Аналого-цифровой преобразователь параметров диэлькометрического датчика

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения электрофизических свойств веществ с помощью емкостных датчиков. Изобретение позволяет повысить точность измерений и расширить диапазон измерения. Это достигается тем, что в преобразователь, содержащий диэлькометрический датчик 1, операционный усилитель 6, нуль-орган 7, аналоговый сумматор 10, счетчик 16, компараторы 8, 9, 25, одновибратор 20, цифроаналоговый преобразователь 13, генератор 18 импульсов, суммирующие счетчики 29, 33, RS - триггер 21, элементы И 22, 32, 28, блок 17 запуска и управляемый интегратор 26, введены цифровой дискриминатор 12, коммутатор кодов 19, RS - триггер 27, цифроаналоговые преобразователи 14, 15, 24, вычитающий счетчик 23, делитель напряжения 30, блок 31 выделения импульса и распределитель 34 импульсов. 5 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ .

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (191 (П) (51) 5 Н 03 М 1/46

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР

К A8TOPCKOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4444559/24-24 (22) 20.06.88 (46) 28.02.90. Вюл. У 8 (71) Пензенский политехнический институт (72) П.В. Машошин, С.B. Никишин и Д.Л. Акимов (53) 681.325(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1140628, кл. G 01 N 27/22, 1985.

Авторское свидетельство СССР

В 1242801, кл. G 01 И 27/26, 1985.

2 (54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКОГО

ДАТЧИКА (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения электрофизических свойств веществ с помощью емкостных датчиков. Изобретение позволяет повысить точность измерений и расширить диапазон измерения. Это достигается тем, что в преобразователь, 1547063

25

pG1 + UoT UpIIIÄÄgpи

R Cp Rp,Gp содержащий диэлькометрический дат-. чик 1; операционный усилитель 6, нуль-орган 7, аналоговый сумматор 10, счетчик 16, компараторы 8, 9, 25, одновибратор 20, цифроаналоговый преобразователь 13, генератор 18 импульсов, суммирующие счетчики 29, 33, RS-триггер 21, элементы И 22, 32, 1

Изобретение относится к измери;тельной технике ьр может быть использовано для измерения влажности, концентрации, солесодержания .

Цель изобретения — повьппение точ, ности и расширение диапазона преобразования.

На фиг. 1 изображена функциональ; ная схема. предлагаемого преобразова теля; на фиг. 2 — функциональная, схема цифрового дискриминатора; на, фиг. 3 — фиг. 5 — временные диаграм.мы работы преобразователя.

Преобразователь содержит диэлькометрический датчик (ДД) 1, токоог- 30, раничивающие элементы, выполненные на резисторах 2 и 3, накопительные элементы, выполненные на конденса,торах 4, токоограничивающий элемент, выпОлненный на резисторе 5, Операци" онный усилитель 6, нуль-орган 7, компараторы 8 и 9, аналоговый сумматор

: .1 О, инвертор 11, цифровой дискриминатор 12, цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) — 13-15, реверсивный счетчик 16, блок 17 запуска, генератор 18 импульсов, коммутатор 19 ко- дов, одновибратор 20, RS-триггер 21, элемент И 22, вычитающий счетчик 23, цифроаналоговый преобразователь 45 (ЦАП) 24, компаратор 25, управляемый интегратор 26, RS-триггер 27, элемент

И 28, суммирующий счетчик 29,.делитель 30 частоты, осуществляющий деление на два, блок 31 выделения импульса, элемент И 32, суммирующий счетчик

33 и распределитель 34 импульсов.

Цифровой дискриминатор 12 содержит одновибратор 35, RS-триггеры 36 и 37, Ф

Ц (t.) oG2 (1 Ц ) Ы ось

G о мскс 1

28, блок 17 запуска и управляемый интегратор 26, введены цифровой дискриминатор 12, коммутатор 19 кодов, RS-триггер 27, цифроаналоговые преобразователи 14, 15, 24, вычитающий счетчик 23, делитель 30 напряжения, блок 31 выделения импульса и распределитель 34 импульсов. 5 ил. одновибраторы 38 и 39, реверсивный счетчик 40 и элементы И 41-43.

Преобразователь работает следующим образом.

