Przedmiotem wynalazku jest impulsowy, calku¬ jacy miernik pojemnosci czujników stosowanych w miernictwie wielkosci nieelektrycznych, przydat¬ ny szczególnie w systemach pomiarowych, w któ¬ rych jednoczesnie pracuje duza liczba pojemnoscio¬ wych czujników pomiarowych, a zwlaszcza czujni¬ ków posiadajacych jeden uziemiony biegun.Czujniki pojemnosciowe sa najbardziej uniwer¬ salnymi czujnikami pomiarowymi o najszerszych mozliwosciach pomiarowych. Czujniki te wymagaja jednak skomplikowanych ukladów pomiarowych, przez co kosztownych i o malej niezawodnosci. Do¬ tychczas stosowane uklady pomiarowe czujników pojemnosciowych wykorzystywaly badz sygnaly si¬ nusoidalne badz sygnaly impulsowe; prostokatne wykladnicze badz trójkatne. Uklady z sygnalami sinusoidalnymi wymagaja przy równoczesnej pra¬ cy wielu czujników zasilania ukladu pomiarowego kazdego czujnika generatorem o innej stabilizowa¬ nej czestotliwosci i amplitudzie, co podraza koszt aparatury i eksploatacji oraz zmniejsza jego nie¬ zawodnosc. Dotychczas stosowane uklady impulso¬ we pozwalaja na sterowanie ukladów pomiarowych wszystkich czujników jednym generatorem zegaro¬ wym, ale uklady te sa bardzo rozbudowane co po¬ garsza ich niezawodnosc i powieksza koszty.Przykladowo calkujacy uklad impulsowy wyko¬ rzystujacy impulsy trójkatne zbudowany jest ze zródla pradowego pradu stalego dolaczonego rów¬ nolegle do pojemnosciowego czujnika pomiarowego, 10 15 20 25 30 do którego dolaczone sa równolegle zwierak auto¬ matyczny sterowany z generatora zegarowego i se¬ parator, którego wyjscie dolaczone jest do kompa¬ ratora, zwykle okienkowego. Do wyjscia kompara¬ tora dolaczony jest miernik czasu trwania impulsu lub miernik wspólczynnika wypelnienia, np. detek¬ tor usredniajacy. Zródlo pradowe laduje pojemnosc czujnika tak, ze napiecie narasta na nim proporcjo¬ nalnie do czasu. Napiecie to poprzez separator po¬ dawane jest na wejscie komparatora, który po¬ równuje je z dwoma poziomami napiecia odniesie¬ nia i wytwarza na swoim wyjsciu impuls prosto¬ katny o czasie trwania proporcjonalnym do mie¬ rzonej pojemnosci czujnika. Jednoczesnie generator zegarowy pobudza zwierak automatyczny, który okresowo rozladowuje mierzona pojemnosc.Wada opisywanego ukladu jest stosunkowo zlo¬ zone zródlo pradowe, które z uwagi na wymagany mozliwie dlugi czas impulsu wyjsciowego powinno miec mala wydajnosc pradowa rzedu pojedynczych M-A przy czym im mnijszy prad, tym korzystniejsze sa warunki pracy. Realizacja takich zródel prado¬ wych skompensowanych termicznie nastrecza duze trudnosci techniczne, tym bardziej, ze zródla te mu¬ sza odznaczac sie duza szybkoscia narastania. Wa¬ runek ten dodatkowo utrudnia realizacje tych zró¬ del. Zródla takie wymagaja indywidualnej budowy, dobierania parametrów uzytych elementów, co pra¬ ktycznie uniemozliwia ich masowa produkcje. Do¬ datkowa wada ukladu jest zastosowanie automaty- 112 406112 406 3 4 * cznego zwieraka, który nie przerzuca sie w czasie nieskonczenie krótkim, a jego stany przejsciowe po¬ woduja dodatkowe niestabilne nieliniowosci pracy, których likwidacja wymaga zastosowania zlozone¬ go komparatora okienkowego, wycinajacego nieli¬ niowosci wystepujace po przerzucie zwieraka.Istota wynalazku polega na tym, ze do wyjscia generatora zegarowego dolaczony jest uklad for¬ mowania impulsów prostokatnych o wspólczynniku wypelnienia mniejszym od jednej czwartej i czasie trwania nie wiekszym od minimalnej stalej czaso¬ wej ukladu calkujacego RC dolaczonego do wyjscia