Измерительный преобразователь с емкостным датчиком
Изобретение относится к технике изме- . рения неэлектрических величин электрическими методами и предназначено для преобразования параметров емкостного датчика в изменение выходного напряжения . Целью изобретения является расширение диапазона преобразования емкости в напряжение. Измерительный преобразователь с емкостным датчиком содержит первый источник 1 постоянного стабильного напряжения, первый 3 и второй 4 коммутаторы , измерительный емкостный датчик 6, первый образцовый конденсатор 7, преобразователь 9 заряда в напряжение, дискретный интегратор 10, генератор 11 прямоугольных импульсов. Введение второго источника 2 постоянного стабильного напряжения , третьего коммутатора 5 и второго образцового конденсатора 8 позволяет частично компенсировать заряд емкостного датчика на входе преобразователя заряда, что существенно расширяет диапазон измерения емкости датчика. 2 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ ПРИ ГКНТ СССР СПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4794110/21 (22) 21.02.90 (46) 07.03.92. Бюл. М 9 (71) Институт автоматики АН КиргССР (72) А.В.Кудрявцев, В.К.Романчук и В.Н.Шевченко (53) 621.317(088,8) (56) Карандеев К.Б., Гриневич Ф.Б., Новик А.И. Емкостные самокомпенсированные уровнемеры, М.: Энергия, 1966, с,144. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Измерительные преобразователи. Л.: Энергоатомиэдат, 1983, с.145. Авторское свидетельство СССР N. 1057882, кл. 6 01 R 27/26, 1982, Чередов А.Н.. Клементьев А.В. Измерительный преобразователь емкости в напряжение. — Приборы и техника эксперимента. 1984, N. 5, с.128 — 129. (54) ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ 0РЕ06РА30ВАТЕЛЬ С ЕМКОСТНЫМ ДАТЧИКОМ,, Ж, „ I 718145 А1 (57) Изобретение относится к технике изме. рения неэлектрических величин электрическими -методами и предназначено для преобразования параметров емкостного датчика в изменение выходного напряжения. Целью изобретения является расширение диапазона преобразования емкости в напряжение. Измерительный преобразователь с емкостным датчиком содержит первый источник 1 постоянного стабильного напряжения, первый 3 и второй 4 коммутаторы, измерительный емкостный датчик 6, первый образцовый конденсатор 7, преобразователь 9 заряда в напряжение, дискретный интегратор 10, генератор 11 прямоугольных импульсов. Введение второго источника 2 постоянного стабильного на- Я п ряжения, третьего коммутатора 5 и второго образцового конденсатора 8 позволяет частично компенсировать заряд емкостного датчика на входе преобразователя заряда. что существенно расширяет диапазон измерения емкости датчика. 2 ил. 1718145 20 датчиком, содержащий генератор перемен- . ного напряжения, измерительный и образ- 25 цовый конденсаторы, операционный Изобретение относится к технике измерения неэлектрических величин электрическими методами, предназначено для преобразования параметров емкостного датчика в изменение выходного электрического напряжения и может быть использовано для измерения, например, угла поворота, перемещений, уровень веществ, их влажности и т.д. Известен преобразователь с использованием моста с тесной индуктивной связью, который содержит генератор синусоидального напряжения стабилизированной амплитуды, рабочий и образцовый конденсаторы, преобразователь постоянного напряжения в синусоидальное, усилитель, фазочувствительный детектор. Недостатком известного устройства является его сложность и нетехнологичность изготовления из-за наличия большого количества намоточных элементов. Известен измерительный преобразователь неэлектрических величин с емкостным усилитель. Недостаток преобразователя — низкая точность преобразования, обусловленная нестабильностью генератора синусоидального напряжения. Известен измерительный преобразователь неэлектрических величин с емкостным датчиком, содержащий источник постоянного стабильного напряжения, рабочий и образцовый конденсаторы, два коммутатора, усилитель, фазочувствительный детектор и генератор прямоугольных импульсов. Недостатком преобразователя является малый диапазон измерения, ограниченный уровнем выходного напряжения, соответствующего начальному значению емкости датчика, и максимально допустимым выходным напряжением устройства. