Измерительный преобразователь неэлектрических величин с емкостным датчиком

 

Использование: в электроизмерительной технике для измерения различных неэлектрических величин и предназначено для преобразования изменений емкости рабочего конденсатора датчика в изменения постоянного напряжения. Сущность изобретения: измерительный преобразователь неэлектрических величин с емкостным датчиком содержит источник стабильного постоянного напряжения, линейный инвертор, сумматоры, генератор прямоугольного напряжения, коммутаторы, дифференциальный конденсатор, усилитель, фазочувствительный детектор. В преобразователе крайние обкладки дифференциального конденсатора запитываются противофазными прямоугольными напряжениями, формируемыми путем коммутирования выходного напряжения. Сигнал, снимаемый со средней обкладки дифференциального конденсатора, усиливается усилителем и выпрямляется фазочувствительным детектором. Выходное напряжение фазочувствительного детектора поступает на выходные зажимы преобразователя, а также это напряжение суммируется с выходным напряжением источника стабильного постоянного напряжения и тем самым образуется общая отрицательная связь преобразователя. 1 ил.

Изобретение относится к электрической измерительной технике, может использоваться для измерения различных неэлектрических величин и предназначено для преобразования изменений емкости рабочего конденсатора датчика в изменения постоянного напряжения.

Известен измерительный преобразователь неэлектрических величин с емкостным датчиком, содержащий дифференциальный конденсатор, два резистора, генератор синусоидального напряжения, усилитель переменного тока, причем крайние обкладки дифференциального конденсатора подключены к выходным зажимам генератора синусоидального напряжения и к первым выводам резисторов, вторые выводы которых соединены вместе и подключены к общей шине преобразователя, а средняя обкладка дифференциального конденсатора соединена с входом усилителя переменного тока, выход которого подключен к выходным зажимам преобразователя .

Недостатком известного устройства является низкая точность преобразования, обусловленная следующим. Известное устройство представляет собой мостовой неуравновешенный преобразователь, выражение преобразования информативного параметра в выходное напряжение U_вых в котором имеет вид: U_вых= U - K_у, (1) где U₂ - амплитуда выходного напряжения генератора синусоидального напряжения; K_y - коэффициент передачи усилителя переменного тока; C₁ и С₂ - емкости дифференциального конденсатора; R₁ и R₂ - сопротивление резисторов.

Как видно из выражения (1), известное устройство имеет нелинейную функцию преобразования (из-за члена С₁/(C₂+C₁)) и, кроме того, выходное напряжение U_вых зависит от нестабильностей напряжения генератора синусоидального напряжения и коэффициента передачи усилителя переменного тока.

В известном устройстве выходной сигнал является напряжением переменного тока, для преобразования которого в напряжение постоянного тока используют выпрямители, что также вносит дополнительную погрешность преобразования.

Известен также принимаемый за прототип измерительный преобразователь неэлектрических величин с емкостным датчиком, содержащий дифференциальный конденсатор, генератор синусоидального напряжения, линейный инвертор, два сумматора, предварительный усилитель, измерительный усилитель и синхронный (фазочувствительный) детектор, причем выход генератора синусоидального напряжения соединен с входом опорного сигнала синхронного детектора, с первым входом первого сумматора и с входом линейного инвертора, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, выходы сумматоров соединены с соответствующими крайними обкладками дифференциального конденсатора, средняя обкладка которого соединена с входом предварительного усилителя, выход которого соединен с вторыми входами сумматоров и с входом синхронного детектора, выход которого соединен с выходом преобразователя .

Известное устройство, в отличие от вышеупомянутого, имеет линейную функцию преобразования. Однако недостатком известного устройства также является невысокая точность преобразования неэлектрических величин в напряжение. В известном устройстве общей отрицательной обратной связью охвачены только предварительный усилитель и дифференциальный конденсатор, что исключает влияние на точность измерения нелинейности и нестабильности коэффициента передачи предварительного усилителя. Однако при этом измерительный усилитель и синхронный детектор находятся вне контура отрицательной обратной связи и образуют цепь прямого измерительного преобразования, вследствие чего нестабильности и нелинейности функций (коэффициентов) передачи измерительного усилителя и синхронного детектора снижают точность преобразования устройства. Это видно из выражения преобразования информативного параметра в выходное напряжение U_вых в известном устройстве: U_вых= K_и.у.·K_с.д.·U₂· , (2) где K_и.y. и К_с.д. - коэффициенты передачи соответственно измерительного усилителя и синхронного детектора; U₂ - амплитуда выходного напряжения генератора синусоидального напряжения; - коэффициент передачи ненагруженного дифференциального конденсатора, запитанного равными противофазными напряжениями (в функцию преобразования входят коэффициенты К_и.y. и К_с.д. ).

