Преобразователь параметров емкостного датчика — SU 1651186 (original) (raw)
) ) С 01 й 27/ Б ТЕН АВТОРС СВИДЕТЕЛЬСТВУ госуддРстеенный комитетПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ ОПИСАНИЕ И(56) Авторское свидетельство СССР М 1073677, кл. СЗ 01 М 27/22, 1984.Авторское свидетельство СССР М 1140028, кл. 6 01 й 2722, 1985.(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ЕМКОСТНОГО ДАТЧИКА(57) Изобретение относится к иэьной технике и может быть использ я Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля состава и свойства веществ, например, концентрации отдельных компонентов, влажности газовых и жидких сред, солесодержания применительно к различным продуктам переработки, хранения, транспортировки в нефтяной, газовой, нефтехимической и химической промышленности, а также измерения параметров различных элементов и устройств при массовом контроле качества изделий в электро- и радиоэлектронной промышленности на различных стадиях их производства.Целью изобретения является повышение точности преобразования параметров емкостного датчика.На фиг, 1 представлена структурная схема преобразователя; на фиг. 2 - структурная схема компонентного детектора.Преобразователь параметров емкостного датчика содержит (фиг. 1) управляемый контроля состава и своиств материалов, Целью изобретения является повышение точности, Преобразователь параметров емкостного датчика содержит импульсный и синусоидальный генераторы, делитель напряжения, емкостный датчик, образцовые конденсаторы и резисторы, операционные усилители, реверсивные счетчики, компонентные детекторы, делитель, умножитель, устройства вычитания, уравновешивания. Повышение точности достигается эа счет реализации устройством метода прямого сравнения уравновешиванием. 1 з.п,ф-лы, 2 ил. по частоте генератор 1 синусоидального напряжения, емкостный датчик, представленный четырехэлементной схемой замещения с параметрами С 1, С 2, 6), 02, устройство уравновешивания 3, регулируемый резистор 4, образцовые конденсаторы 5 и 6 одинаковой емкости, три операционных усилителя 7-9, три образцовых резистора 10-12, вычитающее устройство 13, управляемый делитель 14 напряжения, два компонентных детектора 15 и 16, фиксирующих равенство нулю разности вещественных составляющих отношений двух напряжений на двух частотах, два реверсивных счетчика 17 и 18, блоки умножения 19 и вычитания 20, генератор 21 импульсов, делитель 22 частоты. При этом выход генератора синусоидального напряжения соединен через емкостный датчик 2. последовательно включенные образцовый конденсатор 5 и регулируемыи резистор 4, образцовый конденсатор 6 соответственно с входами операционных усили 1651186телей 7-9, в цепи обратной связи которых включены образцовые резисторы 10-12 соответственно, к выходу операционного усилителя 7 присоединены первые входы компонентного детектора 15 и вычитающего устройства 13, к выходу операционного усилителя 8 непосредственно и через управляемый делитель 14 напряжения присоединены вторые входы компонентного детектора 15 и вычитающего устройства 13, выходы вычитающего устройства 13 и операционного усилителя 9 соединены соответственно с первым и вторым входами компонентного детектора 16, управляющие входы реверсивных счетчиков 17 и 18 подключены к первым выходам соответственно компонентных детекторов 15 и 16, к вторым выходам которых присоединены первый и второй входы блока 20 вычитания, выход реверсивного счетчика 17 соединен с входами устройства уравновешиваний 3 и блока 19 умножения, выход реверсивного счетчика 18 - с входами управляемого делителя 14 напряжения и блока 19 умножения, а также с третьим входом блока 20 вычитания, к входам реверсивных счетчиков 17 и 18 подключен генератор 21 импульсов, к выходу последнего через делитель 22 частоты присоединен управляющий вход генератора 