ukladu formowania i skladajacego sie z rezystora i mierzonej pojemnosci czujnika. Równolegle do mierzonejpojemnoscia czujnika, uziemionej na jed¬ nym biegunie dolaczone jest wejscie separatora, do którego wyjscia dolaczony jest detektor korzystnie szczytowy, przy* czym wyjscie detektora jest wyj¬ sciem tikladu pomiarowego.Celem zastapienia hiperbolicznej podzialki mier¬ nika przez podzialke liniowa do wyjscia separatora dolaczone jest jedno z wejsc komparatora napie¬ ciowego do którego drugiego wejscia dolaczonego jest stalopradowe zródlo napiecia wzorcowego, zas do wyjscia komparatora dolaczony jest miernik cza¬ su trwania impulsu lub miernik wspólczynnika wy¬ pelnienia, którego wyjscie jest wyjsciem ukladu po¬ miarowego. Wzorcowe zródlo napiecia stalego ma wartosc nie wieksza od minimalnej amplitudy na¬ piecia na wyjsciu separatora, które odpowiada ma¬ ksymalnej pojemnosci mierzonej. Do wyjscia ukla¬ du pomiarowego dla miernika z podzialka hiper- boliczna jak i z podzialka liniowa dolaczony jest, równolegle do wskaznika sygnalu wyjsciowego, uklad rejestracji i uklad automatyki, którymi ste¬ ruje miernik w procesie technologicznym.Dodatkowa zaleta ukladu jest jego wydatne upro¬ szczenie i zmniejszenie liczby uzytych elementów w ukladzie przez co maleje koszt aparatury i wzra¬ sta jej niezawodnosc.Przedmiot wynalazku uwidoczniony jest w przy¬ kladzie wykonania na rysunku, którego fig. 1 przed¬ stawia ideowy schemat blokowy ukladu, a fig. 2 zmodyfikowany schemat blokowy ukladu z popra¬ wiona liniowoscia podzialki a fig. 3 przebieg napie¬ cia na mierzonej pojemnosci czujnika.Do wejscia ukladu formowania UF dolaczony jest generator zegarowy GZ zas do wyjscia ukladu for¬ mowania UF dolaczony jest uklad calkujacy RCX skladajacy sie z szeregowo polaczonych rezystora R i mierzonej pojemnosci czujnika Cx, której jeden biegun jest uziemiony. Równolegle do pojemnosci Cx dolaczone jest wejscie separatora Sep, zas do wyjscia separatora Sep dolaczony jest detektor DS szczytowy. Wyjscie detektora DS jest wyjsciem u- kladu pomiarowego, do którego dolaczony jest wska¬ znik sygnalu na przyklad woltomierz V lub uklad rejestracji, lub uklad automatyki sterowany przez miernik.Generator zegarowy GZ okresowo pobudza uklad formowania UF, który na swoim wyjsciu wytwarza sygnal napieciowy w postaci fali prostokatnej o sta¬ lym wspólczynniku wypelnienia mniejszym od jed¬ nej czwartej. Impulsy prostokatne, wytwarzane przez uklad formowania UF calkowane sa w ukla¬ dzie RC i na pojemnosci Cx powstaje sygnal okre¬ slony zaleznoscia: 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 U(t) = U0^l-eRCxJ gdzie: u(t) — napiecie na pojemnosci czujnika Cx w czasie generowania impulsu przez uklad formowania UF.U0 — amplituda napiecia na wyjsciu ukla¬ du formowania UF.Zakladajac, ze czps trwania impulsu prostokatnego na wyjsciu ukladu formowania UF wynosi: ti = RCX min gdzie CXmin jest to minimalna wartosc mierzonej pojemnosci Cx a R rezystancja szeregowa ukladu calkujacego RC, otrzymuje sie wartosc szczytowa napiecia Um na mierzonej pojemnosci Cx równa Um = Uo\l-eRCx] =U0(l- cxmln\ gdzie U0 jest to amplituda napiecia na wyjsciu u- kladu formujacego UF a ti — czas trwania impulsu prostokatnego na wyjsciu ukladu formowania UF.Na wyjsciu ukladu calkujacego RC powstaje im¬ puls napiecia wzrastajacy i opadajacy wykladniczo.Stala czasowa ukladu calkujacego RC ma wartosc minimalna RCXmin wieksza od czasu trwania ti im¬ pulsu prostokatnego na wyjsciu ukladu formowa¬ nia