Преобразователь параметров емкостного датчика

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля состава и свойств материалов Целью изобретения является повышение точности. Преобразователь параметров емкостного датчика содержит импульсный и синусоидальный генераторы, делитель напряжения , емкостный датчик, образцовые конденсаторы и резисторы, операционные усилители, реверсивные счетчики, компонентные детекторы, делитель, умножитель, устройства вычитания, уравновешивания. Повышение точности достигается за счет реализации устройством метода прямого сравнения уравновешиванием. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

союз советских социллистических

РЕСПУБЛИК (я)5 6 01 N 27/22

ГосуддРственный комитет

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4697695/25 (22) 31.05,89 (46) 23.05.91. Бюл. М 19 (72) М.И.Бурбело, В.M.Ãîëîöóêîâ, O,È,Мартинец и В.Н.Чорноус (53) 551.508.7 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N. 10?3677, кл. G 01 N 27/22, 1984.

Авторское свидетельство СССР

N. 1140028, кл. G 01 M 27/22. 1985. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ

ЕМКОСТНОГО ДАТЧИКА (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля состава и свойства веществ, например, концентрации отдельных компонентов, влажности газовых и жидких сред, солесодержания применительно к различным продуктам переработки, хранения, транспортировки в нефтяной, газовой, нефтехимической и химической промышленности, а также измерения параметров различных элементов и устройств при массовом контроле качества изделий в электрои радиоэлектронной промышленности на различных стадиях их производства.

Целью изобретения является повышение точности преобразования параметров емкостного датчика.

На фиг, 1 представлена структурная схема преобразователя; на фиг. 2 — структурная схема компонентного детектора.

Преобразователь параметров емкостного датчика содержит (фиг. 1) управляемый

„„5U„„1651186 А1 контроля состава и свойств материалов.

Целью изобретения является повышение точности. Преобразователь параметров емкостного датчика содержит импульсный и синусоидальный генераторы, делитель напряжения, емкостный датчик, образцовые конденсаторы и резисторы, операционные усилители, реверсивные счетчики, компонентные детекторы, делитель, умножитель, устройства вычитания, уравновешивания.

Повышение точности достигается эа счет реализации устройством метода прямого сравнения уравновешиванием. 1 з.п,ф-лы, 2 ил. по частоте генератор 1 синусоидального напряжения, емкостный датчик, представленный четырехэлементной схемой замещения с параметрами С1, С2, G>, Gz, устройство уравновешивания 3, регулируемый резистор 4, образцовые конденсаторы 5 и 6 одинаковой емкости, три операционных усилителя 7-9, три образцовых резистора

10-12, вычитающее устройство 13, управляемый делитель 14 напряжения, два компонентных детектора 15 и 16, фиксирующих равенство нулю разности вещественных составляющих отношений двух напряжений на двух частотах, два реверсивных счетчика

17 и 18, блоки умножения 19 и вычитания 20, генератор 21 импульсов, делитель 22 частоты.

При этом выход генератора синусоидального напряжения соединен через емкостный датчик 2, последовательно включенные образцовый конденсатор 5 и регулируемыи резистор 4, образцовый конденсатор 6 соответственно с входами операционных усили1651186 телей 7-9, в цепи обратной связи которых включены образцовые резисторы 10-12 соответственно, к выходу операционного усилителя 7 присоединены первые входы компонентного детектора 15 и вычитающего устройства 13, к выходу операционного усилителя 8 непосредственно и через управляемый делитель 14 напряжения присоединены вторые входы компонентного детектора 15 и вычитающего устройства 13, выходы вычитающего устройства 13 и операционного усилителя 9 соединены соответственно с первым и вторым входами компонентного детектора 16, управляющие входы реверсивных счетчиков 17 и 18 подключены к первым выходам соответственно компонентных детекторов 15 и 16, к вторым выходам которых присоединены первый и второй входы блока 20 вычитания, выход реверсивного счетчика 17 соединен с входами устройства уравновешиваний 3 и блока

19 умножения, выход реверсивного счетчика 18 — с входами управляемого делителя 14 напряжения и блока 19 умножения, а также с третьим входом блока 20 вычитания, к входам реверсивных счетчиков 17 и 18 подключен генератор 21 импульсов, к выходу последнего через делитель 22 частоты присоединен управляющий вход генератора 1 синусоидального напряжения.

