Преобразователь параметров кондуктометрического датчика в напряжение
Владельцы патента RU 2483313:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ПГУ) (RU)
Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для измерения проводимости и состава растворов, влажности различных сыпучих веществ устройствами с использованием бесконтактных емкостных кондуктометрических датчиков. Преобразователь содержит активную измерительную схему на усилителе с емкостной обратной связью и датчиком во входной цепи, компаратор напряжений и масштабирующий преобразователь для аддитивной коррекции начальной емкости, узлы выборки и хранения, логометрический преобразователь. Кроме того, преобразователь содержит дифференциатор с переменными параметрами, одновибратор, элемент задержки, дополнительные узлы выборки и хранения, логометрические преобразователи. Технический результат заключается в повышении точности и быстродействия. 2 ил.
Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для измерения проводимости и состава растворов, влажности различных сыпучих веществ устройствами с использованием бесконтактных емкостных кондуктометрических датчиков.
Традиционно для определения параметров кондуктометрических датчиков используются [1] мостовые или автогенераторные унифицирующие преобразователи. Однако такие преобразователи обладают невысокой точностью, поскольку измеряются параметры обобщенного электрического сопротивления переменному току, и влияние последовательной неинформативной емкости диэлектрического слоя вносит значительную погрешность.
Известен также измеритель сопротивления кондуктометрических датчиков [2]. Недостатками измерителя, содержащего активную измерительную схему на операционном усилителе, являются низкие функциональные возможности (определяется лишь проводимость), сложность реализации (наличие интегратора, управляемого делителя напряжения и измерителя временных интервалов) и невысокая точность из-за наличия в схеме трех аналоговых дифференциаторов.
В измерителе сопротивлений кондуктометрических датчиков [3] сделана попытка повышения точности преобразования за счет использования двух идентичных датчиков и введения параллельного регулируемого канала компенсации влияния емкости диэлектрика. Однако это привело к усложнению схемы и увеличению погрешности, обусловленной поляризацией исследуемого вещества, поскольку воздействие на датчик подается в течение полупериода.
Из известных наиболее близким по технической сущности является преобразователь параметров кондуктометрического датчика [4], содержащий (фиг.1) формирователь опорного напряжения 1, кондуктометрический датчик 2 с клеммами для подсоединения, операционный усилитель 3, первый вычитающий усилитель 4, первый масштабирующий преобразователь 5, ключ 6, опорный конденсатор 7, первый узел выборки и хранения 8, второй масштабирующий преобразователь 9, измеритель постоянной времени 10, компаратор напряжений 11, второй 12 и третий 13 узлы выборки и хранения, второй вычитающий усилитель 14, фильтр нижних частот 15, логометрический преобразователь 16 и узел управления 17.
Недостатками рассмотренного преобразователя-прототипа являются низкое быстродействие из-за необходимости введения обратной связи через второй масштабирующий преобразователь 9 и значительной постоянной времени фильтра нижних частот 15, а так же невысокую точность, обусловленную погрешностями выделения интервала времени в измерителе постоянной времени 10.
