Емкостный преобразователь

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4859913/21 (22) 14,08.90 (46) 28.02.93. Бюл. ¹ 8 (71) Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е.Жуковского (72) Б,П,Подборонов и В.А,Селиванов (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1588143, кл. G 01 R 27/26, 1987. (54) ЕМКОСТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Использование; в измерительной технике для измерения неэлектрических величин, в частности перемещения, силы и т.д. СущИзобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению неэлектрических величин с использованием в качестве первичного преобразователя диф. ференциального емкостного датчика. Например, оно может быть использовано в системе нагружения конструкций машин как датчик обратной связи по деформации, перемещению силе.

Цель изобретения — расширение функциональной возможности преобразователя путем осуществления разделения им постоянной и переменной составляющих измеряемой величины.

На фиг. 1 — схема преобразователя; на фиг. 2- изменение емкостей датчика от измеряемого параметра и времени; на фиг. 3 эпюры напряжения, соответствующие различным значениям величины Х. Схема преобразователя содержит дифференциальный источник тока (ДИТ) 1, управляемый масштабирующим функциональным преобразователем (МФП) 2, широтно-импульсный модулятор (ШИМ) 3, коммутатор 4, фильтр 5, дифференциальный интегратор (ДИ) 6, дат„„5Q „„1798626 А1 (я)5 G 01 D 5/12, G 01 R 27/26 ность изобретения: устройство содержит дифференциальный источник тока, масштабирующий преобразователь, широтно-импульсный модулятор, коммутатор, фильтр, дифференциальный интегратор, датчик, генератор тактовых импульсов; источник опорного напряжения. Введение демодулятора позволило расширить функциональные возможности преобразователя путем осуществления разделения им постоянной и переменной составляющих измеряемой величины, 3 ил, чик 7, генератор тактовых импульсов (ГТИ)

8, источник опорного напряжения 9, демодулятор 10, 11-12 — управляющие входы

ДИТ 1, 13 — его опорный вход, 14-15 — выхо-. ды ДИТ 1, 16 — 17 — времязадающие входы

ШИМ 3, 18 — 19 — его входы запуска, 20-21— выходы ШИМ 3, 22-23 — управляющие входы коммутатора, 24-25 — выходы источника

9, 26, 27 — масштабный и управляющие входы МФП 2, 28, 29 — выходы преобразователя соответственно постоянного и переменного напряжения.

Работа. Отличие режима работы предлагаемого преобразователя и прототипа заключается в том, что для воспроизведения динамически изменяющейся величины (фиг.

2-3) .фильтр 5 должен пропускать только постоянную составляющую Хо, в то время как в прототипе — и постоянную Хо и переменную

Х . Следствие этого обратная связь (0C) будет замкнута для постоянной составляющей

Хо и разомкнута для переменной Xm.

Исходному значению X = 0 измеряемой величины соответствует значение емкостей

C> = С2 датчика, значению Х 0 соответсто о

1798626 венно С1 Cz; ГТИ 8 формирует на своем выходе разнесенные на Т/2 (T — период генератора) последовательности импульсов, обеспечивая также разнесенный на Т/2 процесс заряд-разряд емкостей датчика, при этом на выходах 20 — 21 ШИМ 3 формируются импульсы г1, tz, длительности которых определяются значениями С1, Сг (фиг. За), они также разнесены на Т/2;

МФП 2 вырабатываетдифференциальноизменяемые напряжения Ui = Uo AU;

Uz = 00 + ЛU под действием выходного, напряжения интегратора, при этом при Овых =

= 001=0г=Оо. Выходные напряжения МФП

2 задают также дфференциально-изменяемые значения токов ДИТ 1 по уравнениям: ! 1 — 10 г 1: 12 10 + 1 где lo — значение токов ДИТ 1, соответствующее значению

U1,z = Оо = const.

Поэтому для значения Х =. О, когда C1- Cz

l1 = lz = l0 и ШИМ 3 формирует импульсы одинаковойдлительности r1 =тг =

0по.ф

lo

Unop пороговое напряжение ШИМ 3;

При этом разнополярные импульсы на выходе коммутатора не содержат постоянной составляющей и на выходах 28 и 29 напряжения .

u-=u-=0.

При статическом значении Х = Хо(положение 2 фиг. 2) С1 Ф Cz, при атом результатом прохождения Х = Xo на выход коммутатора будет наличие разнополяр- . ных импульсов разной длительности хг = — -а — хе хг — — а — . СодергааагаОпо С1 Uno С2 .lo lo яся в- них постоянная составляющая (Uot1 — 0ot2 )/Т будет отобрана фильтром

5, и выходное напряжение ДИ 6 будет расти до тех пор,.пока по цепи обратной связи не уравняются напряжения на входах ДИ 6.

