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 электрического напря- жения и может быть использовано для измерения малых перемещений, уровня веществ, их влажности и др.

Известен измерительный преобразователь неэле грических величин с емкостным датчиком, содержащий генератор переменного напряжения, измерительный и образцовый конденсаторы, операционный усилитель. Существенным недостатком преобразователя является низкая чувстви- тельность при работе -. емкостными датчиками, имеющими большую величину начальной емкости и малую величину ее приращения, вызываемого изменением контролируемого параметра. Дополнитель- ным недостатком является зависимость выходного напряжения преобразователя от нестабильности напряжения генератора синусоидального напряжения.

Известен измерительный преобразова- тель с емкостным датчиком, содержащий источник стабильного постоянного напряжения, два коммутатора, рабочий и образцовый конденсаторы, усилитель сигналов неравновесия, фазочувствительный детек- тор, делитель напряжения, фильтр нижних частот, дополнительный усилитель, сумматор и генератор прямоугольных импульсов. Недостатком такого преобразователя является низкая чувствительность к информа- тивной низкочастотной составляющей малого уровня.

Известен также преобразователь емкости в напряжение, содержащий источник постоянного стабильного напряжения, ем- костный датчик и образцовый конденсатор, два коммутатора, дискретный интегратор и генератор прямоугольных импульсов. Преобразователь имеет нелинейную зависимость выходного напряжения от изменения емкости датчика и предназначен преимущественно для работы с датчиками, имеющими гиперболическую зависимость емкости от измеряемой величины. Недостатком устройства является низкая чувствительность при работе с емкостным датчиком с большой величиной начальной емкости и малым приращением емкости, обусловленным изменением контролируемого параметра.

Наиболее близким техническим реше- нием является преобразователь емкости в напряжение, содержащий два источника постоянного стабильного напряжения, емкостный датчик, два образцовых конденсатора, три коммутатора, преобразователь

заряда в напряжение и генератор прямоугольных импульсов.

Преобразователь имеет линейную зависимость выходного напряжения от изменения емкости датчика. При использовании его с датчиками, имеющими гиперболическую зависимость емкости от измеряемой величины, целесообразно изменить место включения емкостного датчика, что позволяет получить линейную зависимость выходного напряжения преобразователя от измеряемой величины.

И в том и в другом случае включения датчика преобразователь имеет низкую чувствительность при работе с датчиками, имеющими большую величину начальной емкости и ей малое приращение от изменения контролируемого параметра.

Цель изобретения - повышение чувствительности преобразователя при работе с емкостными датчиками, имеющими большую величину начальной емкости при малом ее приращении, обусловленном изменением контролируемого параметра.

Поставленная цель достигается путем обеспечения частичной компенсации заряда емкостного датчика на входе преобразователя, заряда в напряжение, для чего в измерительный преобразователь емкости в напряжение, содержащий источник постоянного стабильного напряжения, первый, второй и третий коммутаторы, первый и второй образцовые конденсаторы, измерительный емкостный датчик, преобразователь заряда в напряжение, дискретный интегратор и генератор прямоугольных импульсов, введен инвертирующий усилитель, вход которого подключен к выходу измерительного преобразователя, а выход соединен с первым информационным входом третьего коммутатора.

На фиг. 1 изображена структурная схема преобразователя емкости в напряжение; а на фиг. 2 представлена зависимость выходного напряжения преобразователя при различных значениях емкости датчика.

Преобразователь содержит источник 1 постоянного стабильного напряжения, коммутаторы 2, 3 и 4, первый и второй образцовые конденсаторы 5 и 7, измерительный емкостный датчик 6, преобразователь 8 заряда в напряжение, генератор 9 прямоугольных импульсов, дискретный интегратор 10, инвертирующий усилитель 11. Токовые электроды обоих образцовых конденсаторов и измерительного емкостного датчика соединены вместе и подключены через преобразователь 8 заряда к дискретному интегратору 10. Источник 1 постоянного стабильного напряжения соединен с

первым информационным входом первого коммутатора 2 ход которого соединен с потенциальным электродом образцового конденсатора 5. Выход дискретного интегратора 10 соединен с первым информационным входом второго коммутатора 3 и входом инвертирующего усилителя 10, а выход второго коммутатора 3-е потенциальным электродом емкостного датчика 6.

Первый информационный вход треть го коммутатора А присоединен к выходу инвертирующего усилителя 11, а выход этого коммутатора присоединен к потенциальному электроду второго образцового конденсатора. Вторые информационные входы всех коммутаторов присоединены к общей шине устройства. Выход генератора 9 прямоугольных импульсов подключен к управляющим входам коммутаторов и дискретного интегратора.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 9 прямоугольных импульсов управляет работой коммутаторов 2, 3 и 4. На потенциальные электроды образцового конденсатора 5 и измерительного емкостного датчика 6 подаются прямоугольные им- пульсы противоположной полярности, формируемые коммутатором 2 из напряжения Uo источника 1 постоянного стабильного напряжения и коммутатором 3 из выходного напряжения дискретного интегратора 10. На потенциальный электрод второго образцового конденсатора 7 поступают прямоугольные импульсы, формируемые коммутатором 4 из выходного напряжения инвертирующего усилителя 11, на вход которого подается напряжение с дискретного интегратора 10. Прямоугольные импульсы приводят к периодическому заряду и разряду обоих образцовых конденсаторов и емкостного датчика. Ток на входе преобразователя 8, пропорциональный алгебраической сумме этих зарядов, преобразуется в импульсы напряжения, которые накапливаются в дискретном интеграторе 10.

