RU1798734C - Измерительный преобразователь параметров емкостного датчика во временной интервал - Google Patents

Abstract

Использование: в измерительной технике , в частности в электронных измеритель- ных преобразовател х параметров пассивных электрических цепей. Сущность изобретени : алгоритм работы устройства основан на уравновешивании зар дов, формируемых на измер емом и образцовом конденсаторах емкостного датчика. Устройство содержит источник опорного напр жени , электронные коммутаторы, образцовый и измер емый конденсаторы емкостного датчика, усилитель сигнала неравновеси  измерительной цепи, разделительный конденсатор, ключ, повторитель напр жени , интегратор, делитель нэпр - .жени , компаратор, устройство формировани  напр жени  развертки, логический элемент 2И-НЕ и блок управлени . Процесс уравновешивани  в устройстве осуществл етс  приведением к нулю интеграла от выходного напр жени  повторител . Широтно-импульсное регулирование выходного сигнала измерительного преобразовател  осуществл етс  с помощью компаратора и устройства формировани  напр жени  развертки. 2 ил. ел С

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике, в частности к устройствам дл  измерени  параметров электрических цепей .

Целью изобретени   вл етс  повышение точности преобразовани  и существенное упрощение конструкции.

На фиг.1 приведена функциональна  схема измерительного преобразовател  параметров емкостного датчика во временной интервал, Устройство содержит: источник опорного напр жени  1, первый вывод которого соединен с первыми входами коммутаторов 2 и 3. Второй вывод источника опорного напр жени  1 соединен со вторыми входами коммутаторов 2 и 3 и подключен к общей шине устройства. Выходы коммутаторов 2 и 3 соединены соответственно через образцовый 4 и измерительный 5 конденсаторы емкостного датчика со входом усилител  сигнала неравновеси  измерительной цепи (УСН) 9. Выход УСН 9 через разделительный конденсатор 10 подключен к первому выводу ключа 11, который соединен со входом повторител  12. Второй вывод ключа 11 соединен с общей шиной устройства. Выход повторител  12 соеди: нен через последовательно включенные интегратор 16 и делитель напр жени  17 с первым входом компаратора 18. Второй

vj

о со

xj

СО

Јь

вход компаратора 18 соединен с выходом устройства формировани  напр жени  развертки 23, а выход компаратора 18 подключен к первому входу логического элемента 2И-НЕ 24. Выход логического элемента 2И-- НЕ 24 соединен со входом управлени  коммутатора 3. Первый выход блока управлени  (БУ) 27 соединен со входом управлени  ключа 11. Второй выход БУ 27 соединен со вторым входом логического элемента 24, подключен ко входу управлени  коммутатора 2 и соединен со входом устройства формировани  напр жени  развертки 23. Выход коммутатора 3  вл етс  выходом устройства .

Усилитель сигнала неравновеси  измерительной цепи (УСН) 9 содержит: параллельно включенные конденсатор 6 и I резистор 7, первые выводы которых соединены с инвертирующим входом операционного усилител  (ОУ) 8, который  вл етс  входом УСН 9. Неинвертирующий вход ОУ 8 соединен с общей шиной устройства, а выход ОУ 8  вл етс  выходом УСН 9.

Повторитель 12 содержит: ОУ, неинвертирующий вход которого  вл етс  входом повторител  12. Инвертирующий вход ОУ соединен с его выходом и  вл етс  выходом повторител  12.

Интегратор 16 содержит: врем задаю- щий резистор 13, первый вывод которого  вл етс  входом интегратора 16. Второй вывод резистора 13 соединен с первым выводом врем задающего конденсатора 14 и подключен к инвертирующему входу ОУ 15. Неинвертирующий вход ОУ 15 соединен с общей шиной устройства. Второй вывод конденсатрра 14 соединен с выходом ОУ 15 и  вл етс  выходом интегратора 16.

Устройство формировани  напр жени  развертки 23 содержит: дифференцирующий конденсатор 19, первый вывод которого  вл етс  входом блока 23. Второй вывод конденсатора 23 соединен с первыми выводами резисторов 20 и 21. Второй вывод интегрирующего резистора 21 через интегрирующий конденсатор 22 соединен с общей шиной устройства  вл етс  выходом блока 23. Второй вывод дифференцирующего резистора 20 соединен с общей шиной устройства.

