SU883796A1 - Устройство дл измерени емкости или индуктивности - Google Patents

Description

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЕМКОСТИ ИЛИ ИНДУКТИВНОСТИ

I

Изобретение относитс  к иэмбрительной технике, а именно к частотньм методам измерений, основанным на преобразовании физической величины в частоту переменного тока, а частоты в цифровой эквивалент с применением структурных методов коррекции погрешностей , может быть использовано дл  преобразовани  в цифровой код емкости или индуктивности, различных незлектрическик величин с помощью емкостгаос или индуктивных датчиков, например перемещений зазоров, влажности и т.п. а также при построении информационноизмерительных систем, предназначенных дл  автоматического управлени  технологическими процессами.

Известно устройство дл  измерени  емкости или индуктивности при неI линейной функции преобразовани  АЦП, в котором нелинейную функцию преобразовани  аппроксимируют кусочно-линейной функцией, при этом количество необходимых образцовых мер равНО числу участков аппроксимации. Процесс измерени  строитс  из трех тактов . Сначала к входу АЦП, к контуру автогенератора, подключают неизвестную величину. По полученному значению кода выбирают две ближайсгие образцовые меры, одна из которых меньше , а друга  больше полученного кода. Подключают по очереда и производ т измерение зтих образцовых мер. Данмые всех трех замеров ввод т в вычислительный блок, который вычисл ет скорректированный результат по определенной формуле | J .

Недостатком этого устройства  вл етс  невысока  точность измерени  обусловленна  погрешностью, неизбежной при аппроксимации непрецшвной функции кусочно-линейной (погрешность аппроксимации). Эта погрешность может быть значительной, так как участки аппроксимации должны быть достаточно большими во избежание их перепутывани , которое может произойти при грубом измерении неизвестной величины, необходимом дл  выбора участка аппроксимации (т.е. дл  выбо ра двух ближайших образцовых мер, с помощью которых затем производ т коррекцию трубого результата). Еще более низка  точность получаетс  при работе на пологой ветви функции преобразовани . Низка  точность при работе на пологом участке функции преобразовани  обусловлена низкой чувствительностью и погрешностью аппроксимации . Другим недостатком известного уст ройства  вл етс  узкий диапазон измер емых емкостей и индуктивноетей обусловленный низкой чувствительностью на поДогой ветви нелинейной функ ции преобразовани . Наиболее близким по технической сущности к изобретению  вл етс  преобразователь малых приращений емкост или индуктивности в напр жение, содержащий образцовый элемент, контролируемый элемент, коммутатор, автогенератор , смеситель, гетеродин пере страиваемой частоты, частотный детек тор, усилитель низкой частоты, индикатор , дополнительный ключ, запомина ющий блок, блок управлени , реактивный элемент, источник опорного на пр жени , генератор коммутационного напр жени  2.. Недостаток известного устройства узкий диапазон измерени  и низка  точность измерени . Цель изобретени  - расширение диа пазона измерени  и повьш1ение точности измерени . Поставленна  цель достигаетс  тем что в устройство дл  измерени  емкости или индуктивности, содержащее автогенератор, один из входов которого соединен с выходом коммутатора , первый вход последнего соединен с первым зажимом дл  подключени  кон тролируемого элемента, второй вход соединен с зажимом дл  подключени  образцового элемента, выход автогене ратора соединен с одним из входов см сител , другой вход которого соединен с выходом гетеродина перестраиваемой частоты, блок опорного напр ж ни , ключ, дополнительный образцовый элемент и блок управлени , введены преобразователь код - напр жение, формирователь высокой частоты, блок цифровой автоподстройки частоты, вычислительный блок, частотомер и 964 фильтр низкой частоты, причем выход смесител  через фильтр низких частот соединен с первым входом частотомера и с одним из входов формировател  ВЫСОКОЙ частоты, выход последнего соединен со вторьи входом частотоме ,ра, выход которого соединен со входом вычислительного блока и со входом блока Цифровой автоподстройки асд-оты , выход которого соединен с управл ющим входом автогенератора, а выход вычислительного блока соединен со входом преобразовател  код - напр жение , выход последнего соединен с первым входом ключа, второй вход которого соединен с выходом блока опорного напр жени , выход ключа соединен со входом гетеродина перестраиваемой частоты, а управл ющие входы ключа, блока цифровой автоподстройки частоты, формировател  высокой частоты, частотомера и коммутатора соответственно соединены с выходами блока управлени , третий вход коммутатора соединен с зажимом дл  подключени  дополнительного образцового элемента. На чертеже приведена функциональна  электрическа  схема устройства. Устройство содержит образцовый элемент 1, имекщий например, нулевое значение и образцовый элемент 2, подключенные к соответствующим зажимам коммутатора 3, имеющего зажимы дл  подключени  контролируемого элемента 4, общий зажим коммутатора 3 подключен к колебательному контуру автогенератора 5, выход которого соединен с входом смесител  6, другой вход которого соединен с выходом гетеродина 7 перестраиваемой частоты, выход смесител  6 через фильтр 8 нижних частот соединен с первым входом частотомера 9, второй вход частотомера соединен с выходом формировател  10 высокой частоты, который своим входом подключен к выходу фильтра низкой частоты, выход частотомера 9 соединен со входом блока I1 цифровой автоподстройки частоты и с вычислительным блоком, выход блока цифровой автоподстройки частоты соединен с управл к цим входом автогенератора 5, а выход вычислительного блока 12 - с преобразователем 13 код-напр жение выход которого соединен с входом ключа 14, к другому входу которого подсоединен вькод блока 15 опорного напр жени , выход ключа 14 соединен с

управл ющим входом гетеродина 7, а управл ющий вход ключа 14 соединен выходом блока 16 управлени , другие выходы которого соединены соответственно с управл нлцими входами коммутатора 3, частотомера 9 формировтел  10 высокой частоты и блока 11 цифровой автоподстройки частоты.

