Измерительный преобразователь неэлектрических величин с емкостным датчиком Советский патент 1993 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к электроизмерительной технике, может использоваться для измерения различных неэлектрических величин и предназначено для преобразований изменений емкости рабочего конденсатора датчика в изменения постоянного напряжения.

Известны измерительные преобразователи неэлектрических величин, содержащие рабочий и образцовый конденсаторы, включенные в цепь соответственно прямой и обратной связи уравновешивающего усилителя .(например, операционного усилителя), генератор колебаний напряжения, выходное напряжение которого через рабочий конденсатор поступает на вход уравновешивающего усилителя.

Недостаток известных устройств заключается в том, что информативным выходным параметром их является амплитуда переменного напряжения, снимаемая с выхода уравновешивающего усилителя и для преобразования которой в постоянное напряжение необходим измерительный выпрямитель, являющийся --достаточно сложным и имеющим существенную погрешность преобразования.

Известны измерительные преобразователи неэлектрических величин с емкостными датчиками, построенные на основе автокомпенсационннх схем с питанием .переменным сйнусоидальНымлнапряжением, содержащ ие1емкостный датчик с рабочим и образцовым конденсаторами, генератор синусоидального напряжения и систему автоматического уравновешивания, причем уравновешивание производится изменением амплитуды синусоидального сигнала на одном из сравниваемых конденсаторов при постоянной амплитуде противофазного синусоидального напряжения на втором.

В этом устройстве информативным выходным параметром является амплитуда переменного синусоидального напряжения, вследствие чего известному устройству свойственен тот же недостаток, что и вышеупомянутому.

Известен также измерительный преобразователь неэлектрических величин с емкостным датчиком, содержащий клеммы для подключения рабочего конденсатора, образцовый конденсатор,усилитель, фазочув- ствительный детектор, источник стабильного постоянного напряжения, два коммутатора и генератор прямоугольного напряжения, при этом выход источника стабильного постоянного напряжения соединен с первым информационным входом первого коммутатора, вторые информационные входы обоих коммутаторов подключены к общей шине устройства, выходы коммутаторов подключены к одной из клемм для подключения потенциального электрода рабочего конденсатора и потенциальному электроду образцового конденсатора соответственно, а клемма для подключения токового электрода рабочего конденсатора соединена с токовым электродом образцового конденсатора и подключена через усилмтель к входу фазочувствительного детектора, выход которого подключен к первому информационному входу второго коммутатора и к выходным зажимам устройства, выход генератора прямоуголь5 ного напряжения соединен с управляющими входами коммутатора и опорным входом фазочувствительного детектора.

Недостаток такого устройства заключается в том, что помехи и шумы, наводимые в

0 конденсаторах датчика, вместе с полезным сигналом усиливаются в усилителе (который, как правило, имеет весьма большой коэффициент передачи). Это обстоятельство снижает помехоустойчивость преобразо5 вателя, а наличие усиленных шумов и помех увеличивает порог чувствительности преобразователя и тем самым ограничивает точность преобразования.

, Использование узкополосного частот0 но-избирательного усилителя (настроенного на частоту колебаний генератора прямоугольного напряжения) для подавления помех и шумов в известном устройстве затруднено тем, что такой усилитель имеет

5 крутую фазочастотную характеристику и вносит паразитные фазовые сдвиги (при не- стабильностях частоты колебаний генер ато- ра прямоугольного напряжения, воздействиях температуры, амплитудных

0 изменений сигнала на входе усилителя) в усиливаемый полезный сигнал и, следовательно, нарушает нормальную работу фазочувствительного детектора. Это также может приводить к погрешности преобразо5 вания.

Цель изобретения - повышение помехоустойчивости и точности преобразования.