Компонентный детектор, например 15 (фиг. 2), определяющий разность вещественных составляющих отношений двух напряжений на двух частотах питания, содержит четыре компаратора 22-26, преобразователь 27 переменного напряжения в постоянное, управляемый делитель 28 напряжения, реверсивный счетчик 29, генератор импульсов, фазовращатель 31, схему 32 сравнения. При этом первые входы компараторов 23 и 24 объединены и являются первым входом компонентного детектора

15, первый вход компаратора 25 соединен через фазовращатель 31 в преобразователь

27 переменного напряжения в постоянное соответственно с первым входом компаратора 26 и входом управляемого делителя 28 напряжения, выход которого соединен с вторым входом компаратора 23, вторые входы компараторов 24-26 заземлены, выходы компараторов 23-25, 26 подключены к схеме сравнения 32 выход реверсивного счетчика 29 соединен с управляющим выходом детектора 15, управляемого делителя напряжения 28 и является первым выходом компонентного детектора 15, а счетный и управляющие входы реверсивного счетчика

24 подключены соответственно к генератору ЗО импульсов и первому выходу схемы 32 сравнения, второй выход которого является вторым выходом компонентного детектора 15, Преобразователь работает следующим образом.

5 Измерительная цепь питается от генератора 1 синусоидального напряжения. Генератор 1 периодически в два такта вырабатывает синусоидальное напряжение

U1= U1 sin в1 t или U1 = U1 sin а 2 t. Yn-!

10 равление генератором 1 осуществляется с помощью делителя частоты 22, которым производится деление импульсов, поступающих на его вход с выхода генератора импульсов 2 I. При этом, с

15 выхода операционного усилителя 7 на первые входы детектора 15 и вычитающего устройства 13 подается напряжение

U7 = 07 sin (mt t +}/}7 ) или О7 = U7 х

20 х sin (Щ2 t + /77 ), где U7 U7 р7 рт амплитуда и фазавые углы, соответствующие частотам а1, и}2, Комплексное напряжение а

}-}7 = -U1 У2 Й10, где У2 — комплексная проводимость емкостного датчика 2;

R1o — сопротивление резистора 10.

Комплексная проводимость У2 емкостного датчика 2, представленного четырехэлементной схемой замещения (фиг, 1) определена по формуле

У2 = Gt + j iu C1 = ) а С2

1 +)й)72 гдег2 - С2/62 — постоянная времени.

Одновременно на второй вход компо40 нентного детектора 15 и вход управляемого делителя 14 напряжения с выхода операционного усилителя 8 поступает напряжение

Us =Ов sin(в1т+у7в ), гае0в,рв амплитуда и фазовый угол, соответствующие частотам в1, м2 найряжения питания или

Ug" = 0в" sin (o)z t + рв" ) . Напряжение

Ов пропорционально проводимости Уо ветви из последовательно соединенных регулируемого резистора 4 проводимостью Go u образцового конденсатора 5 емкостью Ср, где R» — сопротивление резистора 11.

0в = =U1 Уо R»

Комплексная проводимость ветви, состоящей из Со и Go.

Vo =)®Co где то =- Co/Go — постоянная времени.

1651186

Отношение этих напряжений wi = U2/08 после постановки значений будет следующим: ) C1 С2 1 +в о 2

Со Со Со 1 -1 вг гг

+ J (etio + — и (то — гг ) ) =

1 С2

= Re (W1 (j в ) ) + j Im (W1 (J в ) ), Условием фиксации состояния квази- 25 равновесия имеет вид

Re (W1 (j в1 ) ) — Re (W1 (j вг } ) = 0 . (2) 30 или

35

О8

Вначале при питании измерительной цепи напряжением Ui = 01 sin в1 t, компо-! нентный детектор 15 определяет отноше- 40 ние синфаэной составляющей напряжения

Ф !

