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

Изобретение относится к конт ольно- измерительной технике, в частности к устройствам измерения параметров электрических цепей.

Известны устройства преобразования электрической емкости в постоянное напряжение,

К недостатку вышеописанных устройств следует отнести нелинейность функции преобразования и недостаточно высокую чувствительность при работе с дифференциальными емкостными датчиками.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство, содержащее источник опорного напряжения, выход которого соединен с первым не- подвижным контактом первого переключателя, второй неподвижный контакт первого переключателя соединен с первым неподвижным контактом второго переключателя и подключен к общей шине устройства, подвижные контакты первого и второго переключателей соответственно через измеряемый и образцовый конденсата- ры подключены ко входу усилителя, выход которого через синхронный детектор соединен со вторым неподвижным контактом второго переключателя, причем выход синхронного детектора является выходом устройства, генератор прямоугольного напряжения, выход которого соединен с управляющими входами переключателей и синхронного детектора

С целью увеличения чувствительности и получения линейной функции преобразования в устройство содержащее источник опорного напряжения, выход которого соединен с первым входом переключателя, первый и второй конденсаторы емкостного датчика, вторые выводы которых через усилитель заряда соединены со входом синхронного детектора, первый вывод первого конденсатора емкостного датчика соединен с выходом переключателя, введены: блок управления, устройство выборки-хранения и три ключа, выход источника опорного напряжения соединен с первым выводом первого ключа, второй вход переключателя соединен с первым выводом второго ключа

и подключен к выходу устройства выборки- хранения, который является выходом устройства, первый вывод третьего ключа соединен с общей шиной устройства, вторые выводы ключей соединены через второй конденсатор емкостного датчика со входом усилителя заряда, первый выход блока управления соединен со входом управления второго ключа, второй выход блока управления соединен со входом управления переключателя, третий выход блока управления соединен со входом управления первого ключа, четвертый и шестой выходы блока управления подключены соответственно ко второму и первому входам управления синхронного детектора, пятый выход блока управления соединен со входом управления третьего ключа, седьмой выход блока управления соединен со входом управления устройства выборки-хранения, вход которого соединен с выходом синхронного детектора.

Существенными отличиями заявляемого изобретения являются введение в устройство блока управления, трех ключей и устройства выборки-хранения, а также новых связей: выход источника опорного напряжения соединен с первым выводом первого ключа, первый вывод второго ключа соединен с выходом устройства выборки- хранения и вторым входом переключателя, выход синхронного детектора соединен с информационным входом устройства выборки-хранения, первый выход блока управление соединен со входом управления второго ключа, третий выход блока управления соединен со входом управления первого ключа, первый и второй входы управления синхронного детектора соединены соответственно с шестым и четвертым выходами блока управления, зход управления устройства выборки-хранения подключен к седьмому выходу блока управления.

На фиг. 1 изображена функциональная схема измерительного преобразователя дифференциального емкостного датчика.

Устройство содержит блок управления (БУ) 1, в состав которого входит генератор напряжения прямоугольной формы 2, выход которого подключен ко входу первой интегрирующей цепи 3. Выход второй интегрирующей цепи 4 соединен со входом R счетчика с дешифрированными выходами 5. Выход первой интегрирующей цепи 3 соединен со входом С счетчика с дешифрированными выходами 5. Выход 4 счетчика 5 соединен со входом интегрирующей цепи 4 и подключен к входу R Т-триггера 6. Т вход триггера б соединен с выходом первой интегрирующей цепи 3. Выход О счетчика 5 соединен со входом инвертора 7, первым входом логического элемента 2 ИЛИ 8 и является первым выходом БУ 1. Выход инвертора 7 является вторым выходом БУ 1. Выходы 1 и 3 счетчика 5 соединены соответственно с первым и вторым входами логического элементап2 ИЛИ 9. Вход инвертора 10 соединен с выходом генератора 2. Выход логического элемента 2 подключен к первому входу логического элемента 2 И 11, выход которого является четвертым выходом БУ 1. Выход триггера 6 является пятым выходом БУ 1. Выход логического элемента 2 соединен с первым входом логического элемента 2 , выход которого явля- ется шестым выходом БУ 1. Выход 21 счетчика 5 соединен со вторым входом логического элемента 2 ИЛИ18, подключен к первому входу логического элементап2 и является третьим выходом БУ 1. Выход инвертора 10 соединен со вторыми входами логических элементов 2 ,12 и 13, Выход- элемента 2 является седьмым выходом БУ 1.

