Измеритель емкости для компенсационных датчиков механических величин

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении малых отклонений емкости от номинального значения и емкостных индикаторах рассогласования компенсационных датчиков механических величин. Целью изобретения является повышение точности и увеличение чувствительности преобразования, что достигается путем исключения на входах усилителя постоянного тока напряжений близких по величине к амплитуде генераторв прямоугольного напряжения при равных значениях измеряемых емкостей. Измеритель емкости содержит два неподвижных электрода 1 и 2, подвижный электрод 3, генератор прямоугольного напряжения 4, резисторы 5 и 6,диоды 7 - 10, конденсаторы 11 - 14, суммирующие резисторы 15 - 18, дифференциальный усилитель постоянного тока 19, общую шину 20. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

Ресг.гу Блин

А2 гга «гг (51)5 0 01 R 27 26

ОПИСАНИЕ HSOEPETEHHR

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

С

Сл

Ь)

4:»

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

00 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (6! ) 1196779 (21 ) 431 0050/24-21 (22) 28 .09.87 (46) 23.03.90. Бюл. У 11 (71) Московский горный институт (72) В.А. Павленко (53) 621 ° 317.75 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1196779, кл. G 01 R 27/26, 1983. (54) ИЗМЕРИТЕЛЬ ЕМКОСТИ ДЛЯ КОМПЕНСАЦИОННЫХ ДАТЧИКОВ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении малых отклонений емкости от номинального значения в емкостных индикаторах рассогласова2

Ь ния компенсационных датчиков механических величин, Целью изобретения является повышение точности и увеличение чувствительности преобразования, что достигается путем исключения на входах усилителя постоянного тока напряжений, близких по величине к амплитуде генератора прямоугольного напряжения при равных значениях измеряемых емкостей. Измеритель емкости содержит два неподвижных э лектрода. 1 и 2, подвижный электрод 3, генератор прямоугольного напряжения

4, резисторы 5 и 6, диоды 7-10, конденсаторы 11-14, суммирующие резигторы 15-18, дифференциальный усилитель постоянного тока 19 и общую шину 20.

2 ил.

1 5521 24

45

1 1

Изобретение относится к измеритель1»ой технике, является усовершенствоВанием изобретения по ант. св .

В 11 96779 и может быть использовано при измерении малых отклонений емКости от номинального значения н е мкостных индикаторах рассогласования компенсационных датчиков механических величин. 1О

Цель изобретения — повьш»ение точости и увеличение чувствительности реоб ра зова ния, Изобретение решает задачу преобразования малых отклонений емкости от 15 оминальных значений в напряжение.

На фиг. l приведена принципиальная электрическая схема измерителя ем ости для компенсационных датчиков еханических величин; на фиг . 2 рафическая зависимость нелинейности

,характеристики измерителя от соотно шения постоянной времени (или длительности импульсов) генератора и

Постоянной времени, образованной 25

Конденсаторами и резисторами двойного T -образного нелинейного четырехполюсника для диапазона изменения емкости, равного 0,1 (1 OX) от первоначальной величины при изменении площади перекрытия обкладок конденсаторов .

Устройство содержит дна неподниж нь»х электрода 1 и 2, подвижный электрод 3, генератор 4 двухполярного пря- 35 ! (моугольного напряжения (ГПН), первый и второй резисторы 5 и 6, первый, второй, третий и четвертый диоды 710, первый, второй, третий и четвертый конденсаторы 11-14, первый, вто-< 40 рой, третий и четвертый суммирующие резисторы 15-18, дифференциальный усилитель 19 постоянного тока (УПТ), общую шину 20, причем выход генератора 4 двухполярного прямоугольного напряжения соединен с перньии выводами первого и второго резисторов 5 и 6, второй вывод первого резистора

5 соединен с анодом первого, катодом третьего диодов 7 и 9 и первьи неподвижньи электродом 1, второй вывод второго резистора 6 соединен с анодом второго катодом четвертого диодов 8 и 10 и вторым неподвижным элек т родом 2, при этом и одв ижный

55 электрод 3 соединен с общей шиной 20, катод первого диода 7 соединен с первыми выводами первого суммирующего резистора 15,и первого конденсатора

11, катод второго диода 8 соединен с перными выводами второго суммирующего резистора 16 и второго конденсатора 12, анод третьего диода соединен с первыми выводами третьего суммирующего резистора 17 и третьего конденсатора 13, а анод четвертого диода соединен с первыми выводами четвертого суммирующего резистора 18 и четвертого конденсатора 14, вторые выводы первого и второго суммирующих резисторов 15 и 16 объединены и соединены с пеpBhlM входом дифференциального усилителя постоянного тока, второй вход которого соединен с объединенными вторыми выводами второго и третьего суммирующих резисторов 16 и 17.