Предлагаемое изобретение направлено на повышение точности и быстродействия процесса преобразования параметров кондуктометрического датчика. Это достигается тем, что в преобразователь параметров кондуктометрического датчика, содержащий узел управления, управляющий формирователем опорного напряжения, соединенным со входом масштабирующего преобразователя и одной из клемм для подсоединения кондуктометрического датчика, вторая клемма которого соединена с инвертирующим входом операционного усилителя и одной из обкладок первого опорного конденсатора, выход операционного усилителя соединен со входами первого и второго узлов выборки и хранения и второй обкладкой первого опорного конденсатора, вычитающий усилитель, компаратор напряжений, третий узел выборки и хранения и первый логометрический преобразователь; дополнительно введены второй опорный конденсатор, дифференциатор с переменными параметрами, одновибратор, элемент задержки и три дополнительных логометрических преобразователя, причем обкладки второго опорного конденсатора соединены с инвертирующим входом операционного усилителя и выходом масштабирующего преобразователя, управляющий вход которого соединен через компаратор напряжений с выходом операционного усилителя и аналоговым входом дифференциатора с переменными параметрами, управляющий вход которого соединен с выходом одновибратора, входом элемента задержки и управляющим входом второго узла выборки и хранения; выход элемента задержки соединен с управляющим входом первого узла выборки и хранения, аналоговый вход последнего соединен со входом дифференциатора с переменными параметрами; выход первого узла выборки и хранения соединен с первыми входами первого и второго логометрических преобразователей, выход второго узла выборки и хранения соединен со вторым входом первого логометрического преобразователя и первым входом третьего логометрического преобразователя, выход третьего узла выборки хранения соединен со вторым входом третьего логометрического преобразователя, а вход - с выходом дифференциатора с переменными параметрами; выход первого логометрического преобразователя соединен с одним из входов вычитающего усилителя, второй вход которого соединен с выходом формирователя опорного напряжения и входом одновибратора, а выход - со вторым входом второго логометрического преобразователя, выход второго логометрического преобразователя соединен с первым входом четвертого логометрического преобразователя, второй вход которого соединен с выходом третьего логометрического преобразователя; второй выход узла управления соединен со стробирующим входом компаратора напряжений.
Технический результат от введения новых элементов и связей заключается в повышении быстродействия, так как в заявляемом преобразователе отсутствуют фильтр нижних частот и второй масштабирующий преобразователь, увеличивающий длительность процесса уравновешивания, а так же в повышении точности, так как из заявляемого преобразователя исключен измеритель постоянной времени, вносящий в результат преобразования значительную погрешность.
На фиг.2 приведена функциональная схема преобразователя параметров кондуктометрического датчика в напряжение.
Преобразователь (фиг.2) содержит:
1. формирователь опорного напряжения (ФОН);
2. кондуктометрический датчик с клеммами;
3. операционный усилитель (ОУ);
4. вычитающий усилитель (ВУ);
5. масштабирующий преобразователь (МП);
6. одновибратор (ОВ);
7. первый опорный конденсатор;
8. первый узел выборки и хранения (УВХ);
9. второй опорный конденсатор;
10. элемент задержки (ЭЗ);
11. компаратор напряжений (КН);
12. второй узел выборки и хранения (УВХ);
13. третий узел выборки и хранения (УВХ);
14. дифференциатор с переменными параметрами (Д);
15. второй логометрический преобразователь (ЛП);
16. первый логометрический преобразователь (ЛП);
17. узел управления (УУ);
18. третий логометрический преобразователь (ЛП);
19. четвертый логометрический преобразователь (ЛП).
При этом обкладки второго опорного конденсатора 9 соединены с инвертирующим входом ОУ 3 и выходом МП 5, управляющий вход которого соединен через КН 11 с выходом ОУ 3 и аналоговым входом Д 14, управляющий вход которого соединен с выходом ОВ 6, входом ЭЗ 10 и управляющим входом второго УВХ 12; выход ЭЗ 10 соединен с управляющим входом первого УВХ 8, аналоговый вход последнего соединен со входом Д 14; выход первого УВХ 8 соединен с первыми входами первого ЛП 16 и второго ЛП 15, выход второго УВХ 12 соединен со вторым входом первого ЛП 16 и первым входом третьего ЛП 18, выход третьего УВХ 13 соединен со вторым входом третьего ЛП 18, а вход УВХ 13 - с выходом Д 14; выход первого ЛП 16 соединен с одним из входов ВУ 4, второй вход которого соединен с выходом ФОН 1 и входом ОВ 6, а выход - со вторым входом второго ЛП 15, выход второго ЛП 15 соединен с первым входом четвертого ЛП 19, второй вход которого соединен с выходом третьего ЛП 18; второй выход УУ 17 соединен со стробирующим входом КН 11.