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является преобразователь емкости в напряжение, содержащий источник постоянного стабильного напряжения. емкостный датчик и образцовый конденсатор, на которые по аются импульсы напряжения, формируемые с помощью коммутаторов из опорного и выходного напряжения, преобразователь заряда в напряжение, дискретный интегратор и генератор прямоугольных импульсов. Недостатком известного преобразователя является малый диапазон преобразо-. вания емкости в напряжение, который ограничен уровнем выходного напряжения, соответствующего начальному значению 10 50 емкости датчика, и максимально допустимым выходным напряжением. Цель изобретения — расширение диапазона преобразования. Поставленная цель достигается путем обеспечения частичной компенсации заряда измерительного емкостного датчика. Конструктивно это реализовано следующим образом. В измерительный преобразователь емкости в напряжение, содержащий источник постоянного стабильного напряжения, два коммутатора, измерительный датчик и образцовый конденсатор, преобразователь заряда в напряжение, дискретный интегратор и генератор прямоугольных импульсов, введены второй источник постоянного стабильного напряжения, полярность которого противоположна полярности первого источника напряжения, третий коммутатор и второй образцовый конденсатор, потенциальный электрод которого соединен с выходом третьего коммутатора, управляющий вход которого соединен с выходом. генератора прямоугольных импульсов; первые информационные входы первого и третьего коммутатором соединены, соответственно, с выходами первого и второго источников постоянного стабильного напряжения, первый информационный вход второго коммутатора соединен с выходом дискретного интегратора, второй информационный вход третьего коммутатора соединен с общей шиной. На фиг. 1 изображена структурная схема преобразователя емкости в напряжение; на фиг. 2 — выходные характеристики преобразователя при различных режимах работы, Преобразователь содержит источник 1 постоянного стабильного напряжения, второй источник 2 постоянного стабильного напряжения, полярность которого противоположна полярности первого, коммутаторы 3-5, измерительный емкостный датчик 6, первый и второй образцовые конденсаторы 7 и 8, преобразователь 9 заряда в напряжение, дискретный интегратор 10 и генератор 11 прямоугольных импульсов. Токовые электроды емкостного датчика 6 и первого и второго образцовых конденсаторов 7 и 8 соединены вместе и подключены через преобразователь 9 заряда к дискретному интегратору 10. Потенциальные электроды измерительного емкостного датчика 6 и образцовых конденсаторов 7 и 8 соединены с выходами коммутаторов 3-5. Первые информационные входы коммутаторов 3 и 5 соединены соответственно с выходами первого 1 и второго 2 источников постоянного стабильного напряжения, первый информационный вход коммутатора 4 соединен с 1718145 выходом дискретного интегратора, Вторые информационные входы коммутаторов 3 — 5 соединены с общей шиной устройства . Выход генератора 11 прямоугольных импульсов соединен с управляющими входами 5 коммутаторов 3-5 и управляющим входом дискретного интегратора 10. Преобразователь работает следующим образом. На потенциальные электроды измери- 10 тельного датчика 6 и образцового конденсатора 8 подаются прямоугольные импульсы противоположной полярности, формируе. мые коммутатором 3 из напряжения 0 1 источника 1 постоянного стабильного 15 напряжения и коммутатором 5 из напряжения Uoz источника 2 постоянного стабильного напряжения. На потенциальный электрод образцового конденсатора 7 поступают прямоугольные импульсы, форму- 20 руемые коммутатором 4 из выходного напряжения О»» измерительного преобразователя. Коммутаторы управляются генератором 11 прямоугольных импульсов. Алгебраи еская сумма зарядов, образую- 25 щихся на датчике и обоих образцовых конденсаторах, реобразуется преобразователем 9 зарядч в импульсные напряжения, которые накапливаются в дискретном интеграторе 10, Изменение емкости изме- 30 рительного датчика, обусловленное изменением контролируемого параметра, приводит. к разбалансу зарядов на входе преобразователя 9 заряда, который компенсируется за счет изменения выходного. на- 35 пряжения дискретного интегратора 10. Установившийся режим работы устройства характеризуется равенством UO1C6 - U02Ce = ОвыхС7 (1) где Uo1 и Оо2 — соответственно напряжения 40 первого (положительного) и второго (отрицательного) источников постоянного стабильного напряжения; С6 — емкость датчика; С7 и Св — значения емкостей первого и 45 второго образцовых конденсаторов (индексы соответствуют обозначениям конденсаторов на фиг, 1).. Знак выходного напряжения устройства противоположен знаку заряда, определя- 50 емого левой частью равенства (1), Передаточная функция устройства имеет вид и.-- — .,— » uo1С -Ов св 8 частном случае, подобрав /Uot/ = /Оо2/, можно записать С6- Св Uevx = 001 С7 Получаемое расширение диапазона преобразования в предлагаемом устройстве можно пояснить с помощью графика на фиг. 2, выходные характеристики на котором даны для неизменной чувствительности преобразователя (С7 = const). Характеристика 1 на фиг, 2 соответствует передаточной характеристике известного устройства. опиСЫВаЕМОй ВЫРажЕНИЕМ Овых = UO1 — (ПРИ Св С7 06 Св = 0). Емкость датчика С6 можно представить в виде С6 = Свн+ ЬС6, где Сбн — начальная емкость датчика (например, емкость незаполненного датчика уровня, емкость незаполненного или заполненного обезвоженной средой датчика и т.n.): ЛС6 — приращение емкости датчика за счет изменения контролируемого параметра. При подключении к преобразователю датчика с начальной емкостью С6> на выходе его появится напряжение, что будет соответствовать. нижнему пределу изменения . емкости датчика. Верхний же предел изменения емкости датчика будет соответствовать максимальному напряжению Овых макс на выходе преобразователя и для характерИСтИКИ 1 ЕГО ЗНаЧЕНИЕ будЕт Сбк1. ДИаПазон измерения. па емкости при этом составит Л С6 = Сбк1 - C6н (так, например, в l известном преобразователе выходное напряжение преобразователя меняется от Овых = 2,25.