Измерительный преобразователь параметров емкостного датчика во временной интервал Советский патент 1993 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения параметров электрических цепей.

Целью изобретения является повышение точности преобразования и существенное упрощение конструкции.

На фиг.1 приведена функциональная схема измерительного преобразователя параметров емкостного датчика во временной интервал, Устройство содержит: источник опорного напряжения 1, первый вывод которого соединен с первыми входами коммутаторов 2 и 3. Второй вывод источника опорного напряжения 1 соединен со вторыми входами коммутаторов 2 и 3 и подключен к общей шине устройства. Выходы коммутаторов 2 и 3 соединены соответственно через образцовый 4 и измерительный 5 конденсаторы емкостного датчика со входом усилителя сигнала неравновесия измерительной цепи (УСН) 9. Выход УСН 9 через разделительный конденсатор 10 подключен к первому выводу ключа 11, который соединен со входом повторителя 12. Второй вывод ключа 11 соединен с общей шиной устройства. Выход повторителя 12 соеди: нен через последовательно включенные интегратор 16 и делитель напряжения 17 с первым входом компаратора 18. Второй

vj

о со

xj

СО

Јь

вход компаратора 18 соединен с выходом устройства формирования напряжения развертки 23, а выход компаратора 18 подключен к первому входу логического элемента 2И-НЕ 24. Выход логического элемента 2И-- НЕ 24 соединен со входом управления коммутатора 3. Первый выход блока управления (БУ) 27 соединен со входом управления ключа 11. Второй выход БУ 27 соединен со вторым входом логического элемента 24, подключен ко входу управления коммутатора 2 и соединен со входом устройства формирования напряжения развертки 23. Выход коммутатора 3 является выходом устройства.

Усилитель сигнала неравновесия измерительной цепи (УСН) 9 содержит: параллельно включенные конденсатор 6 и I резистор 7, первые выводы которых соединены с инвертирующим входом операционного усилителя (ОУ) 8, который является входом УСН 9. Неинвертирующий вход ОУ 8 соединен с общей шиной устройства, а выход ОУ 8 является выходом УСН 9.

Повторитель 12 содержит: ОУ, неинвертирующий вход которого является входом повторителя 12. Инвертирующий вход ОУ соединен с его выходом и является выходом повторителя 12.

Интегратор 16 содержит: времязадаю- щий резистор 13, первый вывод которого является входом интегратора 16. Второй вывод резистора 13 соединен с первым выводом времязадающего конденсатора 14 и подключен к инвертирующему входу ОУ 15. Неинвертирующий вход ОУ 15 соединен с общей шиной устройства. Второй вывод конденсатрра 14 соединен с выходом ОУ 15 и является выходом интегратора 16.

Устройство формирования напряжения развертки 23 содержит: дифференцирующий конденсатор 19, первый вывод которого является входом блока 23. Второй вывод конденсатора 23 соединен с первыми выводами резисторов 20 и 21. Второй вывод интегрирующего резистора 21 через интегрирующий конденсатор 22 соединен с общей шиной устройства является выходом блока 23. Второй вывод дифференцирующего резистора 20 соединен с общей шиной устройства.

Блок управления 27 содержит: генератор напряжения прямоугольной формы 25 (частота которого стабилизирована кварцевым резонатором), выход которого соединен со счетным входом счетчика Джонсона С дешифрированными выходами 26. Входы счетчика 26 установки в нулевое состояние и разрешение счета соединены с общей шиной устройства. Восьмой выход (Q8)

счетчика 26 является первым выходом RY 27, а выход перенос счетчика 26 является вторым выходом БУ 27.

Недостаточная точность работы прототипа заключается в несовершенстве структурного решения, которое обусловлено невозможностью включения в контур цепи отрицательной обратной связи ключа (формирующего напряжение питания

измерительной цепи на конденсаторе емкостного датчика С0) и логического элемента, формирующего выходной временной интервал.

