Автогенераторный измерительный преобразователь параметров высокопотерного дисперсного комплексного сопротивления емкостного датчика

Полезная модель относится к электронной технике и предназначена для преобразования дисперсных параметров комплексного сопротивления емкостного датчика с большими потерями в электрический сигнал. Целью предлагаемой полезной модели является обеспечение возможности оперативной перестройки рабочей частоты автогенераторного измерительного преобразователя параметров высокопотерного дисперсного комплексного сопротивления емкостного датчика. Поставленная цель достигается тем, что автогенераторный измерительный преобразователь параметров высокопотерного дисперсного комплексного сопротивления емкостного датчика, содержащий частотно-зависимый усилитель, в цепь обратной связи которого включен самобалансирующийся мосте термистором и резистором сравнения, включенный параллельно термистору емкостной датчик, отличающийся тем, что выход моста соединен с входом усилителя через истоковый повторитель. Кроме того, частотно-зависимый усилитель состоит из параллельного LC колебательного контура подключенного на вход широкополосного усилителя, коэффициент усиления которого стабилизирован общей регулируемой обратной связью.

Полезная модель относится к электронной технике и предназначена для преобразования дисперсных параметров комплексного сопротивления емкостного датчика с большими потерями в электрический сигнал.

Известны автогенераторные преобразователи для измерения составляющих комплексного сопротивления емкостного датчика (Попов B.C. Автоматический частотно-зависимый измерительный мост. А.С. СССР 143913, МКИ: G21Е 21/02.1962; Патент США 3716782, МКИ: 324 - G0R 17/00; А.С. СССР 359619, Кл: G01 27/26, опуб. БИ 35,21.11.1972; А.С. СССР 20003123, Кл: G01R 27/26, опуб. БИХ9 41-42, 15.11.1993).

Основным недостатком данных устройств является высокая погрешность раздельного преобразования емкости датчика с большой активной проводимостью.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является «Автогенераторный преобразователь параметров высокопотерного емкостного датчика» Парусов В.П., Соловьев Ю.В. (патент РФ 4833, G01R 17/00, опубл. 16.08.1997), состоящий из частотно-зависимого усилителя, в цепь обратной связи которого включен самобалансирующийся термисторный мост с термистором и, резистором сравнения, введено включенное параллельно термистору согласующее устройство, выполненное в виде высокочастотной разделительной РС-цепи, с входом на емкостной датчик, представленный параллельной схемой замещения активной проводимости g_x и емкости датчика С_х.

Такой преобразователь позволяет повысить точность раздельного и независимого преобразования активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления высокопотерного датчика в амплитуду и частоту гармонических колебаний, и отличается более высокой чувствительностью при измерении реактивной составляющей.

Кроме того, в работе (Ерошенко Г.П., Парусов В.П., Шаруев В.Н. Автогенераторный преобразователь параметров емкостного датчика с высокими потерями. Приборы и техника эксперимента. 1,2001, с.65-67) описано устройство, выполненное на основе данного в прототипе преобразователя, в электрической схеме которого был применен однокаскадный усилитель, поэтому для увеличения К_о было выполнено частичное включение колебательного контура в цепь обратной связи. При необходимости, в этой схеме возможно также увеличение К_о в 3÷4 раза за счет применения в качестве моста повышающего дифференциальнаго трансформатора. Не смотря на простоту схемы (один транзистор), она позволяет измерять емкость до 10^-3 пф. при изменении активной проводимости от 10^-6 до 2·10^-2 см. К недостатку схемы следует отнести тщательный отбор транзистора (высокая крутизна, малая проходная емкость). В работе (Парусов В.П., Шаруев Н.К., Шаруев В.Н. Автогенераторные преобразователи с термисторным мостом в измерительной цепи. Приборы и техника эксперимента. 5, 2003. - С.79-82.) приводится схема, где усилитель собран на полевых транзисторах T₁-T₃ не требующий их подборки, поэтому преобразователь обладает более высокими метрологическими характеристиками.

Однако, к недостатку прототипа и разработанных на его основе устройств следует отнести зависимость погрешности раздельного преобразования емкости датчика с большой активной проводимостью от проводимости нагрузки моста g_n, что не позволяет оперативно проводить дисперсный анализ исследуемых объектов из-за необходимости перестраивать преобразователь на другие рабочие частоты. В описанных выше устройствах и прототипе этот вопрос частично решается путем регулировки сопротивления обратной связи R_oc, или введения параллельно R _oc корректирующих LC-цепей, в результате чего достигается расширение диапазона независимого преобразования емкости датчика от его проводимости на ~1,5 порядка.

