RU1795381C - Измерительный преобразователь неэлектрических величин с емкостным датчиком - Google Patents

Abstract

Использование: в электроизмерительной технике. Сущность изобретени : измерительный преобразователь неэлектрических величин с емкостным датчиком содержит источник стабильного посто нного напр жени  1, коммутаторы 2 и 3, рабочий и образцовый конденсаторы 4 и 5, генератор пр моугольного напр жени  6, усилитель 7, амплитудный детектор 8, формирователь импульсов 9, генератор тактовых импульсов 10, элементы задержки 11, счетный триггер 12, логический элемент ИЛИ 13, логические элементы И 14 и 15, источник питани  16, два ключа 17 и 18, интегратор 19 и блок запоминани  20 амплитуды напр жени . В предлагаемом преобразователе осуществл етс  частотно-избирательное усиление сигналов, снимаемых с токовых электродов рабочего и образцового конденсаторов и дальнейшее их амплитудное детектирование. При этом формирование сигнала компенсации на выходе интегратора осуществл етс  по знаку амплитудных приращений сигнала на выходе амплитудного детектора, получаемых в результате принудительной подзар дки интегратора от источника питани . 1 з.п.ф-лы, 2 ил. (Л

Description

Изобретение относитс  к электроизмерительной технике, может использоватьс  дл  измерени  различных неэлектрических величин и предназначено дл  преобразований изменений емкости рабочего конденсатора датчика в изменени  посто нного напр жени .

Известны измерительные преобразователи неэлектрических величин, содержащие рабочий и образцовый конденсаторы, включенные в цепь соответственно пр мой и обратной св зи уравновешивающего усилител  .(например, операционного усилител ), генератор колебаний напр жени , выходное напр жение которого через рабочий конденсатор поступает на вход уравновешивающего усилител .

Недостаток известных устройств заключаетс  в том, что информативным выходным параметром их  вл етс  амплитуда переменного напр жени , снимаема  с выхода уравновешивающего усилител  и дл  преобразовани  которой в посто нное напр жение необходим измерительный выпр митель,  вл ющийс  --достаточно сложным и имеющим существенную погрешность преобразовани .

Известны измерительные преобразователи неэлектрических величин с емкостными датчиками, построенные на основе автокомпенсационннх схем с питанием .переменным сйнусоидальНымлнапр жением, содержащ ие1емкостный датчик с рабочим и образцовым конденсаторами, генератор синусоидального напр жени  и систему автоматического уравновешивани , причем уравновешивание производитс  изменением амплитуды синусоидального сигнала на одном из сравниваемых конденсаторов при посто нной амплитуде противофазного синусоидального напр жени  на втором.

В этом устройстве информативным выходным параметром  вл етс  амплитуда переменного синусоидального напр жени , вследствие чего известному устройству свойственен тот же недостаток, что и вышеупом нутому .

Известен также измерительный преобразователь неэлектрических величин с емкостным датчиком, содержащий клеммы дл  подключени  рабочего конденсатора, образцовый конденсатор,усилитель, фазочув- ствительный детектор, источник стабильного посто нного напр жени , два коммутатора и генератор пр моугольного напр жени , при этом выход источника стабильного посто нного напр жени  соединен с первым информационным входом первого коммутатора, вторые информационные входы обоих коммутаторов подключены к общей шине устройства, выходы коммутаторов подключены к одной из клемм дл  подключени  потенциального электрода рабочего конденсатора и потенциальному электроду образцового конденсатора соответственно, а клемма дл  подключени  токового электрода рабочего конденсатора соединена с токовым электродом образцового конденсатора и подключена через усилмтель к входу фазочувствительного детектора, выход которого подключен к первому информационному входу второго коммутатора и к выходным зажимам устройства, выход генератора пр моуголь5 ного напр жени  соединен с управл ющими входами коммутатора и опорным входом фазочувствительного детектора.