Кроме того, устройство, приведенное на фиг. 1, содержит источник опорного напряжения 14, выход которого соединен с первым входом переключателя 15 и подключен к первому контакту ключа 16. Второй вход переключателя 15 соединен с первым кон- тактом ключа 17. Первый контакт ключа 18 соединен с общей шиной устройства. Выход переключателя 15 соединен с первым выводом конденсатора емкостного датчика 19, а вторые выводы ключей 16, 17 и 18 соедине- ны с первым выводом конденсатора емкост- ного датчика 20. Вторые выводы конденсаторов 19 и 20 соединены между собой и через последовательно включенные усилитель заряда 21, синхронный детектор (СД) 25 и устройство выборки-хранения (УВХ) 31 подключены ко второму входу переключателя 15. Первый, третий и пятый выходы БУ 1 соединены соответственно со входами управления ключей 17, 16 и 18. Второй выход БУ 1 соединен со входом управления переключателя 15. Четвертый м шестой выходы БУ 1 соединены соответственно со входами управления СД 25. Седьмой выход БУ 1 соединен со входом

управления УВХ 31. Выход УВХ 31 является выходом устройства.

Усилитель заряда 21 содержит конденсатор 22 и резистор 23, первые выводы которых соединены с инвертирующим входом операционного усилителя (ОУ) 24, который является входом усилителя заряда 21. Неинвертирующий вход ОУ 24 соединен с общей шиной устройства. Вторые выводы конденсатора 22 и резистора 23 соединены с выходом ОУ 24, который является выходом усилителя заряда 21.

Синхронный детектор (СД) 25 содержит: кондеЯсатор 26, первый вывод которого является информационным входом СД 25. Второй вывод конденсатора 26 соединен через ключ 27 с инвертирующим входом ОУ 30, который подключен к первому выводу конденсатора 29. Неинвертирующий вход ОУ 30 подключен к общей шине устройства и через ключ 28 соединен со вторым выводом конденсатора 26. Второй вывод конденсатора 26 соединен с выходом ОУ 30 и является выходом СД 25. Входы управления ключей 28 и 27 являются соответственно первым и вторым входами управления СД 25.

Устройство выборки-хранения (УВХ) 31 содержит ключ 32, первый вывод которого является информационным входом УВХ 31, Второй вывод ключа 32 соединен с неинвертирующим входом ОУ 33 и через конденсатор 34 подключен к общей шине устройства. Выход ОУ 33, являющийся выходом УВХ 31 соединен с неинвертирующим входом этого усилителя. Вход управления ключа 32 является входом управления УВХ 31.

Недостаточная чувствительность прототипа обусловлена его функцией преобразования:

UBUX Uo r т о

где ивых- значение выходного напряжения преобразователя,

Сх - значение емкости измеряемого конденсатора,

Со - значение емкости образцового конденсатора,

Uo - значение выходного напряжения опорного источника.