1 синусоидального напряжения,Компонентный детектор, например 15 (фиг, 2), определяющий разность вещественных составляющих отношений двух напряжений на двух частотах питания, содержит четыре компаратора 22-26, преобразователь 27 переменного напряжения в постоянное, управляемый делитель 28 напряжения, реверсивный счетчик 29, генератор импульсов, фазовращатель 31, схему 32 сравнения, При этом первые входы компараторов 23 и 24 объединены и являются первым входом компонентного детектора 15, первый вход компэратора 25 соединен через фазовращатель 31 в преобразователь 27 переменного напряжения в постоянное соответственно с первым входом компаратора 26 и входом управляемого делителя 28 напряжения, выход которого соединен с вторым входом компаратора 23, вторые входы компараторов 24-26 заземлены, выходы компараторов 23-25, 26 подключены к схеме сравнения 32 выход реверсивного счетчика 29 соединен с управляющим выходом детектора 15, управляемого делителя напряжения 28 и является первым выхсдом компонентного детектора 15, а счетный и управляющие входы реверсивного счетчика 24 подключены соответственно к генератору 30 импульсов и первому выходу схемы 32 сравнения, второй выход которого является вторым выходом компонентного детектора 15,Преобразователь работает следующимобразом.5 Измерительная цепь питается от генератора 1 синусоидального напряжения. Генератор 1 периодически в два такта вырабатывает синусоидэльное напряжение О 1= О 1 з 1 п в 1 1 или О 1 = О 1 ц з 1 п в 2 1, Уп10 равление генератором 1 осуществляется спомощью делителя частоты 22, которым производится деление импульсов, поступающих на его вход с выхода генератора импульсов 21, При этом, с 15 выхода операционного усилителя 7 напервые входы детектора 15 и вычитающего устройства 13 подается напряжение О 7 =О 7 з 1 п (в 11+77 ) или О 7 = О 7 х х з 1 п (в 21+ р 7 ц ), где О 7,07, р , р 7 амплитуда и фазавые углы, соответствующие частотам в 1, в 2, Комплексное напряжениеаО 7 = -О 1 У 2 ЙЮ,где У 2 - комплексная проводимость емкостного датчика 2;В 1 о - сопротивление резистора 10.Комплексная проводимость У 2 емкостного датчика 2, представленного четырех- элементной схемой замещения (фиг, 1) определена по формулеУ 2 =61+)вС 1 =)вС 2 1 1 +)ШХ 2 где 72 - С 2/62 - постоянная времени.Одновременно на второй вход компо нентного детектора 15 и вход управляемогоделителя 14 напряжения с выхода операционного усилителя 8 поступает напряжение Ов =Ов зи (в 11+дъ), где Ов,ав амплитуда и фазовый угол, соответствующие частотам в 1, в 2 найряжения питания или Ов ц = Ов ц з 1 п (в 21+ рв ц ) . Напряжение Ов пропорционально проводимости Уо ветви из последовательно соединенных регулируемого резистора 4 проводимостью Оо и образцового конденсатора 5 емкостью Со, где 811 - сопротивление резистора 11.1Ов = -О 1 Уо Й 11Комплексная проводимость ветви, состоящей из Со и Оо.1Уо =)вСогде то =- Со/6 о - постоянная времени.Отношение этихнапряжений чч 1= 02/Ов после постановки значений будет следующим: 01 С 1 С 2 1 +М ТофигСо Со Со= ВеЮ 1 в)+) п 1 Я (3 в) Условием фиксации состояния квазиравновесия имеет вид ВеЮ 1 а ) - ВеЮ 1 аг) =О.или Ов Вначале при питании измерительной цепи напряжением 01 = 01 з)п в 1, компонентный детектор 15 определяет отноше ние синфаэной составляющей напряжения Ф07 сов (1 Рт - рв ) к амплитудному значению Ов. Затем при питании измерительнойцепи напряжением 01 = 01 ви аг т комНпонентный детектор 15 вырабатывает регулирующее воздействие в виде импульса, длительность которого зависит от значения сигнала неравновесия, Компонентный детектор 15 определяет направление изменения образцовой меры. 8 соответствии с этими двумя сигналами импульСы высокой частоты с выхода генератора 21, импульсов поступают на прямой или обратный вход реверсивного счетчика 17, Значение цифрового кода на выходе реверсивного счетчика 17 изменяется, что приводит к изменению проводимости бо регулируемого резистора 4. Процесс повторяется до тех пор, пока не будет достигнуто первое состогде т 1 о = С 1/бо, т 11 = Со/61 - постоянные времени;Ве, 1 п 1 - символы, обозначающие вещественную и мнимую составляющие комплексной величины.