При включении напряжения питания выходное напряжение усилителя б устанавливается в одно из состояний насыщения, например, в области отрицательных напряжений -U с ° На выходе нульоргана 7 устанавливается напряжение

+U = U . Одновременно с включением напряжения питания срабатывает блок

17 и импульс с его выхода устанавливает на выходах реверсивного счетчика 16 максимальный код М„„кс, в результате чего на выходах ЦАП 13 и 14 формируются максимальные напряжения U+ « шмыкс

R< составляющая выходного напряжения усилителя б от влияния этого параметра по абсолютной величине была меньше, чем сумма составляющих напряжений от влияния компенсирующих резисторов R„ и К 029 т-е значения К02 и R, ìèí

Благодаря этому, начиная с момента формирования этих компенсирующих напряжений; усилитель 6 выходит из насыщения и напряжение на его выходе начинает увеличиваться. При достижении напряжением Ua„ (t) нулевого уровня скачкообразно изменяется полярность напряжения на выходе нуль-.органа 7 и напряжение U,„ „,(с), начиная с этого момента времени, изменяется в соответствии с выражением

47063 в момент скачкообразного изменения опорного напряжения U, при t = 0 !

2По Gg (1 R a ) 20, С о Gо пульсов, 30 которые подается код с КК 19. Одновибратор 35 также формирует импульс в момент равенства входных напряжений компаратора 8, устанавливающий

RS-триггеры 36 и 37 в единичное состояние. Напряжение логической единицы с прямого выхода RS-триггера 37 разрешает прохождение импульсов с выхода генератора 18 через элемент

40 И 41 на вход счетчика 40, который работает до момента обнуления. Импульс обнуления устанавливает RS-триг-, гера 37 в состояние логического нуля, завершая тем самым формирование

4S опорного интервала времени Л „. По переднему фронту U (t) одновибратор

38 запускается и формирует импульс, устанавливающий RS-триггер 36 в состояние логического нуля, завершая

Sp формирование интервала времени Qt>.

Сравнение интервалов времени, выдеХ1 (2) 5 15

Составляющая V,„„(t) в выражении (1) представляет собой постоянное напряжение, не изменяющееся в зависимости от времени t, Экспоненциальная составляющая П с (t ) при t > (5-6) К С достигает установившегося значения и после этого тоже не является функцией времени t, Составляющие U R, (t), V„„() и U, t ) описываются линейными функциями времени t, причем пЫраметРы R, m,з и m, определяют крутизну соответственно U =, U

Uo

R C Rof

Uom

Преобразование начинается с момента поступления сигнала "Пуск" на распределитель 34. На первом этапе преобразования с выхода распределителя

34 подается управляющий импульс на установочные входы счетчиков 23, 29 и 33 и на первый управляющий вход коммутатора 19 кодов (КК19), при этом в счетчиках 29 и 33 устанавливается "нулевой" код, в счетчике 23— максимальный код, а на выходе коммутатора 19 кодов устанавливается код

У 1. Цифровой. дискриминатор (КД) 12 автоматической следящей системы компенсации составляющей R в состав которой входят усилитель 6, нуль-орган 7, компаратор 8, ПД 12,.КК 19, реверсивный счетчик 16, ЦАП 13, ; ЦАП 14 и резисторы 2 и 3, начинает отрабатывать код N- 1. Происходит это следующим образом. На один из входов компаратора 8 подается UI,><(t) на другой вход — опорное напряжение U выбираемое таким, чтобы оно не превышало U „„. Интервал времени от, мин

° ФФ момента равенства входных напряжений компаратора 8 до момента равенства

П (t) = О определяется как

I Поп о

1 mph mfp

U (- — — — + — ) Ro

20 лишь П, (О) ф О, соответственно и

U,„„,,(t О) = U, т,е. в выходном напряжении усилителя 6 возникает скачок, амплитуда которого определяется только параметром C . Затем напряжение U „ () изменяется по экспоненциальному закону и через некоторое время начинает убывать по абсолютному значению (вследствие того, что крутизна составляющих U и о

U q, больше, чем крутизна составляющей U> ) и достигает нулевого значения. При этом вновь скачком изменяется напряжение на выходе нульоргана 7 и цикл работы схемы повторяется в области отрицательных значений напряжения U„,,„„,,(t), которое в этом полупериоде описывается выражением

U t U m „„.„e. и.т„„..„С ! зует их разность в количество имРассмотрим работу ПД 12 (фиг. 2).

Одновибратор (ОВ) 39 запускается по заднему фронту Б (t) и формирует импульс, управляющий записью кода по установочным входам счетчика 40, на ление их разности и заполнение импульсами опорной частоты генератора 18 реализуется на элементах И 42 и 43..

