PL68205B1 - - Google Patents

Description

Pierwszenstwo: Opublikowano: 1JL1973 ¦ 68205 KI. 21e,27/26 MKP GOlr 27/26 czytelnia] Wspóltwórcy wynalazku: Fabian Zródelny, Jerzy Iwinski Wlasciciel patentu: Instytut Badan Jadrowych, Warszawa (Polska) Uklad do pomiaru malych pojemnosci, zwlaszcza w pomiarach wielkosci nieelektrycznych Przedmiotem wynalazku jest uklad do pomiaru ma¬ lych pojemnosci zwlaszcza w pomiarach wielkosci nie¬ elektrycznych. Uklad ten umozliwia bezposredni pomiar pojemnosci o wartosciach zaczynajacych sie od drob¬ nych czesci pikofarada oraz uzyskanie sygnalu dla ce¬ lów automatycznej regulacji, po wyposazeniu go w od¬ powiedni dla okreslonego celu pomiarowego czujnik pojemnosciowy.Uklad znajduje zastosowanie w licznej grupie mierni¬ ków wielkosci nieelektrycznych, których dzialanie opie¬ ra sie na przetwarzaniu mierzonej wielkosci nieelek¬ trycznej na odpowiednia zmiane pojemnosci i pomiarze zmiany tej pojemnosci.Ze wzgledu na wydatne zmniejszenie wplywu tlumie¬ nia na wynik pomiaru pojemnosci, opisany uklad szcze¬ gólnie nadaje sie do budowy mierników wilgotnosci z szerokim zakresem pomiaru i malo podatnych na wplyw domieszek do mierzonego medium. Przykladowe zasto¬ sowania w tej dziedzinie to mierniki wilgotnosci: papie¬ ru, celofanu, nasion, zbóz, wiórów drzewnych, piasków formierskich, pigmentów itp. Do innego kierunku za¬ stosowan zaliczyc mozna pojemnosciowe: sygnalizatory, przekazniki, mierniki i regulatory poziomu, liczniki se¬ ryjne produkowanych wyrobów, urzadzenia wychwytu¬ jace suply i niedoprzedy na nici w przemysle tekstyl¬ nym oraz szereg urzadzen w dziedzinie metrologii me¬ chanicznej.Ogólnie biorac pomiary pojemnosci dokonywane sa dwoma metodami: mostkowa i rezonansowa, przy czym obydwie znajduja wiele rozwiazan praktycznych. Meto- 10 15 20 25 30 da rezonansowa stwarza mozliwosci budowy ukladów prostych, tanich, czulych, zawartych w malych gabary¬ tach ale z reguly podatnych na stratnosc dielektryczna elementów mierzonych.Miedzy innymi w grupie metod rezonansowych wy¬ róznic mozna dwie oparte na ukladach generacyjnych, z jednym i dwoma obwodami rezonansowymi.Przykladem ukladu najbardziej zblizonego do opisy¬ wanego rozwiazania jest uklad do pomiaru impedancji, w szczególnosci przy pomiarze wilgotnosci. Uklad ten zbudowany jest na dwóch triodach lampowych. Anody lamp zasilane sa przez rezystory obciazenia obwodu anodowego, w katodach zas wystepuja rezystory zbocz- nikowane kondensatorami. Miedzy siatki triod i zbocz- nikowany kondensatorem rezystor dolaczony do masy, wlaczone sa dwa obwody rezonansowe.Przez wspomniany rezystor i cewki obwodów rezo¬ nansowych plyna prady siatek obydwu triod. Miedzy anode triody pierwszej i siatke triody drugiej oraz ano¬ de triody drugiej i siatke pierwszej wlaczone sa kon¬ densatory sprzegajace. Tak zbudowany uklad tworzy generator sinusoidalnego napiecia wielkiej czestotliwosci, pracujacy w klasie C z minusem na siatkach obydwu lamp