В этом случае относительное значение приращения выходного напряжения Дивых преобразователя, при изменении измеряемой емкости на величину АСх, определяется из выражения:

ли -и гСх Сх АСх

Аиаых Uo ip- -гJ vr)

LoOoLo

.. А Схгл

Uo-Ј- ..11)

Функция преобразования предлагаемого устройства описывается выражением: i r 11 Сх - Со

UBBIX Uo 7 -лГТ5

-Х VO

Использование предлагаемого устройства позволяет обеспечить относительное значение приращения выходного напряжения Л1)вых, при изменении значения измеряемой емкости на величину ДСх: Uebix

Со - Сх Со - Сх Н- А Сх-| /гСо - Сх1

Со + CXJ

U° Со + Сх

UC

Со + Сх -SC:

2 ДСХ

УС1

Сх

(а-дсх)--(Сх-дсх)

о

(2)

Из анализа выражений (1) и (2) следует, что при величине Сх одного порядка с величиной емкости Со. предложенная структура обеспечивает более высокую чувствитель- ностцчем прототип.

Использование предлагаемой структуры позволяет обеспечить линейную характеристику преобразования при работе с дифференциальными емкостными датчиками с изменяющейся величиной зазора, так и датчиками с переменной площадью обкладок. Емкости измеряемого Сх и опорного Со конденсаторов описываются выражением:

г Ј Sx г Ј§о

-х ;;,

dxdo

где Ј- диэлектрическая проницаемость диэлектрика емкостного датчика.

Sx, So - соответственно площади взаимного перекрытия обкладок измеряемого и образцового конденсаторов датчика,

dx, do - соответственно величины зазоров между обкладками измеряемрй и опорной емкостями датчика.

Ј So Ј S

Co - Сх do dx

C0+Cx

ЈSo eSx do dx

So dx Sx do So dx + Sx d0

(3)

Выражение (З) говорит о том, что функция преобразования нового устройства будет линейна как при работе с дифференциальными датчиками с переменной площадью обкладок, так и дифференциальными датчиками с изменяющейся величиной зазора. Следовательно, можно сделать вывод, что предлагаемое устройство может быть использовано как универсальный инструмент с любыми типами дифференциальных емкостных датчиков.

Заявляемое устройство представляет собой компенсационный преобразователь с

уравновешиванием зарядов. Структурная схема измерительного преобразователя приведена на фиг.1. Алгоритм работы устройства задается блоком управления (БУ) 1.

5 Выходной сигнал генератора напряжения прямоугольной формы 2 через интегрирующую цепь 3 подается на тактовые входы счетчика - дешифратора 5 и Т-триггера б. (Выходное напряжение генератора 2 изо10 бражено на фиг. 2,1). Цикл работы устройства разбит на два такта преобразования и задается последовательностью выходных импульсов счетчика - дешифратора 5 и Т- триггера б. Для синхронизации их работы в

15 устройство введена интегрирующая цепь 4. Постоянная времени этой цепи имеет величину:

R4 С4#(1-2)г, где т- время срабатывания триггера б,

20 R 4d - постоянная времени интегрирующей цепи 4.

Интегрирующая цепь 3 предназначена для формирования фазового сдвига между сигналами управления переключателя 15,

25 ключей 16, 17, 18 и сигналами управления СД 25 и УВХ 31. Стробирование сигналов управления СД 25 и УВХ 31 осуществляется с помощью инвертора 10 и логических элементов 11,-12 и 13. Сигналы управления

30 работой переключателя 15 и ключей 16, 17, 18 изображены соответственно на фигурах 2.3, 2.5 и 2.2. Напряжениятподаваемые на первый и второй входы управления СД 25 и УВХ 31,изображены соответственно на фиг.

35 2.7, 2.6 и 2.8. В результате такого алгоритма работы переключателя 15 и ключей 16, 17 и 18 на конденсаторах емкостного датчика формируются напряжения, изображенные на фиг. 2.9 (Напряжения на конденсаторах

40 19 и 20 изображены соответственно сплошной и штрихпунктирной линиями). Как было отмечено выше.процесс уравновешивания зарядов на конденсаторах емкостного датчика 19 и 20 разбит на два такта. В первом

45 такте преобразования в работе участвуют переключатель 15, ключи 17 и 18, Напряжение, снимаемое с выхода усилителя заряда 21 (изображено на фиг.2.10),описывается выражением:

50

A I I, i I Cl9C19 . , С20

AU, -Uo- -ивых- -ивых.

