Измерительный преобразователь дифференциального емкостного датчика

 

Использование: в измерительной технике , в частности для измерения параметров электрических цепей. Сущность изобретения: повышение точности измерения за счет увеличения чувствительности устройства, а также расширение функциональных возможностей , обусловленных получением линейной функции преобразования при работе с любыми типами дифференциальных емкостных датчиков. Измерительный преобразователь содержит блок управления 1, источник опорного напряжения 14,

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) П I) (я)ю G 01 R 27/06

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР

ИЯ ™ (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4861236/21 (22) 20.08.90 (46) 15.12.92. Бюл. М 46 (71) Ленинградский политехнический ийститут им.M.È.Êàëèíèíà и Энгельсское опытноконструкторское бюро "Сигнал" (72) А.Л.Соловьев, В.С.Гутников, К.В.Рудаков, В.Г.Тимошенко и А.А.Андреев (56) Гриневич Ф,Б. и др, Измерительные компенсационно-мостовые устройства с емкостными датчиками, Киев, Думка, 1987, с.112. ,Автбрское свидетельство СССР

ЬВ 1057882, кл. G 01 R 27/26, 1984. (54) ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ЕМКОСТНОГО ДАТЧИКА (57) Использование: в измерительной технике, в частности для измерения параметров электрических цепей. Сущность изобретения: повышение точности измерения за счет увеличения чувствительности устройства, а также расширение функциональных возможностей, обусловленных получением линейной функции преобразования при работе с любыми типами дифференциальных. емкостных датчиков. Измерительный преобразователь содержит блок управления 1, источник опорного напряжения 14, 1781637

20

35 коммутатор 15, ключи 16, 17 и 18, конденсаторы емкостного датчика 19 и 20, усилитель заряда 21, синхронный детектор 25 и устройство выборки-хранения 31. Алгоритм работы устройства основан на алгебраическом суммировании зарядов, формируемых на конИзобретение Относится к койтрольноизмерительной технике, в частности к устройствам измерения параметров электрических цепей.

Известны устройства преобразованйя электрической емкости в постоянное напряжени е, К недостатку вышеописанных устройств следует отнести нелинейность функции преобразования и недостаточно высокую чувствительность при работе с дифференциальными емкостными датчиками.

-- Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство, содержащее источник опорного напряжения, выход которого соединен с первым неподвижным контактом первого переключателя, второй неподвижный контакт первого переключателя соединен с первым неподвижным контактом второго переключателя и подключен к общей шине устроиства; подвижные контакты первого и второго переключателей соответственно через измеряемый и образцовый конденсаторы подключены ко входу усилителя, выход которого через синхронный детектор соединен со вторым неподвижным контактом второго переключателя, причем выход синхронного детектора является выходом устройства, генератор прямоугольного напряжения, выход которого соединен с управляющими входами переключателей и синхронного детектора.

С целью увеличения чувствительности и получения линейной функции преобразования в устройство, содержащее источник опорного напряжения, выход которого соединен с первым входом переключателя, первый и второй конденсаторы емкостного 40 датчика, вторые выводы которых через усилитель заряда соединены со входом синхронного детектора, первый вывод первого конденсатора емкостного датчика соединен с выходом переключателя, введены: блок управления, устройство выборки-хранения и три ключа, выход источника опорного напряжения соединен с первым выводом первого ключа, второй вход переключателя соединен с первым выводом второго ключа денсаторах 19 и 20 емкостного датчика. В целом устройство представляет собой компенсационно-мостовое устройство астатического типа с динамическим режимом работы интегратора, 2 ил, и подключен к выходу устройства выборкихранения, который является выходом устройства, первый вывод третьего ключа соединен с общей шиной устройства, вто рые выводы ключей соединены через второй конденсатор емкостного датчика со входом усилителя заряда, первый выход блока управления соединен со входом управления второго ключа, второй выход блока управления соединен со входом управления пере-. ключателя, третий выход блока управления соединен со входом управления первого ключа, четвертый и шестой выходы блока управления подключены соответственно ко второму и первому входам управления синхронного детектора, пятый выход блока управления соединен со входом управления третьего ключа, седьмой выход блока управления соединен со входом управления устройства выборки-хранения, вход которого соединен с выходом синхронного детектоPB.

