RU2168729C1

RU2168729C1 - Capacitive converter

Info

Publication number: RU2168729C1
Application number: RU2000106270A
Authority: RU
Inventors: А.Г. Якунин; В.Б. Авцинов
Original assignee: Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова
Priority date: 2000-03-13
Filing date: 2000-03-13
Publication date: 2001-06-10

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: invention deals with conversion of capacitance to voltage with the aid of grounded electrode in possible presence of parasitic shunting active resistance. In correspondence with invention capacitive converter has generator of rectangular pulse, working and standard capacitors, input amplifier connected with input to lead-out of standard capacitor, retrieval and storage unit whose input is connected to output of input amplifier. First output of generator of rectangular pulse is connected via resistor to another lead-out of standard capacitor, its second output is connected via resistor to leads-out of working capacitor and additional standard capacitor, its third output is connected to controlling input of retrieval and storage unit. Another lead-out of additional standard capacitor is connected to input of input amplifier and another lead- out of working capacitor is grounded. EFFECT: decreased effect of active resistance parallel to working capacitor on measurement result, increased speed of response of converter. 1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для преобразования емкости с заземленным электродом при возможном наличии паразитного шунтирующего активного сопротивления в напряжение. The invention relates to the field of measuring equipment and is intended to convert a capacitance with a grounded electrode in the possible presence of a stray shunt active resistance into voltage.

Для измерений емкости обычно используются дифференцирующие цепочки или мостовые измерительные устройства, которые непригодны при наличии активного сопротивления, параллельного рабочей емкости. For capacitance measurements, differentiating chains or bridge measuring devices are usually used, which are unsuitable in the presence of active resistance parallel to the working capacitance.

Известен прибор для одновременного измерения активной и реактивной составляющих комплексных сопротивлений, содержащий последовательно соединенные генератор синусоидального сигнала, дифференцирующую цепочку, два фазовых детектора для регистрации активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления, а также интеграторы выходных сигналов, подключенные к фазовым детекторам. Дифференцирующая цепочка построена по стандартной схеме дифференцирующего усилителя на операционном усилителе, содержащем рабочую емкость или индуктивность. Работой фазовых детекторов управляет синхронизированный от генератора блок ограничителей [1]. A known device for simultaneous measurement of the active and reactive components of complex resistances, containing serially connected sinusoidal signal generator, a differentiating chain, two phase detectors for recording the active and reactive components of the complex resistance, as well as output signal integrators connected to phase detectors. The differentiating circuit is constructed according to the standard scheme of a differentiating amplifier on an operational amplifier containing a working capacitance or inductance. The operation of phase detectors is controlled by a block of limiters synchronized from the generator [1].

Недостатками измерителя комплексного сопротивления являются большие погрешность измерения емкости и сложность схемы, обусловленные применением жестко стабилизированного по амплитуде генератора синусоидального напряжения. Использование в схеме фазовых детекторов приводит к дополнительной погрешности, связанной с преобразованием переменного напряжения в постоянное. The disadvantages of the complex resistance meter are the large error in measuring the capacitance and the complexity of the circuit due to the use of a sinusoidal voltage generator that is rigidly stabilized in amplitude. The use of phase detectors in the circuit leads to an additional error associated with the conversion of AC voltage to DC.

Известны измерительные цепи дифференциальных емкостных датчиков с заземленным общим электродом, которые содержат генератор синусоидального сигнала, подключенные через резисторы два рабочих конденсатора, разностное устройство, фазочувствительный выпрямитель и схему сравнения. Выходное напряжение прямо пропорционально разности рабочих емкостей и обратно пропорционально сумме рабочих емкостей [2]. Measuring circuits of differential capacitive sensors with a grounded common electrode are known, which contain a sinusoidal signal generator, two working capacitors connected through resistors, a difference device, a phase-sensitive rectifier, and a comparison circuit. The output voltage is directly proportional to the difference of the working capacities and inversely proportional to the sum of the working capacities [2].

