RU2795381C1 - Способ определения емкости датчика и измерительная цепь для его осуществления - Google Patents

Способ определения емкости датчика и измерительная цепь для его осуществления Download PDF

Info

Publication number
RU2795381C1
RU2795381C1 RU2022123517A RU2022123517A RU2795381C1 RU 2795381 C1 RU2795381 C1 RU 2795381C1 RU 2022123517 A RU2022123517 A RU 2022123517A RU 2022123517 A RU2022123517 A RU 2022123517A RU 2795381 C1 RU2795381 C1 RU 2795381C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
measured
capacitance
sensor
amplifier
cycle
Prior art date
Application number
RU2022123517A
Other languages
English (en)
Inventor
Василий Николаевич Ашанин
Сергей Евгеньевич Ларкин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный университет"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный университет"
Application granted granted Critical
Publication of RU2795381C1 publication Critical patent/RU2795381C1/ru

Links

Images

Abstract

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а именно к способам для измерения емкости датчика. Способ определения емкости датчика заключается в формировании двух гармонических напряжений на измеряемой и образцовой емкостях датчика, сдвинутых относительно друг друга на 90°. Компенсацию погрешности от конечности комплексного коэффициента усиления усилителя выполняют путем измерения двух входных напряжений, подаваемых на емкости, при равенстве нулю выходного напряжения усилителя, причем такие измерения проводятся дважды с переключением во втором такте входных напряжений с измеряемой емкости на образцовую, а с образцовой на измеряемую, а числовое значение измеряемой емкости определяется по результатам полученных значений напряжений по одному из следующих выражений:
Figure 00000042
или
Figure 00000043
,
где U 1, U 2 – мнимые составляющие напряжений на измеряемой и опорной емкостях в первом такте при фазе ωt 1; U 3, U 4 – мнимые составляющие напряжений на измеряемой и опорной емкостях во втором такте при фазе ωt 2;
Figure 00000044
,
Figure 00000045
– измеряемая и опорная емкости. Устройство для измерения построено на базе блока формирования гармонических напряжений, микроконтроллера и операционного усилителя. Технический результат при осуществлении изобретения - повышение точности измерений. 2 ил.

