SU824080A1 - Преобразователь малых приращений емкостиили иНдуКТиВНОСТи B КОд - Google Patents

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для точного измерения малых приращений емкости или индуктивности, а также величин, которые могут быть представлены, изменением емкости или * индуктивности, например измерение зазора, толщины покрытия, износ поверхности, вибраций, там, где требуется высокая точность при очень высокой чувствительности (до Ο,ΟΟΙΖ), особенно там, где контактные методы неприменимы, например при контроле вибраций тонкостенных конструкций.

Известен измеритель малых изменений емкости, содержащий кварцевый ге- . нератор, электронную лампу с сопротивлением и конденсатором в цепи катода и сопротивление^ в анодной цепи и колебательный контур с измеряемой емкостью, причем кварцевый генератор включен в цепь первой управляющей сетки, а колебательный контур - в цепи второй управляющей сетки. При изменении емкости контур выходит из резонанса, что приводит к изменению величины выходного напряжения, снимаемого через разделительный конденсатор с анода И·

Недостатком измерителя является низкая точность, обусловленная отсутствием коррекции изменений параметров устройства под влиянием дестабилизирующих факторов.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является преобразователь малых приращений емкости или индуктивности в напряжение, содержащий образцовый и контролируеьый элементы, подключенные через ключ к измерительному генератору, смеситель, гетеродин, частотный детектор, усилитель низкой частоты (УНЧ), индикатор и цепь автоподстройки частоты (АПЧ), содержащую дополнительный ключ, запоминающий блок, балансный усилитель, источник опорного напряжения и реактивный элемент, включенный в частотнозависимую цепь измерительно- t го генератора И·

Недостатком известного устройства является недостаточно высокая чувствительность и точность измерений малых приращений емкости или индуктивности. Недостаток точности обусловлен тем, что не все элементы схемы охвачены цепью АПЧ, и их уходы не компенсируются, невозможностью значительного увеличения коэффициента АПЧ, так как fero увеличение ведет к увеличению времени подстройки частоты и уменьшению полосы схватывания, самим методом частотной подстройки, который позволяет только уменьшить начальную расстройку до величины остаточной расстройки, а не исключить ее. Недостаток чувствительности обусловлен амплитудно-частотным методом измерения контролируемого приращения. Кроме того, быстродействие преобразователя невелико, так как длительность такта подстройки частоты генератора с целью компенсации температурно-временного дрейфа не может быть сделана малой без внесения дополнительных погрешностей в точность,измерения.

Целью изобретения является повьппение чувствительности, точности и быстродействия преобразователя малых приращений емкости или индуктивности.

Указанная цель достигается тем, что в преобразователь, содержащий образцовый> элемент^ выход которого соединен с соответствующим входом ключа, другой вход которого подсоединен к контролируемому элементу, измерительный генератор с реактивным элементом в частотозадающей цепи, смеситель, гетеродин, усилитель низкой частоты и дополнительный ключ, введены усилитель-ограничитель, фазовый детектор, фазосдвигающая цепь, частотозависимая резонансная цепь, преобразователь аналог-код, компаратор, одновибратор и интегратор, причем выход смесителя подключен к входу усилителя-ограничителя, выход которого соединен с первым входом фазового детектора непосредственно, а со вторым входом - через последовательно соединенные фазосдвигающую цепь й частотозависимую резонансную цепь, выход фазового детектора подключен к входу усилителянизкой частота, выход которого соединен с одним из входов преобразователя аналог-код, со входом дополнительного ключа и с одним из входов, компаратора, другой вход которого соединен с общей шиной, а выход - со входом одновибратора, выход которого соединен с управляющим входом ключа, 5 с управляющим входом преобразователя аналог-код и с управляющим входом дополнительного ключа, выход которого через дополнительный ключ и интегратор соединен с реактивным элементом.

На чертеже представлена структурная электрическая схема преобразователя малых приращений емкости или индуктивности в код.