07 cos (rpr — 1р8 ) к амплитудному значению U8. Затем при питании измерительной ! цепи напряжением Ui = U1 sin ray t ком- 45

Н понентный детектор 15 вырабатывает регулирующее воздействие в виде импульса, длительность которого зависит от значения сигнала неравновесия, Компонентный детектор 15 определяет направление измене- 50 ния образцовой меры. 8 соответствии с этими двумя сигналами импульСы высокой частоты с выхода генератора 21, импульсов поступают на прямой или обратный вход реверсивного счетчика 17. Значение 5цифрового кода на выходе реверсивного счетчика 17 изменяется, что приводит к изменению проводимости Gp регулируемого резистора 4. Процесс повторяется до тех пор, пока не будет достигнуто первое состогде т1о = C1/Gp, т11 = Со/G1 — постоянные времени;

Re, Im — символы, обозначающие вещественную и мнимую составляющие комплексной величины.

При выполнении равенства т, = тг вещественная составляющая W1 становится независимой от частоты напряжения питания 20 яние кваэиравновесия, о котором будет свидетельствовать отсутствие импульсов на выходе детектора 15.

При достижении состояния кваэиравноФ весия напряжение 08 совпадает по фазе с составляющей Rip!2 напряжения От, а на-!

Ъ пряжение U8 — составляющей R ipl2 напря11 Н жения 07 . С помощью компонентного

II детектора 16 обеспечивается приведение измерительной цепи к второму состоянию квазиравновесия, На первый вход компонентного детектора 16 подается напряжение U13 = U13 х

x sin (в1 t +!/II3 ) или 013 = 013 sin(r I2 t+

I Н II

+ I/iI3 ) с выхода вычитающего устройства

II

13, равное U13 = 1М- U14, где 014 — комплекс напряжения, существующего на выходе управляемого делителя 14 напряжения.

Напряжение 014 по фазе совпадает с напряжением U8, а его амплитуда пропорциональна коэффициенту передачи R14 управляемого делителя 14 напряжения 014 =

= R14 U8.

На второй вход детектора 16 поступает напряжение Ug = Ug з)п(в! t + ) и

i I i

Ug = Ug з!п(вг t +py ) с выхода операционного усилителя 8. Напряжение Ug пропорционально проводимости

Уб образцового конденсатора 6:

Ug = -01 У8 R12 = -О1! в С8й12, где С8 — емкость конденсатора 6:

R12 — сопротивление резистора 12.

Отношение напряжения 013 к Ug после достижения первого состояния квазиравновесия (при условии Я1о = Я11 - R12) будет равным

9/г() в) = — — — +

U13 С1 С2 Со R14

09 С8 1 -1- Г!Р то

1 С2 Со !114 Ca rp

NtG1 Се 1 +at у )

=Re(W2(jв))+) lm(W2()a )), где zi-, I = С8/61 — постоянная времени.

При выполнении условия Сг = CpR14 вещественная составляющая функции W2(j в) становится независимой от частоты и равной

Re(W2(j в)) = С1/С8. (3)

Записанное условие состояния квазиравновесия может быть представлено в виде

Re(N2(j в1 )) - Re(W20 са И = 0

1651186 или LI n ñîв уn — !

Оо

Un co su уъ (4) U9 !!

Компонентный детектор 16 определяет отношение синфазной составляющей на-! пряжения к амплитуде напряжения 09 и осуществляет приведение измерительной цепи к второму состоянию квазиравновесия путем регулирования коэффициента передачи управляемого делителя 14 напряжения, осуществляемого изменением цифрового кода на выходах реверсивного счетчика 18.

Порядок выполнения операций уравновешивания аналогичен описанному. После достижения второго состояния квазиравновесия определяются искомые значения параметров емкостного датчика. Коэффициент передачи R14 управляемого делителя 14 напряжения пропорционален емкости С2.

Й14 = С2/Со, Цифровой код F18 на выходах реверсивного счетчика 18 несет информацию об искомом значении емкости С2

С2 F18 Со.

Сигнал F16 на выходе компонентного генератора 16 детектора {3) пропорционален емкости С1схемы замещения. Искомое значение емкости

С1 F16 Со.