Работает преобразователь параметров кондуктометрического датчика в напряжение следующим образом.
Кондуктометрический датчик бесконтактного типа 2 характеризуется эквивалентной электрической схемой замещения со следующими параметрами: C1 - емкость, обусловленная диэлектрическими свойствами изоляции электродов; R1 - активное электрическое сопротивление раствора или вещества, находящегося между электродами датчика; С2 - емкость, обусловленная полярными свойствами этого раствора или вещества; С3 - «геометрическая» емкость между электродами незаполненного датчика, определяемая конструкцией, размерами датчика и дополнительной емкостью соединительного кабеля в режиме телеизмерений.
На первом этапе при незагруженном датчике осуществляется компенсация влияния «геометрической» емкости кондуктометрического датчика. При этом по сигналу с КН 11 осуществляется регулирование коэффициента передачи МП 5 до момента получения на выходе ОУ 3 весьма малого скомпенсированного сигнала, определяемого порогом срабатывания КН 11, который работает при наличии разрешающего сигнала на втором выходе УУ 17. Данный процесс описывается следующими сигналами (напряжениями) на выходе узлов преобразователя.
На выходе ФОН 1 формируется последовательность прямоугольных импульсов типа «меандр» стабильной амплитуды
UФОН1(t)=±E0
На выходе ОУ 3 имеем
,
где 
и 
- значения емкости первого 7 и второго 9 опорных конденсаторов. Обычно берется 
, далее обозначим C0; kМП5(n) - коэффициент передачи МП 5, где n - номер такта компенсации.
После компенсации UОУ3(t=t1)=0, напряжение на выходе МП 5 определяет значение «геометрической» емкости С3, КН 11 отключается и kМП5(n)=C3/C0.
Затем кондуктометрический датчик 2 загружается исследуемым раствором или веществом и начинается процесс определения информативных параметров, который описывается следующими уравнениями.
Напряжение на выходе ОУ 3 для каждого из полупериодов опорного воздействия имеет вид
.
Перепад напряжений на выходе ОУ 3 в момент смены знака опорного сигнала фиксируется вторым УВХ 12
UУВХ12(t>t1)=±E0C1C2/C0(С1+С2).
Первое устройство выборки и хранения 8 фиксирует значение выходного напряжения ОУ 3 в конце каждого полупериода 0,5T входного воздействия, которое определяется емкостью С1, обусловленной диэлектрическими свойствами изоляции
UУВХ8(t>t1)=±E0C1/C0.
Необходимая временная задержка обеспечивается ЭЗ 10.
Отметим, что как и в преобразователе-прототипе период входного воздействия выбирается из условия T≥12R1(С1+С2). Это необходимо для практического завершения переходных процессов в каждом из полупериодов входного воздействия.
На выходе первого ЛП 16 имеем
UЛП16(t>t1)=UУВХ8(t>t1)/UУВХ12(t>t1)=±E0(C1+C2)/C2=±E0(1+C1/C2).
На выходе ВУ 4 получаем напряжение, определяемое отношением емкостей С1 и С2.
UВУ4(t>t1)=UЛП16(t>t1)-UФОН1(t)=±Е0С1/C2.
Для определения значения емкости С2, обусловленной полярными свойствами исследуемого раствора или вещества используется второй ЛП 15
UЛП15(t>t1)=UУВХ8(t>t1)/UВУ4(t>t1)=±E0C2/C0.
Наиболее сложным является определение значения активного сопротивления R1. Для решения этой задачи в схему введен Д 14, в котором на время импульса с выхода ОВ 6 реализуется нулевой коэффициент передачи. В результате на выходе Д 14 получаем
,
где τД - постоянная времени Д 14.
На выходе третьего УВХ 13 получаем
UУВХ13(t>t1)=±E0τДC1/C0R1(C1+C2).