Блок управлени  27 содержит: генератор напр жени  пр моугольной формы 25 (частота которого стабилизирована кварцевым резонатором), выход которого соединен со счетным входом счетчика Джонсона С дешифрированными выходами 26. Входы счетчика 26 установки в нулевое состо ние и разрешение счета соединены с общей шиной устройства. Восьмой выход (Q8)

счетчика 26  вл етс  первым выходом RY 27, а выход перенос счетчика 26  вл етс  вторым выходом БУ 27.

Недостаточна  точность работы прототипа заключаетс  в несовершенстве структурного решени , которое обусловлено невозможностью включени  в контур цепи отрицательной обратной св зи ключа (формирующего напр жение питани 

измерительной цепи на конденсаторе емкостного датчика С0) и логического элемента, формирующего выходной временной интервал .

Ввиду того, что выходной сигнал прототипа формируетс  из выходного напр жени  компаратора, реальный временной интервал с учетом времени срабатывани  ключа и логического элемента описываетс  выражением:

т . т Сх

I ВЫХ

7«г-+ 1вкл + tsaA,

(D

где То - половина периода сигнала опорного генератора;

1вкл. врем  включени  ключа(формиру- ющего напр жение питани  измерительной цепи);

1зад- врем  задержки срабатывани  логического элемента.

Следовательно, величина относите/ ь- ной погрешности, вызванна  конечными скоростными характеристиками ключа и логического элемента, может быть определена из выражени 

35

т Сх т Сх I I сгр7 В|СЛ зад

Со

Сх

с;

Т х IOT

ХвклСо i taqfl.CXp VT7C7+ tT7 rJ

T0C

(2)

45

Поэтому при использовании быстродействующих ключей типа К590КИ8 с

чЗ-10 С и логического элемента

.564 серии (К564ЛА7) с tBKn. И10-10 Э С . погрешность (2) будет иметь величину у 0,12% (при частоте опорного генератора пилообразного напр жени  f0 50 кГц).

Полностью устранить природу данной погрешности удалось при реализации предложенного в материалах данной за вки устройства . Сущность за вл емой структуры заключаетс  в том, что ее реализаци  обеспечила охват вышеназванных узлов контуром общей отрицательной обратной св зи. Поэтому, вли ние скоростных характеристик переключател  и логического элемента удалось минимизировать в К / раз (где К /3

коэффициент петлевого усилени  в контуре отрицательной обратной св зи). В этом случае относительна  погрешность, вызванна  конечным быстродействием ключа и логического элемента, определ етс  из выраже- ни 

( вкл Т0 Со К

Сх j taafl Сх о о То Со Ку

где Ку- коэффициент усилени  интегратора по посто нному току (данна  величина лежит в диапазоне Ку 20.103...5(Ы03). Устранение в структуре генератора линейно измен ющегос  напр жени  (ГЛИН) и применение экспоненциальной развертки существенно упростило конструкцию в целом.

Функциональна  схема измерительного преобразовател  сигналов емкостного датчика во временной интервал приведена на фиг. 1. Измерительный преобразователь предназначен дл  работы с емкостными датчиками с измен ющейс  величиной зазора . Дл  обеспечени  нормальной работы измерительного канала в целом необходимо выполнить следующее соотношение емкостей измер емого и образцового конденсаторов датчика: Сх С0. Алгоритм работы устройства основан на уравновеши- вании зар дов, формируемых на измер емом Сх 5 и образцовом С0 4 конденсаторах емкостного датчика. Синхронизаци  работы всех узлов измерительного преобразовател  осуществл етс  выходными сигналами блока управлен (БУ) 27.