Существенными отличиями заявляемого изобретения являются введение в устройство блока управления, трех ключей и устройства выборки-хранения, а также новых связей: выход источника опорного напряжения соединен с первым выводом первого ключа, первый вывод второго ключа соединен с выходом устройства выборки-, хранения и вторым входом переключателя, выход синхронного детектора соединен с информационным входом устройства выборки-хранения, первый выход блока управления соединен со входом управления второго ключа, третий выход блока управления соедийен со входом управления первого ключа, первый и второй входы. управления синхронного детектора соединены соответственно с шестым и четвертым выходами блока управления, вход управления устройства выборки-хранения подкл очен к седьмому выходу блока управления.

На фиг. 1 изображена функциональная схема измерительного преобразователя дифференциального емкостного датчика.

Устройство содержит блок управления (БУ) 1, в состав которого входит генератор напряжения прямоугольной формы 2, выход которого flopKJllo÷åí ко входу первой интег1781637 рирующей цепи 3. Выход второй интегрирующей цепи 4 соединен со входом R счетчика с дешифрированными выходами 5. Выход первой интегрирующей цепи 3 соединен со входом С счетчика с дешифрированными 5 выходами 5. Выход 4 счетчика 5 соединен со входом интегрирующей цепи 4 и подключен к входу R Т-триггера 6, "Т="вход триггера 6 соединен с выходом первой интегрирующей цепи 3. Выход "0" счетчика 5 соединен 10 со входом инвертора 7, первым входом логического элемента "2 ИЛИ" 8 и является первым выходом БУ 1. Выход инвертора 7 является вторым выходом БУ 1. Выходы "1" и "3" счетчика 5 соединены соответствейко 15 с первым и вторым входами логического элемента 2 Nfllfl 9. Вход инвертора 10 сое динен с выходом генератора 2. Выход логического элемента "2 ИЛИ" 9 подключен к первому входу логического элемента 2 И 11,. 20 выход которого является четвертым выходом БУ 1. Выход триггера 6 является пятым выходом БУ 1. Выход логического элемента

"2 ИЛИ 9 соединен с.первым входом логичеII 1I ского элемента 2 И 12, выход которого явля- 25 ется шестым выходом БУ 1. Выход "2 ° счетчика 5 соединен со вторым входом логического элемента 2 ИЛИ 8, подключен к !

1 !! ° первому входу логического элемента 2 И 13 и является третьим выходом БУ 1. Выход 30 инвертора 10.соединен со вторыми входами логических элементов!2 И 11, 12 и 13, Выход

К II элемента 2 И 13 является седьмым выходом "

BY 1.

Кроме того, устройство, приведенное на 35 фиг. 1, содержит источник опорного напря- жения 14, выход которого соединен с riepвым входом переключателя 15 и подключен к первому контакту ключа 16. Второй вход переключателя 15 соединен с первым кон- 40 тактом ключа 17. Первый контакт ключа 18 соединен с общей шиной устройства . Выход . переключателя 15 соединен с первым выво- дом конденсатора емкостного датчика 19, а . вторые выводы ключей 16, 17 и 18 соедине- 45 ны с первым выводом конденсатора емкост- ного датчика 20. Вторые выводы конденсаторов 19 и 20 соедйнены между собой и через последовательно включенные усилитель заряда 21, синхронный детектор 50 (СД) 25 и устройство выборки-хранения (YBX) 31 подключены ко второму входу переключателя 15. Первый, третий и пятый выходы БУ 1 соединены соответственно со . входами управления ключей 17, 16 и 18. 55

Второй выход БУ 1 соединен со входом управления переключателя 15. Четвертый и шестой выходы БУ 1 соединены соответст- . венно со входами управления СД 25. Седьмой выход БУ 1 соединен со входом управления YBX 31. Выход.YBX 31 является выходом устройства.

Усилитель заряда 21 содержит конденсатор 22 и резистор 23, первые выводы которых соединены с инвертирующим входом операционного усилителя (ОУ) 24, который является входом усилителя заряда 21. Неинвертирующий вход ОУ 24 соединен с общей шиной устройства. Вторые выводы конденсатора 22 и резистора 23 соединены с выходом ОУ 24, который является выходом усилителя заряда 21.

