Преобразователь параметров емкостных датчиков в частоту и период

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах для измерения параметров электрических цепей. Цель изобретения - повышение точности преобразования - достигается путем уменьшения величины суммарной погрешности, вносимой разбросом образцовых мер и их нестабильностью. Преобразователь содержит источник 1 опорных напряжений, электронный переключатель 2, преобразователь 3 напряжение - частота, разделительный конденсатор 4, образцовый резистор 5, усилитель 6 сигнала неравновесия, синхронный детектор 7, блок 8 стробирования, интегратор 9, емкостный датчик 10, параметры которого преобразуются в частоту и период. 7 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

А1 (19) (11) Ц1) G 01 R 27 26

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

H А ВТОРСНОЬЮ СВМДЕТЕЛЫТВУ

1 (21) 4389240/24-21 (22) 09.03.88 (46) 15.10.90. Бюл. Р 38 (7!) Ленинградский политехнический институт им. М.И.Калинина (72) A.Ë.Ñoëîâüåâ и В.С.Гутников (53) 621.317.333 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 1532885, кл. G 01 R 27/26, 1987. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ЕИКОСТНЫХ ДАТЧИКОВ В ЧАСТОТУ И ПЕРИОД (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах для измерения параметров электрических цепей. Цель

2 изобретения — повышение точности преобразования — достигается путем уменьшения величины суммарной погрешности, вносимой разбросом образцовых мер и их нестабильностью.Преобразователь содержит источник 1 опорных напряжений, электронный пе-. реключатель 2, преобразователь 3 напряжение — частота, разделительный конденсатор 4, образцовый резистор

5, усилитель 6 сигнала неравновесия, синхронный детектор 7, блок 8 стробирования, интегратор 9 и емкостный датчик 10, параметры которого преобразуются в частоту и период. 7 ил.

1599806

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

Целью изобретения является повышение точности преобразования за счет уменьшения величины суммарной погрешности, вносимой разбросом образцовых мер и их нестабильностью. 10

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого преобразователя; на фиг.2 — то же, преобразователя напряжение — частота; на фиг,.3 — то же, усилителя сигнала неравновесия; на фиг.4 — то же, блока стробирования; на фиг.5 — то же, синхронного детектора; а фиг. 6 — то же,интегратора; на фиг,7 — временные диаграммы, поясняющие работу предлагае- 2ц мого преобразователя.

Преобразователь параметров емкостных датчиков в частоту и период содержит источник 1 опорных напряжений, электронный переключатель 2, преоб- 25 разователь 3 напряжение — частота, разделительный конденсатор 4,образцовый резистор 5, усилитель 6 сигнала неравновесия, синхронный детектор 7, блок 3 стробирования, интегратор 9 и емкостный датчик !О, параметры которого преобразуются в частоту и период. Первый и второй входы преобразователя 3 соединены соответственно с положительным и отрицательным полю— сами источника I а первый выход с первым выводом, предназначенным для подключения первого вывода емкостного датчика 10. Вход усилителя

6 соединен с вторым выводом,предназ- 4О наченным для подключения второго вывода емкостного датчика 1О, а выход — через последовательно соединенные детектор 7 и интеlратор 9 с информационным входом преобразователя 3, второй выход которого является выходом преобразователя параметров емкостных датчиков в частоту и период. Выход переключателя 2 через последовательно соединенные раздепительньп конденсатор 4 и резистор 5 соединен с входом усилителя 6,Первый и второй входы переключателя 2 соединены соответственно с положительным и отрицательным полюсами источника ) опорных напряжений. Первый

55 вход блока 3 соединен с управляющим входом переключателя 2 и вторым.выходом преобразователя 3, а второй вход с первым выходом преобразователя 3.

Выход блока 8 соединен с управляющим входом детектора 7.

Преобразователь 3 напряжение частота (фиг.2) содержит первый электронный переключатель 11, первый неподвижный контакт которого является первым входом преобразователя 3, а второй неподвижный контакт — вторым входом преобразователя 3, Первый неподвижный контакт второго электронного переключателя 12 соединен с входом аналогового инвертора 13 и является информационным входом преобразователя 3. Выход аналогового инвертора

13 соединен с вторым неподвижным контактом коммутатора 12, подвижный контакт которого соединен через резистор 14 с инвертирующим входом операционного усилителя 15 и первым выводом конденсатора !6. Выход усилителя

15 соединен с вторым выводом конден— сатора 16, инвертирующим входом компаратора 17 и является первым выходом преобразователя 3. Цеинвертирующий вход компаратора 17 соединен с подвижным контактом переключателя 11, !!еинвертирукщий вход усили-.еля 15 соединен с общей шиной. Выход компаратора 17 соединен с управляющими входами переключателей 11 и 12 и является вторым выходом преобразователя 3 °

Усилитель 6 сигнала неравновесия (фиг.3) содержит резистор 18 и конденсатор 19, первые выводы которых соединены с инвертирующим входом операционного усилителя 20, являющимся входом усилителя 6 сигнала неравновесия, Неинвертирующий вход усилителя 20 соединен с общей шиной, а выход — с вторыми выводами резистора

18 и конденсатора 19 и является выходом усилителя 6 сигнала неравновесия.