Недостаток такого устройства заключаетс  в том, что помехи и шумы, наводимые в

0 конденсаторах датчика, вместе с полезным сигналом усиливаютс  в усилителе (который , как правило, имеет весьма большой коэффициент передачи). Это обсто тельство снижает помехоустойчивость преобразо5 вател , а наличие усиленных шумов и помех увеличивает порог чувствительности преобразовател  и тем самым ограничивает точность преобразовани .

, Использование узкополосного частот0 но-избирательного усилител  (настроенного на частоту колебаний генератора пр моугольного напр жени ) дл  подавлени  помех и шумов в известном устройстве затруднено тем, что такой усилитель имеет

5 крутую фазочастотную характеристику и вносит паразитные фазовые сдвиги (при не- стабильност х частоты колебаний генер ато- ра пр моугольного напр жени , воздействи х температуры, амплитудных

0 изменений сигнала на входе усилител ) в усиливаемый полезный сигнал и, следовательно , нарушает нормальную работу фазочувствительного детектора. Это также может приводить к погрешности преобразо5 вани .

Цель изобретени  - повышение помехоустойчивости и точности преобразовани .

Поставленна  цель достигаетс  тем, что измерительный преобразователь неэлект0 рических величин с емкостным датчиком, содержащий источник стабильного посто нного напр жени , первый и второй коммутаторы , генератор пр моугольного напр жени , клеммы дл  подключени  ра5 бочего конденсатора, образцовый конденсатор и усилитель, вход которого соединен с токовым выводом образцового конденсатора и одной из клемм дл  подключени  рабочего конденсатора, выход источника стабильного посто нного напр жени  соединен с первым информационным входом первого коммутатора, входы управлени  первого и второго коммутаторов соединены с выходом генератора пр моугольного напр жени , вторые информационные входы обоих коммутаторов соединены с общей шиной преобразовател , а выходы - с потенциальным электродом образцового конденсатора и второй клеммой дл  подключени  рабочего конденсатора, о т л имеющийс  тем, что, с целью повышени  помехоустойчивости и точности преобразовани , в него введены амплитудный детектор , формирователь импульсов, элемент задержки, счетный триггер, генератор тактовых импульсов, логический элемент ИЛИ, два логических элемента И, два ключа, источник питани , интегратор, блок .запоминани  амплитуды напр жени , при этом выход усилител  через амплитудный детектор соединен с первым входом формировател  импульсов, второй вход которого соединён с первым выходом генератора тактовых импульсов, а выход - с входом, счетного триггера и с входом элемента задержки , выход которого соединен с первым. входом логического элемента ИЛИ, второй вход которого соединен со вторым выходом генератора тактовых импульсов, а выход с первыми входами логических элементов И,вторые входы которых соединены соответственно с пр мым и инверсным выходами счетного триггера, а выходы - со входами управлени  соответственно первого и второго ключей, аналоговые входы которых соединены с разными полюсами источника питани , а выходы ключей соединены между собой и с входом интегратора, выход которого соединен с первым информационным входом второго коммутатора и с первым входом блока запоминани  амплитуды напр жени , второй вход которого соединен с третьим выходом генератора тактовых импульсов, а выход соединен с выходными зажимами преобразовател .

В соответствии с предложенным техническим решением в преобразователе осуществл етс  узкополосное частотно-избирательное усиление выходных сигналов емкостного преобразовател  (т.е. сигналов, снимаемых с токового электрода конденсатора Со и клеммы, подключенной к токовому электроду конденсатора Сх) тл дальнейшее их амплитудное детектирование. При этом формирование сигнала компенсации (сигнала , поступающего на образцовый конденсатор Со) осуществл етс  по знаку амплитудных приращений сигнала на выходе амплитудного детектора, получаемых в результате принудительных периодических

положительных и отрицательных приращений амплитуды сигнала компенсации. Благодар  этому в преобразователе осуществл етс  эффективное подавление

5 шумов и помех, наводимых на емкостный преобразователь (на конденсаторы Сх и С0) и повышаетс  точность преобразовани .