wytworzonym przez prady siatek na wspólnym re¬ zystorze siatkowym. Na rezystorach katodowych po¬ wstaja spadki napiecia proporcjonalne do amplitud na¬ piecia zmiennego na siatkach. Róznica tych spadków jest sygnalem wyjsciowym.Jedna z wad tak dzialajacego ukladu jest zaleznosc wskazan przyrzadu od tlumienia wnoszonego przez ele- 6820568205 ment mierzony do obwodu rezonansowego, poniewaz tlumienie to wplywa bezposrednio na wartosc amplitu¬ dy napiecia zmiennego na tym obwodzie. Ponadto uklad uniemozliwia uzyskanie zadanej czulosci i stalosci przy zastapieniu lamp tranzystorami. Spowodowane to jest silnym tlumieniem obwodów rezonansowych przez tran¬ zystory przy amplitudzie napiecia zmiennego przewyz¬ szajacej wartosc napiecia zasilania. Wystepujace w sze¬ regu zastosowan silne tlumienie towarzyszace mierzonej pojemnosci oraz koniecznosc miniaturyzacji i zapewnie¬ nia odpowiedniej niezawodnosci zwiazanych z zastoso¬ waniem tranzystorów uniemozliwiaja w wiekszosci przy¬ padków wykorzystanie tego ukladu.Celem wynalazku jest uzyskanie taniego, niezawodne¬ go, iminiutuiyguwaifctlfj uMadu o duzej czulosci i sta¬ losci juApdmiaru •nifalydr'pojemnosci mniej wrazliwego na straty dielektryczne i przydatnego do szerokiego sto¬ sowania pjzemvs|^egp. zwlaszcza w pomiarach wielko- sci nitóekt^cznyeh^ f'tll,;.< Innym' oelSn^jesi umozliwienie dokladnych pomiarów takze i w tych przypadkach, kiedy pojemnosci mierzo¬ nej towarzysza nawet znaczne straty dielektryczne.Cel ten zostal osiagniety przez budowe ukladu do pomiaru malych pojemnosci zwlaszcza w pomiarach wielkosci nieelektrycznych opartego na rezonansowej metodzie pomiaru, zawierajacego symetryczny genera¬ tor tranzystorowy napiecia sinusoidalnego z dwoma odsprzezonymi obwodami rezonansowymi, z których co najmniej jeden zawiera mierzona pojemnosc, a sygnal pomiarowy pobiera sie z pomiedzy emiterów tranzysto¬ rów generatora, w którym miedzy kolektory tranzysto¬ rów generatora, a obwody rezonansowe pomiarowy i odniesienia wlaczone sa dwie diody w kierunku prze¬ wodzenia.Bazy tranzystorów polaryzowane sa przez oddzielne rezystory. Co najmniej jedna z tych diod zbocznikowa- na jest kondensatorem lub rezystorem. Ujemnie sprze¬ zone zwrotnie laczy wyjscie pomiarowe ukladu z jed¬ nym z obwodów rezonansowych poprzez wzmacniacz pradu stalego i sterowany czlon reaktancyjny. Do wyj¬ scia wzmacniacza pradu stalego dolaczony jest wskaz¬ nik wielkosci mierzonej lub sterowany, czlon reaktan¬ cyjny. Sterowany czlon reaktancyjny zawiera diody wa- raktorowe, albo tranzystor w ukladzie reaktancyjnym polaczony z napieciowym wyjsciem pradu stalego..Wlaczenie diod pomiedzy kolektory tranzystorów i obwody rezonansowe umozliwia uzyskanie glebokiego stanu przedwzbudzenia generatora, co w polaczeniu z ustalonym poczatkowym przesunieciem fazy wprowadzo¬ nym przez tranzystor oraz polaryzacji baz przez od¬ dzielne rezystory umozliwia zachodzenie nie tylko de¬ tekcji amplitudy, ale równiez detekcji