Синхронный детектор (СД) 25 содержит: конденсатор 26, первый вывод которого является информационным входом СД 25, Второй вывод конденсатора 26 соединен через ключ 27 с инвертирующим входом ОУ

30, который подключен к первому выводу конденсатора 29. Неинвертирующий вход

ОУ 30 подключен к общей шине устройства и через ключ 28 соединен со вторым выводом конденсатора 26. Второй вывод конденсатора 26 соединен с выходом OY 30 и является выходом.СД 25. Входы управления ключей 28 и 27 являются соответственно первым и вторым входами управления СД

25.

Устройство выборки-хранения (УВХ) 31 содержит ключ 32, первый вывод которого является информационным входом УВХ 31, Второй вывод ключа 32 соединен с неинвертирующим входом ОУ 33 и через конденсатор 34 подключен к общей шине устройства, Выход ОУ 33, являющийся выходом YBX 31 соединен с неинвертирующим входом этого усилителя. Вход управления ключа 32 является входом управления УВХ 31.

Недостаточная чувствительность прототипа обусловлена его функцией преобразования:

Сх

1 . UItbIx = Uo — у

Со где UItbtx — значение выходного напряжения преобразователя, Сх — значение емкости измеряемого конденсатора, Со — значение емкости образцового конденсатора, U0 — значение. выходного напряжения опорного истсчника.

В этом случае относительное значение приращения выходнОго напряжения Жеевых преобразователя, при изменении измеряемой емкости на величину АС<, определяется из выражения:

ЬCx — 0о е, (1) . х

1781637

Со — Сх + Л Сх) Со — Cx) о х х Со +Сх So х

Со — Сх оо .ох

" ""=" с +с =тв. л

do, ох

So ох — Sx do

So dx + Sx C o (3) Выражение (3) говорит о том, что функция преобразования нового устройства будет, линейна как при работе с 50 дифференциальными датчиками с переменной площадью обкладок, так и дифференциальными датчиками с изменяющейся величиной зазора. Следовательно, можно сделать вывод, что предлагаемое устройст- 55 во может быть использовано как универсальный инструмент с любыми типами дифференциальных емкостных датчиков.

Заявляемое устройство представляет собой компенсационный преобразователь с

Функция преобразования предлагаемого устройства описывается выражением:

Сх Со вых = Uo - т; х1 о

Использование предлагаемого устрой- 5 ства позволяет обеспечить относительное значение приращения выходного напряже. ния AU»x, при изменении значения измеряемой емкости на величину ЛСх.

0вых=

С вЂ” CX2 тГ=ТГ

2ЬCx () (Co — h. Cx) — — (Сх — h. Cx) 15

Со

Из айализа выражений (1) и (2) следует, что при величине Сх одного порядка с вели.чиной емкости Со. предложенная структура обеспечивает более высокую чувствительность,чем прототип.

Использование предлагаемой структуры позволяет обеспечить линейную характеристику преобразования при работе с дифференциальными емкостными датчиками с изменяющейся величиной зазора, так и датчиками с переменной площадью обкладок, Емкости измеряемого Сх и опорного Со конденсаторов описываются выражением: 3 CSo

Cx=, Со = 30

dx d0 где е — диэлектрическая проницаемость диэлектрика емкостного датчика.

Sx, So — соответственно площади взаимного перекрытия обкладок измеряемого и образцового конденсаторов датчика, dx, do — соответственно величины зазоров между. обкладками измеряемой и опор.ной емкостями датчика, уравновешиванием зарядов. Структурная схема измерительного преобразователя приведена на фиг.1. Алгоритм работы уст-. ройства задается блоком управления (БУ) 1.

Выходной сигнал генератора напряжения прямоугольной формы 2 через интегрирующую цепь 3 подается на тактовые входы счетчика — дешифратора 5 и Т-триггера 6.. (Выходное напряжение генератора 2 изображено на фиг, 2,1). Цикл работы устройства разбит на два такта преобразования и задается последовательностью выходных импульсов счетчика — дешифратора 5 и Tтриггера 6. Для синхронизации их работы в устройство введена интегрирующая цепь 4.

Постоянная времени этой цепи имеет величину:

R4 С4Ф(1 — 2) Т, где w — время срабатывания триггера 6, R 4С4 — постоянная времени интегрирующей цепи 4.