Преобразователь содержит образцо15 вый элемент 1 и контролируемый элемент 2, подключенные через ключ 3 ко входу генератора 4, к другому входу которого подключен реактивный элемент . 5. Выход генератора 4 подключен к пер₂₀ вому входу смесителя 6, ко второму входу которого подключен гетеродин 7. Выход смесителя 6 подключен ко входу усилителя-ограничителя 8, выход которого соединен с первым входом фазово₂₅ го детектора 9 и через фазосдвигающую цепочку 10 - с частотозависимой резонансной цепью (ЧРЦ) 11. Выход последней соединен со вторым входом фазового детектора 9. Выход фазового ₃₀ детектора 9 подсоединен ко входу усилителя 12 низкой частоты, выход которого соединен с преобразователем 13 аналог-код, первым входом компаратора 14, второй вход которого соединен с общей шиной, и входом допол³⁵ нительного ключа 15. Выход компаратора 14 соединен со входом одновибратора 16. Выход компаратора 14 соединен со входом одновибратора 16. Выход последнего соединен с управляю⁴⁰ щими входами ключа 3, дополнительного ключа 15 и преобразователя 13 аналог-код. Выход дополнительного ключа 15 подключен ко входу интегратора 17, выход которого соединен со вхо⁴⁵ дом реактивного элемента 5.

Процесс измерения малых приращений емкости или индуктивности складывается из двух тактов.

В первом такте через ключ 3 к час50 _Тотозадающей цепи генератора 4 подключается образцовый элемент 1 и производится компенсация уходов всех элементов схемы преобразователя, т.е. с помощью обратной связи, состоящей ⁵⁵ из дополнительного ключа 15, интегратора 17 и реактивного элемента 5, восстанавливается такая частота генератора 4, при которой на выходе ^{5 8} усилителя 12 низкой частоты устанавливается напряжение, равное нулю.

Выходное напряжение фазового детектора усиливается в усилителе 12 низкой частоты и суммируется в интеграторе 17. Выходное напряжение последнего, воздействуя на реактивный элемент 5, восстанавливает необходимую частоту генератора 4. Частотозависимая резонансная цепь 11 рассчитывается совместно с образцовым элементом 1 так, чтобы в первоначальмлй момент времени вывести реактивный элемент 5 на середину его характеристики.

Как только компенсируется темпера’4080 6 родина 7. Частота, равная разности этих частот, усиливается и ограничи- ’ вается по амплитуде в усилителе-ограничителе 8. С выхода усипителя-ог₅ раничителя 8 сигнал подается на первый вход фазового детектора 9 и через Фазосдвигающую цепь 10 - на вход частотно-резонансной цепи I I.

Комплексный коэффициент передачи частотно-резонансной цепи 11 меняется в соответствии с изменением частоты, поступающей на ее вход относительно частоты ее резонанса.

С выхода этой цепи сигнал пост»'₅ пает на второй вход фазового детекто-ра 9. На его выходе присутствует сигтурно-временной дрейф параметров элементов устройства, т.е. частотно-резонансная цепь I 1 будет настроена в резонанс, на выходе усилителя низкой ₂₀ ^частоты 12 установится напряжение, равное нулю, срабатывает компаратор 14. На этом заканчивается первый такт. Длительность первого такта зависит от величины уходов параметров элементов схеьы и скорости отработки этих уходов цепью обратной связи. Это время можно» сделать сколь угодно малым, увеличивая суммарный коэффициент усиления тракта подстройки. Автоколебательный режим цепи обратной связи устраняется присутствием компаратора 14, который, сработав, запускает одновибратор

16. Импульс одновибратора 16 с помощью дополнительного ключа 15 отключает цепь обратной связи, и интегратор 17 запоминает величину компенсирующего воздействия на время действия второго такта измерения.

Время второго такта (такта непосредственного измерения контролируемо- го приращения) равно длительности импульса одновибратора 16. Длительность этого импульса определяется в основном быстродействием преобразователя 13 аналог-код.