UF zas szczytowa wartosc napiecia Um na mie¬ rzonej pojemnosci Cx czujnika jest mniejsza od amplitudy napiecia U0 na wyjsciu ukladu formowa¬ nia UF.W czasie wiekszym od czasu trwania ti impulsu prostokatnego na wyjsciu ukladu formowania UF, a mniejszym od okresu TGZ napiecie na wyjsciu ukladu formowania UF spada do minimum, korzy¬ stnie do zera. W tym czasie napiecie na pojemnosci Cx spada do minimalnego napiecia ukladu formo¬ wania UF. Jest tak dlatego, ze wspólczynnik wypel¬ nienia jest mniejszy od jednej czwartej, czyli czas zanikania napiecia jest wiekszy od trzech stalych czasu RCxmin co zapewnia rozladowanie konden¬ satora. Gdy wartosc pojemnosci mierzonej Cx jest wieksza od wartosci minimalnej Cxmin wówczas kondensator Cx nie laduje sie do pelnej wartosci, a zatem w czasie rozladowania równiez rozladowu¬ je sie do zera. Miara mierzonej pojemnosci Cx jest wartosc napiecia Um, co mozna przedstawic poniz¬ szym wzorem: Cx = In- Cxmih U0 u0-um gdzie: Cxmin — minimalna wartosc mierzonej po¬ jemnosci, U0 — amplituda napiecia na wyjsciu ukla¬ du formujacego, Um — szczytowa wartosc napie¬ cia na mierzonej pojemnosci czujnika.Po rozlozeniu na szereg Taylora i wzieciu pod uwage pierwszych wyrazów otrzymuje sie Cx = -x min In- Uo Uo-Un 1- 1 (U0-Umo)ln Uo -AUm+ Uo Umo 65 + u / %—— iUum«l5 112 406 6 gdzie Umo jest to maksymalne napiecie na mierzonej pojemnosci Cx gdy przyjmuje ona swoja minimal¬ na wartosc a AUm jest to przyrost maksymalnego napiecia na pojemnosci czujnika Cx wywolany zmia¬ na pojemnosci od wartosci minimalnej do aktual¬ nie mierzonej przy zalozeniu, ze Um = Umo +AUm Z zaleznosci powyzszych widac, ze podzialka przy¬ rzadu jest nieliniowa i odwrotna, to znaczy dla mi¬ nimalnej mierzonej pojemnosci wartosc Um osiaga maksimum. Sygnalem pomiarowym jest amplituda napiecia na wyjsciu ukladu calkujacego RCX które przetwarzane jest na sygnal stalopradowy za po¬ moca detektora szczytowego DS. Aby detektor DS nie obciazal ukladu calkujacego RCX i nie zmienial jego wlasnosci calkujacych, miedzy mierzona po¬ jemnoscia Cx, a detektor szczytowy DS wlaczony jest separator Sep o bardzo duzej rezystancji wej¬ sciowej.Celem poprawienia liniowosci podzialki do wyj^ scia separatora Sep dolaczone jest jedno wejscie komparatora K, zas do jego drugiego wejscia do¬ laczone jest stalopradowe wzorcowe zródlo napie¬ ciowe Un o wartosci nie wiekszej od minimalnej wartosci szczytowego napiecia Ummin na pojemnosci Cx: 10 15 20 Un ^ Um min : Uo(:i- t. cx iftln\ xmax I 25 30 gdzie: Cxmax — maksymalna wartosc pojemnosci czujnika Cx, Cxmin — minimalna wartosc pojem¬ nosci czujnika Cx.Doprowadzajac napiecie z wyjscia ukladu calku¬ jacego RCX do jednego wejscia komparatora K, który porównuje je ze wzorcowym napieciem Un podawanym na jego drugie wejscie otrzymuje sie na wyjsciu komparatora K fale prostokatna. Czas trwania tx impulsów na wyjsciu komparatora K równa sie czasowi, w którym napiecie na mierzo¬ nej pojemnosci Cx przewyzsza wartosc napiecia wzorcowego UN. Czas trwania tx impulsu na wyj-^ sciu komparatora K jest proporcjonalny do zmian wartosci mierzonej pojemnosci Cx jezeli stala czasu RCX min jest znacznie wieksza od czasu trwania ti impulsu prostokatnego na wyjsciu ukladu formo¬ wania UF. Do wyjscia komparatora K dolaczony jest uklad pomiarowy P czasu trwania impulsu pro¬ stokatnego na wyjsciu komparatora K lub miernik wspólczynnika wypelnienia na przyklad uklad pro¬ stownikowy usredniajacy. Czas trwania impulsu tx na wyjsciu komparatora okreslony