Ввиду того, что выходной сигнал прототипа формируется из выходного напряжения компаратора, реальный временной интервал с учетом времени срабатывания ключа и логического элемента описывается выражением:

т . т Сх

I ВЫХ

7«г-+ 1вкл + tsaA,

(D

где То - половина периода сигнала опорного генератора;

1вкл. время включения ключа(формиру- ющего напряжение питания измерительной цепи);

1зад- время задержки срабатывания логического элемента.

Следовательно, величина относите/ ь- ной погрешности, вызванная конечными скоростными характеристиками ключа и логического элемента, может быть определена из выражения

35

т Сх т Сх I I сгр7 В|СЛ зад

Со

Сх

с;

Т х IOT

ХвклСо i taqfl.CXp VT7C7+ tT7 rJ

T0C

(2)

45

Поэтому при использовании быстродействующих ключей типа К590КИ8 с

чЗ-10 С и логического элемента

.564 серии (К564ЛА7) с tBKn. И10-10 Э С . погрешность (2) будет иметь величину у 0,12% (при частоте опорного генератора пилообразного напряжения f0 50 кГц).

Полностью устранить природу данной погрешности удалось при реализации предложенного в материалах данной заявки устройства. Сущность заявляемой структуры заключается в том, что ее реализация обеспечила охват вышеназванных узлов контуром общей отрицательной обратной связи. Поэтому, влияние скоростных характеристик переключателя и логического элемента удалось минимизировать в К / раз (где К /3

коэффициент петлевого усиления в контуре отрицательной обратной связи). В этом случае относительная погрешность, вызванная конечным быстродействием ключа и логического элемента, определяется из выраже- ния

( вкл Т0 Со К

Сх j taafl Сх о о То Со Ку

где Ку- коэффициент усиления интегратора по постоянному току (данная величина лежит в диапазоне Ку 20.103...5(Ы03). Устранение в структуре генератора линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) и применение экспоненциальной развертки существенно упростило конструкцию в целом.

Функциональная схема измерительного преобразователя сигналов емкостного датчика во временной интервал приведена на фиг. 1. Измерительный преобразователь предназначен для работы с емкостными датчиками с изменяющейся величиной зазора. Для обеспечения нормальной работы измерительного канала в целом необходимо выполнить следующее соотношение емкостей измеряемого и образцового конденсаторов датчика: Сх С0. Алгоритм работы устройства основан на уравновеши- вании зарядов, формируемых на измеряемом Сх 5 и образцовом С0 4 конденсаторах емкостного датчика. Синхронизация работы всех узлов измерительного преобразователя осуществляется выходными сигналами блока управленя(БУ) 27.

БУ 27 работает следующим образом. В качестве устройства формирования цикла работы преобразователя применен счетчик Джонсона и дешифратор 26, преобразую- щий двоичный код в сигнал на одном из десяти выходов. На тактовый вход счетчика с дешифрованными выходами 26 подается напряжение прямоугольной формы от генератора 25. Форма выходного напряжения генератора 25 приведена на фиг.2.1, Частота работы генератора 25 должна быть стэби- лизирована кварцевым резонатором. Напряжение управления работой ключа 11 (фиг, 2.2)снимается с выхода Q8 счетчика 26, который является первым выходом БУ 27. С выхода перенос счетчика 26 снимается сигнал (фиг.2.3), который управляет работой коммутатора 2 и задает цикл работы преобразователя. При работе ключей 2 и 3 на образцовом 4 и измеряемом 5 конденсаторах емкостного датчика формируются напряжения прямоугольной формы амплитудой Uo, где U0 - выходное напряжение опорного источника 1. Данные напря