Поставленная цель достигается тем, что измерительный преобразователь неэлект0 рических величин с емкостным датчиком, содержащий источник стабильного постоянного напряжения, первый и второй коммутаторы, генератор прямоугольного напряжения, клеммы для подключения ра5 бочего конденсатора, образцовый конденсатор и усилитель, вход которого соединен с токовым выводом образцового конденсатора и одной из клемм для подключения рабочего конденсатора, выход источника стабильного постоянного напряжения соединен с первым информационным входом первого коммутатора, входы управления первого и второго коммутаторов соединены с выходом генератора прямоугольного напряжения, вторые информационные входы обоих коммутаторов соединены с общей шиной преобразователя, а выходы - с потенциальным электродом образцового конденсатора и второй клеммой для подключения рабочего конденсатора, о т л имеющийся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости и точности преобразования, в него введены амплитудный детектор, формирователь импульсов, элемент задержки, счетный триггер, генератор тактовых импульсов, логический элемент ИЛИ, два логических элемента И, два ключа, источник питания, интегратор, блок .запоминания амплитуды напряжения, при этом выход усилителя через амплитудный детектор соединен с первым входом формирователя импульсов, второй вход которого соединён с первым выходом генератора тактовых импульсов, а выход - с входом, счетного триггера и с входом элемента задержки, выход которого соединен с первым. входом логического элемента ИЛИ, второй вход которого соединен со вторым выходом генератора тактовых импульсов, а выход с первыми входами логических элементов И,вторые входы которых соединены соответственно с прямым и инверсным выходами счетного триггера, а выходы - со входами управления соответственно первого и второго ключей, аналоговые входы которых соединены с разными полюсами источника питания, а выходы ключей соединены между собой и с входом интегратора, выход которого соединен с первым информационным входом второго коммутатора и с первым входом блока запоминания амплитуды напряжения, второй вход которого соединен с третьим выходом генератора тактовых импульсов, а выход соединен с выходными зажимами преобразователя.

В соответствии с предложенным техническим решением в преобразователе осуществляется узкополосное частотно-избирательное усиление выходных сигналов емкостного преобразователя (т.е. сигналов, снимаемых с токового электрода конденсатора Со и клеммы, подключенной к токовому электроду конденсатора Сх) тл дальнейшее их амплитудное детектирование. При этом формирование сигнала компенсации (сигнала, поступающего на образцовый конденсатор Со) осуществляется по знаку амплитудных приращений сигнала на выходе амплитудного детектора, получаемых в результате принудительных периодических

положительных и отрицательных приращений амплитуды сигнала компенсации. Благодаря этому в преобразователе осуществляется эффективное подавление

5 шумов и помех, наводимых на емкостный преобразователь (на конденсаторы Сх и С0) и повышается точность преобразования.

На фиг. 1 представлена блок-схема преобразователя; на фиг. 2 - диаграммы, пояс0 няющие его работу.

Преобразователь (фиг. 1) содержит источник 1 стабильного постоянного напряжения, коммутаторы 2 и 3, клеммы 4 для подключения рабочего конденсатора 5, об5 разцовый конденсатор б, генератор 7 прямоугольного напряжения, избирательный усилитель 8, амплитудный детектор 9, формирователь 10 импульсов, генератор тактовых импульсов (ГТЙ) 11, элемент задержки

0 12, счетный триггер 13, логический элемент ИЛИ 14, логические элементы И 15 и 16, двухполярный источник 17 питания, ключи 18 и 19, интегратор 20, блок 21 запоминания амплитуды напряжения.

5 Преобразователь работает следующим образом. На потенциальный электрод рабочего конденсатора 5 через клемму 4 и на потенциальный электрод образцового конденсатора 6 подают противофазные прямо0 угольные напряжения, формируемые коммутатором 2 из постоянного напряжения источника 1 и коммутатором 3 из выходного напряжения интегратора 20. Коммутаторы 2 и 3 управляются генерато5 ром-7 прямоугольного напряжения. Токовый электрод рабочего конденсатора 5 через клемму 4 и токовый электрод образцового конденсатора б соединены вместе и подключены через избирательный усили0 тель 8, настроенный на частоту колебаний генератора 7, к входу амплитудного детектора 9, напряжение Ug соответствует модулю напряжения IDxl, снимаемого с токовых электродов рабочего и образцового конден5 саторов 5 и 6, т.е.

Ug Ks.Kg.lUxf,(1) где Ке и Kg - коэффициенты передачи соответственно избирательного усилителя и амплитудного детектора.

