Способ преобразования емкости дифференциального датчика Советский патент 1992 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к преобразователям для емкостных датчиков. Оно может быть использовано при измерении перемещений, давления и других физических величин.

Известен способ, основанный на периодическом перезаряде емкости датчика и формировании результата в виде разности напряжений, пропорциональных емкости датчика.

Недостатком известного способа является низкая чувствительность, поскольку для формирования результата используется только разряд емкости датчика. Другим недостатком способа является низкая устойчивость к низкочастотным помехам.

Известен также способ, основанный на периодическом перезаряде емкости датчика и формировании в процессе разряда результата преобразования.

Недостатками известного способа также являются низкая чувствительность и низкая -помехоустойчивость.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ преобразования емкости, основанный на периодическом перезаряде от источника переменного напряжения первого и второго конденсаторов, в процессе которого выделяют токи перезаряда конденсаторов одного направления, из которых формируют выходной сигнал, пропорциональный разности первого и второго сигналов.

Устройство, реализующее известный способ, содержит первый транзистор с первым диодом и второй транзистор Со вторым диодом. Эмиттеры транзисторов соединены соответственно с первым и вторым конденсаторами дифференциального датчика, общая обкладка которого заземлена, баяы транзисторов объединены и подключен ..:. выходу источника переменного периодического напряжения. Транзисторы периодически переходят из закрытого состояния в линейный режим и обратно при изменении полярности переменного напряжения. Токи в коллекторах транзисторов зависят от емкостей конденсаторов датчика Cxi и Сх2 и

(Л

xj

ГО

ю

ON

СО

; (ЭЯПпЛ

их средние (за период сигнала источника переменного напряжения) значениг определяются выражениями

1 1ср K Cxi + 1пср1 Ik2cp К-СХ2 + 1пср2,

где К - коэффициент, пропорциональный частоте и амплитуде сигнала источника переменного напряжения; Пср1 и Пср2 - сред- кие за период сигнала источника переменного напряжени значения составляющих коллекторных токов первого и второго транзисторов, обусловленные низкочастотными наводками на конденсаторах датчика.

Коллекторы транзисторов соединены со входами разностного усилителя, который вырабатывает выходной сигнал, пропорциональный дифференциальной емкости датчика, например, ток еых. описываемый выражением

вых К(Сх1 - СХ2) + (1пср1 - 1пср2) К(СХ1 СХ2)± Д1пср

ОИ Cxi - CX2, Alncp (1пср1 - 1пср2) О, НО

ри всех-Сх1/ Сх2 Д псрЈ 0, т.к. Incpi и Пср2 пропорциональны значениям емкостей Cxi и Сх2 Таким образом, известный способ не обеспечивает устойчивость преобразования к низкочастотным помехам.

Недостатком известного способа также является низкая чувствительность к изменениям емкости датчика, т.к. результат преобразования определяется по сигналу, пропорциональному значению только одно- из двух противоположно направленных токов, перезаряжающих каждый конденсатор. Второй ток протекает через цепь разряда и непосредственно для получения информации о емкости датчика не используется.

Вторым недостатком способа является низкая помехоустойчивость преобразования из-за влияния низкочастотных, в частности, сетевых помех, наводимых на конденсаторах датчика.

Целью изобретения является повышение чувствительности и помехоустойчивости преобразования,

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе преобразования емкости дифференциального датчика, основанном на периодическом перезаряде от источника переменного напряжения первого и второго конденсаторов, в процессе которого выделяют токи перезаряда конденсаторов одного нэгГравления, из которых формируют выходной сигнал, про

порциональный разности первого и второго сигналов, дополнительно выделяют токи перезаряда другого направления, а первый и второй сигналы формируют про5 порциональными разности токов перезаряда, соответственно, первого и второго конденсаторов.

На фиг.1 приведена функциональная схема варианта устройства для реализации

10 способа; на фмг.2 - пример выполнения разностного усилителя, входящего в состав устройства.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит первый и второй

15 транзисторы 1 и 2 одного типа проводимости, базы которых объединены и подключены к выходу заземленного источника 3 переменного напряжения, эмиттеры первого и второго транзисторов 1 и 2 соединены

20 соответственно с обкладками первого и второго конденсаторов 4 и 5 дифференциального датчика 6, общая обкладка которого заземлена, коллекторы первого и второго транзисторов 1 и 2 соединены еоответствен25 но с первым и вторым входами 7 и 8 разностного усилителя 9, выход которого является выходом 10 устройства, третий и четвертый транзисторы 11 и 12, тип проводимости которых противоположен типу проводимости

30 первого и второго транзисторов 1 и 2, причем базы третьего и четвертого транзисторов 11 и 12 объединены и подключены к выходу источника 3 переменного напряжения, эмиттер третьего транзистора 11 сое35 динен с эмиттером первого транзистора 1, эмиттер четвертого транзистора 12 соединен с эмиттером второго транзистора 2, коллекторы третьего и четвертого транзисторов 11 и 12 подключены соответственно к треть40 ему и четвертому входам 13 и 14 разностного усилителя 9.