Это напряжение поступает на вход син- кронного детектора (СД) 25. В момент замыкания ключа 27 (см.фиг. 2.6) происходит масштабирование напряжения Ди-i с коэффициентом -С2б/С29. Вследствие этого на выходе ОУ 30 формируется напряжение:

Cae

(и0С19-иВыхС19-иВыхС20).

(4)

При размыкании ключа 27 СД 25 переходит в режим хранения информации, а конденсатор 26 перезаряжается с помощью ключа 28 (см.фиг.27).

Во втором такте преобразования в работе принимают участие ключи 16 и 18. В результате этого на конденсаторе 20 формируется импульс прямоугольной формы с амплитудой Uo.

В этом случае отрицательное приращение напряжения на выходе усилителя заряда 21 имеет величину:

.

а следовательно,приращение напряжения AU4 на выходе СД 25, после срабатывания ключа 27, может быть описановыражением:

,, ,, Сао С26 Щ Uo

С22 С29

Результат алгебраического суммирования приращений напряжений ALJ2 и AU4, в течение одного такта преобразования, записывается в УВХ 31. Процесс записи результата этой математической операции достигается при замыкании ключа 32. Сигнал управления работой ключа 32 изображен на фиг. 2.8. Исходя из алгоритма работы данного устройства следует, что процесс уравновешивания в заявляемом устройстве заканчивается при достижении равенства приращений AU2 и AU4 Поэтому справедливо равенство: A Ub A LM ,

(UoCl9-UBb,xCl9-UBb,xC2o) С20 С26

Uo

и

оых

Uo

С19 + С20

Физически процесс уравновешивания заключается в установлении выходного напряжения UBUX, которое отвечает требованиям равенства (6). На фиг. 2.11 сплошной линией изображено выходное напряжение СД 25, а пунктиром выходное напряжение УВХ 31. Следует отметить, что временные диаграммы, приведенные на фиг. 2 отражают состояние равновесия в измерительной цепи устройства.

(11)

С22 С29

которое в результате сокращения членов С26, С22 и С29 имеет вид:

UoCl9-UBbixCl9-UBbixC20 UoC20.(6)

Из выражения (6) несложно определить функцию преобразования данного устройства:

С19 - С20г-л

Для оценки переходных процессов целесообразно обратиться к разностному уравнению, описывающему процесс уравновешивания в устройстве:

i i Cl9C26 , , г,, С19 С26

Uo -оггогг - ивых п

0

5

0

5

С22 С29

С20 С26

С22 С29

- ивых п

С22 С29

11 CZQ С26 , ,, г , Uoo- . + ивых inj,

(8)

С22 С29

где - значение в предыдущем такте преобразования выходного напряжения устройства,

ивых значение выходного напряжения устройства в последующем такте преобразования.

В результате Z-преобразования практическое выражение (8) принимает вид:

H«,H-u.C CfiZ

-U

С22С2) Сго Cj6

ИНН

СлчСге СгоС

гС2, СггС

гг -гч

°С СгЧг-ф-И

CvfCze ,ЈгоЈ|б Щ СггСгч СггСстЩ

IWM

-Г, (С чСгб П

- (СггСгч СггСг,|

где начальное значение выходного

напряжения до начала процесса уравновешивания (Данная величина может лежать в диапазоне (-Е)-(+Е), где Е - величина двух- полярного напряжения питания устройства),

Решение вышеприведенного разностного уравнения имеет вид:

gg

40

5

50

+«4-с(

/

где а р-Щт- (Gig + С2о) - коэффициент

U22

передачи контура отрицательной обратной связи устройства.