Недостатками измерительных цепей дифференциальных емкостных датчиков с заземленным общим электродом являются наличие погрешностей измерения емкости из-за применения перестраиваемого по частоте генератора синусоидального сигнала и сложность схемы, обусловленная применением фазочувствительного выпрямителя и схемы сравнения. The disadvantages of the measuring circuits of differential capacitive sensors with a grounded common electrode are the errors in measuring capacitance due to the use of a frequency-tunable sinusoidal signal generator and the complexity of the circuit due to the use of a phase-sensitive rectifier and a comparison circuit.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту (прототипом) является коммутационное компенсационно-мостовое измерительное устройство (КМИУ). Коммутационное КМИУ содержит следующие элементы: соединенные последовательно источник постоянного напряжения, систему прецизионного масштабирования и коммутационный блок, управляемый генератором прямоугольного сигнала. Первый выход коммутационного блока подключен к выводу рабочей емкости, второй выход этого блока подключен к выводу эталонной емкости, другие выводы рабочей и эталонной емкостей соединены и подключены к системе автоматического уравновешивания. Система автоматического уравновешивания состоит из следующих блоков: соединенных последовательно входного усилителя, квадратурного детектора и интегратора. Выход интегратора подключен к системе прецизионного масштабирования для уравновешивания напряжения в точке соединения рабочей и эталонной емкостей. При этом рабочая и эталонная емкости соединены выводами со входом входного усилителя системы автоматического уравновешивания [3]. The closest in technical essence to the claimed object (prototype) is a switching compensation bridge measuring device (KMIU). The switching KMIU contains the following elements: a constant voltage source connected in series, a precision scaling system and a switching unit controlled by a square wave generator. The first output of the switching unit is connected to the output of the working capacitance, the second output of this unit is connected to the output of the reference capacitance, other conclusions of the working and reference capacitances are connected and connected to the automatic balancing system. The automatic balancing system consists of the following blocks: connected in series to the input amplifier, quadrature detector and integrator. The integrator output is connected to a precision scaling system to balance the voltage at the junction point between the working and reference capacities. In this case, the working and reference capacitance are connected by the terminals with the input of the input amplifier of the automatic balancing system [3].

Коммутационный КМИУ имеет следующие недостатки:
- возможное наличие активного сопротивления, параллельного рабочей емкости, вносит погрешность в результат измерения и уменьшает его достоверность из-за того, что измерение производится во время статического режима;
- отсутствует возможность проводить измерения емкости с заземленным электродом;
- большое время измерения, обусловленное применением в системе автоматического уравновешивания интегратора.Switching KMIU has the following disadvantages:
- the possible presence of active resistance parallel to the working capacitance introduces an error in the measurement result and reduces its reliability due to the fact that the measurement is performed during the static mode;
- there is no possibility to measure capacitance with a grounded electrode;
- long measurement time due to the use of an integrator in the automatic balancing system.

Сущность изобретения заключается в том, что в емкостной преобразователь, содержащий генератор прямоугольного сигнала, рабочую и эталонную емкости, входной усилитель, соединенный входом с выводом эталонной емкости, введено устройство выборки-хранения вход которого подключен к выходу входного усилителя, при этом первый выход генератора прямоугольного сигнала подсоединен через резистор к другому выводу эталонной емкости, второй - через резистор к выводам рабочей емкости и дополнительной эталонной емкости, третий - к управляющему входу устройства выборки-хранения, при этом другой вывод дополнительной эталонной емкости соединен со входом входного усилителя, а другой вывод рабочей емкости подключен к земле. The essence of the invention lies in the fact that in a capacitive converter containing a rectangular signal generator, a working and reference capacitance, an input amplifier connected to the input of the output of the reference capacitance, a sampling-storage device is introduced, the input of which is connected to the output of the input amplifier, while the first output of the rectangular generator the signal is connected through a resistor to another terminal of the reference capacitance, the second through a resistor to the terminals of the working capacitance and an additional reference capacitance, the third to the control input troystva sample and hold, and the other terminal of the reference capacitance further connected to the input of the input amplifier and the other terminal of the working container is connected to ground.

Емкостной преобразователь может быть снабжен фильтром низкой частоты, вход которого соединен с выходом устройства выборки-хранения. The capacitive converter can be equipped with a low-pass filter, the input of which is connected to the output of the sampling-storage device.

Таким образом, использование предлагаемого емкостного преобразователя позволяет производить измерения емкости с заземленным электродом. Thus, the use of the proposed capacitive transducer allows you to measure capacitance with a grounded electrode.

Техническим результатом является уменьшение влияния активного сопротивления, параллельного рабочей емкости, на результат измерения, повышение быстродействия устройства, за счет исключения интегратора. The technical result is to reduce the influence of resistance, parallel to the working capacity, on the measurement result, increasing the speed of the device, by eliminating the integrator.