На фиг. 1 представлена блок-схема преобразовател ; на фиг. 2 - диаграммы, по с0 н ющие его работу.

Преобразователь (фиг. 1) содержит источник 1 стабильного посто нного напр жени , коммутаторы 2 и 3, клеммы 4 дл  подключени  рабочего конденсатора 5, об5 разцовый конденсатор б, генератор 7 пр моугольного напр жени , избирательный усилитель 8, амплитудный детектор 9, формирователь 10 импульсов, генератор тактовых импульсов (ГТЙ) 11, элемент задержки

0 12, счетный триггер 13, логический элемент ИЛИ 14, логические элементы И 15 и 16, двухпол рный источник 17 питани , ключи 18 и 19, интегратор 20, блок 21 запоминани  амплитуды напр жени .

5 Преобразователь работает следующим образом. На потенциальный электрод рабочего конденсатора 5 через клемму 4 и на потенциальный электрод образцового конденсатора 6 подают противофазные пр мо0 угольные напр жени , формируемые коммутатором 2 из посто нного напр жени  источника 1 и коммутатором 3 из выходного напр жени  интегратора 20. Коммутаторы 2 и 3 управл ютс  генерато5 ром-7 пр моугольного напр жени . Токовый электрод рабочего конденсатора 5 через клемму 4 и токовый электрод образцового конденсатора б соединены вместе и подключены через избирательный усили0 тель 8, настроенный на частоту колебаний генератора 7, к входу амплитудного детектора 9, напр жение Ug соответствует модулю напр жени  IDxl, снимаемого с токовых электродов рабочего и образцового конден5 саторов 5 и 6, т.е.

Ug Ks.Kg.lUxf,(1) где Ке и Kg - коэффициенты передачи соответственно избирательного усилител  и амплитудного детектора.

0

Причем напр жение Ug зависит от выходного (компенсирующего) напр жени  Uao интегратора 20 по кривой Ug f(U2o)Cx const, показанной на фиг. 2. Точка экстре5 мума д кривой Ug f(U2o)Cx const соответствует полной компенсации тока, протекающего через рабочий конденсатор 5, током образцового конденсатора б, а напр жение изо на выходе интегратора 20. при этом будет описыватьс  выражением:

U20 UCT.

Ъ

где UCT - стабилизированное посто нное напр жение источника 1; |

Сх и Со - емкости рабочего 5 и образцового 6 конденсаторов,

Выходное напр жение Шо интегратора 20 может мен тьс  в любом направлений по мере подачи на него напр жени  положительной или отрицательной пол рности от источника 17 питани  через ключи 18 и 19. ГТИ 11 в течение одного такта вырабатывает на трех своих выходах по одному тактовому импульсу Uii1, Un и Un3, Которые сдвинуты относительно друг друга во времени (фиг. 2), Тактовые импульсы Uni1 и Он2 на первом и втором выходах ГТИ 11 имеют малую длительностью посредством ключей 18 и 19 кратковременно подключают интегратор 20 к положительному или отрицательному полюсу источника 17 питани . При этом выходное напр жение U20 интегратора 20 получит соответствующее приращение. Величина этих приращений пропорциональна длительности тактовых импульсов ии иУц и значению напр жени  источника 17 питани . .;

Если в момент включени  питани  преобразовател  величина выходного напр жени  U20 интегратора 20 такова, что напр жение на выходе амплитудного детектора 9 соответствует точке б на кривой иэ- f(U2o)Cx const (фиг. 2), а счетный триггер

13 находитс  в единичном состо нии, тогда с первого выхода ГТИ 11 через элемент ИЛИ