нал,равный произведению сигналов, поступивших на его входы с учетом сдвига фаз между ними.

Напряжение на выходе фазового детектора 9 определяется по формуле ^иеых^{= К U}* ' ^U2 ^cos(i> ’ где U4 - амплитуда сигнала на первом входе ФД;

U2 - амплитуда сигнала на втором входе ФД, т.е. на вьГходе ЧРЦ н;

(р - сдвиг фаз на его входах, т.е. суммарный сдвиг фазы на ФЦ 10 и ЧРЦ 11;

К - коэффициент пропорциональности, учитывающий особенности ФД 9.

Сигнал с выхода фазового детектора 9 усиливается в усилителе 12 низкой частоты и преобразуется в преобразователе 13 аналог-код в код, соответствующий измеряемому прираще нию.

Таким образом, в устройстве реализовано извлечение информации об изменении частоты, а следовательно, об изменении емкости или индуктивности.

Импульс одновибратора 16 также подается на управляющие входы ключа 3 и преобразователя 13 аналог-код. Ключ 3 подключает на время действия этого импульса к частотозадающей цепи генератора 4 контролируем^ элемент 2, при этом изменяется частота генератора 4 в соответствии с величиной измеряемого приращения емкости или индуктивности отйосительно образцового элемента 1. Сигнал от генератора 4 подается на первый вход смесителя 6, на второй его вход подается сигнал гетеВ качестве частотно-резонансной цепи 1 I можно применять как пассивные цепи (например одиночный или систе_и му связанных контуров 2Т-мост), так и активные цепи, например резонасный усилитель. Применение последовательно соединенных пассивных и активных резонансных элементов в качестве час$$ тотно-резонансной цепи 11 позволяет получить сколь угодно высокую чувствительность к изменению частоты генератора 4, т.е.*к измеряемому приращению индуктивности или емкости.

Ί

Claims (2)

1. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МАЛЫХ ПРИРАЩЕНИЙ ЕМКОСТИ ШШ ИНДУКТИВНОСТИ В КОД частотнозависимую цепь измерительно«го генератора 2. Недостатком известного устройства  вл етс  недостаточно высока  чувствительность и точность измерений малых приращений емкости или индуктивности . Недостаток точности обусловлен тем, что не все элементы схемы охвачены цепью АПЧ, и их уходы не компенсируютс , невозможностью значительного увеличени  коэффициента АПЧ, так как fero увеличение ведет к увеличению времени подстройки частоть и уменьшению полосы схватывани , самим методом частотной подстройки, который позвол ет только уменьшить начальную расстройку до величины остаточной расстройки, а не исключить ее. Недостаток чувствительности обусловлен амплитудно-частотным методом измерени  контролируемого приращени  Кроме того, & 1стродействие преобразовател  невелико, так как длительность такта подстройки частоты генератора с целью компенсации т.емпературно-временного дрейфа не может быть сделана малой без внесени  дополнительных пог решностег в точность,измерени . Целью изобретени   вл етс  повьппе - ние чувствительности, точности и быст родействи  преобразовател  малых приращений емкости или индуктивности. Указанна  цель достигаетс  тем, что в преобразователь, содержащий образцовый элемент выход которого соединен с соответствующим входом ключа другой вход которого подсоединен к контролируемому элементу, измерительный генератор с реактивным элементом в частотозадающей цепи, смеситель, гетеродин, усилитель низкой частоты и дополнительный ключ, введены усилитель-огра:а1читель , фазовый детекто фазосдвигающа  цепь, частотозависима  резонансна  цепь, преобразовател аналог код, компаратор, одновибратор и интегратор, причем выход смесител  подключен к входу усилител -ограничител , выход которого соединен с пе вым входом фазового детектора непосредственно , а со вторым входом - через последовательно соединенные фазо сдвигающую цепь и частотозависимую резонансную цепь, выход фазового детактора подключен к входу усилител низкой часто1Ъ(, выход которого соеди нен с одним из входов преобразовател  аналог-код, со входом дополнитель ного ключа и с одним из входоп. комаратора , другой вход которого соединен с общей шиной, а выход - со вхоом одновибратора, выход которого оединен с управл ющим входом ключа, с управл ющим входом преобразовател  аналог-код и с управл ющим входом дополнительного ключа, выход которого через дополнительный ключ и интегратор соединен с реактивным элементом. На чертеже представлена структурна  электрическа  схема преобразовател  малых приращений емкости или индуктивности в код. Преобразователь содержит образцовый элемент 1 и контролируемый элемент 2, подключенные через ключ 3 ко входу генератора 4, к другому входу которого подключен реактивный элемент . 5. Выход генератора 4 подключен к первому входу смесител  6, ко второму входу которого подключен гетеродин 7. Выход смесител  6 подключен ко входу усилител -ограничител  8, выход которого соединен с первым входом фазового детектора 9 и через фазосдвигаю- щую цепочку 10 - с частотозависимой резонансной цепью (ЧРЦ) 11. Выход последней соединен со вторым входом фазового детектора 9. Выход фазового детектора 9 подсоединен ко входу усилител  12 .низкой частоты, выход которого соединен с преобразователем 13 аналог-код, первым входом компаратора 14, второй вход которого соединен с общей шиной, и входом дополнительного ключа 15. Выход компаратора 14 соединен со входом одновибратора 16. Выход компаратора 14 соединен со входом одновибратора 16. Выход последнего соединен с управл ющими входами ключа 3, дополнительного ключа 15 и преобразовател  13 аналог-код . Выход дополнительного ключа 15 подключен ко входу интегратора 17, выход которого соединен со входом реактивного элемента 5. Процесс измерени  малых приращений емкости или индуктивности складываетс  из двух тактов. В первом такте через ключ 3 к частотозадающей цепи генера-гора 4 подключаетс  образцовый элемент 1 и производитс  компенсаци  уходов всех элементов схемы преобразовател , т.е. с помощью обратной св зи, состо щей из дополнительного ключа 15, интег- ратора 17 и реактивного элемента 5, восстанавливаетс  така  частота генератора 4, при которой на выходе усилител  12 низкой частоты устанавл ваетс  напр жение, равное нулю. R rxoflHoe напр жение фазового детектора усиливаетс  в усилителе 12 низкой .частоты и суммируетс  в интег раторе 17. Выходное напр жение последнего , воздейству  на реактивный элемент 5, восстанавливает необходимую частоту генератора 4. Частотозависима  резонансна  цепь 11 рассчиты ваетс  совместно с образцовым элементом 1 так, чтобы в первоначальгаай момент времени вывести реактивный элемент 5 на середину его характерис тики. . Как только компенсируетс  температурно-временной дрейф параметров элементов устройства, т.