БУ 27 работает следующим образом. В качестве устройства формировани  цикла работы преобразовател  применен счетчик Джонсона и дешифратор 26, преобразую- щий двоичный код в сигнал на одном из дес ти выходов. На тактовый вход счетчика с дешифрованными выходами 26 подаетс  напр жение пр моугольной формы от генератора 25. Форма выходного напр жени  генератора 25 приведена на фиг.2.1, Частота работы генератора 25 должна быть стэби- лизирована кварцевым резонатором. Напр жение управлени  работой ключа 11 (фиг, 2.2)снимаетс  с выхода Q8 счетчика 26, который  вл етс  первым выходом БУ 27. С выхода перенос счетчика 26 снимаетс  сигнал (фиг.2.3), который управл ет работой коммутатора 2 и задает цикл работы преобразовател . При работе ключей 2 и 3 на образцовом 4 и измер емом 5 конденсаторах емкостного датчика формируютс  напр жени  пр моугольной формы амплитудой Uo, где U0 - выходное напр жение опорного источника 1. Данные напр 

5

10

15

20 25 30 35

40 45 50 55

жени  изображены соответственно на фиг. 2.4 и 2.5. Усилитель сигнала неравновеси  измерительной цепи (УСН) 9 выполнен на ОУ 8, конденсаторе 6 и резисторе 7. Назначение резистора 7 - обеспечить отрицатель- ную обратную св зь каскада по посто нному току. Поэтому дл  нормального функционировани  устройства необходима реализаци  соотношени : Т0, где R, Се - соответственно сопротивление резистора 7 и емкость конденсатора 6; То - длительность цикла преобразовани . Функционально УСН 9 представл ет собой устройство преобразовани  разности зар дов, формируемых на конденсаторах Сх 5 и С0 4, в напр жение, Выходное напр жение УСН 9 приведено на фиг. 2.6. Это напр жение подаетс  на вход устройства восстановлени  составл ющей разности уравновешиваемых напр жений, которое выполнено с помощью ключа 11, разделительного конденсатора 10 и повторител  12. Принцип работы этого устройства основан в установлении на входе интегратора 16 нулевого потенциала (в моменты времени ) после окончани  каждого цикла преобразовани . Поэтому формирование приращений входного напр жени  интегратора 16 (при начале каждого цикла преобразовани  Т0) происходит от нулевого потенциала. Наличие в структуре конденсатора 10 позвол ет исключить вли ние напр жени  смещени  ОУ 8 на формирование выходного временного интервала. Выходное напр жение повторител  12 (которому также соответствует временна  диаграмма, приведенна  на фиг.2.6) подаетс  на вход интегратора 16. В результате этого процесса на выходе интегратора 16 формируетс  пилообразное напр жение . Скорость и направление приращени  этого напр жени  задаютс  соответственно амплитудой и пол рностью выходного напр жени  повторител  12. Дл  обеспечени  работоспособности устройства в целом введен делитель 17. Назначение этого делител  - обеспечение захвата напр жением развертки выходного напр жени  интегратора 16. Коэффициент делени  делител  17 выбираетс  из следующего соотношени :

Un Z

U

1ЭС.ОД,

KIT

где Up - амплитуда напр жени  развертки, снимаемого с выхода блока 23;

инас.од. - выходное напр жение насыщени  ОУ 15;

Ki7 коэффициент делени  делител  17.

Напр жени , снимаемые с выходов делител  17 и устройства формировани  напр жени  развертки 23, приведены соответственно на фиг. 2.7.а и фиг, 2.7.6. Данные напр жени  подаютс  на компара- тор 18, который вырабатывает импульс окончани  процесса формировани  выходного временного интервала ТВых. Напр жени , формируемые компаратором 18 и логическим элементом 24, приведены соот- ветственно на фиг. 2.8 и фиг.2.9. Напр жение , снимаемое с выхода логического элемента 24, управл ет длительностью включени  коммутатора 3 и обеспечивает уравновешивание измерительной цепи.

Из алгоритма работы устройства следует , что уравновешивание измерительной це- пи осуществл етс  автоматической ре.- гулировкой длительности выходного временного интервала. Окончание этого процесса достигаетс  при уравновешивании приращений выходного напр жени  интегратора 16 в моменты времени ta-tb и (см. фиг. 2.7). Следовательно, состо ние равновеси  устройства описываетс  вы- ражением:

Uab - Ubc О

Из (4) следует, что при уравновешивании системы абсолютные значени  выходных напр жений интегратора 16 до начала и после окончани  цикла преобразовани  Т$ равны. Причем абсолютное значение этого напр жени  не входит в функцию преобра- зовани  устройства. Общее уравнение пре- образовани измерительного преобразовател  емкости во временной интервал определ етс  из выражени  (4):

. (Сх - Ср) ГвыХ 1 1 Ср( I о - Твых} п

° Се R13 С14° Cie С14 Ria

(5)

где То и Твых - соответственно опорный и выходной временной интервалы;

Се и Ci4 - соответственно емкости конденсаторов 6 и 14;

Ri3 - сопротивление резистора 13.

