RU2012000C1

RU2012000C1 - Measuring transducer of non-electric parameters by capacitance pick-up

Info

Publication number: RU2012000C1
Authority: RU
Inventors: Н.Д. Пустовалов; А.А. Кучма
Original assignee: Акционерное общество "Панх"
Priority date: 1990-08-13
Filing date: 1990-08-13
Publication date: 1994-04-30

Abstract

FIELD: electric measuring devices. SUBSTANCE: device has supply of stabilized direct voltage, linear inverter, adders, rectangular voltage oscillator, commutators, differential capacitor, amplifier, phase sensitive detector. Outer plates of differential capacitor are supplied by rectangular voltage in opposite phase which are generated by means of commutation of output voltage. Signal, which is picked from middle plate of differential capacitor, are amplified by amplifier and rectified by phase sensitive detector. Output voltage from phase sensitive detector supplies output terminals of transducer. This voltage is also added to output voltage of supply of stabilized direct voltage. This provides negative feedback for transducer. EFFECT: increased functional capabilities. 1 dwg

Description

Изобретение относится к электрической измерительной технике, может использоваться для измерения различных неэлектрических величин и предназначено для преобразования изменений емкости рабочего конденсатора датчика в изменения постоянного напряжения. The invention relates to electrical measuring equipment, can be used to measure various non-electrical quantities and is intended to convert changes in the capacitance of the working capacitor of the sensor to changes in DC voltage.

Известен измерительный преобразователь неэлектрических величин с емкостным датчиком, содержащий дифференциальный конденсатор, два резистора, генератор синусоидального напряжения, усилитель переменного тока, причем крайние обкладки дифференциального конденсатора подключены к выходным зажимам генератора синусоидального напряжения и к первым выводам резисторов, вторые выводы которых соединены вместе и подключены к общей шине преобразователя, а средняя обкладка дифференциального конденсатора соединена с входом усилителя переменного тока, выход которого подключен к выходным зажимам преобразователя . Known measuring transducer of non-electric quantities with a capacitive sensor, containing a differential capacitor, two resistors, a sinusoidal voltage generator, an AC amplifier, the extreme plates of the differential capacitor connected to the output terminals of the sinusoidal voltage generator and to the first terminals of the resistors, the second terminals of which are connected together and connected to the common bus of the converter, and the middle plate of the differential capacitor is connected to the input of the amplifier alternately of current, whose output is connected to the output terminals of the converter.

Недостатком известного устройства является низкая точность преобразования, обусловленная следующим. Известное устройство представляет собой мостовой неуравновешенный преобразователь, выражение преобразования информативного параметра в выходное напряжение U_вых в котором имеет вид:
U_вых= U

-

K_у, (1) где U₂ - амплитуда выходного напряжения генератора синусоидального напряжения;
K_y - коэффициент передачи усилителя переменного тока;
C₁ и С₂ - емкости дифференциального конденсатора;
R₁ и R₂ - сопротивление резисторов.A disadvantage of the known device is the low accuracy of the conversion, due to the following. The known device is a bridge unbalanced converter, the expression of the conversion of an informative parameter to the output voltage U _o which has the form:
U _o = U

-

K _y , (1) where U ₂ is the amplitude of the output voltage of the sinusoidal voltage generator;
K _y is the transfer coefficient of the AC amplifier;
C ₁ and C ₂ - capacitance of a differential capacitor;
R ₁ and R ₂ - the resistance of the resistors.

Как видно из выражения (1), известное устройство имеет нелинейную функцию преобразования (из-за члена С₁/(C₂+C₁)) и, кроме того, выходное напряжение U_вых зависит от нестабильностей напряжения генератора синусоидального напряжения и коэффициента передачи усилителя переменного тока.As can be seen from the expression (1), the known device has a non-linear conversion function (due to the term C ₁ / (C ₂ + C ₁ )) and, in addition, the output voltage U _o depends on the instabilities of the voltage of the sinusoidal voltage generator and the gain of the amplifier alternating current.

В известном устройстве выходной сигнал является напряжением переменного тока, для преобразования которого в напряжение постоянного тока используют выпрямители, что также вносит дополнительную погрешность преобразования. In the known device, the output signal is an alternating current voltage, rectifiers are used to convert it to a direct current voltage, which also introduces an additional conversion error.