jest zaleznoscia: _ _ _ / Uo tx — ta +tb — ti—tc~l~tb — ti—RCx|ln "7t tt- — y U0— Un -lnu7/ = tl" 35 40 45 50 55 -RCx In UoUN ti-RCxln (Uo-UN)Um UoUN (U0-UN)\l-e RCX) gdzie: tx — czas, w którym napiecie na pojemnosci mie¬ rzonej Cx jest wieksze od napiecia wzorco¬ wego UN na drugim wejsciu komparatora K, 65 jest to czas trwania impulsu na wyjsciu kom¬ paratora K/ tc — czas, w którym napiecie na mierzonej po¬ jemnosci Cx narasta od 0 az do wartosci na¬ piecia 'wzorcowego Un na drugim wejsciu komparatora K, ta — czas, w którym napiecie na mierzonej poje¬ mnosci Cx narasta od wartosci równej na¬ pieciu wzorcowemu UN na drugim wejsciu komparatora K do wartosci szczytowej Um max tb — czas, w którym napiecie na mierzonej pojem¬ nosci Cx opada od wartosci Ummax do war¬ tosci Un- Natomiast wspólczynnik wypelnienia „w", sygnalu na wyjsciu komparatora K równa sie: tHlC*ln_^L w = Jx_=(Uo-Utt)(l-e) - *l T T RCX gdzie: T — okres generatora zegarowego GZ.Zastrzezenia patentowe 1. Impulsowy, calkujacy miernik pojemnosci czuj¬ ników pobudzany z generatora zegarowego wspól¬ nego dla wszystkich ukladów pomiarowych pra¬ cujacych równoczesnie i wyposazony w uklad for¬ mowania, separator oraz korzystnie we wskaznik sygnalu wyjsciowego, znamienny tym, ze do wyjs¬ cia generatora zegarowego (GZ) dolaczony jest uklad formowania (UF) impulsów prostokatnych o wspól¬ czynniku wypelnienia mniejszym od jednej czwar¬ tej i czasie trwania (ti) nie wiekszym od minimal¬ nej stalej czasowej (RCxmin) ukladu calkujacego RC dolaczonego i skladajacego sie Z rezystora (R) i mierzonej po¬ jemnosci (Cx) czulhika gdzie równolegle do mie¬ rzonej pojemnosci (Cx), uziemionej na jednym bie¬ gunie,, dolaczone jest wejscie separatora (sep), a do wyjscia separatora (Sep) dolaczony jest detektor (DS), korzystnie*-szczytowy, a do jego wyjscia jest dolaczony, równolegle do wskaznika sygnalu wyj¬ sciowego (V), uklad automatyki i uklad rejestracji. 2. Impulsowy, calkujacy miernik pojemnosci czuj¬ ników pobudzany z generatora zegarowego wspól¬ nego dla wszystkich ukladów pomiarowych pra¬ cujacych równoczesnie i wyposazony w uklad for¬ mowania, separator, komparator oraz korzystnie we wskaznik sygnalu wyjsciowego, znamienny tym, ze do wyjscia generatora zegarowego (GZ) dola¬ czony jest uklad formowania (UF) impulsów pro¬ stokatnych o wspólczynniku wypelnienia mniejszym od jednej czwartej i czasie trwania (ti) nie wiek¬ szym od minimalnej stalej czasowej (RCX min) ukla¬ du calkujacego RC dolaczonego do wyjscia ukladu formowania (UF) i skladajacego sie z rezystora (R) i mierzonej pojemnosci (Cx) gdzie równolegle do mierzonej pojemnosci (Cx) uziemionej na jednym biegunie, dolaczone jest wejscie separatora (Sep), którego wyjscie dolaczone jest do jednego wejscia komparatora (K), natomiast do drugiego wejscia komparatora (K) dolaczone jest wzorcowe zródlo napiecia stalego (Un), zas do wyjscia komparatora (K) dolaczony jest uklad pomiarowy (P) czasu trwa-7 112 406 8 nia impulsu lub wspólczynnika wypelnienia, a do Wyjscia ukladu pomiarowego (P) dolaczony jest, równolegle do wskaznika sygnalu wyjsciowego (V) uklad automatyki i uklad rejestracji. 3. Miernik wedlug zastrz. 2, znamienny tym, ze do drugiego wejscia komparatora (K) dolaczone jest wzorcowe zródlo napiecia stalego (UN) o wartosci nie wiekszej od minimalnej amplitudy napiecia (Um min) na wyjsciu separatora (Sep) odpowiadaja¬ cej maksymalnej pojemnosci mierzonej (Cx max). wy aut. wy rej.Cena zl 45,— ZGK 1105/1110/81 — 120 szt. PL