5

10

15

202530 35

40 4550 55

жения изображены соответственно на фиг. 2.4 и 2.5. Усилитель сигнала неравновесия измерительной цепи (УСН) 9 выполнен на ОУ 8, конденсаторе 6 и резисторе 7. Назначение резистора 7 - обеспечить отрицатель- ную обратную связь каскада по постоянному току. Поэтому для нормального функционирования устройства необходима реализация соотношения: Т0, где R, Се - соответственно сопротивление резистора 7 и емкость конденсатора 6; То - длительность цикла преобразования. Функционально УСН 9 представляет собой устройство преобразования разности зарядов, формируемых на конденсаторах Сх 5 и С0 4, в напряжение, Выходное напряжение УСН 9 приведено на фиг. 2.6. Это напряжение подается на вход устройства восстановления составляющей разности уравновешиваемых напряжений, которое выполнено с помощью ключа 11, разделительного конденсатора 10 и повторителя 12. Принцип работы этого устройства основан в установлении на входе интегратора 16 нулевого потенциала (в моменты времени ) после окончания каждого цикла преобразования. Поэтому формирование приращений входного напряжения интегратора 16 (при начале каждого цикла преобразования Т0) происходит от нулевого потенциала. Наличие в структуре конденсатора 10 позволяет исключить влияние напряжения смещения ОУ 8 на формирование выходного временного интервала. Выходное напряжение повторителя 12 (которому также соответствует временная диаграмма, приведенная на фиг.2.6) подается на вход интегратора 16. В результате этого процесса на выходе интегратора 16 формируется пилообразное напряжение. Скорость и направление приращения этого напряжения задаются соответственно амплитудой и полярностью выходного напряжения повторителя 12. Для обеспечения работоспособности устройства в целом введен делитель 17. Назначение этого делителя - обеспечение захвата напряжением развертки выходного напряжения интегратора 16. Коэффициент деления делителя 17 выбирается из следующего соотношения:

Un Z

U

1ЭС.ОД,

KIT

где Up - амплитуда напряжения развертки, снимаемого с выхода блока 23;

инас.од. - выходное напряжение насыщения ОУ 15;

Ki7 коэффициент деления делителя 17.

Напряжения, снимаемые с выходов делителя 17 и устройства формирования напряжения развертки 23, приведены соответственно на фиг. 2.7.а и фиг, 2.7.6. Данные напряжения подаются на компара- тор 18, который вырабатывает импульс окончания процесса формирования выходного временного интервала ТВых. Напряжения, формируемые компаратором 18 и логическим элементом 24, приведены соот- ветственно на фиг. 2.8 и фиг.2.9. Напряжение, снимаемое с выхода логического элемента 24, управляет длительностью включения коммутатора 3 и обеспечивает уравновешивание измерительной цепи.

Из алгоритма работы устройства следует, что уравновешивание измерительной це- пи осуществляется автоматической ре.- гулировкой длительности выходного временного интервала. Окончание этого процесса достигается при уравновешивании приращений выходного напряжения интегратора 16 в моменты времени ta-tb и (см. фиг. 2.7). Следовательно, состояние равновесия устройства описывается вы- ражением:

Uab - Ubc О

Из (4) следует, что при уравновешивании системы абсолютные значения выходных напряжений интегратора 16 до начала и после окончания цикла преобразования Т$ равны. Причем абсолютное значение этого напряжения не входит в функцию преобра- зования устройства. Общее уравнение пре- образованияизмерительного преобразователя емкости во временной интервал определяется из выражения (4):

. (Сх - Ср) ГвыХ 1 1 Ср( I о - Твых} п

° Се R13 С14° Cie С14 Ria

(5)

где То и Твых - соответственно опорный и выходной временной интервалы;

Се и Ci4 - соответственно емкости конденсаторов 6 и 14;

Ri3 - сопротивление резистора 13.

В результате несложных преобразова- ний уравнение (5) примет вид:

I ВЫХ

Со

:о. Ux

Из выражения (6), описывающего функ- дию преобразования устройства, следует, что при работе с емкостными датчиками с изменяющейся величиной зазора обеспечивается линейная зависимость от величины изменения зазора:

: Т0

Cphx

SxE

(7)

где Сх

SxЈ

ТъГ

; Sx - площадь взаимного пе5 10 15

20 25

30 35 40

45

50

55

рекрытия обкладок измеряемого конденсатора Сх;

Их - величина зазора между обкладками измеряемого конденсатора Сх;

Ј - диэлектрическая проницаемость среды диэлектрика.