Кроме того, из выражения (2) видно, что на точность преобразования информативного параметра влияет непостоянство амплитуды выходного напряжения генератора синусоидального напряжения (при воздействиях влияющих величин), стабилизация которой влечет дополнительное усложнение устройства. Указанные причины снижают точность преобразования устройства.

Цель изобретения - повышение точности преобразования.

Цель достигается тем, что измерительный преобразователь неэлектрических величин с емкостным датчиком, содержащий дифференциальный конденсатор, первый и второй сумматоры, линейный инвертор, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, усилитель, вход которого соединен со средней обкладкой дифференциального конденсатора, фазочувствительный (синхронный) детектор, выход которого соединен с выходом преобразователя, дополнительно снабжен источником стабильного постоянного напряжения, генератором прямоугольного напряжения, двумя коммутаторами, при этом выход источника стабильного постоянного напряжения соединен с первым входом первого сумматора, а также соединен с первым входом первого сумматора, а также соединен с входом линейного инвертора, выход генератора прямоугольного напряжения соединен с входами управления коммутаторов и с опорным входом фазочувствительного детектора, информационный вход которого соединен с выходом усилителя а выход - с вторыми входами первого и второго сумматоров, выходы которых соединены с первыми входами соответствующих коммутаторов, вторые входы которых соединены с общей шиной преобразователя, а выходы которых соединены соответственно с первой и второй крайними обкладками дифференциального конденсатора.

В соответствии с предложенным техническим решением крайние обкладки дифференциального конденсатора запитываются противофазными прямоугольными напряжениями. Одно из этих напряжений формируется путем коммутирования выходного напряжения источника стабильного постоянного напряжения, а другое - путем коммутирования выходного напряжения источника стабильного постоянного напряжения, полярность которого инвертирована в линейном инверторе. Сигнал, снимаемый со средней обкладки дифференциального конденсатора, усиливается усилителем и выпрямляется в фазочувствительном детекторе. Напряжение с выхода фазочувствительного детектора поступает на выходные зажимы преобразователя. Кроме этого, выходное напряжение фазочувствительного детектора суммируется с выходным напряжением источника стабильного постоянного напряжения, а также суммируется с выходным напряжением источника стабильного постоянного напряжения, полярность которого инвертирована, и тем самым образуется общая обpатная отрицательная связь преобразователя.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается дополнительно введенными источником стабильного постоянного напряжения, генератором прямоугольного напряжения, двумя коммутаторами, а также связями между ними.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию "новизна".

Проведенный обзор патентной и научно-технической литературы, а также анализ известных технических решений не позволил выявить устройства, более близкие к предлагаемому техническому решению по существенным признакам, чем прототип.

На чертеже представлена блок-схема преобразователя.

Преобразователь содержит источник 1 стабильного постоянного напряжения, линейный инвертор 2, сумматоры 3 и 4. генератор 5 прямоугольного напряжения, коммутаторы 6 и 7, диффренциальный конденсатор 8, усилитель 9, фазочувствительный детектор 10, причем выход источника 1 стабильного постоянного напряжения соединен с первым входом сумматора 3 и с входом линейного инвертора 2, выход которого соединен с первым входом сумматора 4, выходы сумматоров 3 и 4 соединены с первыми информационными входами соответствующих коммутаторов 6 и 7, вторые информационные входы которых соединены с общей шиной преобразователя, а входы управления - с опорным входом фазочувствительного детектора 10 и выходом генератора 5 прямоугольного напряжения, выходы коммутаторов 6 и 7 соединены с соответствующими крайними обкладками дифференциального конденосатора 8, средняя обкладка которого подключена к входу усилителя 9, выход которого подключен к информационному входу фазочувствительного детектора 10, выход которого подключен к выходным зажимам преобразователя и к вторым входам сумматоров 3 и 4.

