SU1205066A1 - Емкостной измерительный преобразователь - Google Patents

Description

f

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  построени  средств измерени  физических величин с помощью емкостных датчиков.

Целью изобретени   вл етс  повышение быстродействи  преобразовате-, л .

На фиг.1 приведена схема предлагаемого преобразовател ; на фиг.2 - схема примера выполнени .

Емкостной измерительный преобразователь содержит четыре ключевых элемента 1-4 образующих мостовую цепь, два конденсатора 5 и 6, ге °нератор 7 импульсов, конденсатор 8 св зи, операционньй усилитель 9, источник 10 посто нного опорного напр жени  и двухпозиционный переключатель 11. Конденсаторы 5 и 6 включены во вторую диагональ мостовой цепи. Конденсатор 8 св зи включен между выходом и инвертирующим входом операционного усилител  9, неинвертирующий вход которого и общие выводы конденсаторов 5 и 6 соединены с общей шиной. Средний вывод дзухпози- ционнох о переключател  11 соединен с первой.вершиной первой диагонали мостовой цепи, втора  вершина которой соединена с инвертирующим входом операционного усилител  9. Крайние выводы двухпозиционного переключател  11 соединены с источником 10 посто нного опорного напр жени  и выходом опе рационного усилител ,9. Выход генератора 7 импульсов соединен с управл ющим входом двухпозиционного переключател  11. На фиг.1 и 2 пунктирной линией показана емкость 12 линии св зи.

Емкостной измерительный преобра-- зователь работает следующим образом.

При скачкообразном изменении емкости конденсатора 5 или 6 выходное напр жение преобразовател  устанавливаетс  через некоторое число тактов коммутации переключател  11. Пусть в i-M такте коммутации положение двухпозиционного переключател  11 соо тветствуёт показанному на фиг.1. При зтом замкнуты ключи 2 и 3 а ключи 1 и 4 разомкнуты. Конденсато 6 зар жаетс  до значений выходного напр жени  U источника 10 опорного напр жени . Конденсатор 5, подключенный в этом случае к входам операционного усилител  9, разр жаетс , пере

10

050662

дава  в конденсатор 8 св зи, включенный в цепь отрицательной св зи операционного усилител  9. Передача зар да происходит практически полностью, так как потенциал инвертирующего входа операционного усилител  9 близок к нулю вследствие большого значени  его коэффициента усилени . Напр жение на выходе операционного усилител  9 в i-м такте,коммутации ,определ етс  зар дом на конденсаторе 8 св зи в ( i-1 ) - м такте и зар дом переданным с конденсатора 5 в i - м такте. Дл  выходного напр жени  5 преобразовател ,3 этом случае можно написать

Ur-u,,,-u,:,-;, с)

где и. - напр жение на выход;е преобразовател  (операционного усилител  9) в (i-1) - м такте.

Конденсатор 5 в (i-1) - м такте также зар жен до напр жени  Ui; , Следовательно, в 1 - м такте часть выходного напр жени , обусловленна  передачей зар да с этого конденсатора , определ етс  как U Знак - перед этим выражением в равенстве (1) объ сн етс  тем, что операционный усилитель 9 используетс  в инвертирующей схеме включени .

В (i-f-1) - м такте положение двухпозиционного переключател  11 и ключей 1-4 измен етс  на противополож- 35 ное. При этом к входу операционного усилител  9 подключаетс  конденсатор 6, зар женный в предьщущем такте до напр жени  U . Выходное напр жение устройства в (1+1) - м также определ етс  как

2й

25

30

40

+ Uo

Сб

с 8

(2)

45

Дл  (i+2) - го такта справедливо равенство

11. . i I. 11 Cs

.-

(3)

50

Подставл   равенство (2) в уравнение (3), а (1) в (2) получим два разностных уравнени :

Ui z t cO-S Ull Jl6.| i 5

Cs - Ci

(4)

eg

ии..инО-Й)и

3

в которых функционально св заны значени  выходного напр жени  в дв последовательных одноименных такта Под одноименными тактами понимаютс Состо ни  преобразовател  с одинаковым положением ключей 1-4 и двух позиционного переключател  11. Решение разностных уравнений при нулевых начальных услови х и скачкообразном изменении емкости имеет вид

UCH) Uo H-0-|f) (5)

u (H) Ue||(.)bJ

и(п) - выходное напр жение устройства в функции, от номера такта коммутации п начина  с момента изменени  емкости дл  положени  ключей, показанного на фиг.1;

и (п) аналогична  зависимость дл  противоположного состо ни  ключей. 1Сак видно из уравнений (5) и (6),

при выполнении услови 

-HI

установившиес  значени  напрйжени  при определ ютс  как

6ьгх о i

fT)

,

to

15

Дл  преобразовани  параметров емкостных датчиков целесообразно использовать зависимость /7). Из сравнени  уравнений (7) и (8) следует, что , I lUfyx ( Поэтому выходным сигналрм преоб{)азовател   вл етс  амплитудное значение выходного напр жени .

Длительность переходного процесса при скачкообразном изменении преобразуемой емкости, т.е. быстродейстие, определ етс  выражением в квадратных скобках, вход щим в (5). Погрешность установлени  выходного напр жени  определ етс  как

5.и(н)-(7в,х /ивых

20

или с учетом (5) и (7)

(91

5

Количество тактов коммутации, необходимое дл  установлени  выходного напр жени  с заданной динамической погрешностью, определ етс  из (9) как

h fg

«(-fl

(10)

Емкость 12 линии св зи оказываетс  разв занной от конденсатора 8 св зи операционным усилителем 9. Поскольку емкость линии св зи включена между общим проводом и инвертирующим входом операционного усилител  9, потенциал которого близок к нулю, то она практи- не Вли ет на статические к ,цн н мические характеристики устройств а.

itix

иг.2

ВНИИПИ Заказ 8323/47 Тираж 747 Подписное Филиал ГОШ Патент, г.Ужгород, ул.Проектна , 4

Claims (1)

1. ЕМКОСТНОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий источник постоянного опорного напряжения, генератор импульсов, мостовую цепь, состоящую из четырех ключевых элементов, управляющие входы которых соединены с первой вершиной первой диагонали мостовой цепи, два последовательно соединенных конденсатора, один из которых является емкостным датчиком, включенных- во вторую диа- гональ мостовой цепи, причем общие выводы конденсаторов соединены с общей шиной, а вторая вершина первой диагонали мостовой цепи соединена с первым выводом конденсатора связи, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, в преобразователь введены операционный усилитель и двухпозиционный ключ, управляющий вход которого соединен с выходом генератора импульсов, е средний вывод двухпозиционного ключа соединен с первой вершиной первой диагонали мостовой цепи, а крайние _β выводы соединены соответственно с S источником постоянного опорного напряжения и выходом операционного усилителя, являющегося выходом преобразователя, который соединен с вторым выводом конденсатора связи, первый вывод которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной.

   >

   предлафиг.2 пре1