14 и открытый элемент И 15 на вход управлени  ключа 18 поступит тактовый импульс Uи1, в результате чего выходное напр жение Uzo интегратора 20 получит отрица- тельное .приращение. Это вызывает уменьшение амплитуды противофазного напр жени  на выходе коммутатора 3, а следовательно , вызовет увеличение амплитуды .сигналов на выходах избирательного усилител  8 и амплитудного детектора 9, С выхода амплитудного детектора 9 сигнал поступает на формирователь 10 импульсов, который служит дл  формировани  импульсй Uio на его. выходе при отсутствии отрицательного приращени  напр жени  на выходе амплитудного детектора 9, причем импульс Uio может формироватьс  только в момент подачи на вход управлени  формировател  10 импульсов тактового импульса Un со второго выхода ГТИ 11. С выхода формировател  10 импульсов Uio поступает на вход счетного триггера 13 и измен ет его состо ние ,(триггер устанавливаетс  в нулевое состо ние). При этом элемент И 15 запира

10

20

. 15 . 25

45 30

35

40

50

55

етс , а элемент И 16 открываетс . С выхода формировател  10 импульсов тот же самый импульс Uio с временной задержкой через элемент задержки 12, элемент ИЛИ 14, элемент И 16 поступает на вход управлени  ключа 19, вследствие чего выходное напр жение интегратора 20 получает положительное приращение и амплитуда сигнала на выходе детектора 9 принимает предыдущее значение, соответствующее точке б (фиг.

2)В следующем такте импульс Un с первого выхода ГТИ 11 через элемент ИЛИ 14 и элемент И 16 поступает на вход ключа 19. Выходное напр жение Uao интегратора 20 получает положительное приращение: амп; литуда сигнала на выходах избирательного усилител  8 и амплитудного детектора 9 уменьшаетс  и принимает значение, соответствующее точке в. При этом отрицательный перепад амплитуды напр жени  Ug на выходе детектора 9 не вызывает по влени  импульса Uio на выходе формировател  10 импульсов. Далее последующие тактовые импульсы Un1 с первого выхода ГТИ 1 через элементы ИЛИ 14, И 16.будут поступать на вход ключа 19 и будут уменьшать амплитуду сигнала на выходе амплитудного детектора 9 до значени , соответствующего точке г, которое  вл етс  самым близким . к точке д экстремума кривой Ug f(U2o)Cx const. После этого увеличение или уменьшение амплитуды напр жени  Uzo на выходе интегратора 20 получает положительное приращение амплитуды.сигнала Us на выходе амплитудного детектора 9, а значит, вызовет по вление импульса Uio на выходе формировател  .10, который-поступает на вход счетного триггера 13 и измен ет его состо ние. Тот же самый импульс Uio через элемент 12 задержки, элемент ИЛИ 14 и через один из элементов И 15 или 16 поступает на вход одного из ключей 18 или 19 и вызывает изменение выходного напр жени  U20 интегратора 20 в таком направлении , чтобы амплитуда сигнала на выходе детектора 9 снова соответствовала точке г, Последующие тактовые импульсы Un1 с первого выхода ГТИ 11 непрерывно будут осуществл ть пробные воздействи , увеличива  или уменьша  амплитуду, напр жени  на выходе интегратора 20, а 14мпульсы Uio, формируемые на выходе формировател  10, .будут возвращать амплмтуду сигнала на выходе амплитудного детектора 9 к значению, соответствующему точке г.

Таким образом, устройство из режима поиска переходит в режим слежени . При изменени х измер емой величины устройство в режиме слежени  будет формировать

на выходе интегратора 20 напр жение, амплитуда которого будет пр мо пропорциональна измер емой величине (см.формулу

(2)}.

С третьего выхода ГТИ 11 на вход блока 21 запоминани  амплитуды напр жени  поступают тактовые импульсы 1)ц3 и в этом блоке запоминаетс  амплитудное значение выходного напр жени  U20 интегратора 20, которое поступает на выходные зажимы преобразовател . Тактовые импульсы Un3 во времени следуют после возвратных тактовых импульсов ип2(после импульсов фор- мируемых на выходе формировател  10). Поэтому амплитудное значение напр же- ни  на зажимах преобразовател  устойчиво соответствует точке г (фиг. 2).