Известен также принимаемый за прототип измерительный преобразователь неэлектрических величин с емкостным датчиком, содержащий дифференциальный конденсатор, генератор синусоидального напряжения, линейный инвертор, два сумматора, предварительный усилитель, измерительный усилитель и синхронный (фазочувствительный) детектор, причем выход генератора синусоидального напряжения соединен с входом опорного сигнала синхронного детектора, с первым входом первого сумматора и с входом линейного инвертора, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, выходы сумматоров соединены с соответствующими крайними обкладками дифференциального конденсатора, средняя обкладка которого соединена с входом предварительного усилителя, выход которого соединен с вторыми входами сумматоров и с входом синхронного детектора, выход которого соединен с выходом преобразователя . Also known is a prototype measuring transducer of non-electric quantities with a capacitive sensor, comprising a differential capacitor, a sinusoidal voltage generator, a linear inverter, two adders, a preamplifier, a measuring amplifier and a synchronous (phase-sensitive) detector, and the output of the sinusoidal voltage generator is connected to the input of the synchronous reference signal detector, with the first input of the first adder and with the input of the linear inverter, the output of which is connected to the first input the house of the second adder, the outputs of the adders are connected to the corresponding extreme plates of the differential capacitor, the middle lining of which is connected to the input of the pre-amplifier, the output of which is connected to the second inputs of the adders and to the input of the synchronous detector, the output of which is connected to the output of the converter.

Известное устройство, в отличие от вышеупомянутого, имеет линейную функцию преобразования. Однако недостатком известного устройства также является невысокая точность преобразования неэлектрических величин в напряжение. В известном устройстве общей отрицательной обратной связью охвачены только предварительный усилитель и дифференциальный конденсатор, что исключает влияние на точность измерения нелинейности и нестабильности коэффициента передачи предварительного усилителя. Однако при этом измерительный усилитель и синхронный детектор находятся вне контура отрицательной обратной связи и образуют цепь прямого измерительного преобразования, вследствие чего нестабильности и нелинейности функций (коэффициентов) передачи измерительного усилителя и синхронного детектора снижают точность преобразования устройства. Это видно из выражения преобразования информативного параметра в выходное напряжение U_вых в известном устройстве:
U_вых= K_и.у.·K_с.д.·U₂·

, (2)
где K_и.y. и К_с.д. - коэффициенты передачи соответственно измерительного усилителя и синхронного детектора;
U₂ - амплитуда выходного напряжения генератора синусоидального напряжения;

- коэффициент передачи ненагруженного дифференциального конденсатора, запитанного равными противофазными напряжениями (в функцию преобразования входят коэффициенты К_и.y. и К_с.д. ).The known device, in contrast to the above, has a linear conversion function. However, a disadvantage of the known device is also the low accuracy of the conversion of non-electric quantities to voltage. In the known device, only the preamplifier and the differential capacitor are covered by the general negative feedback, which excludes the influence on the measurement accuracy of the nonlinearity and instability of the transmission coefficient of the preamplifier. However, in this case, the measuring amplifier and the synchronous detector are outside the negative feedback loop and form a direct measuring conversion circuit, as a result of which the instability and non-linearity of the transfer functions (coefficients) of the measuring amplifier and synchronous detector reduce the accuracy of the device conversion. This can be seen from the expression transforming the informative parameter into the output voltage U _o in a known device:
U _out = K _IU K _s.d. U ₂

, (2)
where K _and.y. and K _sd - transmission coefficients, respectively, of a measuring amplifier and a synchronous detector;
U ₂ - the amplitude of the output voltage of the sinusoidal voltage generator;

- transmission coefficient of an unloaded differential capacitor powered by equal antiphase voltages (the conversion function includes the coefficients K _i.y. and K _SD ).

Кроме того, из выражения (2) видно, что на точность преобразования информативного параметра влияет непостоянство амплитуды выходного напряжения генератора синусоидального напряжения (при воздействиях влияющих величин), стабилизация которой влечет дополнительное усложнение устройства. Указанные причины снижают точность преобразования устройства. In addition, it can be seen from expression (2) that the accuracy of the conversion of the informative parameter is affected by the variability of the amplitude of the output voltage of the sinusoidal voltage generator (under the influence of influencing quantities), the stabilization of which entails additional complication of the device. These reasons reduce the accuracy of the conversion of the device.

Цель изобретения - повышение точности преобразования. The purpose of the invention is improving the accuracy of the conversion.