до Овых макс = 9,0 В при изменении емкости датчика от Сн = 5 пФ до C» = -20 пФ; при этом чувствительность преобразователя составит S = 0,45 В/пФ. Учитывая, что знак заряда на входе преобразователя 9 зарядов не изменяется в процессе работы, напряжение на выходе всего устройства также не будет менять своего знака, При подключении второго источника 2 постоянного стабильного напряжения и второго образцового конденсатора 8 происходит частичная компенсация зарядов на входе преобразователя 9 зарядов, а соответственно и уменьшается выходное напряжение. В частном случае можно подобрать Оог или Св таким образом, чтобы Uo1C6,UozCa; тогда Овых = О, а для достижения Овыхмакс емкость датчика должна принять значение Свк2 (хаРактеРистика 2 на фиг. 2). Диапазон измерения в этом случае составЛЯЕт АС6 = C6a - Свн, ЧтО СВИДЕтЕЛЬСтВУЕт и о его расширении по сравнению с предыдущим случаем, 1718145 Значения U02 и Св можно выбрать таким образом, чтобы напряжение на выходе преобразователя при начальной емкости датчика Сб составило — Овых макс. При этОм значение +0вых макс достигает при емкости датчика Сека (характеристика 3 иа фиг. 2 s диапазон изменения составляет ЛСб = =Сбк, Сбн (например, при сохранении прежней чувствительности преобразования $ = =0,45 В/пФ и изменении выходного напряжения Usga от-9 В до+9 В можно регистрировать изменение емкости датчика Ь Сб до 40 пФ, что превышает указанный первоначальный диапазон Ь Сб = 15 пФ более чем в 2,5 раза). Настройку преобразователя можно производить при заданном или предварительно определенном диапазоне изменения емкости датчика. В этом случае величины напряжения источника 2 постоянного стабильного напряжения в емкости Сб второго образцового конденсатора 8 выбирают из условия U01(Сбн+ — ЛСб = U02CS 1 ц а затем значение емкости С7 первого образцового конденсатора 7 выбирают при значении максимального по абсолютной величине выходного напряжения преобразователя при величине емкости датчика, равной Сбн или Сбн + ЬС6 ° И! Таким образом, предлагаемый преобразователь емкости в напряжение позволяет существенно расширить диапазон измерения емкости датчика. Дополнительное преимущество предлагаемого преобразователя проявляется в возможности использования его с датчиками, имеющими сравнительно большую начальную емкость, что косвенно может обеспечить и расширение области его применения. Формула изобретения Измерительный преобразователь с емкостным датчиком, содержащий первый источник постоянного стабильного напряжения, два коммутатора, измерительный емкостной датчик, первый образцовый конденсатор, преобразователь заряда в напряжение, дискретный интегратор, генератор прямоугольных импульсов, причем токовые электроды измерительного емкостного датчика и первого образцового конденсатора соединены и подключены через 1р преобразователь заряда в напряжение к входу дискретного интегратора, потенциальные электроды измерительного емкостного датчика и первого образцового конденсатора соединены соответственно с 15 выходами первого и второго коммутаторов, вторые информационные входы первого и второго коммутаторов подсоединены к об.щей шине преобразователя, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с 20 управляющими входаМи первого и второго коммутаторов и дискретного интегратора, выход которого является выходом устройства, отл и ч а ю щи и с я тем, что, с целью расширения диапазона преобразования, 25 дополнительно введены второй источник постоянного стабильного напряжения, полярность которого противоположна flollApности первого источника постоянного стабильного напряжения, третий коммута3р тор и второй образцовый конденсатор, потенциальный электрод которого соединен с выходом третьего коммутатора, управляющий вход которого соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов, 35 первые информационные входы первого и третьего коммутаторов соединены соответственно с выходами первого и второго источников постоянного стабильного напряжения, первый информационный вход 4р второго коммутатора соединен с выходом дискретного интегратора, второй информационный вход третьего коммутатора соединен с общей шиной устройства, 1718145 db !Х 86/A; рр Составитель А. Кудрявцев Техред М.Моргентал Корректор С. Черни Редактор 8. Данко Производственно-издательский комбинат "Патент". г. Ужгород. уя.Гагарина. 101 Заказ 878 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открмтиям при ГКНТ СССР 113035, Москва. Ж-35. Раушская наб., 4/б