Устройство работает следующим образом .

Один из элементов - образцовый элемент 1, например, с нулевым значением , образцовый элемент 2 или контролируемый элемент 4 - подключаетс  коммутатором 3 к контуру автогенератора 5, сигнал которого с помощью смесител  6, гетеродина 7 перестраиваемой частоты, имеющего возможность перестройки по частоте и фильт )а 8 нижней частоты переноситс  на разностную частоту, поступающую на вход частотомера 9,., работающего в режиме измерени  периода либо в режиме измерени  отношени  частот. В первом такте в частотомере 9 формируетс  код периода разностной частоты ,  вл ющийс  функцией образцового элемента 1, например, с нулевым значением. Полученный код сравниваетс  в блоке 11 цифровой автоподстройки частоты с опорным кодом и при их неравенстве вырабатываетс  в блоке 11 цифровой автоподстройки частоты управл ющее воздействие, которое подстраивает частоту автогенератора 5 до получени  равенства сравниваемых кодов. При этом происходит коррекци  аддитивной составл ющей погрешности, т.е. коррекци  нул . Во втором такте частотомером 9 формируетс  код периода разностной частоты,  вл ющийс  функцией образцового элемента 2. Значение этого кода равно

И)

v«

W,

де И - коэффициент умножени  периода разностной частоты, К) 1, 10, 100..., - частота гетеродина 7 перестраиваемой частоты, устанавливаема  стабильным напр жением , подаваемым через кпюч 14 с блока 15 опорного напр жени  в цепь установки частоты гетеродина 7,

- частота автогенератора 5, равна  f - - I (1)

. V77

где к - коэффициент пропорциональности , с - значение образцового эле

мента 2,например емкости, С учетом (2)

V (

С- -Р

-VF г

Как известно, функци  Т как период частоты автогенератора 5 нелинейна и имеет пологий участок, при работе на котором резко снижаетс  чувствительность преобразовани , что приводит к снижению точности измерени  и к сужению диапазона измер емых емкостей или индуктивностей.Полученный в частотомере 9 код Т вводитс  в вычислительный блок 12, где из (З) по формуле обратного преобразовани  определ етс /

- м

G.

Л (

Известно, что С по (4 )  вл етс  линейной функцией.

Полученное значение С умножают . в вычислительном блоке 12 на коэффициент пропорциональности т, выбираемый из услови  требуемого угла наклона линейной функции преобразовани  .

Т-тс.: с&;

М

Замен   в ( 1 ) часто/ у f на , получаем , тогда /

j М Г1 f

Из С6 ) находим

jV

f L--

и. (л) 1Л WlC

WV

обеспечивакицее линейность периода разностной частоты/

4:- (e),

IptfA гоС,д

Полученное в виде кода в вычислительном блоке 12 значение преобразуес  в преобразователе 13-код-напр жение в напр жение соответствующей величины , которое через управл емый блоком 16 управлени  ключ 14 подаетс  в цепь установки частоты гетеродина 7.перестраиваемой частоты устанавлива  его частоту равной fL еле установки частоты гетеродина перестраиваемой частоты f на де фильтра 8 низкой частоты по вл етс  разностна  частота fL , которой есть линейна  функци  образцового элемента 2.

Из полученной разностной частоты f р формируют высокую частоту в формирователе 10 высокой частоты. Формирователем 10 высокой частоты из раностной может быть синхронизируемый генератор с посто нным отношением синхронизации N. Значение высокой частоты на выходе формировател  10 высокой частоты равно

( (9)

В третьем такте аналогично, замен   образцовый элемент 2 на измер емый параметр Су формируют разностную частоту, период которой  вл етс  линейной функцией Cj, т.е. на выходе фильтра 8 нижней частоты получают

чП

Y (-(О)

5р .

шпСд

где

г Г JL

Ц. Г Х WC,

После этого частотомер 9 перевод т с помощью блока 16 управлени , в режим измерени  отношени  высокой частоты , определ емой по ( 9/ к полученной разностной, определ емой по (10), и получают код отношени  частот г г-у . M-pr- N Ш

ip -АЛ

Полученный код отношени  частот Н ввод т в вычислительный блок 12, где умножают его на номинал образцового элемента и, таким образом, получают точное скорректированное значение измер емого параметра (емкости или индуктивности ).

Действительно, подставл   в 111)

значени  Су и С.а определ емые по (4 . олучаемvoi ,

т|(

U1) тДСУ.гТ,)

Подставл   в (12) значени  Ту и Тд, определ емые по (3) с учетом тоfr-bfx . )

(4l

Т.е. то5здество.

Из (12} и (14) видно, что отношение частот Н, пропорциональное измер емому параметру, не зависит от к, т.е. из результата измерени  исключена мультипликативна  составл к ца  погрешности.

Claims (2)

1.Алиев Г.М. и др. Автоматическа  коррекци  погрешностей цифровых измерительных приборов. Энерги  , 1975, с. 25.

2.Авторское свидетельство СССР -№ 579589, кл. G 01 R 27/26, 01.03.76

(прототип).