Интегрирующая цепь 3 предназначена для фоомирования фазового сдвига между сигналами управления переключателя 15, ключей 16, 17, 18 и сигналами управления

СД 25 и УВХ 31. Стробирование сигналов управления СД 25 и УВХ 31 осуществляется с помощью инвертора 10 и логических элементов 11,-12 и 13. Сигналы управления работой переключателя 15 и ключей 16, 17, 18 изображены соответственно на фигурах

2.3, 2.5 и 2.2. Напряжения, подаваемые на первый и второй входы управления СД 25 и

УВХ 31,изображен ы со ответствен но на фиг.

2.7, 2.6 и 2,8. В результате такого алгоритма работы переключателя 15 и ключей 16, 17 и

18 на конденсаторах емкостного датчика формируются напряжения, изображенные на фиг. 2.9 (Напряжения на конденсаторах

19 и 20 изображены соответственно сплошной и штрихпунктирной линиями). Как было отмечено выше процесс уравновешивания зарядов на конденсаторах емкостного датчика 19 и 20 разбит на два такта. В первом такте преобразования в работе участвуют переключатель 15, ключи 17 и 18, Напряжение, снимаемое с выхода усилителя заряда

1 (изображено на фиг.2.10),описывается выражением: л О = Uo Овых живых

С 19 С19 С20

С22 С22 С22

Это напряжение поступает на вход синхронного детектора (СД) 25. В момент замыкания ключа 27 (см,фиг. 2.6) происходит масштабирование напряжения hU1 с коэффициентом Кж = -С26!С2э. Вследствие этого на выходе ОУ 30 формируется напряжение:

1781637

С26

ЛО2 =-, — - ;— (UoC19 ОвыхС19 ОвыхС20). (4)

При размыкании ключа 27 СД 25 переходит в режим хранения информации, а конденсатор 26 перезаряжается с помощью ключа 28 (см.фиг.27).

Во втором такте преобразования в работе принимают участие ключи 16 и 18, В результате этого на конденсаторе 20 формируется импульс прямоугольной формы с амплитудой Оо. .В этом случае отрицательное приращение напряжения на выходе усилителя заряда 21 имеет величину:

С2О

С22 а следовательно, приращение напряжения

Ж34 на выходе СД 25, после срабатывания ключа 27, может быть описановыражением:

U4 = UQ—

С2о С26

С22 C29

Результат алгебраического суммирова-. ния приращений напряжений h02 и ЛО4, а течение одного такта преобразования, записывается s УВХ 31. Процесс записи результата этой математической операции достигается при замыкании ключа 32. Сигнал управления работой ключа 32 изображен на фиг. 2;8. Исходя из алгоритма работы данного устройства следует, что процесс уравновешивания в заявляемом устройстве заканчивается при достижении равенства приращений ЛО2 и Л04. Поэтому справедливо равенство; ЛUz =ЛО4, С26 (UQC19 ОвыхС19 ОвыхС29)

22 29

Оо С2Р С26 (11)

С22 С29 которое в результате сокращения членов

С26, С22 и С29 имеет вид:

ООС19 — О»С19 — 0»хС29 = UQC20, (6)

Из выражения (6) несложно определить функцию преобразования данного устройства;

С19 - С29

Овых UG C + С- (7)

Физически процесс уравновешивания заключается в установлении выходного напряжения Ов х, которое отвечает требованиям равенства (6). На фиг. 2.11 сплошной линией изображено выходное напряжение

СД 25, а пунктиром выходное напряжение

УВХ 31. Следует отметить, что временные диаграммы, приведенные на фиг. 2 отражают состояние равновесия а измерительной цепи устройства.

Для оценки переходных процессов целесообразно обратиться к разностному ура нению, описывающему процесс уравновешивания в устройстве:

5 Овых(п+1) =

С19 С26 С19 С26

= UQ С С Ывых (94—

22 29 С22 С29 () С2ОС26

С22 С29

10 С20 С26

ООС C + Овых (и) 1 где Овых(п) — значение в предыдущем такте преобразования выходного напряжения устройства, 15

U»x (и+1)- значение выходного напряжения устройства в последующем такте преобразования.