Цель достигается тем, что измерительный преобразователь неэлектрических величин с емкостным датчиком, содержащий дифференциальный конденсатор, первый и второй сумматоры, линейный инвертор, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, усилитель, вход которого соединен со средней обкладкой дифференциального конденсатора, фазочувствительный (синхронный) детектор, выход которого соединен с выходом преобразователя, дополнительно снабжен источником стабильного постоянного напряжения, генератором прямоугольного напряжения, двумя коммутаторами, при этом выход источника стабильного постоянного напряжения соединен с первым входом первого сумматора, а также соединен с первым входом первого сумматора, а также соединен с входом линейного инвертора, выход генератора прямоугольного напряжения соединен с входами управления коммутаторов и с опорным входом фазочувствительного детектора, информационный вход которого соединен с выходом усилителя а выход - с вторыми входами первого и второго сумматоров, выходы которых соединены с первыми входами соответствующих коммутаторов, вторые входы которых соединены с общей шиной преобразователя, а выходы которых соединены соответственно с первой и второй крайними обкладками дифференциального конденсатора. The goal is achieved by the fact that a non-electric quantity measuring transducer with a capacitive sensor, comprising a differential capacitor, first and second adders, a linear inverter, the output of which is connected to the first input of the second adder, an amplifier whose input is connected to the middle lining of the differential capacitor, a phase-sensitive (synchronous) detector the output of which is connected to the output of the converter is additionally equipped with a stable constant voltage source, a square-wave voltage generator , with two switches, while the output of a stable constant voltage source is connected to the first input of the first adder, and also connected to the first input of the first adder, and also connected to the input of a linear inverter, the output of the rectangular voltage generator is connected to the control inputs of the switches and to the reference input of the phase-sensitive detector the information input of which is connected to the output of the amplifier and the output to the second inputs of the first and second adders, the outputs of which are connected to the first inputs of the corresponding mmutatorov, second inputs of which are connected to a common bus converter and whose outputs are connected respectively to the first and second outermost electrodes of a differential capacitor.

В соответствии с предложенным техническим решением крайние обкладки дифференциального конденсатора запитываются противофазными прямоугольными напряжениями. Одно из этих напряжений формируется путем коммутирования выходного напряжения источника стабильного постоянного напряжения, а другое - путем коммутирования выходного напряжения источника стабильного постоянного напряжения, полярность которого инвертирована в линейном инверторе. Сигнал, снимаемый со средней обкладки дифференциального конденсатора, усиливается усилителем и выпрямляется в фазочувствительном детекторе. Напряжение с выхода фазочувствительного детектора поступает на выходные зажимы преобразователя. Кроме этого, выходное напряжение фазочувствительного детектора суммируется с выходным напряжением источника стабильного постоянного напряжения, а также суммируется с выходным напряжением источника стабильного постоянного напряжения, полярность которого инвертирована, и тем самым образуется общая обpатная отрицательная связь преобразователя. In accordance with the proposed technical solution, the extreme plates of the differential capacitor are powered by antiphase rectangular voltages. One of these voltages is generated by switching the output voltage of a stable constant voltage source, and the other by switching the output voltage of a stable constant voltage source, the polarity of which is inverted in a linear inverter. The signal taken from the middle plate of the differential capacitor is amplified by an amplifier and rectified in a phase-sensitive detector. The voltage from the output of the phase-sensitive detector is supplied to the output terminals of the converter. In addition, the output voltage of the phase-sensitive detector is summed with the output voltage of a stable constant voltage source, and it is also summed with the output voltage of a stable constant voltage source, the polarity of which is inverted, and thereby forms a common negative feedback of the converter.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается дополнительно введенными источником стабильного постоянного напряжения, генератором прямоугольного напряжения, двумя коммутаторами, а также связями между ними. Comparative analysis with the prototype shows that the inventive device is distinguished by the additionally introduced stable constant voltage source, a rectangular voltage generator, two switches, as well as the connections between them.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию "новизна". Thus, the claimed device meets the criterion of "novelty."

Проведенный обзор патентной и научно-технической литературы, а также анализ известных технических решений не позволил выявить устройства, более близкие к предлагаемому техническому решению по существенным признакам, чем прототип. The review of patent and scientific and technical literature, as well as the analysis of known technical solutions, did not allow to identify devices closer to the proposed technical solution for essential features than the prototype.

На чертеже представлена блок-схема преобразователя. The drawing shows a block diagram of a converter.