Блок 19 умножения осуществляет умножение сигналов Ел и F18, снимаемых с выходов реверсивных счетчиков 17 и 18. Так как сигнал Еп на выходе реверсивного счетчика 17 соответствует проводимости

Go I Е17 6о! регулируемого резистора 4, а условие первого состояния квазиравновесиЯ (2) выполнЯетсЯ пРи го = t2, что соответствует равенству 62 = GoC2/Со, то после подстановки в последнее выражение значений

6о F17 и С2 Е18Со, получают G2 Fv Fta.

Блок 20 вычитания после достижения второго состояния квазиравновесия от сигнала Е16 с выхода детектора 15 дважды производит вычитание сигналов F16 и F18, существующих на выходах детектора 16 и реверсивного счетчика 18. Учитывая, что согласно выРажению(1) Е16 6116o+ С1t Ñî+

+ C2lСо после выполнениЯ вычитаний сигнал F2o нэ входе вычитания будет равным

F2o =* Е15 - Е16 F1s = G1/Оо

Искомое значение проводимости Gt определяется по цифровому коду F2o нэ выходе блока 20 вычитания

G1 F2O Go 28 (5) U8

Для этого схемой 32 сравнения на основании анализа сигналов, получаемых с выходов компараторов 23-26, вырабатываются команды для управления реверсивным счет55 чиком 29. Компарэторы 24 и 25 служат для однозначного определения направления уравновешивания. Ими формируются импульсы, соответствующие моментам пере-! хода информативных сигналов От и Ua

Компонентный детектор, например, 15 работает следующим образом.

При питании измерительной цепи частотой м! на первый вход компаратора 23, 5 являющийся первым входом детектора, поступает напряжение От = 07 э!п(в! t+ р ).

I I

Одновременно на второй вход компаратора !

23 поступает постоянное напряжение 016,6 с выхода управляемого делителя 28 напря0 жения, которое пропорционально амплитуде Ua синусоидального напряжения Ua! = !

=0a sin(й 1 t + ф ), существующего на втоI ром входе компонентного детектора 016,6 =

15 =R16.6 . Ua, где R16.6- коэффициент переда-! чи управляемого делителя 28 напряжения, регулирование которого осуществляется изменением цифрового кода íà его управляющих входах. Компаратором 23 формируются сигHÇJlbl логической "1", ecllI4 p33HocTb на его входах 07 - 016,6 больше нуля, или логи-! ческого "0", если разность меньше нуля, С выхода компаратора 23 сигнал поступает на первый вход схемы 32 сравнения, а на его второй вход подаются импульсы, формируемые с помощью фазоврэщателя 31, сдвигающего входной сигнал на угол л/2 относительно сигнала на его входе и компаратора

26, При этом передний фронт этого импуль3Q са соответствует моменту времени, при ко! П тором значение сигнала Us или 08 является максимальным. Этому моменту времени, например, соответствует мгновенное значение информативного сигнала, равное синфазной составляющей сигнала 07 поЬтношению

I к сигналу 08 - Uy (ц) = 02 cos (рт — !/!8 ), Для определения отношения синфазной составляющей Uт cos(pr — + ) к амплиI ! туде Ua с помоьцью управляемого делителя 28 напряжения устанавливается нэ втором входе компаратора 23 напряжение

028 = R28 08 = 07 cos (!/!7 !/!8 ) . при котором значение коэффициента пере45 дачи R28 управляемого делителя 28 напряжения равно

1651186 через нулевое значение. Эти импульсы анализируются схемой 32 сравнения, Если первым срабатывает компаратор 24, а затем компаратор 25, то с момента времени, соответствующего срабатыванию компаратора 5

26 и до срабатывания компаратора 23, импульсы проходят на прямой выход реверсивного счетчика 29. Если при этом первым срабатывает компаратор 23, а затем компаратор 26, то импульсы с выхода генератора 10

30 проходят на обратный вход реверсивного счетчика 29. Если первым срабатывает компаратор 25, а затем компаратор 24, то при описанной последовательности срабатывания компараторов 23 и 26 направление ре- 15 гулирования цифрового кода на выходе реверсивного счетчика 29 противоположное, При поступлении импульсов на один из входов реверсивного счетчика 29 изменяется значение цифрового кода на уп- 20 равляющих входах управляемого делителя