При выполнении равенства то = тг вещественная составляющая Р/1 становится независимой от частоты напряжения питания 20яние кваэиравновесия, о котором будет свидетельствовать отсутствие импульсов на выходе детектора 15.При достижении состояния кваэиравноевесия напряжение Ов совпадает по фазе с составляющей В 1 о 2 напряжения От, а напряжение Ов - составляющей В 1 о 2 напряП Н жения 07 . С помощью компонентногодетектора 16 обеспечивается приведение измерительной цепи к второму состоянию квазиравновесия,На первый вход компонентного детектора 16 подается напряжение 01 з = О 1 з хх 8 и (м 1 1 + ф 13 ) или 013 013 Рп(м 2 1+я+ р 13 ) с выхода вычитающего устройства13, равное 01 з =07- 014, где 014 - комплекс напряжения, существующего на выходе управляемого делителя 14 напряжения. Напряжение 014 по фазе совпадает с напряжением Ов. а его амплитуда пропорциональна коэффициенту передачи В 14 управляемого делителя 14 напряжения 014 = = В 14Ов. С 2 - Со В 14 1+йРто В 14 . М гогде т 51 = Св/61 - посПри выполнении щественная составля становится независи ной оянная словия ющая фу ой от ч времени.С 2 = СоВ 14 внкции уЧ 20 аастоты и ра В/20 в) = С 1/С Записанное условие состояния квазиавновесия может быть представлено в виеВФй 0 м 0)- Ве 1620 га И = На второй вход детектора 16 поступает напряжение Оя = Ов вп(и 1 +срз ) иОд" =09 вп(вг 1+рр ) с выхода операционного усилителя 8. Напряжение 09 пропорционально проводимости Ув образцового конденсатора 6:09 = -О 1 Ув В 12 = -01) в СвВ 12,где Св - емкость конденсатора 6;В 12 - сопротивление резистора 12.Отношение напряжения 01 з к Оэ после достижения первого состояния квази- равновесия (при условии В 10 = Я 1 - В 12) будет равнымили Оз сов 1 рз -09 Озсов 1 уз" - уъ(4) 09Оп- хоКомпонентный детектор 16 определяетотношение синфазной составляющей на 1пряжения к амплитуде напряжения 09 иосуществляет приведение измерительнойцепи к второму состоянию квазиравновесияпутем регулирования коэффициента передачи управляемого делителя 14 напряжения,осуществляемого изменением цифровогокода на выходах реверсивного счетчика 18,Порядок выполнения операций уравновешивания аналогичен описанному. Последостижения второго состояния квазиравновесия определяются искомые значенияпараметров емкостного датчика, Коэффициент передачи Р 14 управляемого делителя 14напряжения пропорционален емкости С 2.Й 14 = С 2/Со,Цифровой код Е 18 на выходах реверсивного счетчика 18 несет информацию об искомом значении емкости С 2С 2 " Е 18Со,Сигнал Е 16 на выходе компонентного генератора 16 детектора (3) пропорционаленемкости С 1 схемы замещения. Искомое значение емкостиС 1Е 16Со.Блок 19 умножения осуществляет умножение сигналов Е 17 и Е 18, снимаемых с выходов реверсивных счетчиков 17 и 18. Таккак сигнал Е 17 на выходе реверсивногосчетчика 17 соответствует проводимостиОоЕ 17 Оо РегУлиРУемого РезистоРа 4, аусловие первого состояния квазиравновесиЯ (2) выполнЯетсЯ пРи го = т 2, что соответствует равенству О 2 = ОоС 2/Со, то после подстановки в последнее выражение значенийОо " Е 17 и С 2 Е 18 Со, получают О 2 " Е 17Е 18,Блок 20 вычитания после достижениявторого состояния квазиравновесия от сигнала Е 15 с выхода детектора 15 дважды производит вычитание сигналов Е 16 и Е 18,существующих на выходах детектора 16 иреверсивного счетчика 18. Учитывая, что согласно выРажению(1) Е 15 О 11 Оо+ С 1 Со++ СгСо после выполнения вычитаний сигнал Е 20 нэ входе вычитания будет равнымЕ 20 = Е 15- Е 16- Е 18 = О 1/ОоИскомое значение проводимости Оределяется по цифровому коду Е 20 нэ выде блока 20 вычитанияО 1 фф Е 20ОоКомпонентный детектор, например, 15 работает следующим образом.