Description

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а именно к определению емкости емкостного датчика и может быть использовано для преобразования параметров емкостных датчиков в код.
Ожидаемый технический результат при осуществлении изобретения – повышение точности определения емкости емкостного датчика, достигается формированием двух гармонических напряжений на измеряемой и образцовой емкостях датчика, сдвинутых относительно друг друга на 90 градусов, измерении их значений при равенстве нулю выходного напряжения усилителя, причем такие измерения проводятся дважды с переключением во втором такте входных напряжений с измеряемой емкости на образцовую, а с образцовой на измеряемую, а числовое значение измеряемой емкости определяется по результатам полученных значений напряжений.
Известен преобразователь информативного параметра емкостного датчика, в котором для повышения точности преобразования информативного параметра осуществляют два последовательных такта измерения [1]. В первом такте к входу усилителя подключена опорная емкость, на которую от первой обмотки трансформатора подается синусоидальное напряжение и выходное напряжение усилителя пропорционально опорной емкости. Во втором такте к входу усилителя подключается так же измеряемая емкость, на которую от второй обмотки трансформатора подается противофазное синусоидальное напряжение. В данном случае напряжение на выходе усилителя определяется разностью измеряемой и опорной емкостей датчика. Повышение точности преобразования информативного параметра достигается путем логометрической коррекции от результата деления данных напряжений.
К недостаткам аналога относится неполная коррекция погрешности преобразования, а лишь ее снижение вследствие предлагаемого алгоритма. Кроме того, учитывая комплексное значения коэффициента усиления усилителя погрешность преобразования является так же комплексной величиной, и использование предложенного алгоритма является неэффективным для коррекции комплексной погрешности преобразования.
Наиболее близким по техническому существу и достигаемому положительному эффекту к заявляемому способу является преобразователь емкости датчика в частоту, в котором на измеряемую и образцовую емкости датчика, подключенные к входу усилителя, подаются гармонические напряжения, сдвинутые друг относительно друга на 90 градусов [2]. Синфазный и квадратурный фазочувствительные выпрямители выделяют действительную и мнимую составляющие выходного напряжения усилителя, а по сигналу с выхода схемы сравнения изменяется частота генератора до тех пор, пока эти составляющие не станут равны. Значение частоты на выходе генератора зависит от постоянной времени используемого фазовращателя, измеряемой и образцовой емкостей датчика.
Использование прототипа не позволяет скорректировать погрешность преобразования в случае комплексного значения коэффициента усиления используемого операционного усилителя (ОУ). Как известно, в активной полосе частот начиная с нескольких десятков герц и вплоть до частоты единичного усиления f 1 логарифмическая амплитудно-частотная характеристика операционного усилителя имеет спад -6 дБ/октава (или -20 дБ/декада), а следовательно, коэффициент усиления является чисто мнимой величиной и рассчитывается из выражения
Figure 00000001
Модуль коэффициента усиления ОУ равен
Figure 00000002
Figure 00000003
- рабочая частота.
С учетом сказанного, исходное уравнение для расчета выходной частоты генератора прототипа, без учета емкости кабеля связи, будет иметь вид
Figure 00000004
где
Figure 00000005
– измеряемая и образцовая емкости датчика,
Figure 00000006
– сопротивление обратной связи усилителя, U о – комплексное действующее значение опорного напряжения, U 1 – комплексное действующее значение выходного напряжения усилителя.
Откуда частота выходного напряжения генератора определяется выражением
Figure 00000007
Здесь
Figure 00000008
погрешность преобразователя емкости датчика в частоту
Figure 00000009
которая зависит от рабочей частоты и коэффициента усиления используемого ОУ.
Следовательно, использование прототипа не позволяет скорректировать погрешность преобразования в случае комплексного значения коэффициента усиления используемого ОУ. Кроме того, наличие обратной связи требует настройки преобразователя и дополнительного времени на перестройку частоты для обеспечения равенства синфазной и квадратурной составляющих выходного напряжения усилителя.
Целью предлагаемого способа определения емкости датчика является повышение точности, заключающееся в возможности определения измеряемой емкости датчика при использовании схемы прямого преобразования на любой рабочей частоте.
Это достигается за счет того, что в известном преобразователе емкости датчика в частоту формируются два гармонических напряжения на измеряемой и образцовой емкостях датчика, сдвинутых относительно друг друга на 90 градусов, но в отличии от прототипа осуществляют измерения этих напряжений при равенстве нулю выходного напряжения усилителя, причем такие измерения проводятся дважды с переключением во втором такте входных напряжений с измеряемой емкости на образцовую, а с образцовой на измеряемую, а числовое значение измеряемой емкости определяется по результатам полученных значений напряжений.
Совокупность признаков, позволяющая в заявляемом способе использовать двухтактные измерения подаваемых напряжений при их переключении и равенстве нулю выходного напряжения усилителя, позволяют, в отличие от прототипа, получить существенные преимущества в компенсации погрешности определения емкости датчика.
При практической реализации заявляемого способа предложено процедуры измерения входных напряжений и определение емкости датчика осуществлять на основе микроконтроллера. Последний также управляет всеми режимами работы: процессом формирования двух гармонических напряжений и их переключением; определением моментов времени измерения напряжений, а также расчетом измеряемой емкости датчика по заданному алгоритму.
На фиг.1 приведена схема измерительной цепи, к которой подключается емкостной датчик. Здесь: БФН – блок формирования гармонических напряжений, У – усилитель, выполненный на базе ОУ , МК – микроконтроллер.
Рассмотрим реализацию способа. Прежде всего МК обеспечивает в первом такте работы формирование на выходе БФН двух комплексных напряжений
Figure 00000010
и
Figure 00000011
на измеряемой
Figure 00000012
и опорной
Figure 00000013
емкостях датчика соответственно.
Figure 00000014
Figure 00000015
,
где
Figure 00000016
– амплитудное значение напряжений
Figure 00000010
и
Figure 00000011
.
При формировании указанных напряжений осуществляется фазовое управление по шине управления изменением напряжений на выходе БФН. Выходное напряжение ОУ может быть найдено из системы уравнений
Figure 00000017
Подставим второе уравнение системы (2) в первое и учтем, что коэффициент усиления имеет комплексное значение согласно уравнению (1)
Figure 00000018
где:
Figure 00000019
Figure 00000020
После преобразования выходное напряжение усилителя может быть найдено из выражения
Figure 00000021
Здесь:
Figure 00000022
Figure 00000023
.
После этого производится измерение входных напряжений, поступающих на
Figure 00000012
и
Figure 00000013
, которые так же подаются на входы аналого-цифрового преобразователя AD0 и AD1 микроконтроллера. При этом указанные измерения проводятся при равенстве нулю выходного напряжения усилителя, что фиксируется встроенным в МК компаратором, на один из выводов которого AIN1 подается напряжение с выхода усилителя, а другой – AIN0 соединен с общим проводом, имеющим нулевой потенциал. На фиг 2, а проиллюстрирована векторная диаграмма для данного случая
Figure 00000024
. Анализ векторной диаграммы (фиг.2, а) показывает, что выполняется равенство отрезков, отсекаемых на мнимой оси составляющими выходного напряжения и справедливо выражение
Figure 00000025
где:
Figure 00000026
Figure 00000027
,
U 1, U 2 – мнимые составляющие напряжений на измеряемой и опорной емкостях в первом такте при фазе ɷt 1.
После этого производится переключение подаваемых напряжений и на
Figure 00000012
будет подаваться
Figure 00000011
, а на
Figure 00000013
–
Figure 00000010
. После чего производится повторное измерение входных напряжений при нулевом напряжении с выхода усилителя. Фаза при этом будет иной и равной
Figure 00000028
. Анализ векторной диаграммы на фиг.2, б показывает, что для данного случая будет справедливо следующее выражение
Figure 00000029
где:
Figure 00000030
,
Figure 00000031
U 3, U 4 – мнимые составляющие напряжений на измеряемой и опорной емкостях во втором такте при фазе ɷt 2.
Числовое значение емкости датчика определяется из решения системы уравнений (3) и (4) по одному из следующих выражений
Figure 00000032
или
Figure 00000033
Для подтверждения заявляемого свойства предложенного способа преобразования в программе Mathcad было проведено моделирование процесса преобразования. Результаты приведены ниже.
Figure 00000034
Figure 00000035
Figure 00000036
Figure 00000037
Figure 00000038
Источники информации
1. Патент РФ на изобретение №1822986, кл. G 01 R 27/26, опубл. 23.06.1993.
2. Патент РФ на изобретение №1827647, кл. G 01 R 27/26, опубл. 15.07.1993.

