Устройство для измерения емкости или индуктивности Советский патент 1981 года по МПК G01R27/26 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЕМКОСТИ ИЛИ ИНДУКТИВНОСТИ

I

Изобретение относится к иэмбрительной технике, а именно к частотньм методам измерений, основанным на преобразовании физической величины в частоту переменного тока, а частоты в цифровой эквивалент с применением структурных методов коррекции погрешностей, может быть использовано для преобразования в цифровой код емкости или индуктивности, различных незлектрическик величин с помощью емкостгаос или индуктивных датчиков, например перемещений зазоров, влажности и т.п. а также при построении информационноизмерительных систем, предназначенных для автоматического управления технологическими процессами.

Известно устройство для измерения емкости или индуктивности при неI линейной функции преобразования АЦП, в котором нелинейную функцию преобразования аппроксимируют кусочно-линейной функцией, при этом количество необходимых образцовых мер равНО числу участков аппроксимации. Процесс измерения строится из трех тактов. Сначала к входу АЦП, к контуру автогенератора, подключают неизвестную величину. По полученному значению кода выбирают две ближайсгие образцовые меры, одна из которых меньше, а другая больше полученного кода. Подключают по очереда и производят измерение зтих образцовых мер. Данмые всех трех замеров вводят в вычислительный блок, который вычисляет скорректированный результат по определенной формуле | J .

Недостатком этого устройства является невысокая точность измерения обусловленная погрешностью, неизбежной при аппроксимации непрецшвной функции кусочно-линейной (погрешность аппроксимации). Эта погрешность может быть значительной, так как участки аппроксимации должны быть достаточно большими во избежание их перепутывания, которое может произойти при грубом измерении неизвестной величины, необходимом для выбора участка аппроксимации (т.е. для выбо ра двух ближайших образцовых мер, с помощью которых затем производят коррекцию трубого результата). Еще более низкая точность получается при работе на пологой ветви функции преобразования. Низкая точность при работе на пологом участке функции преобразования обусловлена низкой чувствительностью и погрешностью аппроксимации. Другим недостатком известного уст ройства является узкий диапазон измеряемых емкостей и индуктивноетей обусловленный низкой чувствительностью на поДогой ветви нелинейной функ ции преобразования. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является преобразователь малых приращений емкост или индуктивности в напряжение, содержащий образцовый элемент, контролируемый элемент, коммутатор, автогенератор, смеситель, гетеродин пере страиваемой частоты, частотный детек тор, усилитель низкой частоты, индикатор, дополнительный ключ, запомина ющий блок, блок управления, реактивный элемент, источник опорного на пряжения, генератор коммутационного напряжения 2.. Недостаток известного устройства узкий диапазон измерения и низкая точность измерения. Цель изобретения - расширение диа пазона измерения и повьш1ение точности измерения. Поставленная цель достигается тем что в устройство для измерения емкости или индуктивности, содержащее автогенератор, один из входов которого соединен с выходом коммутатора, первый вход последнего соединен с первым зажимом для подключения кон тролируемого элемента, второй вход соединен с зажимом для подключения образцового элемента, выход автогене ратора соединен с одним из входов см сителя, другой вход которого соединен с выходом гетеродина перестраиваемой частоты, блок опорного напряж ния, ключ, дополнительный образцовый элемент и блок управления, введены преобразователь код - напряжение, формирователь высокой частоты, блок цифровой автоподстройки частоты, вычислительный блок, частотомер и 964 фильтр низкой частоты, причем выход смесителя через фильтр низких частот соединен с первым входом частотомера и с одним из входов формирователя ВЫСОКОЙ частоты, выход последнего соединен со вторьи входом частотоме,ра, выход которого соединен со входом вычислительного блока и со входом блока Цифровой автоподстройки асд-оты, выход которого соединен с управляющим входом автогенератора, а выход вычислительного блока соединен со входом преобразователя код - напряжение, выход последнего соединен с первым входом ключа, второй вход которого соединен с выходом блока опорного напряжения, выход ключа соединен со входом гетеродина перестраиваемой частоты, а управляющие входы ключа, блока цифровой автоподстройки частоты, формирователя высокой частоты, частотомера и коммутатора соответственно соединены с выходами блока управления, третий вход коммутатора соединен с зажимом для подключения дополнительного образцового элемента. На чертеже приведена функциональная электрическая схема устройства. Устройство содержит образцовый элемент 1, имекщий например, нулевое значение и образцовый элемент 2, подключенные к соответствующим зажимам коммутатора 3, имеющего зажимы для подключения контролируемого элемента 4, общий зажим коммутатора 3 подключен к колебательному контуру автогенератора 5, выход которого соединен с входом смесителя 6, другой вход которого соединен с выходом гетеродина 7 перестраиваемой частоты, выход смесителя 6 через фильтр 8 нижних частот соединен с первым входом частотомера 9, второй вход частотомера соединен с выходом формирователя 10 высокой частоты, который своим входом подключен к выходу фильтра низкой частоты, выход частотомера 9 соединен со входом блока I1 цифровой автоподстройки частоты и с вычислительным блоком, выход блока цифровой автоподстройки частоты соединен с управлякяцим входом автогенератора 5, а выход вычислительного блока 12 - с преобразователем 13 код-напряжение выход которого соединен с входом ключа 14, к другому входу которого подсоединен вькод блока 15 опорного напряжения, выход ключа 14 соединен с