Уменьшение влияния активной составляющей рабочей емкости на результат измерения, повышающее его достоверность, достигается путем использования при измерении узкого участка переходного процесса перезаряда емкостей, длительностью около 1 мкс. Это достигнуто использованием синхронизированного от генератора прямоугольного сигнала устройства выборки-хранения, введенного в емкостной преобразователь. Reducing the influence of the active component of the working capacitance on the measurement result, increasing its reliability, is achieved by using capacitance overcharging with a duration of about 1 μs when measuring a narrow section of the transition process. This is achieved by using a sample-storage device synchronized from the square wave generator and inserted into the capacitive converter.

Повышение быстродействия устройства достигнуто за счет исключения из схемы интегратора. Время измерения определяется введенным в устройство фильтром низкой частоты и, при его отсутствии, равно одному периоду выходного напряжения генератора прямоугольного сигнала, который, в свою очередь, может быть сопоставим с длительностью переходного процесса. Improving the performance of the device is achieved by eliminating the integrator from the circuit. The measurement time is determined by the low-pass filter introduced into the device and, in its absence, is equal to one period of the output voltage of the rectangular signal generator, which, in turn, can be comparable with the duration of the transient process.

Заявляемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена функциональная схема емкостного преобразователя с устройством выборки-хранения и дополнительной эталонной емкостью, а на фиг. 2 - функциональная схема емкостного преобразователя с устройством выборки-хранения, фильтром низкой частоты и дополнительной эталонной емкостью. The invention is illustrated in the drawing, where in FIG. 1 shows a functional diagram of a capacitive converter with a sampling-storage device and an additional reference capacity, and in FIG. 2 is a functional diagram of a capacitive converter with a sampling-storage device, a low-pass filter and an additional reference capacity.

Предлагаемый емкостной преобразователь содержит генератор прямоугольного сигнала 1, эталонные емкости 2 и 3, рабочую емкость 4, резисторы 5 и 6, входной усилитель 7, устройство выборки-хранения 8. Емкостной преобразователь может быть снабжен фильтром низкой частоты 9 для дополнительного помехоподавления. The proposed capacitive converter comprises a square-wave signal generator 1, reference capacitors 2 and 3, a working capacitance 4, resistors 5 and 6, an input amplifier 7, a sampling-storage device 8. The capacitive converter can be equipped with a low-pass filter 9 for additional noise suppression.

Первый выход генератора прямоугольного сигнала 1 подключен к выводу резистора 5, второй выход генератора прямоугольного сигнала 1 подключен к выводу резистора 6, третий выход генератора прямоугольного сигнала 1 подключен к управляющему входу устройства выборки-хранения 8, другой вывод резистора 5 подключен к выводу эталонной емкости 2, другой вывод резистора 6 подключен к выводам эталонной емкости 3 и рабочей емкости 4, другие выводы эталонных емкостей 2 и 3 соединены и подключены ко входу входного усилителя 7, другой вывод рабочей емкости 4 подключен к земле, выход входного усилителя 7 подключен ко входу устройства выборки-хранения 8 (см. фиг. 1). Выход устройства выборки-хранения 8 может быть подключен к фильтру низкой частоты 9 (см. фиг. 2). The first output of the square-wave generator 1 is connected to the output of the resistor 5, the second output of the square-wave generator 1 is connected to the output of the resistor 6, the third output of the square-wave generator 1 is connected to the control input of the sampling-storage device 8, the other output of the resistor 5 is connected to the output of the reference capacitance 2 , the other terminal of the resistor 6 is connected to the terminals of the reference capacitance 3 and the working capacitance 4, the other conclusions of the reference capacitances 2 and 3 are connected and connected to the input of the input amplifier 7, the other terminal of the working capacitance 4 The key to the ground, is connected to the input of the amplifier 7 the output of sample-entry storage unit 8 (see. FIG. 1). The output of the sample-storage device 8 can be connected to a low-pass filter 9 (see Fig. 2).

Генератор прямоугольного сигнала 1 собран по стандартной схеме мультивибратора на инверторах. The square wave generator 1 is assembled according to the standard multivibrator scheme on inverters.

Входной усилитель 7 собран по схеме преобразователя тока в напряжение с нулевым входным сопротивлением. The input amplifier 7 is assembled according to the circuit of the current to voltage converter with zero input resistance.