При малой крутизне линейно изменяПД 12 сравнивает интервал времени dt„, (фиг. 5,а) с заданным опорным интервалом времени В t„ формируемым с помощью кода И„ и преобрающейся составляющей разность Qt,—

— dt выделяется и кодируется элементом И 42, а при большой — разность

ht, — Q t „выделяется и кодируется

1547063

U06= " — крутизна U 6(t), (vzÄ) =1ч .

Поп 46 элементом И 43. Увеличение или уменьшение выходного кода счетчика 16 приводит к увеличению или уменьшению компенсирующего выходного напряжения

ЩП 13 и ЦАП 14, что соответственно унеличивает, уменьшает крутизну линейн э изменяющейся составляющей Upyg (t).

Таким образом поддерживается постоянное значение йtx = gt,, т.е. линей1

НО измеНЯющаЯсЯ сОставлЯющаЯ Uозб(t) остоянна и не зависит от изменения

Код N1 и соответствующий ему интервал времени Dt, позволяет поддерл ивать крутизну линейно изменяющейся с оставлнюЩей U pq6(с.) высокой и, слеДовательно, малый период колебаний 10,6(), при котором Ц с - О. Значит, и таких условиях UpÄ,(й будет завиеть только от составляющей U „(t) 20

Одновременно с установкой максиального кода счетчика 23 RS-триггер

1 устанавливается в "1" и через элеь ент И 22 начинают поступать импульс1ы с инвертора 11 на счетчик 23. ВыМодное напряжение ЦАП 24 начинает сту11енчато уменьшаться с каждым импульсом. Компаратор 9 сравнивает напряжеия Upas и 006(), при равенстве оторйх ой срабатывает и запускает 30 дновибратор 20, который устанавли- . ает RS-триггер 21 в "0". На счетчик

3 прекращается подача импульсов и ксируется код N, которому со1 ответствует напряжение Ц, „„= Б о, ( 1ап Со о1 +

16 13 И МаКс

1 . т.е. выходной код реверсивного счетчика 16 пропорционален — .

1 40

R1

Преобразование параметра С1 элемента эквивалентной схемы датчика в

Код осуществляется следующими узлами: управляемым интегратором 26, аналого- 45 вым сумматором 10, компаратором 25, RS-триггером 27, элементом И 28, суммирующим счетчиком 29, цифроаналогоПри пОлОжительных решениЯх U py 6(t ) н значениях времени, когда t > (5-6)»

П1о (t (5 6) G0R< Uoy6 (t) + 1 6 (t)

-Ч (t) +ч =(— -+ — ")(1Л + U

2G1 2С„

С С, смо> о

КК 19 по управляющему импульсу с одного из выходов распределителя

34 подключает на вход ЦЦ 12 код N<, с помощью которого ПЛ 12 формирует опорный интервал времени д йо„длительностью, достаточной для того, чтобы экспоненциальная составляющая

Uc (t) достигла установившегося значения ° Автоматическая следящая система компенсации составляющей R, отрабатывает изменение опорного кода R „. При э том интервал времени выделяемыи в ЦД 12 (фиг. Зб) будет равен

Ui A %о 1-оо— з fo где v — заданная крутизна измене3 ния;

Е, — частота генератора 18.

Приравнивая в уравнении (2) lit „

= 4t „и выделяя значение входных кодов ЦАП 13 и ЦАП 14 получим: . ш1э ms+ UonGo Uo

+ — = +

Н01 Но 0 1:оо Цо R1U@

Так как управляющие входы ЦАП 13 являются младшими, а ЦАП 14 — старшими, то выбирают R0 =,.где m

m макс макс

= 2 — максимальное значение кода, а и — количество разрядов ЦАП. С учетом этого полу; им:

Н01 С 01 01 Н 01 — 17 +

R„ З U R„ вым преобразователем 15, конденсатором 4 и резистором 5 и заключается в следующем. Для исключения линейно изменяющейся составляющей напряжения

U,„„,,(t) оно суммируется аналоговым сумматором 10 с линейно изменяющимся в противоположном направлении напряжением, формируемым управляемым интегратором 26 (фиг. Зв):

t»

R@C т.е. с установлением экспоненциальной составляющей:

= (— + — )(U +U

200 2С, СмО> 6

)—

9 1547063 10 .Зто напряжение сравнивается с яние логической "1" разрешая тем постоянным напряжением П