управляющим входом гетеродина 7, а управляющий вход ключа 14 соединен выходом блока 16 управления, другие выходы которого соединены соответственно с управлянлцими входами коммутатора 3, частотомера 9 формировтеля 10 высокой частоты и блока 11 цифровой автоподстройки частоты.

Устройство работает следующим образом.

Один из элементов - образцовый элемент 1, например, с нулевым значением, образцовый элемент 2 или контролируемый элемент 4 - подключается коммутатором 3 к контуру автогенератора 5, сигнал которого с помощью смесителя 6, гетеродина 7 перестраиваемой частоты, имеющего возможность перестройки по частоте и фильт)а 8 нижней частоты переносится на разностную частоту, поступающую на вход частотомера 9,., работающего в режиме измерения периода либо в режиме измерения отношения частот. В первом такте в частотомере 9 формируется код периода разностной частоты, являющийся функцией образцового элемента 1, например, с нулевым значением. Полученный код сравнивается в блоке 11 цифровой автоподстройки частоты с опорным кодом и при их неравенстве вырабатывается в блоке 11 цифровой автоподстройки частоты управляющее воздействие, которое подстраивает частоту автогенератора 5 до получения равенства сравниваемых кодов. При этом происходит коррекция аддитивной составляющей погрешности, т.е. коррекция нуля. Во втором такте частотомером 9 формируется код периода разностной частоты, являющийся функцией образцового элемента 2. Значение этого кода равно

И)

v«

W,

де И - коэффициент умножения периода разностной частоты, К) 1, 10, 100..., - частота гетеродина 7 перестраиваемой частоты, устанавливаемая стабильным напряжением, подаваемым через кпюч 14 с блока 15 опорного напряжения в цепь установки частоты гетеродина 7,

- частота автогенератора 5, равная f - - I (1)

. V77

где к - коэффициент пропорциональности, с - значение образцового эле

мента 2,например емкости, С учетом (2)

V(

С- -Р

-VF г

Как известно, функция Т как период частоты автогенератора 5 нелинейна и имеет пологий участок, при работе на котором резко снижается чувствительность преобразования, что приводит к снижению точности измерения и к сужению диапазона измеряемых емкостей или индуктивностей.Полученный в частотомере 9 код Т вводится в вычислительный блок 12, где из (З) по формуле обратного преобразования определяется/

- м

G.

Л (

Известно, что С по (4 ) является линейной функцией.

Полученное значение С умножают . в вычислительном блоке 12 на коэффициент пропорциональности т, выбираемый из условия требуемого угла наклона линейной функции преобразования .