0

Причем напряжение Ug зависит от выходного (компенсирующего) напряжения Uao интегратора 20 по кривой Ug f(U2o)Cx const, показанной на фиг. 2. Точка экстре5 мума д кривой Ug f(U2o)Cx const соответствует полной компенсации тока, протекающего через рабочий конденсатор 5, током образцового конденсатора б, а напряжение изо на выходе интегратора 20. при этом будет описываться выражением:

U20 UCT.

Ъ

где UCT - стабилизированное постоянное напряжение источника 1; |

Сх и Со - емкости рабочего 5 и образцового 6 конденсаторов,

Выходное напряжение Шо интегратора 20 может меняться в любом направлений по мере подачи на него напряжения положительной или отрицательной полярности от источника 17 питания через ключи 18 и 19. ГТИ 11 в течение одного такта вырабатывает на трех своих выходах по одному тактовому импульсу Uii1, Un и Un3, Которые сдвинуты относительно друг друга во времени (фиг. 2), Тактовые импульсы Uni1 и Он2 на первом и втором выходах ГТИ 11 имеют малую длительностью посредством ключей 18 и 19 кратковременно подключают интегратор 20 к положительному или отрицательному полюсу источника 17 питания. При этом выходное напряжение U20 интегратора 20 получит соответствующее приращение. Величина этих приращений пропорциональна длительности тактовых импульсов ии иУц и значению напряжения источника 17 питания. .;

Если в момент включения питания преобразователя величина выходного напряжения U20 интегратора 20 такова, что напряжение на выходе амплитудного детектора 9 соответствует точке б на кривой иэ- f(U2o)Cx const (фиг. 2), а счетный триггер

13 находится в единичном состоянии, тогда с первого выхода ГТИ 11 через элемент ИЛИ

14 и открытый элемент И 15 на вход управления ключа 18 поступит тактовый импульс Uи1, в результате чего выходное напряжение Uzo интегратора 20 получит отрица- тельное .приращение. Это вызывает уменьшение амплитуды противофазного напряжения на выходе коммутатора 3, а следовательно, вызовет увеличение амплитуды .сигналов на выходах избирательного усилителя 8 и амплитудного детектора 9, С выхода амплитудного детектора 9 сигнал поступает на формирователь 10 импульсов, который служит для формирования импульсй Uio на его. выходе при отсутствии отрицательного приращения напряжения на выходе амплитудного детектора 9, причем импульс Uio может формироваться только в момент подачи на вход управления формирователя 10 импульсов тактового импульса Un со второго выхода ГТИ 11. С выхода формирователя 10 импульсов Uio поступает на вход счетного триггера 13 и изменяет его состояние,(триггер устанавливается в нулевое состояние). При этом элемент И 15 запира

10

20

. 15. 25

4530

35

40

50

55

ется, а элемент И 16 открывается. С выхода формирователя 10 импульсов тот же самый импульс Uio с временной задержкой через элемент задержки 12, элемент ИЛИ 14, элемент И 16 поступает на вход управления ключа 19, вследствие чего выходное напряжение интегратора 20 получает положительное приращение и амплитуда сигнала на выходе детектора 9 принимает предыдущее значение, соответствующее точке б (фиг.

2)В следующем такте импульс Un с первого выхода ГТИ 11 через элемент ИЛИ 14 и элемент И 16 поступает на вход ключа 19. Выходное напряжение Uao интегратора 20 получает положительное приращение: амп; литуда сигнала на выходах избирательного усилителя 8 и амплитудного детектора 9 уменьшается и принимает значение, соответствующее точке в. При этом отрицательный перепад амплитуды напряжения Ug на выходе детектора 9 не вызывает появления импульса Uio на выходе формирователя 10 импульсов. Далее последующие тактовые импульсы Un1 с первого выхода ГТИ 1 через элементы ИЛИ 14, И 16.будут поступать на вход ключа 19 и будут уменьшать амплитуду сигнала на выходе амплитудного детектора 9 до значения, соответствующего точке г, которое является самым близким . к точке д экстремума кривой Ug f(U2o)Cx const. После этого увеличение или уменьшение амплитуды напряжения Uzo на выходе интегратора 20 получает положительное приращение амплитуды.сигнала Us на выходе амплитудного детектора 9, а значит, вызовет появление импульса Uio на выходе формирователя .10, который-поступает на вход счетного триггера 13 и изменяет его состояние. Тот же самый импульс Uio через элемент 12 задержки, элемент ИЛИ 14 и через один из элементов И 15 или 16 поступает на вход одного из ключей 18 или 19 и вызывает изменение выходного напряжения U20 интегратора 20 в таком направлении, чтобы амплитуда сигнала на выходе детектора 9 снова соответствовала точке г, Последующие тактовые импульсы Un1 с первого выхода ГТИ 11 непрерывно будут осуществлять пробные воздействия, увеличивая или уменьшая амплитуду, напряжения на выходе интегратора 20, а 14мпульсы Uio, формируемые на выходе формирователя 10, .будут возвращать амплмтуду сигнала на выходе амплитудного детектора 9 к значению, соответствующему точке г.