2я самым прохождение импульсов с инверц" о= С. " тора 11, которые, поступая на сумми«(и + v о оу ) KQMIIBpBTopoM 25 со рующий счетчик 29, увеличивают erо . стробированием в моменты времени, выходной код. Выходное напряжение когда составляющая u, (t) достигает ЦАП 15, увеличиваясь ступенями, приводит к компенсации составляющей

Поступивший со в то рого выхода (а) . Выходное напряжение V (t)

2 ° оу6 р ределителя 34 импульс напряжения 10 в области положительных значений устанавливает КБ-триггер 27 в состо- определяется выражением

2„- 2

t о а выходное напряжение U, (t) сумм—

fî умматора 10 в установившемся состоянии определяется выражением

Цдп fg ) (o см О96

v„.(t) =(+ — ——

2С 2С о или зо

+Vc = (По + см оуо) 34 1

2С„

-1/с — — (Uo + .Псм oyf,) = > 4 °

Со э

2С2СО(u о + V См оуЬ ) C,, RRff 1> 2 Со Со®о + Помоуо ) Сой

При поступлении импульса напряжения с четвертого выхода распределителя

34 на блок 31, последний осуществляет выборку одного целого импульса

4,0о

«с1 о С срабатывает компаратор 25, устанавливающий RS-триггер 27 в состояние логического "0", в результате чего прекращается поступление импульсов на вход счетчика 29 и на нем фиксируется код, пропорциональный параметру С,.

2С (-Б о + U est оу о ) хс„

C„v> т. е. на резульогат измерения параметра С„напряжение смещения U см Суй не оказывает влияния.

Интервал времени Т „с заполняется

«с, импульсами опорной частоты генератоg>a 18 элементом 32 и подсчитывается их число счетчиком 33:

%4

Таким образом, повышение точности измерений достигается тем, что результат измерения параметра С„ фиксируется не по одной половине периода колебания ИС одного знака (как в прототипе), а за период, когда влияние напряжения смещения, имея определенное значение одного знака в положительном полупериоде складывается, а в отрицательном — вычитается, что .приводит к компенсации его вли20 с выхода делителя 30, т.е. длительность импульса с выхода блока 31 бу. дет равна периоду Т „, колебания о „ () . Выходное напряжение U оуо(t) в области положительных значений оп25 ределяется соотношениями

U >z(t) = (uo + Uce ova )

2G, Вынося 4t и суммируя Qtf + d t

«

35 = Т «с,, получим:

+ 2С„(Б, + V vv ) 4С,V, о(3) яния на результат измерения. Измере4р ние параметров С и R< проводится с использованием информации о пара метре С„, поэтому погрешность измерения параметра C полностью входит в погрешность измерения этих парамет45 ров. Повышая точность измерения параметра С, достигают повышение точности измерения параметра С .

Расширение диапазона соотношений параметров достигается значительным расширением диапазона компенсирующего напряжения введением дополнительного

ЦАП. Диапазон изменения параметра С расширяется до значений, когда без компенсации этой составляющей V,„,(t) будет входить в насьнцение из-за большого значения параметра С, а введение компенсации полностью исключает эту составляющую, а следовательно, 15470бЗ

12 допускается увеличение составляющей напряжения U, (t) и соответственно

С1 диапазона измерения параметра С, .

Формула изобретения

1. Аналого-цифровой преобразователь параметров диэлькометрического датчика, содержащий первый, второй и третий элементы И, генератор им тульсов, управляемый интегратор, три компаратора, одновибратор, первый

kS-триггер, два суммирующих счетчиka, диэлькометрический датчик, выход 15 которого соединен с первыми выводами тервого токоограничивающего элемента, выполненного на резисторе, первого накопительного элемента, выпол ненного на конденсаторе, и инверсным 2р входом операционного усилителя, второй вывод первого конденсатора объединен с первыми входами нуль-органа, первого компаратора, аналогового сумматора и соединен с выходом операционного усилителя, второй вход

Нуль-органа является шиной нулевого

Потенциала, а выход соединен с выходами инвертора и диэлькометрического датчика и первым входом первого цифро-ЗО