На выходе третьего ЛП 18 имеем сигнал, равный отношению напряжений на выходах второго УВХ 12 и третьего УВХ 13
UЛП18(t>t1)=UУВХ12(t>t1)/UУВХ13(t>t1)=±E0R1C2/τД.
На выходе четвертого ЛП 19 получаем сигнал, равный отношению напряжений на выходах ЛП 15 и ЛП 18, определяющий значение активного сопротивления R1
UЛП19(t>t1)=UЛП18(t>t1)/UЛП15(t>t1)=±E0R1C0/τД.
Таким образом, изобретение позволяет повысить точность преобразования значения активного сопротивления R1 исследуемого вещества за счет устранения измерителя постоянной времени, ключа и фильтра нижних частот, необходимых для получения и обработки информативной вольтсекундной площади. Повышение быстродействия определения емкости С2 достигается устранением второго регулируемого масштабирующего преобразователя и второго вычитающего усилителя. Кроме того, устранение обратных связей через блок сравнения преобразователя-прототипа повышает устойчивость работы заявляемого преобразователя.
Одновибратор, элемент задержки, дифференциатор и узлы выборки и хранения выполнены по типовым схемам на дифференциальных усилителях К544УД1, логометрические преобразователи - на микросхемах аналоговых перемножителей сигналов типа 526ПС2, включенных в режиме деления напряжений, что обеспечивает требуемую точность преобразования и быстродействие при сравнительно простой реализации.
Литература
1. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения неэлектрических величин: (Измерительные преобразователи). Уч. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат ЛО, 1983. - 320 с.
2. А.с. №898342 СССР, Кл. G01R 27/22, 1982.
3. А.с. №949539 СССР, М.Кл. G01R 27/22, 1982.
4. А.с. №1267290 СССР, М.Кл. G01R 27/02, 27/22, 1986.
Преобразователь параметров кондуктометрического датчика в напряжение, содержащий узел управления, управляющий формирователь опорного напряжения, соединенный с входом масштабирующего преобразователя и одной из клемм для подсоединения кондуктометрического датчика, вторая клемма которого соединена с инвертирующим входом операционного усилителя и одной из обкладок первого опорного конденсатора, выход операционного усилителя соединен со входами первого и второго узлов выборки и хранения и второй обкладкой первого опорного конденсатора, вычитающий усилитель, компаратор напряжений, третий узел выборки и хранения и первый логометрический преобразователь, отличающийся тем, что в него дополнительно введены второй опорный конденсатор, дифференциатор с переменными параметрами, одновибратор, элемент задержки и три дополнительных логометрических преобразователя, причем обкладки второго опорного конденсатора соединены с инвертирующим входом операционного усилителя и выходом масштабирующего преобразователя, управляющий вход которого соединен через компаратор напряжений с выходом операционного усилителя и аналоговым входом дифференциатора с переменными параметрами, управляющий вход которого соединен с выходом одновибратора, входом элемента задержки и управляющим входом второго узла выборки и хранения; выход элемента задержки соединен с управляющими входами первого узла выборки и хранения, аналоговый вход последнего соединен со входом дифференциатора с переменными параметрами; выход первого узла выборки и хранения соединен с первыми входами первого и второго логометрических преобразователей, выход второго узла выборки и хранения соединен со вторым входом первого логометрического преобразователя и первым входом третьего логометрического преобразователя, выход третьего узла выборки и хранения соединен со вторым входом третьего логометрического преобразователя; выход первого логометрического преобразователя соединен с одним из входов вычитающего усилителя, второй вход которого соединен с выходом формирователя опорного напряжения и входом одновибратора, а выход - со вторым входом второго логометрического преобразователя, выход второго логометрического преобразователя соединен с первым входом четвертого логометрического преобразователя, второй вход которого соединен с выходом третьего логометрического преобразователя; второй выход узла управления соединен со стробирующим входом компаратора напряжений.