е. частотно-резонансна  цепь II будет настроена в резонанс, на выходе усилител  низкой .частоты 12 установитс  напр жение, равное нулю, срабатывает компаратор 14. На этом заканчиваетс  первый такт Длительность первого такта зависит о величины уходов параметров элементов схеьы и скорости отработки этих уход цепью обратной св зи. Это врем  можн сделать сколь угодно малым, увеличива  суммарный коэффициент усилени  тракта подстройки. Автоколебательный режим цепи обратной св зи устран етс  присутствием компаратора 14, который , сработав, запускает одновибратор 16. Импульс одновибратора 16 с помощью дополнительного ключа 15 отключает цепь обратной св зи, и интегратор 17 запоминает величину компенси рующего воздействи  на врем  действи  второго такта измерени . Врем  второго такта (такта непосредственного измерени  контролируемого приращени ) равно длительности импульса одновибратора 16. Длительность этого импульса определ етс  в основном быстродействием преобразовател  аналог-код. Импульс одновибратора 16 также подаетс  на управл ющие входы ключа 3 и преобразовател  13 аналог-код. Кпюч 3 подключает на врем  действи  этого импульса к частотозадакнцей цепи генератора 4 контролируе(Ф1Й элемент 2, при этом измен етс  частота генератора 4 в соответствии с величиной измер емого приращени  емкости илк индуктивности отйосительно образцового элемента 1. Сигнал от генератора 4 по даетс  на первый вход смесител  6, на второй его вход подаетс  сигнал гетеродина 7. Частота, равна  разности этих частот, усиливаетс  и ограничиваетс  по амплитуде в усилителе-ограничителе 8. С выхода усилител -ограничител  8 сигнал подаетс  на первый вход фазового детектора 9 и через ц азосдвигающую цепь 10 - на вход частотно-резонансной цепи 11. Комплексный коэффициент передачи частотно-резонансной цепи 11 мен етс  в соответствии с изменением частоты , поступающей на ее вход-относительно частоты ее резонанса. С выхода этой цепи сигнал пост гпает на второй вход фазового детекто-ра 9. На его выходе присутствует сигнал , равный произведению сигналов, поступивших на его входы с учетом сдвига фаз между ними. Напр жение на выходе фазового детектора У определ етс  по формуле к и. и. ц и COS(j , где и - амплитуда сигнала на первом входе ФД и 2 - амплитуда сигнала на втором входе ФД, т.е. на вьГходе ЧРЦ И; сдвиг фаз на его входах, т.е. суммарньй сдвиг фазы на ФЦ 10 и ЧРЦ 11; коэффициент пропорциональности , учитывающий особенности ФД 9. Сигнал с выхода фазового детекора 9 усиливаетс  в усилителе I2 изкой частоты и преобразуетс  в пребразователе 13 аналог-код в код, оответствующий измер емому приращеию . Таким образом, в устройстве реаизовано извлечение информации об изенении частоты, а следовательно, б изменении емкости или индуктивости . В качестве частотно-резонансной цеи 1I можно примен ть как пассивные еш: (например одиночный или систеу св занных контуров 2Т-мост), так активные цепи, например резонасный силитель. Применение последовательо соединенных пассивных и активных езонансных элементов в качестве часотно-резонансной цепи 11 позвол ет олучить сколь угодно высокую чувстительность к изменению частоты генеатора 4, Т.е.к измер емому прираению индуктивности или емкости. 7 Формула изобретени  Преобразователь малых приращений емкости или индуктивности в код, содержащий образцовый элемент выход которого соединен с одним из входов ключа, другой вхоД которого соединен с зажимами дл  подключени  контролируемого элемента, а выход - к первом входу генератора, второй вход послед него соединен с реактивным элементом а выход - с одним из входов смесител , другой вход которого соединен с а ходом гетеродина, усилитель низкой частоты и дополнительный ключ, отличающийс  тем, что, с целью повышени  чувствительности и точности, в него введены усилитель-о раничитель, -фазовый детектор, фазосдвигаюиа гцепЬ , частотозависима,  резонансна  ЦЕПЬ, преобразователь аналог-код, компаратор, одновибратор причем выход смесител  подключен к входу усипитбл -ограинчител , выход которого соединен с первым входом 08 фазового детектора непосредственно, а со вторым входом - через последовательно соединенные фазосдвигающую цепь и частотозависимую резонансную цепь, выход фазового детектора подключен ко входу усилител  низкой частоты , выход которого соединен с одним из входов преобразовател  аналогкод , со входом дополнительного ключа и с одним из входов компаратора, другой вход последнего соединен с общей шиной, а выход - со входом одновибратора , выход которого соединен с управл ющими входами ключа, дополнительного ключа и преобразовател  аналог-код , выход преобразовател  аналог-код через дополнительный ключ и интегратор соединен с реактивным элементом . Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 355395, кл. G 01 R 27/26, 1972.
2. 2.Авторское свидетельство СССР № 579589, кл. G 01 R 27/26, Ol.03.76i

   2

   j