fazy.Wyniki detekcji spowodowane zmiana tlumienia ele¬ mentu mierzonego odejmuja sie, podczas gdy wyniki detekcji spowodowane zmiana pojemnosci elementu mierzonego dodaja sie. W efekcie czego nastepuje zmniejszenie niepozadanego wplywu tlumienia, a po¬ wiekszenie czulosci na pojemnosc elementu mierzonego.Oddzialywanie silnego ujemnego sprzezenia zwrotne¬ go pozwala utrzymac dzialanie ukladu w wybranym najkorzystniejszym punkcie, dla opisanych procesów w zalozonym zakresie pomiaru pojemnosci.Ponadto silne sprzezenie zwrotne zapewnia ukladowi stalosc czulosci pomiarowej, niezaleznie od zmian pa¬ rametrów ukladu czy napiec zasilajacych.Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykla¬ dzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedsta- 5 wia uklad do pomiaru malych pojemnosci w obecnosci tlumienia wprowadzonego przez element mierzony, fig. 2 przedstawia uklad do pomiaru malych pojemnosci w obecnosci znacznego tlumienia wprowadzonego przez element mierzony, fig. 3 uklad miernika wilgotnosci, jo fig. 4 charakterystyki amplitudowe obwodów rezonan¬ sowych obwodu pomiarowego 1 i laczna charakterysty¬ ke 2 obu tych obwodów, a fig. 5 charakterystyki fazo¬ we obwodów rezonansowych, gdzie krzywa 3 dotyczy obwodu pomiarowego, a krzywa 4 obu tych obwodów. 15 Przedstawiony uklad miernika wilgotnosci jest jed¬ nym z mozliwych zastosowan praktycznych opisywane¬ go ukladu do pomiaru malych pojemnosci w pomiarach wielkosci elektrycznych i nieelektrycznych. W tym przy¬ padku uklad mierzacy w istocie pojemnosc, zostal wy- 20 posazony w odpowiedni czujnik Cx wlaczony do rezo¬ nansowego obwodu pomiarowego.W czasie pomiaru czujnik Cx jest poddany dzialaniu mierzonego medium które wplywa na jego pojemnosc, czyli ma miejsce zamiana wielkosci nieelektrycznej — 25 wilgotnosci na wielkosc elektryczna — pojemnosc czuj¬ nika, która nastepnie jest mierzona przez uklad.Podstawe ukladu stanowi generator sinusoidalny wielkiej czestotliwosci (fig. 1) pracujacy w klasie C, zbu¬ dowany na dwóch tranzystorach Tl i T2. Uklad zawie- 30 ra dwa rezonansowe obwody LC: obwód pomiarowy i obwód odniesienia. Pierwszy z nich obejmuje cewke LI, szesc kondensatorów Cl, C2, C3, C7, C12, C13, (fig. 3) pojemnosc czujnika Cx oraz pojemnosc dwóch diod wa- raktorowych D3 i D4. Drugi sklada sie z cewki L2 i 35 pieciu kondensatorów C4, C5, C6, C8 i C9. Rezystory Rl i R2 pracuja w obwodach zasilania baz tranzysto¬ rów Tl i T2.Rezystory R4 i R5 zbocznikowane odpowiednio przez kondensatory CIO i Cli stanowia obciazenie emiterów 40 tych tranzystorów. Diody Dl i D2 wlaczone w kierun¬ ku przewodzenia miedzy kolektory tranzystorów Tl i T2 a odpowiadajace im obwody rezonansowe LC sluza do poglebienia stanu przewzbudzenia generatora. Do emi¬ terów tranzystorów Tl i T2 dolaczone jest wejscie 45 wzmacniacza W (fig. 2). Z napieciowego wyjscia rózni- cowego wzmacniacza W sterowane sa diody waraktoro- we D3 i D4 przez rezystor R6 do pradowego zas wyj¬ scia