Целью предлагаемой полезной модели является обеспечение возможности оперативной перестройки рабочей частоты автогенераторного измерительного преобразователя при измерении параметров высокопотерного дисперсного комплексного сопротивления емкостного датчика.

Поставленная цель достигается тем, что автогенераторный измерительный преобразователь параметров высокопотерного дисперсного комплексного сопротивления емкостного датчика, содержащий частотно-зависимый усилитель, в цепь обратной связи которого включен самобалансирующийся мост с термистором и резистором сравнения, включенный параллельно термистору емкостной датчик, отличающийся тем, что выход моста соединен со входом усилителя через истоковый повторитель.

Кроме того, частотно-зависимый усилитель состоит из параллельного LC колебательного контура подключенного на вход широкополосного усилителя, коэффициент усиления которого стабилизирован общей регулируемой обратной связью.

Заявленное техническое решение поясняется чертежом на котором представлена его функциональная схема.

Устройство содержит широкополосный усилитель 1, на выход которого подключена первичная обмотка дифференциального трансформатора, две противофазные вторичные обмотки которого соединены выходами с термистором 3 и резистором сравнения 4, образуя самобалансирующийся термисторный мост 2. Выход моста 2 соединен со входом истокового повторителя 5, выход которого соединен со входом колебательного контура 6, соединенного выходом со входом широкополосного усилителя 1. К термистору 3 подключен емкостной датчик 7, представленный параллельной схемой замещения активной проводимости g_x и емкости С _х датчика.

Схема работает следующим образом. В установившемся режиме частота автоколебаний в ней близка к резонансной частоте колебательного контура 6, а проводимость g_t термистора 3 и проводимость g₀ сопротивления сравнения 4 в плечах самобалансирующегося дифференциального трансформаторного моста 2 близки друг к другу тем больше, чем больше коэффициента усиления широко-полосного усилителя 1. При подключении к схеме емкостного датчику 7 с высокими потерями (g_x>>₀C_x) изменится частота автоколебаний ₀ схемы и проводимость термистора 3.

Частота автоколебаний выбирается оператором из дисперсного диапазона изменений параметров датчика 7 величиной от единиц до десятков МГц, и задается изменением величины индуктивности L_к или емкости С_к резонансного контура 6. Широкополосный усилителя 1 состоит из трех каскадов собранных на СВЧ полевых транзисторах, охваченных общей отрицательной обратной связью, что обеспечивает его высокую стабильность усиления от 100 до 1000 во всем диапазоне частот дисперсного анализа контролируемого объекта (датчика).

Из уравнений, отражающих стационарный режим автогенераторного измерительного преобразователя предлагаемой конфигурации следует, что для обеспечения раздельности преобразования комплексного сопротивления емкостного датчика необходимо выполнить условие g_n<<g₀. Проводимость нагрузки моста g_n. в описанных выше устройствах и прототипе определяется сопротивлением обратной связи и не превышает ~0,5·10 ^-3 См, а в заявляемом устройстве, ввиду высокого входного сопротивления истокового повторителя, составляет не более g ⁿ0,2·10^-6 См. Проводимость g₀ определяется минимально допустимым сопротивлением термистора и не превышает 2·10^-2. То есть в прототипе проводимость g_n меньше проводимости g₀ примерно на 1,5 порядка, а в предлагаемом устройстве - не менее чем на 3 порядка.

Таким образом, введение в схему преобразователя истокового повторителя исключает необходимость введения в цепь обратной связи корректирующих LC цепей при переходе на другие частоты при проведении дисперсного анализа контролируемого объекта. При этом, стабилизация коэффициента передачи усилителя при его больших значениях (K₀>>1) обеспечивает более высокие метрологические характеристики заявляемого преобразователя.

1. Автогенераторный измерительный преобразователь параметров высокопотерного дисперсного комплексного сопротивления емкостного датчика, содержащий частотно-зависимый усилитель, в цепь обратной связи которого включен самобалансирующийся мост с термистором и резистором сравнения, включенный параллельно термистору емкостный датчик, отличающийся тем, что выход моста соединен с входом усилителя через потоковый повторитель.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что частотно-зависимый усилитель состоит из параллельного LC колебательного контура, подключенного на вход широкополосного усилителя, коэффициент усиления которого стабилизирован общей регулируемой обратной связью.