Изменение емкости измерительного датчика, обусловленное изменением контролируемого параметра, приводит к разбалансу зарядов на входе преобразователя заряда, который компенсируется за счет изменения выходного напряжения 11Вых дискретного интегратора 10 Установившийся режим работы устройства характеризуется тем, что алгебраическая сумма зарядов на обоих образцовых конденсаторах Cs, Су и емкостном датчике Се равна нулю.

UoC5 + UBbixC6-KUBb,xC7 0,(1)

где Cs, С - электрические емкости образцовых конденсаторов,

Се - текущее значение емкости датчика, зависящее от измеряемом неэлектрической величины;

К -- коэффициент передачи инвертирующего усилителя.

Передаточная функция устройства при этом имеет вид

UoCs

0

U

вых.

Сб - К С

(2)

5

0

5

0

5

Зависимости выходного напряжения устройства от изменения емкости датчика при двух различных значениях величины заряда на образцовом конденсаторе Cs приведены на фиг. 2. Как видно из приведенных характеристик при больших значениях емкости датчика зависимость Увых f(c) имеет малую крутизну наклона (участок CD на фиг 2), что приводит к низкой чувствительности устройства

При использовании предлагаемого технического решения можно сместить участок CD характеристики в область большей крутизны преобразования (участок АВ) Как следует из формулы (2) это достигается выбором соответствующего значения второго образцового конденсатора С и (или) коэффициента передачи К инвертирующего усилителя 11.

Получаемое повышение чувствительности можно показать следующим образом

При отсутствии инвертирующего усилителя

UoCs

a AUE

UE

-UoCs

40

Чувствительность Si преобразователя

А Ц.ых Uo Cs

АСхЗ Сх4

После введения инвертирующего усилителя U0C5

ивых2 -

11

; ДиВых2 UoCsx

50

- С 7 СХ3 - С

чувствительность преобразователя в этом случае

55

/

A Ubix2Uo C5

2 (Сх4 - С7) (СхЗ С)

Следовательно, 52 SL Указанное повышение чувствительности не может быть получено простым увеличением UoCs, что гоафически показано на фиг. 2 кривая 2.

Таким образом предлагаемое техническое решение позволяет осуществить повышение чувствительности преобразователя и использовать его с датчиками, имеющими большую начальную емкость, что дополнительно расширяет его функциональные возможности.

Формула изобретения Измерительный преобразователь с емкостным датчиком, содержащий источник постоянного стабильного напряжения, первый, второй и третий коммутаторы, измерительный емкостный датчик, первый и второй образцовые конденсаторы, преобразователь заряда в напряжение, дискретный интегратор, генератор прямоугольных импульсов, причем токовые элементы первого и второго образцовых конденсаторов и измерительного емкостного датчика соединены и подключены через преобразователь заряда в напряжение к входу дискретного интегратора, потенциальные электроды

О & Схг С

первого образцового конденсатора, измерительного емкостного датчика и второго образцового конденсатора соединены соответственно с выходами первого, второго и

третьего коммутаторов, первый информационный вход первого коммутатора соединен с источником постоянного стабильного напряжения, первый информационный вход второго коммутатора соединен с выходом

дискретного интегратора, выход которого является выходом преобразователя, вторые информационные входы первого, второго и третьего коммутаторов подсоединены к общей шине измерительного преобразователя, а выход генератора прямоугольных импульсов соединен с управляющими входами трех коммутаторов и дискретного интегратора, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности преобразователя, в него введен инвертирующий усилитель, вход которого соединен с выходом дискретного интегратора, а выход инвертирующего усилителя подключен к первому информационному входу третьего

коммутатора.

ЈХ4

Изобретение относится к технике измерения неэлектрических величин электрическими методами и может быть использовано для измерения малых перемещений, уровня веществ, их влажности и др. Измерительный преобразователь с емкостным датчиком содержит источник 1 постоянного стабильного напряжения, первый 2, второй 3 и третий 4 коммутаторы, первый 5 и второй 7 образцовые конденсаторы, измерительный емкостной датчик 6, преобразователь 8 заряда в напряжение, генератор 9 прямоугольных импульсов, дискретный интегратор 10, инвертирующий усилитель II Обеспечение частичной компенсации тока разряда измерительного датчика повышает чувствительность преобразования и позволяет расширить функциональные возможности преобразователя 1 з п ф-лы 2 ил

#&.

Ј