Разностный усилитель 9 (фиг.2) содержит резисторы 15,..24, конденсаторы 25...28, операционный усилитель 29, вы45 ход которого является выходом 10 устройства. При реализации схемы разностного усилителя необходимо выполнить условие R15 R16 R17 R18, Предпочтительной формой выходного

50 сигнала источника 3 переменного напряжения является синусоидальная.

Реализация предлагаемого способа осуществляется следующим образом.

Переменное напряжение с источника 3

55 переменного периодического напряжения подается на базы всех четырех транзисторов 1,2,11 и 12, попарно вводя их то в открытое, то в закрытое состояние. При положительной полуволне синусоидального напряжения открываются первый и второй

транзисторы 1 и 2, и их эмиттерные токи обеспечивают одновременный перезаряд первого и второго конденсаторов 4 и 5 дифференциального датчика 6 токами одного направления.

Коллекторные токи первого и второго транзисторов 1 и 2 являются входными токами первого и второго входов 7 и 8 разностного усилителя 9. Третий и четвертый транзисторы 11 и 12 при положительной полуволне закрыты. При отрицательной полуволне они открываются,.и конденсаторы 4 и 5 дифференциального датчика 6 перезаряжаются токами другого направления. Коллекторные токи третьего и четвертого транзисторов 11 и 12 являются входными токами соответственно третьего и четвертого входов 13 и 14 разностного усилителя 9. Средние (за период переменного напряжения) значения коллекторных токов первого и третьего транзисторов 1 и 11 Ikicp и 1н2ср пропорциональны емкости Cxi первого конденсатора 4, а средние значения коллектор- ных токов второго и четвертого транзисторов 2 и 12 Ik2cp и Iki2cp пропорциональны емкости Сха второго конденсатора 5 дифференциального датчика 6.

Действие низкочастотной (например, с частотой сети) помехи вызывает появление в коллекторных токах всех четырех транзисторов составляющих + Пср1 ± 1пср11 ± пср и ± 1ПСР2 ± пср12 t Г пср. Данные равенства записаны с учетом того,-что частота сигнала источника 3 переменного напряжения в2 10..4 Ю4Раз больше частоты помехи (частота помехи 50 Гц, а оптимальная частота переменного напряжения 1-2 МГц), т.е. ток помехи можно считать постоянным в течение периода переменного напряжения.

Считаем, что в течение периода переменного напряжения Cxi const и Сх2 const. Значения составляющих I ncpi и Г пср зависят от значений емкостей Cxi и Сх2 и при всех Схч Сх2 имеет место Гпср Г пср. На резисторах 15...18 и конденсаторах 25...28 разностного усилителя 9 происходит выделение постоянных напряжений, пропорциональных коллекторным токам транзисторов. Для простоты реализации выбирают сопротивления резисторов 15...18 одинаковыми: R17 R18 R. Эти напряжения суммируются с соответствующими знаками усилителем на основе резисторов 19.,.24 и операционного усилителя 2S. Напряжение на выходе 10 устройства описывается выражением:

VSbix10 {(fk1cp +I ncp)-(lk11cp+ l ncp)

- 0k2cp + Гпср) - (Ik12cp + Г пср)} х

х R-Ay (Iklcp + Ik11cp) - (Ik2cp +

+ lk12cp)-R Ay 2() x

xR-Ay 2K(Cxi-Cx2),(4)

где Ay-коэффициент передачи усилителя на основе операционного усилителя 29 и резисторов 19...24; ikicp Ikiicp Icxi

И Ik2cp Ik12cp 1CX2.

Сравнение выражений (3) и (4} позволяет сделать вывод, что предлагаемый способ обеспечивает вдвое большую чувствительность и повышенную помехоустойчивость преобразования по сравнению с прототипом.

Формула изобретения

Способ преобразования емкости дифференциального датчика на основе периодического перезаряда от истрчника переменного напряжения первого и второго конденсаторов, в процессе которого выделяют токи перезаряда конденсаторов одного направления, из которых формируют выходной сигнал, пропорциональный разности первого и второго сигналов, отличающийся тем. что, с целью повышения чувствительности и помехоустойчивости, дополнительно выделяют токи перезаряда конденсаторов другого направления, а первый и второй сигналы формируют пропорциональными разности токов перезаряда соответственно первого и второго конденсаторов.

s

/37

Использование: в измерительной технике, в частности в преобразователях емкости в напряжение или ток. Сущность изобретения; периодический перезаряд 2-х конденсаторов и выделение TOKOS от обоих направлений перезаряда, пропорциональных разности токов 2-х конденсаторов. Осо- бенностыо изобретения является дополнительное выделение токов от второго направления перезаряда, что позволяет повысить ч /вотшп елькость я помехозащищенность. 2 i l i.

/J

7

J

IX

-ц

P%mnar«g(3

-t./7

74

/4

Z/X7

J