I. налогового преобразователя, второй ход первого компаратора является

«анной опорного напряжения, второй вывод первого резистора соединен с,выходом первого цифроаналогового преобразователя, вторые входы котороГо соединены с первыми выходами счет,чика импульсов, установочный вход которого соединен с выходом блока запуска, первые входы первого и вто- 4р рого элементов И объединены и соединены с выходом инвертора, выход третьего элемента И соединен с тактовым входом первого суммирующего счетчика, выход генератора импульсов соеди- 45 нен с первым входом третьего элемента И, выход управляемого интегратора соединен с вторым входом аналогового сумматора, первый вход управляемого интегратора является шиной опорного напряжения, выходы первого суммирующего счетчика являются выходной шиной, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измерений, в него введены цифровой дискриминатор, коммутатор кодов, второй RS-триггер, второй, третий и четвертый цифроаналоговые преобразователи, второй и третий токоограничив ающие элементы, выполненные на резисторах, второй накопительный элемент, выполненный на конденсаторе, вычитающий счетчик, блок выделения импульса, распределитель импульсов, делитель частоты, а счетчик импульсов выполнен в виде реверсивного счетчика, причем прямой вход операционного усилителя является шиной нулевого потенциала, а выход соединен с первым входом второго компаратора, второй вход которого объединен с первым входом третьего компаратора и соединен с выходом второго цифроаналогового преобразователя, выход второго компаратора через одновибратор соединен с вторым входом третьего компаратора и R-входом первого RS-триггера, S-вход которого объединен с установочными входами первого и второго суммирующих счетчиков, вычитающего счетчика, первым входом управления коммутатора кодов и соединен с первым выходом распределителя импульсов, выход первого

RS-триггера соединен с вторым входом первого элемента И, выход которого соединен с тактовым входом вычитающего счетчика, выходы которого соединены с соответствующими первыми входа1 ми второго цифроаналогового преобразователя, второй вход которого является шиной опорного напряжения, третий вход третьего компаратора соединен с выходом аналогового сумматора,,а выход — с R-входом второго RS-триггера, $-вход которого соединен с вторым выходом распределителя импульсов, а выход — с вторым входом второго элемента И, выход которого соединен с тактовым входом второго суммирующего счетчика, выходы которого соединены с соответствующими первыми входами третьего цифроаналогового преобразователя, выход которого через последовательно соединенные второй резистор и второй конденсатор соединен с первыми выводами первого и третьего резисторов, второй вывод последнего из которых соединен с выходом четвертого цифроаналогового преобразователя, первые входы которого соединены соответственно с вторыми выходами реверсивного счетчика, вторые входы третьего и четвертого и первый вход первого цифроаналоговых преобразователей объединены, тактовые входы сложения и вычитания реверсивного счетчика соеди25

154706 иены соответственно с первым- и вторым выходами цифровога дискриминатора, первый вход которого соединен с выхадом первого компаратара, второй вход

5 объединен с входами инвертора и дели" теля частоты, третий вход соединен с выходом генератора импульсов, четвертые входы соединены с соответствующими выходами коммутатора кодов, информационные входы которого являются входной цифровой шиной, второй управляющий вход соединен с третьим выходом распределителя импульсов, четвертый выход которого соединен с первым входом блока выделения импульса, второй вход которого соединен с выходом делителя напряжения, а выход— с вторым входом третьего элемента И, второй вход управляемого интегратора 20 соединен с выходом инвертора, вход распределителя импульсов является шиной пуск.

2. Преобразователь по п. 1, о тл и ч а ю шийся тем, чта цифровой дискриминатор выполнен на трех адновибраторах, двух RS-триггерах, реверсивном счетчике и трех элементах И, вход первого однавибратара является первым входом цифрового дискриминатора, а выход соединен с

S-входами первого и второго RS-триггеров, R-вход первого RS-триггера

74 соединен с выходом второго адновнбратора, входы второго и третьего одновибратаров объединены и являются вторым входом цифрового дискриминатора, прямой выход первого RS-триггера соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого соединен с инверсным выходом второго

RS-триггера, а выход является первым выходом цифрового дискриминатора, инверсный выход первого RS-триггера соединен с первым входом второго элемента И, второй вход которого соединен с прямым выходом второго

RS-триггера, а выход является вторым выходом цифрового дискриминатора, первый вход третьего элемента И соединен с прямым. выходом второго

RS-триггера, второй вход третьего элемента И и третьи входы первого и второго элементов И объединены и являются третьим входом цифрового дискриминатора, выход третьего элемента И соединен с тактовым входам реверсивного счетчика, вход предварительной установки которого соединен с выходом третьего одновибратора, выход обнуления реверсивного счетчика соединен с R-входом второго

Ъ

RS-триггера, а установочные входы реверсивного счетчика являются четвертыми входами цифрового дискриминатора.

Фиг. Л

1547063

1547063

Составитель А. Титов

Редактор А. Ревин Техред Л, Сердюкова Корректор В. Гирняк

Заказ 85

Тираж 665

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101