Т-тс.: с&;

М

Заменяя в ( 1 ) часто/ у f на , получаем , тогда /

j М Г1 f

Из С6 ) находим

jV

f L--

и. (л) 1Л WlC

WV

обеспечивакицее линейность периода разностной частоты/

4:- (e),

IptfA гоС,д

Полученное в виде кода в вычислительном блоке 12 значение преобразуеся в преобразователе 13-код-напряжение в напряжение соответствующей величины, которое через управляемый блоком 16 управления ключ 14 подается в цепь установки частоты гетеродина 7.перестраиваемой частоты устанавливая его частоту равной fL еле установки частоты гетеродина перестраиваемой частоты f на де фильтра 8 низкой частоты появляется разностная частота fL , которой есть линейная функция образцового элемента 2.

Из полученной разностной частоты f р формируют высокую частоту в формирователе 10 высокой частоты. Формирователем 10 высокой частоты из раностной может быть синхронизируемый генератор с постоянным отношением синхронизации N. Значение высокой частоты на выходе формирователя 10 высокой частоты равно

((9)

В третьем такте аналогично, заменяя образцовый элемент 2 на измеряемый параметр Су формируют разностную частоту, период которой является линейной функцией Cj, т.е. на выходе фильтра 8 нижней частоты получают

чП

Y (-(О)

5р .

шпСд

где

г Г JL

Ц. Г Х WC,

После этого частотомер 9 переводят с помощью блока 16 управления, в режим измерения отношения высокой частоты, определяемой по ( 9/ к полученной разностной, определяемой по (10), и получают код отношения частот г г-у . M-pr- N Ш

ip -АЛ

Полученный код отношения частот Н вводят в вычислительный блок 12, где умножают его на номинал образцового элемента и, таким образом, получают точное скорректированное значение измеряемого параметра (емкости или индуктивности ).

Действительно, подставляя в 111)

значения Су и С.а определяемые по (4 .олучаемvoi ,

т|(

U1) тДСУ.гТ,)

Подставляя в (12) значения Ту и Тд, определяемые по (3) с учетом тоfr-bfx. )

(4l

Т.е. то5здество.

Из (12} и (14) видно, что отношение частот Н, пропорциональное измеряемому параметру, не зависит от к, т.е. из результата измерения исключена мультипликативная составлякяцая погрешности.

Формула изобретения

Устройство для измерения емкости или ивдуктивностн, содержащее автогенератор, один из входов ROToporo соединен с выходйй ко1 В1утатара ftepвый вход посЛедйё1 о Соединён с йёрвым зажимом для падклют внйя йонтршируемого элемента, второй ёкоД еаедй- нен с зажимом для подключения образцового элемента, выкод айТогёнера тора соединен с одним аз йходой ся® снтеля, другой вход которого еогедйнен с выходе гвтеродиаа перес-рраи- ваемой частоты, .блок опорного ййпряжения, ключ, дополнительный овразцо вый элемент и блок управ лёния отличающееся тем, что о це-1 лью расширения диапазона измереяий и повышения точности измерения, а него введены преобразователь код напряжение, формирователь высокой частоты, блок цифровой автоподстройки частоты, вычислительный блок, частотомер и фильтр низкой частоты, причем выход смесителя через фильтр низкой частоты соединен с первым входом частотомера и с одним из входов формирователя высокой частоты, выход последнего соединен со вторым входом частотомера, выход которого соединен со входом вычислительного блока и со входом блока цифровой автоподстройки частоты, выход которого соединен с управляющим входом автогенератора, а выход вычислительного блока соединен со входом преобразователя код напряжение, выход последнего соединен с первым входом ключа, второй вход которого соединен с выходом блока опорного напряжения, выход ключа соединен со входом гетеродина перестраиваемой частоты, управляющие входы ключа, блока цифровой автоподстройки частоты формирователя высокой частоты, частотомера и коммутатора соответственно соединены с выходами блока управления, третий вход коммутатора соединен с зажимом для подключения дополнительного образцового элемента .

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

(прототип).