При питании измерительной цепи частотой О) на первый вход компаратора 23, 5 являющийся первым входом детектора, поступает напряжение 07 = 07 з 1 п(в 1 1+ 177 ).1 1 1 Одновременно на второй вход компаратора 23 поступает постоянное напряжение 015.6 с выхода управляемого делителя 28 напря жения, которое пропорционально амплитуде 08 синусоидального напряжения 08 =1 =08 з 1 п(йис+ ф), существующего на втором входе компонентного детектора 015,6 = 15 =Й 15.6 08, где Й 15,6 - коэффициент переда чи управляемого делителя 28 напряжения, регулирование которого осуществляется изменением цифрового кода на его управляющих входах. Компаратором 23 формируются 20 сигналы логической "1", если разность на его входах 07 - 015.6 больше нуля, или логи ческого "0", если разность меньше нуля, С выхода компаратора 23 сигнал поступает на первый вход схемы 32 сравнения, а на его второй вход подаются импульсы, формируемые с помощью фазоврэщателя 31, сдвигающего входной сигнал на угол л/2 относительно сигнала на его входе и компаратора 26, При этом передний фронт этого импуль са соответствует моменту времени, при ко 1 П тором значение сигнала 08 или 08 является максимальным. Этому моменту времени, например, соответствует мгновенное значение информативного сигнала, равное синфазной составляющей сигнала 07 поЬтношениюксигналу 08-07(О)= Ог соз(р 7 - 08 )Для определения отношения синфазной составляющей 07 соз(р 7 - рб ) к ампли 1 1 1 туде 08 с помощью управляемого делителя 28 напряжения устанавливается нэ втором входе компаратора 23 напряжение028 = Й 2808 = 07 соз (/7 /8 ) .при котором значение коэффициента пере дачи Й 28 управляемого делителя 28 напряжения равно(5)Для этого схемой 32 сравнения на основании анализа сигналов, получаемых с выходов компарэторов 23-26, вырабатываются команды для управления реверсивным счетчиком 29. Компарэторы 24 и 25 служат для однозначного определения направления уравновешивания. Ими формируются импульсы, соответствующие моментам пере 1хода информативных сигналов 07 и 08через нулевое значение. Эти импульсы анализируются схемой 32 сравнения, Если первым срабатывает компаратор 24, а затем компаратор 25, то с момента времени, соответствующего срабатыванию компаратора 5 26 и до срабатывания компаратора 23, импульсы проходят на прямой выход реверсивного счетчика 29. Если при этом первым срабатывает компаратор 23, а затем компаратор 26, то импульсы с выхода генератора 10 30 проходят на обратный вход реверсивного счетчика 29. Если первым срабатывает компаратор 25, а затем компаратор 24, то при описанной последовательности срабатывания компараторов 23 и 26 направление ре гулирования цифрового кода на выходе реверсивного счетчика 29 противоположное, При поступлении импульсов на один из входов реверсивного счетчика 29 изменяется значение цифрового кода на уп равляющих входах управляемого делителя 28 напряжения и соответственно коэффициент передачи 828 до тех пор, пока моменты времени, соответствующие срабатыванию компараторов 23 и 26, не совпадут. Далее 25 при питании измерительной цепи напряжения частотой В 2 коэффициент передачи управляемого делителя 28 фиксируется и, поэтому, на его выходе напряжение028 = Й 2808 1,6) 30 сравнивается со значением информативного напряжения 07 в момент времени, соот 8 ветствующий максимальному значению опорного сигнала 08 = 08 и 07 = 07 х811 Н 1 х сов ( р 7 - уВ ), Выполнение равенства0156 -07 соЗ(ф 7 В ) =0 свидетельствует о достижении первого состояния квазиравновесия, подставив в последнее выражение значения 028 (б) и Я 28 40 (5). Получают08- 07 сов тр 7 - у 8 ) = О, равенство, аналогичное выражению 2). Для достижения этого состояния схема 