dolaczony jest wskaznik mierzonej wilgotnosci M.W tak zbudowanym ukladzie uzyskuje sie na wyjsciu róznicowego wzmacniacza W sygnal proporcjonalny do wartosci pojemnosci Cx oraz w bardzo malym stopniu zalezny od wartosci rezystancji bocznikujacej ta pojem¬ nosc.W poczatkowym punkcie pracy obydwa obwody re¬ zonansowe nastrojone sa na wspólna czestotliwosc fo (fig. 4). Na skutek ujemnego przesuniecia fazowego tranzystora, które wystepuje miedzy pierwsza harmo¬ niczna pradu kolektora, a napieciem bazy, czestotliwosc generacji fg jest nizsza od fo. Wynika to ze spelnienia warunków generacji. Amplitudy napiec zmiennych na obydwu obwodach rezonansowych sa wtedy równe. Ten stan obrazuja punkty Zo (fig. 4) i A (fig. 5).Obnizeniu czestotliwosci rezonansowej obwodu po- 65 miarowego fó przykladowo do fol na skutek wzrostu 50 5568205 pojemnosci czujnika Cx, towarzyszy obnizenie sie cze¬ stotliwosci generacji do wartosci fgl. Jednoczesnie na¬ stepuje wzrost impedancji rezonansowego obwodu po¬ miarowego punkt Zl krzywej 1 i zmniejszenie przesu¬ niecia fazowego o Aq?i wprowadzonego przez ten ob¬ wód punkt Al, krzywej 3 oraz zmniejszenie impedancji rezonansowego obwodu odniesienia punkt Z2 krzywej 2 i wzrost przesuniecia fazowego o A przez ten obwód punkt A2 krzywej 4, tak aby bylo A plitudy napiecia mierzonego na rezonansowym obwo¬ dzie pomiarowym oraz zmniejszenie tej amplitudy na obwodzie odniesienia.Zastosowanie odpowiednio dobranych dzielników w sprzezeniu miedzy stopniami, tworzonych przez grupy kondensatorów w obwodach rezonansowych, w polacze¬ niu z obecnoscia diod Dl i D2 w kolektorach tranzysto¬ rów pozwala na uzyskanie amplitud napiec zmiennych na obwodach rezonansowych, wiekszych od napiecia zasilania wzgledem bazy, to jest pracy generatora w wa¬ runkach przewzbudzenia.Napiecia emiterów tranzystorów Tl i T2 sa propor¬ cjonalne do srednich pradów tych emiterów. Ze wzgle¬ du na ograniczenie pradów baz przez duze wartosci re¬ zystorów zasilania baz Rl i R2 oraz na znaczna war¬ tosc wspólczynnika wzmocnienia pradowego, decyduja¬ cy wplyw na srednia wartosc pradów emiterów maja te czesci okresu napiecia zmiennego w których napiecia kolektorów sa wyzsze od napiec baz. W czasie kiedy napiecie kolektora jest nizsze od napiecia bazy, wzmoc¬ nienie pradowe tranzystora spada ponizej jednosci. Po¬ niewaz tranzystory pracuja w klacie C prad emitera mo¬ ze plynac tylko przez czesc okresu, w której wartosc na¬ piecia bazy przekracza wartosc napiecia odciecia. W re¬ zultacie omówionych warunków pracy sredni prad emi¬ tera zalezy praktycznie od amplitudy napiecia na ko¬ lektorze i przesuniecia fazy miedzy pradem i napieciem kolektora.Wzrostowi pojemnosci czujnika Cx odpowiada jak podano wyzej wzrost impedancji rezonansowego obwo¬ du pomiarowego oraz wzrost poziomu napiecia zmien¬ nego na kolektorze tranzystora Tl. W efekcie prad emi¬ tera Tl ulega zmniejszeniu. Wzrostowi stratnosci pojem¬ nosci czujnika Cx towarzyszy spadek