В результате несложных преобразова- ний уравнение (5) примет вид:

I ВЫХ

Со

:о. Ux

Из выражени  (6), описывающего функ- дию преобразовани  устройства, следует, что при работе с емкостными датчиками с измен ющейс  величиной зазора обеспечиваетс  линейна  зависимость от величины изменени  зазора:

: Т0

Cphx

SxE

(7)

где Сх

SxЈ

ТъГ

; Sx - площадь взаимного пе 5 10 15

20 25

30 35 40

45

50

55

рекрыти  обкладок измер емого конденсатора Сх;

Их - величина зазора между обкладками измер емого конденсатора Сх;

Ј - диэлектрическа  проницаемость среды диэлектрика.

При использовании данного измерительного преобразовател  с емкостными датчиками с измен ющейс  площадью обкладок необходимо в качестве измер емого конденсатора использовать конденсатор 4, а в качестве образцового конденсатора - конденсатор 5. В этом случае также обеспечиваетс  линейна  функци  преобразовани  измерительного канала относительно изменени  площади взаимного перекрыти  обкладок измер емого конденсатора. При этом следует иметь в виду, что в этом случае необходимо также выполнение соотношени : Cs С4.

Достоинством предлагаемого устройства , по сравнению с прототипом,  вл етс  повышение точности преобразовани  и существенное упрощение конструкции. Данное устройство макетировалось на кафедре Информационно-измерительной техники Ленинградского государственного техниче1- ского университета. Анализ метрологических характеристик предлагаемого устройства и прототипа позволил сделать вывод, что температурна  и временна  стабильности метрологических характеристик предлагаемого устройства выше, чем у прототипа и других ранее известных структур. В том числе величина температурной погрешности относительно прототипа была уменьшена с величиной 0,03/10°С, в диапазоне температур -60°С...+100°С, до значени  0,012%/1,°С. При практической реализации преобразовател  были использованы микросхемы 561,590,544 и 140 серий, а в качестве счетчика с дешифрированными выходами 26 примен лась микросхема К561ИЕ8.

Экономический эффект не подсчитывалс , так как основной целью предлагаемого изобретени   вл етс  повышение точности.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Измерительный преобразователь параметров емкостного датчика во временной

   интервал, содержащий измер емый и образцовый конденсаторы емкостного датчика , первые выводы которых соединены с входом усилител  сигнала неравновеси  измерительной цепи, интегратор, компаратор и ключ, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности и упрощени  конструкции, в него введены первый и второй коммутаторы, блок управлени , разде- лительный конденсатор, повторитель напр жени , делитель напр жени , устройство формировани  напр жени  развертки, логический элемент 2И-НЕ и источник опорного напр жени , первый вывод которого соединен с первыми входами первого и второго коммутаторов, второй вывод источника опорного напр жени  соединен с вторыми входами первого и второго коммутаторов, а также подключен к первому выводу ключа и соединен с общей шиной устройства, выходы первого и второго коммутаторов соединены соответственно с вторыми выводами образцового и измерительного конденсаторов емкостного датчика, выход усилител  сигнала неравновеси  измерительной цепи через разделительный

   конденсатор подключен к второму выводу ключа и соединен через последовательно включенные повторитель, интегратор и делитель напр жени  с первым входом компаратора , первый вывод блока управлени 

   0 соединен с входом управлени  ключа, второй выход блока управлени  соединен с входом управлени  первого коммутатора и первым входом логического элемента 2И-НЕ, а также через устройст5 во формировани  напр жени  развертки соединен с вторым входом компаратора, выход компаратора соединен с вторым входом логического элемента 2И-НЕ. выход которого подключен к входу управле0 ни  второго коммутатора, выход второго коммутатора  вл етс  выходом устройства .

   %а.г