Claims (3)

  1. Способ определения емкости датчика, заключающийся в формировании двух гармонических напряжений на измеряемой и образцовой емкостях датчика, сдвинутых относительно друг друга на 90°, отличающийся тем, что выполняют компенсацию погрешности от конечности комплексного коэффициента усиления усилителя, для чего осуществляют измерения двух входных напряжений, подаваемых на емкости, при равенстве нулю выходного напряжения усилителя, причем такие измерения проводятся дважды с переключением во втором такте входных напряжений с измеряемой емкости на образцовую, а с образцовой на измеряемую, а числовое значение измеряемой емкости определяется по результатам полученных значений напряжений по одному из следующих выражений:
  2. Figure 00000039
  3. где U 1, U 2 – мнимые составляющие напряжений на измеряемой и опорной емкостях в первом такте при фазе
    Figure 00000040
    ; U 3, U 4 – мнимые составляющие напряжений на измеряемой и опорной емкостях во втором такте при фазе
    Figure 00000041
    ; Сx, C0 – измеряемая и опорная емкости.
RU2022123517A 2022-09-02 Способ определения емкости датчика и измерительная цепь для его осуществления RU2795381C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2795381C1 true RU2795381C1 (ru) 2023-05-03

Family

ID=

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2032873C (en) * 1990-12-20 1997-09-30 Manuel Pedrosa Capacitive gauge
JP2014163850A (ja) * 2013-02-26 2014-09-08 Sharp Corp 対地静電容量推定回路、集積回路、電子機器、および対地静電容量推定回路の制御方法
JP2014163849A (ja) * 2013-02-26 2014-09-08 Sharp Corp 静電容量推定回路、集積回路、電子機器、および静電容量推定回路の制御方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2032873C (en) * 1990-12-20 1997-09-30 Manuel Pedrosa Capacitive gauge
JP2014163850A (ja) * 2013-02-26 2014-09-08 Sharp Corp 対地静電容量推定回路、集積回路、電子機器、および対地静電容量推定回路の制御方法
JP2014163849A (ja) * 2013-02-26 2014-09-08 Sharp Corp 静電容量推定回路、集積回路、電子機器、および静電容量推定回路の制御方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110632387B (zh) 一种基于交流量子电压的谐波电压测量方法
CN110865238B (zh) 一种基于准谐波模型采样算法的交流电阻测量方法及装置
Rybski et al. Impedance comparison using unbalanced bridge with digital sine wave voltage sources
JPH06273458A (ja) 電力測定装置および方法
RU2795381C1 (ru) Способ определения емкости датчика и измерительная цепь для его осуществления
Muciek Digital impedance bridge based on a two-phase generator
US8274414B2 (en) Signal amplitude adjustment to improve resolver-to-digital converter performance
Tzvetkov et al. Calibration of power quality analyzers on total harmonic distortion by standard periodic non-harmonic signals
RU2262668C2 (ru) Устройство для измерения уровня диэлектрического вещества
Das et al. Noniterative digital AC bridge balance
CN111551785B (zh) 基于无迹卡尔曼滤波的频率与谐波检测方法
RU2714591C1 (ru) Гибридный способ измерения углового положения
Crotti et al. Frequency calibration of voltage transformers by digital capacitance bridge
RU2262115C2 (ru) Устройство для определения параметров двухполюсника
Gallo et al. A voltage transducer for electrical grid disturbance monitoring over a wide frequency range
Melnyk et al. OPTIMIZATION OF BALANCING IN A BRIDGE MEASURING CIRCUIT WITH A DIFFERENTIAL CONDUCTOMETRIC SENSOR.
RU2770299C1 (ru) Способ определения параметров трехэлементного резонансного двухполюсника и измерительная цепь для его осуществления
SU949539A1 (ru) Измеритель сопротивлений кондуктометрических датчиков
RU2120623C1 (ru) Емкостный экспресс-влагомер
CN115363557B (zh) 基于任意波形与数字相敏解调的多频电阻抗测量方法
CN110865577B (zh) 一种用于交流电阻校准的数字采样方法及装置
Ida et al. Fast balancing method for an AC bridge based on a novel phase matching technique
RU2499232C1 (ru) Устройство для измерения уровня диэлектрического вещества
Burbelo Universal quasi-balanced bridges for measuring the parameters of four-element two-terminal networks
Crotti et al. Compensation of Complex Frequency Errors of Voltage Instrument Transformers