Дл  высокого коэффициента усилени  избирательного усилител  8 погрешность преобразовани  устройства определ етс  в основном величиной 0,5 AU20, где AU20 - величина дискретных приращений напр жени  на выходе интегратора 20 при подзар дке его разнопол рными импульсами, поступающими от блока питани  17 через ключи 18 и 19. При этом величина AU20 может быть достаточно малой.

В предложенном преобразователе формирование сигнала компенсации U20 на выходе интегратора 20 осуществл етс  по знаку амплитудных приращений сигнала неравновеси , снимаемого с токовых электродов конденсаторов С0 и. Сх ( по знаку амплитудных приращений сигнала на выходе амплитудного детектора) и получаемых в результате пробных воздействий (в результате подзар дки интегратора 20 разнопол рными импульсами). В св зи с тем, что амплитуда сигнала неравновеси  не чувствительна к фазовым нестабильност м, то в предложенном преобразователе дл  усилени  сигнала неравновеси  может использоватьс  избирательный узкополосный усилитель, настроенный на частоту колебаний генератора пр моугольного напр жени  7.

При этом будет осуществл тьс  эффективное подавление шумов и помех, наводимых на конденсаторы Со и Сх, а фазовые сдвиги в избирательном усилителе не будут вли ть на точность измерени . В свою очередь , снижение шумов и помех снизит порог чувствительности преобразовател  и позволит фиксировать меньшие величины изменени  полезного сигнала, а следовательно, повысить точность преобразовани .

Claims (2)

1. Измерительный преобразователь неэлектрических величин с емкостным датчиком , содержащий источник стабильного посто нного напр жени , первый и второй коммутаторы, генератор пр моугольного напр жени , клеммы дл  подключени  рабочего конденсатора, образцовый конденсатор и усилитель, вход которого соединен с токовым выводом образцового конденсатора и одной из клемм дл  подключени  рабочего конденсатора, выход источника стабильного посто нного напр жени  соединен с первым информационным входом первого коммутатора , входы управлени  первого и второго коммутаторов соединены с выходом генератора пр моугольного напр жени , вторые информационные входьк)боих коммутаторов соединены с общей шиной преобразовател , а выходы - с потенциальным электродом образцового конденсатора и второй клеммой дл  подключени  рабочего конденсатора, отличающийс  тем, что, с целью повышени  помехоустойчивости и точности преобразовани , в него введены амплитудный детектор, формирователь импульсов , элемент задержки, счетный триггер , генератор тактовых импульсов, логический элемент ИЛИ, два логических элементов И, два ключа, источник питани , интегратор, блок запоминани  амплитуды напр жени , при этом выход усилител  через амплитудный детектор соединен с первым входом формировател  импульсов, второй вход которого соединен с первым выходом генератора тактовых импульсов, а выход - с входом счетного триггера и с входом элемента задержки, выход которого со- единен с первым входом логического элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с вторым выходом генератора тактовых импульсов, а выход - с первыми входами логических элементов И, вторые входы которых соединены соответственно с пр мым и инверсным выходами счетного триггера, а выходы - с входами управлени  соответственно первого и второго ключей, аналоговые входы которых соединены с разными полюсами источника питани , а выходы ключей со- единены между собой и с входом интегратора, выход которого соединен с первым информационным входом второго коммутатора и с первым входом блока запоминани  амплитуды напр жени , второй вход которого соединен с третьим выходом генератора тактовых импульсов, а выход соединен с выходными зажимами преобразовател .

2. Преобразователь по п. 1, от л и чающийс  тем, что усилитель выполнен частотно-избирательным и настроенным на частоту колебаний генератора пр моугольного напр жени .