Преобразователь содержит источник 1 стабильного постоянного напряжения, линейный инвертор 2, сумматоры 3 и 4. генератор 5 прямоугольного напряжения, коммутаторы 6 и 7, диффренциальный конденсатор 8, усилитель 9, фазочувствительный детектор 10, причем выход источника 1 стабильного постоянного напряжения соединен с первым входом сумматора 3 и с входом линейного инвертора 2, выход которого соединен с первым входом сумматора 4, выходы сумматоров 3 и 4 соединены с первыми информационными входами соответствующих коммутаторов 6 и 7, вторые информационные входы которых соединены с общей шиной преобразователя, а входы управления - с опорным входом фазочувствительного детектора 10 и выходом генератора 5 прямоугольного напряжения, выходы коммутаторов 6 и 7 соединены с соответствующими крайними обкладками дифференциального конденосатора 8, средняя обкладка которого подключена к входу усилителя 9, выход которого подключен к информационному входу фазочувствительного детектора 10, выход которого подключен к выходным зажимам преобразователя и к вторым входам сумматоров 3 и 4. The converter contains a stable constant voltage source 1, a linear inverter 2, adders 3 and 4. a square voltage generator 5, switches 6 and 7, a differential capacitor 8, an amplifier 9, a phase-sensitive detector 10, and the output of a stable constant voltage source 1 is connected to the first input of the adder 3 and with the input of the linear inverter 2, the output of which is connected to the first input of the adder 4, the outputs of the adders 3 and 4 are connected to the first information inputs of the corresponding switches 6 and 7, the second information whose inputs are connected to the common bus of the converter, and the control inputs are with the reference input of the phase-sensitive detector 10 and the output of the square-wave generator 5, the outputs of the switches 6 and 7 are connected to the corresponding extreme plates of the differential condenser 8, the middle plate of which is connected to the input of the amplifier 9, the output which is connected to the information input of the phase-sensitive detector 10, the output of which is connected to the output terminals of the Converter and to the second inputs of the adders 3 and 4.

Преобразователь работает следующим образом. The converter operates as follows.

На вход коммутатора 6 через сумматор 3 подается постоянное напряжение источника 1, а на вход коммутатора 7 через сумматор 4 подается постоянное напряжение источника 1, полярность которого инвертирована в линейном инверторе 2. Коммутаторы 6 и 7 управляются прямоугольным напряжением генератора 5 и формируют на крайних обкладках дифференциального конденсатора 8 противофазные прямоугольные напряжения. На средней обкладке дифференциального конденсатора 8 появляется прямоугольное напряжение, фаза которого определяется направлением разбаланса дифференциального конденсатора 8. Это прямоугольное напряжение усиливается усилителем 9 и подается на вход фазочувствительного детектора 10, формирующего постоянное напряжение U_вых которое поступает на выход преобразователя. Напряжение U_вых также подается на вторые входы сумматоров 3 и 4 и тем самым обр азуется общая отрицательная обратная связь преобразователя (все блоки устройства охвачены общей отрицательной обратной связью). При этом для достаточно большого коэффициента усиления усилителя 9 (за счет суммирования U_вых в сумматорах 3 и 4 с выходными напряжениями источника 1 и инвертора 2) напряжение на половине дифференциального конденсатора 8 с меньшей емкостью будет увеличиваться, а напряжение на половине дифференциального конденсатора 8 с большей емкостью будет уменьшаться. В состоянии равновесия преобразователя напряжение на выходе усилителя 9 будет равно нулю, а на выходе преобразователя (на выходе фазочувствительного детектора 10) напряжение определится выражением
U_вых= U₁·

, (3) где

- коэффициент передачи ненагруженного дифференциального конденсатора, запитанного равными противофазными напряжениями;
U₁ - выходное напряжение источника 1.The input voltage of the switch 6 through the adder 3 is supplied with a constant voltage of the source 1, and the input of the switch 7 through the adder 4 is supplied with a constant voltage of the source 1, the polarity of which is inverted in the linear inverter 2.