Блок 8 стробирования (фиг,4) содержит первый 21 и второй 22 компараторы, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами элемента ИЛИ-НЕ 23, третий вход которого является первым входом блока 8 стробирования. Цеинвертирующий вход первого компаратора 21 соединен с инвертирующим входом второго компаратора 22 и является вторым входом блока 3 стробирования. Инвертирующий вход первого компаратора 21 соединен с вторым выводом первого резистора

1 (1 aКОС9 мйн

5 1

24 и первым выводом второго резистора 25. Неинвертирующий вход второго компаратора 22 соединен с вторым выводом второго резистора 25 и первым выводом третьего резистора 26. Первый вывод первого резистора 24 соединен с общей шиной, а второй вывод третьего резистора 26 — с отрицательным полюсом источника питания (не показан). Выход элемента ИЛИ-НЕ 23 является выходом блока 8 стробирования.

Синхронный детектор 7 (фиг.5) содержит конденсатор 27, первый вывод которого является информационным входом синхронного детектора 7. Второй вывод конденсатора 27 соединен с подвижным контактом электронного переключателя 28, первый неподвижный контакт которого является выходом синхронного детектора 7, а второй неподвижный контакт соединен с обшей шиной..управляющий вход (не показан) переключателя 28 является управляющим входом синхронного детектора 7.

Интегратор 9 (фиг.б) содержит резистор 29, первый вывод которого соединен с первым контактом ключа 30, второй контакт которого соединен с

1 минусовым полюсом источника питания (не показан) . Второй вывод резистора

29 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 31 и первым выводом конденсатора 32 и является входом интегратора 9. Неинвертирующий вход усилителя 31 соединен с общей шиной. Выход компаратора 33 соединен с управляющим входом ключа 30.

Выход усилителя 31 соединен с вторым выводом конденсатора 32 и инвертирующим входом компаратора 33 и является выходом интегратора 9. Неинвертирующий вход компаратора 33 соединен с первым выводом резистора 34 и вторым выводом резистора 35,первый вывод которого соединен с плюсовым полюсом источника питания (не показан) . Второй вывод резистора 34 соединен с обшей шиной, Предлагаемый преобразователь выполнен в виде компенсационно-мостового преобразователя с уравновешиванием мгновенных значений токов, протекающих через емкостный датчик 10 и образцовый резистор 5, В качестве управляемого источника тока используется преобразователь 3 напряжение .— частота.

599806 6

Предлагаемый преобразователь работает следующим образом.

На информационный вход преобразо-, 5 вателя 3 подается напряжение положительной полярности с выхода усилителя 15. Под дей ствием приложенного к входу операционного усилителя 15 напряжения на его выходе формируется напряжение треугольной формы.

Амплитуда этого напряжения контролируется компаратором 17. На неинвертирующий вход компаратора 17 через переключатель 11 подается напряжение

Л „ с выходов источника 1. На ин+т„т вертирующий вход компаратора 17 подается выходное напряжение с усилителя

15 и сравнивается с величиной опорного напряжения, подаваемого на неин2Î вертирующий вход компаратора 17.По достижении напряжения на выходе усилителя 15, равного П, срабатыва" ет компаратор l? и переключает пе- . реключатели 2,11 и 12. Данный процесс

25 периодически повторяется. Выходные напряжения компаратора 17 и усилителя 15 (образующего вместе с конденсатором 16 интегратор) изображены соответственно на фиг. 7,а,б. Напряжение, снимаемое через разделительный конденсaòîð 4 с выхода переключателя 2 и приложенное к резистору 5, изображено на фиг.7,в. При этом ток, протекающий через резистор 5, имеет прямоугольную форму и фазу,сов адающую с напряжением, приложенным к нему. Для устранения насыщения усилителя б предназначен конденсатор 4, величина емкости которого выбирается иэ соотношения где с „„— минимальная выходная

45 частота преобразования,"

P.z — сопротивление образцового резистора 5;

С „ — емкость конденсатора 4.

Ток, протекающий через емкостньпЪ датчик 10, изображен на фиг,7,г.

Усилитель 6 сигнала рассогласования выполнен в виде суммирующего инвертирующего усилителя на операционном усилитепе 20, -причем для входного напряжения, приложенного к образцовому резистора 5, он является интегрирующим звеном, а для напряжения, приложенного к емкостному датчику

10, — пропорциональным звеном.Резис159980б тор 18 предназначен для задания рабочей точки усилителя 20 по постоянному току. его величина определяется иэ соотношения

1 л

< =CR

f f3 (8 > мин где R — сопротивление резистора

18; !

О

С вЂ” емкость конденсатора 19.

При разбалансе измерительной це— пи выходное напряжение усилителя 6 (фиг.7,д) имеет треугольную форму и амплитуду, определяемую разностью токов, протекающих через образцовый резистор 5 и емкостной датчик 10.