28 напряжения и соответственно коэффициент передачи R28 до тех пор, пока моменты времени, соответствующие срабатыванию компараторов 23 и 26, не совпадут. Далее 25 при питании измерительной цепи напряжения частотой и72 коэффициент передачи управляемого делителя 28 фиксируется и, поэтому, на его выходе напряжение

О28 = R28 О8 (6) 30 сравнивается со значением информативного напряжения О7 в момент времени, соотл ветствующий максимальному значению опорного сигнала О8 = О8 и О7 = О7 х

Il Il I l Il х cos (р7 — у8 ), Выполнение равенства

0156 -О7 со$(p7 — + ) =0 свидетельствует о достижении первого состояния квазиравновесия, подставив в последнее выражение значения О28 (б) и R28 40 (5). Получают е

О8

О7 c0s(p7 p3 ) =О, равенство, аналогичное выражению (2). Для достижения этого состояния схема 32-сравнения на основании анализа сигналов с вы- 50 ходов компаратора 23-26 вырабатывает команды для управления реверсивным счетчиком, например, 17, изменяющим значение образцовой меры в настоящем случае проводимости Go Регулируемого р с ора 4

Формула изобретения

1. Преобразователь параме гров емкостного датчика, содержащий генератор синусоидального напряжения, первый операционный усилитель, образцовый резис1ор и образцовый конденсатор, генератор импульсов, причем первые выводы емкостного датчика и первого образцового резистора присоединены к входу первого операционного усилителя, отличающийся тем. что, с целью повышения точности, в него введены второй образцовый конденсатор, регулируемый резистор. устройство уравновешивания, второй и третий операционный усилители с образцовыми резисторами в цепи обратной связи, вычитающее устройство, блок вычитания, управляемый делитель напряжения, два реверсивных счетчика, блок умножения и два компонентных детектора, причем управляемый по частоте генератор синусоидального напряжения соединен с вторым выводом емкостного датчика, а через первый образцовый конденсатор и регулируемый резистор, а также через второй образцовый конденсатор с входами соответственно второго и третьего операционных усилителей, к выходу первого операционного усилителя присоединены второй вывод первого образцового резистора. первые входы первого компонентного детектора и вычитающего устройства, к выходу второго операционного усилителя непосредственно и через управляемый делитель напряжения— соответственно вторые входы первого компонентного детектора и вычитающего устФ ройства, выходы вычитающего устройства и третьего операционного усилителя соединены соответственно с первым и вторым входами второго компонентного детектора. управляющие входы второго и первого реверсивных счетчиков подключены к первым выходам соответственно первого и второго компонентов детекторов, к вторым выходам которых присоединены первый и второй входы блока вычитания, выход первого реверсивного счетчика соединен с входом устроиства уравновешивания и первым входом блока умножения, выход второго реверсивного счетчика — с входами управляемого делителя напряжения, а также — с третьим входом блока вычитания и вторым входом блока умножения, к входам реверсивных счетчиков подключен генератор импульсов, выход которого соединен также через делитель частоты суправляющим входом генератора синусоидального напряжения.

2. Преобразователь по п.1. о т л и ч а юшийся тем, что компонентный детектор, представляющий собой разностный детектор вещественных составляющих отношений двух напряжений на двух частотах, содержит четыре компаратора, преобразователь переменного напряжения в постоян1651186

Фиг. I ное, управляемый делитель напряжения, реверсивный счетчик, генератор импульсов, фазовращатель и схему сравнения, причем первые входы первого и второго компараторов объединены и являются первым входом компонентного детектора, первый вход третьего компаратора соединен через фазовращатель и преобразователь переменного напряжения в постоянное соответственно с первым входом четвертого компаратора и входом управляемого делителя напряжения, вторые входы второго, третьего и четвертого компараторов заземлены, выходы четырех компараторов подключены к схеме сравнения, выходы реверсивного счетчика, являющиеся первым выходом

5 компонентного детектора, соединены с управляющими входами управляемого делителя напряжения, а счетный и управляющие входы реверСивного счетчика подключены соответственно к генератору импульсов и

10 схеме сравнения, второй выход которого является вторым выходом компонентного детектора.

1651 18б

Составитель В.Немцев

Редактор М.бланар Техред M.Moðãåíòàë Корректор И.Муска

Заказ 1603 Тираж 409 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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