Switches

6 and 7 are controlled by the rectangular voltage of the generator 5 and form on the extreme plates of the differential Capacitor 8 antiphase rectangular voltage. A rectangular voltage appears on the middle lining of the differential capacitor 8, the phase of which is determined by the direction of the imbalance of the differential capacitor 8. This rectangular voltage is amplified by the amplifier 9 and fed to the input of the phase-sensitive detector 10, which generates a constant voltage U _o which is supplied to the output of the converter. The voltage U _{o is} also supplied to the second inputs of the

adders

3 and 4, and thereby the overall negative feedback of the converter is formed (all units of the device are covered by the general negative feedback). Moreover, for a sufficiently large gain of the amplifier 9 (due to the summation of the _Uout in

adders

3 and 4 with the output voltages of the source 1 and inverter 2), the voltage at half of the differential capacitor 8 with a lower capacity will increase, and the voltage at half of the differential capacitor 8 with a larger capacity will decrease. In the equilibrium state of the converter, the voltage at the output of the amplifier 9 will be zero, and at the output of the converter (at the output of the phase-sensitive detector 10), the voltage is determined by the expression
U _o = U ₁

, (3) where

- transfer coefficient of an unloaded differential capacitor powered by equal antiphase voltages;
U ₁ - the output voltage of the source 1.

Как видно из выражения (3) (за счет введения общей отрицательной обратной связи в устройство), на точность преобразования информативного параметра в предложенном устройстве влияет только нестaбильность постоянного напряжения источника 1, которое стабилизировать практически достаточно просто (например, в качестве источника постоянного стабильного напряжения может быть использованы последовательно соединенные резистор и стабилитрон, подключенные к источнику питания устройства). При этом, в отличие от прототипа, нестабильности и нелинейности функции преобразования усилителя и фазочувствительного детектора не обуславливают погрешность преобразования. As can be seen from expression (3) (due to the introduction of a general negative feedback into the device), only the instability of the constant voltage of source 1 affects the accuracy of converting the informative parameter in the proposed device, which can be stabilized quite simply (for example, as a source of constant stable voltage be used in series with a resistor and a zener diode connected to the device’s power source). In this case, unlike the prototype, the instability and non-linearity of the conversion functions of the amplifier and the phase-sensitive detector do not determine the conversion error.

Экономический эффект от использования предлагаемого технического решения обусловлен повышением точности преобразования измерительных преобразователей неэлектрических величин и в денежном выражении определится при конкретном его применении. The economic effect of using the proposed technical solution is due to the increased accuracy of the conversion of measuring transducers of non-electric quantities and in monetary terms will be determined in case of its specific application.

Предлагаемое устройство предполагается применять для преобразования выходных сигналов емкостных датчиков угловых перемещений троса внешней подвески грузовых вертолетов. Информация о угловых перемещениях троса внешней подвески необходима пилоту для задания режимов полета вертолета при транспортировке грузов на внешней подвеске и проведении строительно-монтажных работ (подъем опор, установка фундаментов, раскатка проводов линий электропередачи и др. ). При этом повышение точности преобразования выходных сигналов емкостных датчиков в показания (т. е. повышение точности контроля угловых положений троса внешней подвески) позволит пилоту оптимизировать полеты вертолета и тем самым повысить эффективность строительно-монтажных работ вследствие сокращения времени монтажа и транспортирования, а также позволит повысить безопасность полетов на строительно-монтажных работах. The proposed device is intended to be used to convert the output signals of capacitive sensors of angular displacements of the cable of the external suspension of cargo helicopters. Information on the angular movements of the external suspension cable is necessary for the pilot to set the helicopter flight modes when transporting goods on the external suspension and to carry out construction and installation works (lifting supports, installing foundations, rolling out wires of power lines, etc.). At the same time, increasing the accuracy of converting the output signals of capacitive sensors into indications (i.e., increasing the accuracy of monitoring the angular positions of the external suspension cable) will allow the pilot to optimize helicopter flights and thereby increase the efficiency of construction and installation work due to reduced installation and transportation time, and will also increase flight safety at construction and installation works.

Claims

NON-ELECTRIC VALUE TRANSMITTER WITH A CAPACITIVE SENSOR, comprising a differential capacitor, first and second adders, a linear inverter, the output of which is connected to the first input of the second adder, an amplifier whose input is connected to the middle lining of the differential capacitor, a phase-sensitive detector, the output of which characterized in that a stable DC voltage source, a rectangular voltage generator, a first and second switch are introduced therein while the output of the stable constant voltage source is connected to the first input of the first adder and to the input of the linear inverter, the output of the rectangular voltage generator is connected to the control inputs of the first and second switches and to the reference input of the phase-sensitive detector, the information input of which is connected to the output of the amplifier, and the output is with second inputs of the first and second adders, the outputs of which are connected to the first inputs of the first and second switches, respectively, the second inputs of which are connected to a common hydrochloric converter, and outputs - to respectively first and second outermost electrodes of a differential capacitor.