Таким образом, устройство из режима поиска переходит в режим слежения. При изменениях измеряемой величины устройство в режиме слежения будет формировать

на выходе интегратора 20 напряжение, амплитуда которого будет прямо пропорциональна измеряемой величине (см.формулу

(2)}.

С третьего выхода ГТИ 11 на вход блока 21 запоминания амплитуды напряжения поступают тактовые импульсы 1)ц3 и в этом блоке запоминается амплитудное значение выходного напряжения U20 интегратора 20, которое поступает на выходные зажимы преобразователя. Тактовые импульсы Un3 во времени следуют после возвратных тактовых импульсов ип2(после импульсов фор- мируемых на выходе формирователя 10). Поэтому амплитудное значение напряже- ния на зажимах преобразователя устойчиво соответствует точке г (фиг. 2).

Для высокого коэффициента усиления избирательного усилителя 8 погрешность преобразования устройства определяется в основном величиной 0,5 AU20, где AU20 - величина дискретных приращений напряжения на выходе интегратора 20 при подзарядке его разнополярными импульсами, поступающими от блока питания 17 через ключи 18 и 19. При этом величина AU20 может быть достаточно малой.

В предложенном преобразователе формирование сигнала компенсации U20 на выходе интегратора 20 осуществляется по знаку амплитудных приращений сигнала неравновесия, снимаемого с токовых электродов конденсаторов С0 и. Сх ( по знаку амплитудных приращений сигнала на выходе амплитудного детектора) и получаемых в результате пробных воздействий (в результате подзарядки интегратора 20 разнополярными импульсами). В связи с тем, что амплитуда сигнала неравновесия не чувствительна к фазовым нестабильностям, то в предложенном преобразователе для усиления сигнала неравновесия может использоваться избирательный узкополосный усилитель, настроенный на частоту колебаний генератора прямоугольного напряжения 7.

При этом будет осуществляться эффективное подавление шумов и помех, наводимых на конденсаторы Со и Сх, а фазовые сдвиги в избирательном усилителе не будут влиять на точность измерения. В свою очередь, снижение шумов и помех снизит порог чувствительности преобразователя и позволит фиксировать меньшие величины изменения полезного сигнала, а следовательно, повысить точность преобразования.

Использование: в электроизмерительной технике. Сущность изобретения: измерительный преобразователь неэлектрических величин с емкостным датчиком содержит источник стабильного постоянного напряжения 1, коммутаторы 2 и 3, рабочий и образцовый конденсаторы 4 и 5, генератор прямоугольного напряжения 6, усилитель 7, амплитудный детектор 8, формирователь импульсов 9, генератор тактовых импульсов 10, элементы задержки 11, счетный триггер 12, логический элемент ИЛИ 13, логические элементы И 14 и 15, источник питания 16, два ключа 17 и 18, интегратор 19 и блок запоминания 20 амплитуды напряжения. В предлагаемом преобразователе осуществляется частотно-избирательное усиление сигналов, снимаемых с токовых электродов рабочего и образцового конденсаторов и дальнейшее их амплитудное детектирование. При этом формирование сигнала компенсации на выходе интегратора осуществляется по знаку амплитудных приращений сигнала на выходе амплитудного детектора, получаемых в результате принудительной подзарядки интегратора от источника питания. 1 з.п.ф-лы, 2 ил. (Л

Формула изобретения

2. Преобразователь по п. 1, от л и чающийся тем, что усилитель выполнен частотно-избирательным и настроенным на частоту колебаний генератора прямоугольного напряжения.