impedancji rezo¬ nansowego obwodu pomiarowego i napiecia kolektora tranzystora Tl, powodujacy wzrost pradu emitera tego tranzystora. Jednoczesnie pojawiajace sie dodatkowe przesuniecie fazy napiecia na rezonansowym obwodzie pomiarowym, powoduje zmniejszenie pradu emitera 10 tranzystora Tl. Obydwa te efekty w okreslonych wa¬ runkach kompensuja sie. Dokladna kompensacja wyste¬ puje tylko dla pewnej wartosci pojemnosci czujnika Cr, przy czym dla pojemnosci Cx mniejszej od tej wartosci 5 prad emitera maleje, a dla wiekszej rosnie.Sprowadzenie punktu dokladnej kompensacji do punk¬ tu, w którym sygnal na wyjsciu równy jest zeru, doko¬ nuje sie przez dolaczenie równolegle do diody Dl od¬ powiednio dobranego rezystora R3 lub kondensatora C15.Wprowadzenie jako elementu rezonansowego obwodu pomiarowego sterowanego czlonu reaktancyjnego 5 na diodach waraktorowych D3 i D4 sterowanych napieciem sprzezenia zwrotnego pobieranego przez rezystor R6 z is wyjscia róznicowego wzmacniacza W pradu stalego, umozliwia prace w punkcie pelnej kompensacji w ca¬ lym zakresie mierzonej pojemnosci czujnika Cx. Rezy¬ story R7 i R8 zamykaja obwody pradu stalego diod do masy. Przy dostatecznie duzej wartosci wzmocnienia w 20 petli, napiecie sterujace wzmacniacz pobierane z emite¬ rów tranzystorów Tl i T2 jest bliskie zeru, mimo na¬ stepujacych zmian pojemnosci czujnika Ci. Zmianom pojemnosci Cx towarzysza odpowiadajace im zmiany pojemnosci diod waraktorowych sprowadzajace stan 25 ukladu do punktu wyjsciowego. PL PL

Claims (2)

1. Zastrzezenia patentowe 1. Uklad do pomiaru malych pojemnosci, zwlaszcza 30 w pomiarach wielkosci nieelektrycznych zawierajacy sy¬ metryczny generator tranzystorowy napiecia sinusoidal¬ nego z dwoma odsprzezonymi obwodami rezonansowy¬ mi, z których co najmniej jeden zawiera mierzona po¬ jemnosc, a sygnal pomiarowy pobiera sie z pomiedzy 35 emiterów tranzystorów generatora, znamienny tym, ze miedzy kolekorami tych tranzystorów (Tl, T2), a wspomnianymi obwodami rezonansowymi ma wlaczone dwie diody (Dl, D2) w kierunku przewodzenia, przy czym bazy tranzystorów polaryzowane sa przez dwa od- 40 dzielne rezystory (Rl, R2).

2. Uklad wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze co najmniej jedna z diod (Dl) jest zbocznikowana konden¬ satorem (C15) lub rezystorem (R3), a ujemne sprzezenie zwrotne laczy wyjscie pomiarowe ukladu z jednym z 45 obwodów rezonansowych poprzez wzmacniacz (W) pra¬ du stalego i sterowany czlon reaktancyjny (5), przy czym do wyjscia wzmacniacza (W) pradu stalego dolaczony jest wskaznik wielkosci mierzonej lub sterowany czlon automatyki.KJ. 21e,27/26 68205 MKP GO Ir 27/26 4+U /-u Fig.1KI. 21e,27/26 68205 MKPGOlr 27/26 ¦jH-U Fig. 2KI. 21e,27/26 68205 MKP GOlr 27/26 + Li C? , O Cz Cs •—IhHHHl—I 12 ±C8 Ce Cs Cf, I II TII T II—' Re *n4 %» Fig. 3KI.21e,27/26 68205 MKP GOlr 27/26 S9 fff/Of fo Fig. 4KI. 21e,27/26 68205 MKP GOlr 27/26 Fig. 5 WDA-l. Zam. 6642, naklad 115 egz. Cena zl 10.— PL PL