Преобразователь работает следующим образом.

На вход коммутатора 6 через сумматор 3 подается постоянное напряжение источника 1, а на вход коммутатора 7 через сумматор 4 подается постоянное напряжение источника 1, полярность которого инвертирована в линейном инверторе 2. Коммутаторы 6 и 7 управляются прямоугольным напряжением генератора 5 и формируют на крайних обкладках дифференциального конденсатора 8 противофазные прямоугольные напряжения. На средней обкладке дифференциального конденсатора 8 появляется прямоугольное напряжение, фаза которого определяется направлением разбаланса дифференциального конденсатора 8. Это прямоугольное напряжение усиливается усилителем 9 и подается на вход фазочувствительного детектора 10, формирующего постоянное напряжение U_вых которое поступает на выход преобразователя. Напряжение U_вых также подается на вторые входы сумматоров 3 и 4 и тем самым обр азуется общая отрицательная обратная связь преобразователя (все блоки устройства охвачены общей отрицательной обратной связью). При этом для достаточно большого коэффициента усиления усилителя 9 (за счет суммирования U_вых в сумматорах 3 и 4 с выходными напряжениями источника 1 и инвертора 2) напряжение на половине дифференциального конденсатора 8 с меньшей емкостью будет увеличиваться, а напряжение на половине дифференциального конденсатора 8 с большей емкостью будет уменьшаться. В состоянии равновесия преобразователя напряжение на выходе усилителя 9 будет равно нулю, а на выходе преобразователя (на выходе фазочувствительного детектора 10) напряжение определится выражением U_вых= U₁· , (3) где - коэффициент передачи ненагруженного дифференциального конденсатора, запитанного равными противофазными напряжениями;
U₁ - выходное напряжение источника 1.

Как видно из выражения (3) (за счет введения общей отрицательной обратной связи в устройство), на точность преобразования информативного параметра в предложенном устройстве влияет только нестaбильность постоянного напряжения источника 1, которое стабилизировать практически достаточно просто (например, в качестве источника постоянного стабильного напряжения может быть использованы последовательно соединенные резистор и стабилитрон, подключенные к источнику питания устройства). При этом, в отличие от прототипа, нестабильности и нелинейности функции преобразования усилителя и фазочувствительного детектора не обуславливают погрешность преобразования.

Экономический эффект от использования предлагаемого технического решения обусловлен повышением точности преобразования измерительных преобразователей неэлектрических величин и в денежном выражении определится при конкретном его применении.

Предлагаемое устройство предполагается применять для преобразования выходных сигналов емкостных датчиков угловых перемещений троса внешней подвески грузовых вертолетов. Информация о угловых перемещениях троса внешней подвески необходима пилоту для задания режимов полета вертолета при транспортировке грузов на внешней подвеске и проведении строительно-монтажных работ (подъем опор, установка фундаментов, раскатка проводов линий электропередачи и др. ). При этом повышение точности преобразования выходных сигналов емкостных датчиков в показания (т. е. повышение точности контроля угловых положений троса внешней подвески) позволит пилоту оптимизировать полеты вертолета и тем самым повысить эффективность строительно-монтажных работ вследствие сокращения времени монтажа и транспортирования, а также позволит повысить безопасность полетов на строительно-монтажных работах.

Формула изобретения

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН С ЕМКОСТНЫМ ДАТЧИКОМ, содержащий дифференциальный конденсатор, первый и второй сумматоры, линейный инвертор, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, усилитель, вход которого соединен со средней обкладкой дифференциального конденсатора, фазочувствительный детектор, выход которого соединен с выходом преобразователя, отличающийся тем, что в него введены источник стабильного постоянного напряжения, генератор прямоугольного напряжения, первый и второй коммутаторы, при этом выход источника стабильного постоянного напряжения соединен с первым входом первого сумматора и с входом линейного инвертора, выход генератора прямоугольного напряжения соединен с входами управления первого и второго коммутаторов и с опорным входом фазочувствительного детектора, информационный вход которого соединен с выходом усилителя, а выход - с вторыми входами первого и второго сумматоров, выходы которых соединены с первыми входами соответственно первого и второго коммутаторов, вторые входы которых соединены с общей шиной преобразователя, а выходы - соответственно с первой и второй крайними обкладками дифференциального конденсатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1