При использовании данного измерительного преобразователя с емкостными датчиками с изменяющейся площадью обкладок необходимо в качестве измеряемого конденсатора использовать конденсатор 4, а в качестве образцового конденсатора - конденсатор 5. В этом случае также обеспечивается линейная функция преобразования измерительного канала относительно изменения площади взаимного перекрытия обкладок измеряемого конденсатора. При этом следует иметь в виду, что в этом случае необходимо также выполнение соотношения: Cs С4.

Достоинством предлагаемого устройства, по сравнению с прототипом, является повышение точности преобразования и существенное упрощение конструкции. Данное устройство макетировалось на кафедре Информационно-измерительной техники Ленинградского государственного техниче1- ского университета. Анализ метрологических характеристик предлагаемого устройства и прототипа позволил сделать вывод, что температурная и временная стабильности метрологических характеристик предлагаемого устройства выше, чем у прототипа и других ранее известных структур. В том числе величина температурной погрешности относительно прототипа была уменьшена с величиной 0,03/10°С, в диапазоне температур -60°С...+100°С, до значения 0,012%/1,°С. При практической реализации преобразователя были использованы микросхемы 561,590,544 и 140 серий, а в качестве счетчика с дешифрированными выходами 26 применялась микросхема К561ИЕ8.

Экономический эффект не подсчитывался, так как основной целью предлагаемого изобретения является повышение точности.

Формула изобретения

Измерительный преобразователь параметров емкостного датчика во временной

интервал, содержащий измеряемый и образцовый конденсаторы емкостного датчика, первые выводы которых соединены с входом усилителя сигнала неравновесия измерительной цепи, интегратор, компаратор и ключ, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения конструкции, в него введены первый и второй коммутаторы, блок управления, разде- лительный конденсатор, повторитель напряжения, делитель напряжения, устройство формирования напряжения развертки, логический элемент 2И-НЕ и источник опорного напряжения, первый вывод которого соединен с первыми входами первого и второго коммутаторов, второй вывод источника опорного напряжения соединен с вторыми входами первого и второго коммутаторов, а также подключен к первому выводу ключа и соединен с общей шиной устройства, выходы первого и второго коммутаторов соединены соответственно с вторыми выводами образцового и измерительного конденсаторов емкостного датчика, выход усилителя сигнала неравновесия измерительной цепи через разделительный

конденсатор подключен к второму выводу ключа и соединен через последовательно включенные повторитель, интегратор и делитель напряжения с первым входом компаратора, первый вывод блока управления

0 соединен с входом управления ключа, второй выход блока управления соединен с входом управления первого коммутатора и первым входом логического элемента 2И-НЕ, а также через устройст5 во формирования напряжения развертки соединен с вторым входом компаратора, выход компаратора соединен с вторым входом логического элемента 2И-НЕ. выход которого подключен к входу управле0 ния второго коммутатора, выход второго коммутатора является выходом устройства.

%а.г

Использование: в измерительной технике, в частности в электронных измеритель- ных преобразователях параметров пассивных электрических цепей. Сущность изобретения: алгоритм работы устройства основан на уравновешивании зарядов, формируемых на измеряемом и образцовом конденсаторах емкостного датчика. Устройство содержит источник опорного напряжения, электронные коммутаторы, образцовый и измеряемый конденсаторы емкостного датчика, усилитель сигнала неравновесия измерительной цепи, разделительный конденсатор, ключ, повторитель напряжения, интегратор, делитель нэпря- .жения, компаратор, устройство формирования напряжения развертки, логический элемент 2И-НЕ и блок управления. Процесс уравновешивания в устройстве осуществляется приведением к нулю интеграла от выходного напряжения повторителя. Широтно-импульсное регулирование выходного сигнала измерительного преобразователя осуществляется с помощью компаратора и устройства формирования напряжения развертки. 2 ил. ел С