 11.

Под воздействием переменного напряжения, приложенного к выводам емкостного датчика 2, через него протекает ток, который далее протекает в разные полупериоды через первый и второй диоды 3 и 4.

При протекании тока через первый и второй диоды 3, 4 на них создается падение напря жения, которое прикладывается к базо- эмиттериым переходам первого и второго транзисторов 5 и 6, переводя их попеременно в активный режим. При этом токи коллекторов первого и второго транзисторов 5 и 6 будут примерно равны токам, протекающим соответственно через второй и первый диоды 4 и 3.

Коллекторные токи первого и второго транзисторов 5, б поступают на входы соответственно зеркала 8 вытекающего тока и зеркала 9 втекающего токов, выходные токи которых соответственно равны:

,22 Um -f С;

19«-2,22 -Um -f С

0)

где Um и f - амплитуда и частота выходного напряжения генератора 1;

С - емкость конденсатора датчика 2.

Выходные токи зеркала 8 вытекающего и зеркала 9 втекающего токов по- ступают соответственно на входы суммирования и вычитания преобразователя 10 разности токов в напряжение, выполненного на базе второго дифференциального усилителя 12 (фиг. 2), выходное напряжение которого

ию«4,44Кю -Um -f С,

где Кю- коэффициент пропорциональности преобразователя 10 разности токов в напряжение, равный по величине значению сопротивления первого и второго резисторов 13, 15().

Емкость кабеля, соединяющего первый вывод емкостного датчика 2 с первым выводом генератора 1 переменного напряжения, не влияет на результат преобразования, а является лишь нагрузкой генератора 1. Влияние емкости кабеля, соединяющего второй вывод датчика 2 со схемой преобразователя, в предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом существенно уменьшено. Это обусловлено тем, что потенциал второго вывода датчика 2 за счет глубокой отрица- тельной связи дифференциального усилителя 7 поддерживается равным потенциалу общей шины 11. То есть обкладки паразитной емкости кабеля оказываются равнопо- тенциальными, что и уменьшает ее влияние на результат преобразования.

Кроме того, из выражения (2) также видно, что выходное напряжение преобразователя 10 разности токов в напряжение получено в результате преобразования пол- ноготока, протекающего через конденсатор датчика 2. То есть при прочих равных условиях по сравнению с прототипом преобразователь обладает вдвое большей чувствительностью.

Таким образом, точность преобразования повышена за счет уменьшения влияния паразитных емкостей кабеля и повышения чувствительности.

5Ю

15 2025зо 35

40 45

Формула изобретения

1.Измерительный преобразователь емкости датчика, содержащий генератор переменного напряжения, выход которого соединен с выводом емкостного датчика, диод, соединенный своими выводами встречно-параллельно базо-эмиттерному переходу транзистора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности за счет уменьшения влияния паразитных емкостей, в него введены второй, комплементарный первому, транзистор, второй диод, дифференциальный усилитель, зеркало втекающего и зеркало вытекающего токов, преобразователь разности токов в напряжение, причем второй диод соединен своими выводами встречно-параллельно базо-эмиттерному переходу второго транзистора, инвертирующий вход дифференциального усилителя соединен с базами первого и второго транзисторов и с вторым выводом емкостного датчика, неинвертирующий вход соединен с вторым выводом генератора переменного напряжения и с общей шиной, а выход соединен с эмиттерами первого и второго транзисторов, входы зеркал вытекающего и втекающего токов соединены соответственно с коллекторами первого и второго транзисторов, а выходы соответственно соединены с входами суммирования и вычитания преобразователя риэзности токов в напряжение, выход которого является выходом преобразователя.

2.Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что преобразователь разности токов в напряжение содержит второй дифференциальный усилитель, инвертирующий и неинвертирующий входы которого являются соответствующими входами преобразователя разности токов в напряжение,0 причем неинвертирующий вход второго дифференциального усилителя соединен с выводами резистора и конденсатора, вторые выводы которых соединены с общей шиной, инвертирующий вход соединен с выводами вторых резистора и конденсатора, вторые выводы которых соединены с выходом второго дифференциального усилителя, являющегося выходом преобразователя.

Измерительный преобразователь емкости датчика предназначен для преобразования физических величин. Цель изобретения - повышение точности преобразования путем уменьшения влияния паразитных емкостей. Генератор 1 переменного тока соединен с выводом емкостного датчика 2, другим вы водом-с об щей шиной, второй ввод датчика соединен с базой транзистора 4 с встречно-параллельным базовому переходу выключенным диодом 3, с базой второго транзистора 5, имеющего последовательно-параллельно базо-эмиттер- ному переходу включенный диод 6, и с инвертирующим входом усилителя 7, коллекторы первого и второго транзисторов соединены соответственно с входами зеркал 8, 6 вытекающего и втекающих токов, их выходы соответственно соединены с входами преобразователя 10 разности токов в напряжение, выход которого является выходом всего преобразователя, причем второй выход генератора 1 соединен с входом дифференциального усилителя 7. 2 ил. СП с

Фиг.1

11

13

ft

10

1

16