Устройство выборки-хранения 8 представляет собой конденсаторную ячейку памяти, запись в которую производится при помощи электронного ключа, подключенного к выходу входного усилителя 7, управляемого при помощи одновибратора, формирующего прямоугольный импульс длительностью 1 мкс, подключенного к генератору прямоугольного сигнала 1. The sample-storage device 8 is a capacitor memory cell, which is recorded using an electronic key connected to the output of the input amplifier 7, controlled by a single-shot, generating a 1-μs square pulse, connected to a square-wave generator 1.

Фильтр низкой частоты собран по стандартной схеме с пассивными частотозадающими элементами. The low-pass filter is assembled according to the standard scheme with passive frequency-setting elements.

Емкостной преобразователь работает следующим образом. Напряжение с выхода генератора прямоугольного сигнала 1 подается через резистор 5 на первую эталонную емкость 2 и инвертированное напряжение через резистор 6 на вторую эталонную емкость 3 с ответвлением тока на рабочую емкость 4. Суммарный сигнал подается на входной усилитель 7, где ток преобразуется в напряжение. В момент времени, когда на выходе генератора прямоугольного сигнала появляются фронты напряжения, на RC-цепочках схемы возникает переходный процесс перезаряда емкостей. На начальном участке переходного процесса ток на входе входного усилителя 7, а значит и напряжение на его выходе, пропорционально рабочей емкости 4, и влияние активного сопротивления на него минимально. Длительность данного участка равна 1-2 мкс. Это напряжение записывается в устройство выборки-хранения 8 и может фильтроваться при помощи фильтра низкой частоты 9. Capacitive Converter operates as follows. The voltage from the output of the square-wave signal generator 1 is supplied through the resistor 5 to the first reference capacitance 2 and the inverted voltage through the resistor 6 to the second reference capacitance 3 with a branch of the current to the working capacitance 4. The total signal is supplied to the input amplifier 7, where the current is converted to voltage. At the moment of time when voltage fronts appear at the output of the square wave generator, a transient process of recharging the capacitors occurs on the RC circuits of the circuit. At the initial stage of the transition process, the current at the input of the input amplifier 7, and hence the voltage at its output, is proportional to the working capacitance 4, and the influence of the active resistance on it is minimal. The duration of this section is 1-2 μs. This voltage is recorded in the sample-storage device 8 and can be filtered using a low-pass filter 9.

Таким образом, емкостной преобразователь позволяет производить преобразование емкости с заземленным электродом в напряжение при значительном уменьшении влияния активной составляющей рабочей емкости на результат преобразования, а также повысить быстродействие устройства. Thus, the capacitive converter allows the conversion of a capacitance with a grounded electrode into voltage with a significant decrease in the influence of the active component of the working capacitance on the conversion result, as well as to increase the speed of the device.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Гаврилюк М. А., Соголовский Е.П. Электронные измерители CLR. Львов: Вища школа, 1978. -с. 104-109.SOURCES OF INFORMATION
1. Gavrilyuk M. A., Sogolovsky E.P. Electronic meters CLR. Lviv: Vishcha school, 1978.-p. 104-109.

2. Арбузов В.П. Измерительные цепи дифференциальных емкостных датчиков. // Приборы и системы управления. - 1998.- N 2. - С. 28- 29. 2. Arbuzov V.P. Measuring circuits of differential capacitive sensors. // Devices and control systems. - 1998.- N 2. - S. 28-29.

3. Гриневич Ф. Б. , Новик А.И. Измерительные компенсационно-мостовые устройства с емкостными датчиками. Киев: Наук. думка, 1987. - с. 41-48, 92-95 (прототип). 3. Grinevich F. B., Novik A. I. Measuring compensation bridge devices with capacitive sensors. Kiev: Science. Dumka, 1987. - p. 41-48, 92-95 (prototype).

Claims

1. A capacitive transducer containing a square wave generator, a working and reference capacitance, an input amplifier connected to the input of the output of the reference capacitance, characterized in that a sampling-storage device is inserted into it, the input of which is connected to the output of the input amplifier, while the first output of the generator a rectangular signal is connected through a resistor to another terminal of the reference capacitance, the second through a resistor to the terminals of the working capacitance and an additional reference capacitance, the third to the control input of the device Ki-storage, while the other output of the additional reference capacitance is connected to the input of the input amplifier, and the other output of the working capacitance is connected to the ground.

2. The capacitive converter according to claim 1, characterized in that it is equipped with a low-pass filter, the input of which is connected to the output of the sample-storage device.