В результате Z-преобразования практическое выражение (8) принимает вид; "" .+-(-(:;:::; ;;:. ;Й

Сгг Сгв фф

""в хМ

Сггсг Сгг Сг9 где Us x(0) — начальное значение выходного напряжения до начала процесса уравновешивания (Данная величина может лежать в диапазоне (-Е)-(+Е), где Š— величина двухполярного напряжения питания устройства), Решение вы шеп риведенного разностного уравнения имеет аид . (8) U„,„«Q):QÁ9.«Q„-c„1 в «хв(1- в (C, 4ñ„/) I

45 где а —. С C (С19+ С2о) — коэффициент

С26

22 С29 передачи контура отрицательной обратной связи устройства. х

Анализ(9) позволили привести к выводу, что: при а = 1 устройство уравновешивается за один цикл преобразования. В этом случае время уравновешивания .преобразователя составляет восемь периодов сигнала опорного генератора 2, а переходной процесс носит критический характер; при а < 1 переходная характеристика преобразователя аппроксимируется переходной характеристикой инерционного зве- на первого порядка, а переходный процесс

1781637

12 в этом случае носит апериодический характер; при 2 > а > 1 переходный процесс носит колебательно-затухающий характер, а пере, ходная характеристика устройства аппрок- 5 симируется переходной характеристикой звена второго порядка; при а > 2 измерительный преобразователь самовозбуждается, В этом случае про- цесс возбуждения вызван повышенным 10 значением коэффициента передачи цепи отрицательной обратной связи. . при О > а > К где k — любое отрицательное число. В этом случае обратная связь становится положительной и устройство са- 15 мовозбуждается. Состояние устройства при

a = О соответствует цепи обратной связи и. потере работоспособности, Вышепроведенный анализ позволяет создавать измерительные преобразователи 20 с заданными динамическими свойствами.

Данный преобразователь макетировался на кафедре информационно-измерительной техники Ленинградского политехнического института им.M.È.Êàëèíèíà, В настоящее 25 время в ОКБ ЭйО "Сигнал" г. Энгельс Саратовской области изготовлены опытные образ . цы и проведены стендовые испытания этого, устройства. Результаты практических исследований при работе преобразователя с диф- 30 ференциальными емкостными датчика с диапазоном измерения: емкостей 1,2 — 5,6 пФ показали, что точность преобразования этого устройства не хуже 0,05% при времени уравновешивания измерительной цепи 35

0,8 мС, это в три раза выше,чем у известных устройств, В качестве элементной базы преобразователя были использованы микросхемы серий К 544, К 590, К 140 и К 561., Счетчик — 40 дешифратор 5 выполнен на микросхеме К

561 ИЕ8, . Экономический эффект не подсчитывался, так как целью предполагаемого изобретения является повышение точности, 45 достигаемой за счет увеличения разрешающей способности, обусловленной высоким значением чувствительности заявляемого устройства.

Формула изобретения

Измерительный преобразователь дифференциального емкостного датчика, содержащий источник опорного напряжения, выход которого соединен с первым входом коммутатора, первый и второй конденсаторы емкостного датчика, первые выводы которых через усилитель заряда соединены с информационным входом синхронного детектора, второй вывод первого конденсатора емкостного датчика соединен с выходом коммутатора. отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности и расширения функцйональных возможностей, обусловленных получением линейной характеристики преобразования как при работе с дифференциальными емкостными датчиками с изменяющейся величиной зазора между обкладками, так и при работе с дифференциальными емкостными датчиками с изменяющейся площадью обкладок, в него введены блок управления, устройство выборки-хранения и три ключа, первый вывод первого ключа соединен с выходом источника опорного напряжения, первый вывод второго ключа соединен с вторым входом коммутатора и выходом устройства выборки -хранения, который является выходом устройства, первый вывод третьего ключа соединен с общей шиной устройства, вторые выводы ключей через второй конденсатор емкостного датчика соединены с входом усилителя заряда, а выход синхронного детектора подключен к информационному входу устройства выборки-хранения, вход управления коммутатора соединен с вторым выходом блока управления, входы управления первого, второго и третьего ключей соединены соответственно с третьим, первым и пятым выходами блока управления, первый и второй входы управления синхронного детектора соединены соответственно с шестым и четвертым входами блока управления, а седьмой выход блока управления соединен с входами управления устройства выборки-хранения.

1781637

2.I

° 2

2.3

2.4

2.5 .6

2.7

2.8

2.9

2. IG

Составитель А.Соловьев

Редактор В.Трубченко Техред М,Моргентал Корректор И,Шулла

Заказ 4272 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, )К-35, Раушская наб., 4/5

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