Анализ (9) позволили привести к выводу, что:

при а- 1 устройство уравновешивается за один цикл преобразования. В этом случае время уравновешивания преобразователя составляет восемь периодов сигнала опорного генератора 2, а переходной процесс носит критический характер;

при а 1 переходная характеристика преобразователя аппроксимируется переходной характеристикой инерционного звена первого порядка, а переходный процесс

в этом случае носит апериодический характер;

при 2 а 1 переходный процесс носит колебательно-затухающий характер, а переходная характеристика устройства аппроксимируется переходной характеристикой звена второго порядка;

при а 2 измерительный преобразователь самовозбуждается. В этом случае процесс возбуждения вызван повышенным значением коэффициента передачи цепи отрицательной обратной связи.

при 0 а к, где к - любое отрицательное число. В этом случае обратная связь становится положительной и устройство самовозбуждается. Состояние устройства при а 0 со ответствует цепи обратной связи и потере работоспособности.

Вышепроведенный анализ позволяет создавать измерительные преобразователи с заданными динамическими свойствами.

Данный преобразователь макетировался на кафедре информационно-измерительной техники Ленинградского политехнического института им.М.И.Калинина. В настоящее время в ОКБ ЭПО Сигнал г. Энгельс Саратовской области изготовлены опытные образцы и проведены стендовые испытания этого устройства. Результаты практических исследований при работе преобразователя с дифференциальными емкостными датчика с диапазоном измерения емкостей 1,2-5,6 пФ показали, что точность преобразования этого устройства не хуже 0,05% при времени уравновешивания измерительной цепи 0,8 мС, эго в три раза выше,чем у известных устройств.

В качестве элементной базы преобразователя были использованы микросхемы серий К 544, К 590, К 140 и К 561. Счетчик - дешифратор 5 выполнен на микросхеме К 561 ИЕ8.

Экономический эффект не подсчитывался, так как целью предполагаемого изобретения является повышение точности, достигаемой за счет увеличения разрешающей способности, обусловленной высоким

значением чувствительности заявляемого устройства.

Формула изобретения Измерительный преобразователь дифференциального емкостного датчика, содержащий источник опорного напряжения, выход которого соединен с первым входом коммутатора, первый и второй конденсаторы емкостного датчика, первые выводы которых через усилитель заряда соединены с информационным входом синхронного детектора, второй вывод первого конденсатора емкостного датчика соединен с выходом коммутатора,отличающийся тем,что,

с целью увеличения чувствительности и расширения функциональных возможностей, обусловленных получением линейной характеристики преобразования как при работе с дифференциальными емкостными

датчиками с изменяющейся величиной зазора между обкладками, так и при работе с дифференциальными емкостными датчиками с изменяющейся площадью обкладок, в него введены блок управления, устройство

выборки-хранения и три ключа, первый вывод первого ключа соединен с выходом источника опорного напряжения, первый вывод второго ключа соединен с вторым входом коммутатора и выходом устройства

выборки-хранения, который является выходом устройства, первый вывод третьего ключа соединен с общей шиной устройства, вторые выводы ключей через второй конденсатор емкостного датчика соединены с

входом усилителя заряда, а выход синхронного детектора подключен к информационному входу устройства выборки-хранения, вход управления коммутатора соединен с вторым выходом блока управления, входы

управления первого, второго и третьего ключей соединены соответственно с третьим первым и пятым выходами блока управления, первый и второй входы управления синхронного детектора соединены соответственно с шестым и четвертым входами блока управления, а седьмой выход блока управления соединен с входами управления устройства выборки-хранения.

пдшшшпшшппш:

2.1

Использование: в измерительной технике, в частности для измерения параметров электрических цепей. Сущность изобретения: повышение точности измерения за счет увеличения чувствительности устройства, а также расширение функциональных возможностей, обусловленных получением линейной функции преобразования при работе с любыми типами дифференциальных емкостных датчиков. Измерительный преобразователь содержит блок управления 1, источник опорного напряжения 14,

п.пли:

I

U

4

.2.4