32-сравнения на основании анализа сигналов с вы ходов компаратора 23-26 вырабатывает команды для управления реверсивным счетчиком, например, 17, изменяющим значение образцовой меры в настоящем случае проводимости Оо регулируемого резистора 4, Формула изобретения 1, Преобразователь параметров емкостного датчика, содержащий генератор синусоидального напряжения, первый операционный усилитель, образцовый резис 1 ор и образцовый конденсатор, генератор импульсов, причем первые выводы емкостного датчика и первого образцового резистора присоединены к входу первого операционногоусилителя, от л и ч а ю щи й с я тем, что, с целью повышения точности, в него введены второй образцовый конденсатор, регулируемый резистор, устройство уравновешивания, второй и третий операционный усилители с образцовыми резисторами в цепи обратной связи, вычитающее устройство, блок вычитания, управляемый делитель напряжения, два реверсивных счетчика, блок умножения и два компонентных детектора, причем управляемый по частоте генератор синусоидального напряжения соединен с вторым выводом емкостного датчика, а через первый образцовый конденсатор и регулируемый резистор, а также через второй образцовый конденсатор с входами соответственно второго и третьего операционных усилителей, к выходу первого операционного усилителя присоединены второй вывод первого образцового резистора, первые входы первого компонентного детектора и вычитающего устройства, к выходу второго операционного усилителя непосредственно и через управляемый делитель напряжения - соответственно вторые входы первого компонентного детектора и вычитающего устройства, выходы вычитающего устройства и третьего операционного усилителя соединены соответственно с первым и вторым входами второго компонентного детектора. управляющие входы второго и первого реверсивных счетчиков подключены к первым выходам соответственно первого и второго компонентов детекторов, к вторым выходам которых присоединены первый и второй входы блока вычитания, выход первого реверсивного счетчика соединен с входом устроиства уравновешивания и первым входом блока умноженИя, выход второго реверсивного счетчика - с входами управляемого делителя напряжения, а также - с третьим входом блока вычитания и вторым входом блока умножения, к входам реверсивных счетчиков подключен генератор импульсов, выход которого соединен также через делитель частоты суправляющим входом генератора синусоидального напряжения,2. Преобразователь по п.1. о т л и ч ающ и й с я тем, что компонентный детектор, представляющий собой разностный детектор вещественных составляющих отношений двух напряжений на двух частотах, содержит четыре компаратора, преобразователь переменного напряжения в постоян1651186 Фиг ное, управляемый делитель напряжения, реверсивный счетчик, генератор импульсов, фазовращатель и схему сравнения, причем первые входы первого и второго компараторов объединены и являются первым входом компонентного детектора, первый вход третьего компаратора соединен через фазовращатель и преобразователь переменного напряжения в постоянное соответственно с первым входом четвертого компаратора и входом управляемого делителя напряжения, вторые входы второго, третьего и четвертого компараторов заземлены, выходы четырех компараторов подключены к схеме сравнения, выходы реверсивного счетчика, являющиеся первым выходом 5 компонентного детектора, соединены с управляющими входами управляемого делителя напряжения, а счетный и управляющие входы реверСивного счетчика подключены соответственно к генератору импульсов и 10 схеме сравнения, второй выход которого является вторым выходом компонентного детектора,1651186Составитель В.Немцев Редактор М.бланар Техред М,Моргентал Корректор И.Мускач каз 1603 Тираж 409 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101