В качестве блока 8 стробирования используется двухпороговый компаратор, величина порогов срабатывания которого определяется соотношением резисторов 24 — 26. Выходное напряжение блока 8, снимаемое с выхода элемента ИЛИ-НЕ 23, изображено на фиг.7,е, Это напряжение подается на 25 улравляющий вход синхронного детектора 7, который представляет собой дифференцирующее звено и выполняет одновременно функцию детектора.Ток, протекающий через конденсатор 27, в . 30 установившемся режиме (при равновесии измерительной цепи) равен нулю.

Постоянное напряжение, присутствующее на выходе усилителя 20, блокируется конденсатором 27 и, следовательно, на точность устройства не влияет.

Однополярные импульсы тока (при раэбалансе измерительной цепи) через конденсатор 27 подаются на вход интегратора 9, выходное напряжение ко- 40 торого управляет значением частоты преобразователя 3, а следовательно, и величиной тока 1с„, протекаюшего через емкостный датчик 10, уравновешивая измерительную цепь. Знак выход- 45 ного напряжения интегратора 9 должен быть положительным, что является условием работы преобразователя 3.Дпя этого в структуру интегратора 9 введены резисторы 29, 35 и 34, ключ 30 и компаратор 33. В момент включения преобразователя знак выходного напряжения усилителя 3! — случайная величина. При нулевом или отрицательном напряжении на выходе усилителя 31 срабатывает компаратор 33, на неин— вертирующий вход которого подается напряжение с делителя, включающего резисторы 35 и 34, равное (2-3)1! „ „„„,, Uon dU

- ск — — --, р, dt

Uon где i = — — — — ток, протекающий

R через образцовый резистор 5; ток, протекающий через емкостный датчик 10, Выходное напряжение треугольной формы преобразователя 3 изменяется эа половину периода Т/2 на величину

2 U o „(oT -L on .".to +У „) ° этим выражение (1) приводится к виду

4U on — — --.С т xt

Uon

Rî из которого определяются Жункция преобразования емкости данного преобразователя в длительность периода

Т = 4RoÑ„и функция преобразования емкости в частоту

1 1

f т 4Roñ „

Использование предлагаемого преобразователя по сравнению с прототипом обеспечивает повышение точности преобразования за счет уменьшения величины погрешности, вносимой образ цовыми мерами. В предлагаемом преобразователе используется одна образцовая мера — резистор 5, а в протогде U, « - максимальное напряжение смещения компаратора 33. При этом замыкается ключ 30, соединяя первый вывод резистора 29 с минусовым полюсом источника питания. На выходе усилителя 31 формируется линейно †изм няющееся напряжение, которое по достижении падения напряжения на резисторе 34, перебрасывает компаратор

33 в состояние логического нуля и размыкает ключ 30. В момент выхода линейно-изменяющегося напряжения интегратора 9 в положительную область запускается преобразователь 3 и далее компаратор 33 и ключ 30 в работе устройства участия не принимают, Предлагаемый преобразователь представляет собой устройство астатического уравновешивания, алгоритм работы которого основан на уравновешивании токов, протекающих через емкостный датчик 10 и образцовый резистор 5. Следовательно, условие равновесия имеет вид 159980б

l0 типе — две образцовые меры (образцовая частота и образцовая емкость), поэтому суммарная погрешность, вносимая разбросом образцовых мер и их нестабильностью, в предлагаемом преобразователе меньше, чем в прототипе. Кроме того, в преобразователе уменьшены погрешности, вносимые соединительной линией связи.

Формула из обретения

Преобразователь параметров емкостных датчиков в частоту и период,содержащий разделительный конденсатор, преобразователь напряжение - частота, первый и второй входы которого соединены соответственно с положительным и отрицательным полюсами источника опорных напряжений, первый выход преобразователя напряжение— частота соединен с первым выводом, предназначенным для подключения первого вывода емкостного датчика, вход усилителя сигнала неравновесия соединен с вторым выводом, предназначенным для подключения второго вывода емкостного датчика, а выход — через последовательно соединенные синхронный детектор ч интегратор — с информационным входом преобразователя напряжение — частота, второй выход которого является выходом преобразователя параметров емкостных датчиков в частоту и период, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения точности преобразования, в него введены электронный переключатель, блок стробирования и образцовый резистор, причем выход электронного переключателя через последовательно соединенные разделительный конденсатор и образцовый резистор соединен с входом усилителя сигнала неравновесия, первый и второй входы электронного переключателя соединены соответственно с положительным и отрицательным полюсами источника опорных напряжений, первый вход блока стробирования соединен с управляющим входом электронного переключателя и вторым выходом преобразователя напряжение— частота, а второй вход — с rIepablM выходом преобразователя напряжение— частота, выход блока стробирования соединен с управляющим входом синхронного детектора.

1599806

l 599806

1599806

Составитель Е.Березов

Редактор.А.Лежнина Техред Л.Олийнык Корректор С,Черни

Заказ 3141 Тираж 555 Подписное

BHHHIIH 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