Так как потенциал неинвертирующего входа ДИ б р.1, =.О, то, "возвращаясь назад" от инвертирующего входа ДИ 6 через коэффициент передачи по постоянной составляющей фильтра 5 Кф, получим равенство длительности импульсов на выходе коммутатора:

00 <1 — 00 2 Р р1 = рг = сопз1+- = — — 0

Т .Кф что будет обеспечено при вышеупомянутых уравнениях МФП 2 и ДИТ 1, поэтому

0 поп С2 С1 С2

Uïî С1 "11 = — — —: — = — = COnSt, 1г 11 1г

=0 КмФп К! Кшим (r l) Кф 00

U — =

K мап

=К1 Х

30 где Кд — коэффициент передачи датчика;

Кшим(т /С) — коэффициент передачи

ШИМ 3 относительно изменения емкости датчика;

Кмэп — коэффициент передачи МФП 2;

Kl — коэффициент передачи ДИТ 1;

Кшим(х /1) — коэффициент передачи

ШИМ 3 относительно тока.

Следствием копирования токами 11, Iz значе40 ний С1, Сг и сумма (C1 + Сг) копируется суммой (11 + Iz) и, т.к. она формируется в обратной связи, то относительно датчика функция измерения:

С1 — Сг

С1+ С2

45 т.к, произведение Кд Х пропорционально дифференциальному изменению емкостей

50 (фиг. 2) Кд . X=(C1 - Сг), а величина (11+ Iг) пропорциональна их сумме;

КмФп Kl К шим (г/1) =

-=(11+ 12) =-(С + С ) 55

При динамическом изменении Х = Хо+

+ Хпз1п cot входного параметра (положение

3 фиг. 2) на выходе коммутатора действует составляющая ШИМ сигнала, эквивалентт.е. цепь обратной связи позволяет токам

112 копировать изменение емкостей С1, Сг (кривые изменения 11, z накладываются на изменения С1, Сг фиг. 2), следовательно, цепь обратной связи сдвинет появляющиеся в первый момент импульсы разной дли"0 тельности к импульсам одинаковой длительности (фиг. Зб к фиг. За). Таким образом, цепь ОС работает в режиме поддержания равного нулю значения постоянной составляющей ШИМ-сигнала, Из условия уравновешивания результата прохождения измеряемой величины Х на инвертирующий вход ДИ 6 на напряжением

U- находим коэффициент передачи между величиной Х и выходном U-.:

Х К, Кшим (т/С)00. Кф =

1798626 ная его амплитуде Хп (фиг. Зв), при этом, т,к.

ОС будет замкнута для постоянной составляющей и разомкнута для переменной, то выходным напряжением ДИ 6 по цепи ОС на выходе коммутатора будет ликвидирована постоянная составляющая ШИ9 сигнала (аналогично предыдущему случаю), а оставшаяся переменная составляющая отбирается демодулятором 10, Таким образом, на выходе ДИ 6 будет иметь постоянное напряжение, пропорциональное постоянной составляющей входного параметра, а на выходе демодулятора— переменное напряжение, пропорциональное его амплитуде; и кх:

К = Кд ° К шим (А/С ) К дем 00 где K « — коэффициент передачи демодулятора.

Формула изобретения

Емкостный преобразователь, содержащий дифференциальный источник тока, широтно-импульсный модулятор, времязадающие входы которого соединены с двумя конденсаторами датчика и выходами. источника тока, а импульсные выходы — с управляющими входами коммутатора, выходом соединенного с фильтром, дифференциальный интегратор, выход которого является выходом постоян5 ного напряжения, инвертирующий и неинвертирующий входы которого соединены соответственно с выходом фильтра и общей шиной, генератор тактовых импульсов, прямой и обратные выходы которого соединены

10 с входами запуска широтно-импульсного модулятора, источник двуполярного напряжения, соединенный с аналоговыми входами коммутатора, масштабирующий преобразователь, масштабный и управляю15 щие входы которого соединены соответственно с выходом отрицательного опорного напряжения двуполярного источника и вы- . ходом дифференциального интегратора, а выходы — с управляющими входами источ-.

20 ника тока, опорный вход которого соединен с выходом положительного опорного напряжения двуполярного источника, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в него вве25 ден линейный демодулятор широтно-импульсных сигналов, вход которого соединен с выходом коммутатора, а выход является выходом переменного напряжения преобразователя.

1798626

Составитель B.Селиванов

Техред М.Моргентал Корректор Т,Вашкович

Редактор

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

Заказ 765 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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