В устройстве неподвижные электроды

1 и 2 и подн ижный элек трод 3 об разуют сравниваемые конденсаторы дифференциального емкостного индикатора рассогласования, составляющие двойной

Т-образный нелинейный четырехполюсник.

Первый диод 7 и первый конденсатор

11 образуют первый пиковый детектор и соответственно вторые элементы 8 и 12 — второй, третьи элементы 9 и

13 — третий, а четвертые элементы 10 и 14 — четвертый пиковые детекторы, первый и четвертый суммирующие резисторы 15 и 18 образуют один сумматор, а второй и третий суммирующие резисторы 16 и 17 — другой сумматор.

Измеритель емкости работает следующим образом .

При поступлении двухполярного напряжения прямоугольной формы с генератора 4 на цепи, образованные резисторами 5 и 6 и конденсаторами с электродами 1 -3, на неподвижных электродах 1 и 2 возникает переменное напряжение, форма которого образована отрезками экспонент. В точке 21 напряжение равно сумме напряжений на конденсаторах 11 и 14. Так как диоды 7 и 1 О, подключенные соответственно к резисторам 5 и 6, пропускают напряжение разной полярности, то напряжение на сумматоре, образованном резисторами 15 и 18, в точке 21 равно

Напряжение на сумматоре, образованном резисторами 16 и 17, в точке

22 равно

1 5521 24 6 сят от способа изменения емкости. (2) E

2(- — — —---<1(KC)r е лс,л +1

-U =

Е ccct. е i

Для получения линейной зависимос- 50 ти выходного сигнала От изменения

1 емкостей необходимо выбирать определенные соотношения между постоянной времени генератора прямоугольного нап ряжения и пОстОян ной времени, образованной конденсаторами и резисторами двойного Т-образного нелинейного четырехполюсника (RC) /(ВС)».. Эти соотношения завигде Š— амплитуда выходного нап ряже- 5 ния генератора 4 напряжения прямоугольной формы

I — сопротивление резисторов

5 и 6;

С<,С вЂ” измеряемые емкости . — длительность импульса генератора 4, Так как период генератора прямоугольного напряжения на операционном усилителе равен Т = 2,2(RC) где (ВС) „— постоянная времени нремязадающей цепи ГПИ, то длительность им1, пульса t> = -Т = 1, 1(RC) . Таким образом, при С, = С и U = U = О на входах дифференциального усилителя

l 9 постоянноге тока напряжения будут равны нулю и на выходе дифференциального усилителя 19 постоянного тока напряжение равно нулю.

Поскольку при перемещении подвижного электрода 3 емкости изменяются в разные стороны, напряжения на входах дифференциального усилителя 19 постоянного тока подвергаются соответству- З0 ющим изменениям и на выходе появляется разностный сигнал или за счет изменения зазоров между обкладками конденсаторов двойного

Т-образного нелинейного четырехполюсника, или эа счет изменения площа— дей перекрытия обкладок этих конден— саторов, Для случая изменения зазоров между . обкладками конденсаторов постоянная времени времязадающей цепи генератора прямоугольного напряжения зависит от постоянной времени двойного Т-образного нелинейного четырехполюсника следующим образом (ВС)г (ВС)» т где A=1,32 для диапазона изменения емкости, равного О, 2 первоначальной величины;

A=1,35 для диапазона 0,5 от первоначальной величины;

A=1 45 для диапазона, равного первоначальной величине емкости.

При изменении площади перекрытия обкладок конденсаторов параметр А принимает следующие значения.

A=1,6О для диапазона изменения емкости, равного 0,1 от первоначальной величины;

A=),58 для диапазона 0,2 от первоначальной величины;

А=1,55 для диапазона 0,33 от первоначальной величины", A=1,50 для диапазона 0,4 от пер-. воначальной величины;

A=1,44 для диапазона 0,5 от первоначальной величины.

При отклонении от принятого оптимального соотношения для данных диапазонов изменения емкостей характеристика становится нелинейной.

Зависимость нелинейности для диФ апаэона изменения емкости равного

0,1 от первоначальной величины при изменении площади перекрытия обкладок к онде нса то ра п рив еде на на фиг . 2.

На фиг.2 кривая нелинейности монотонна, имеет один экстремум, и в точке оптимума нелинейность характеристики практически равна нулю.

Характеристики для других диапазонов изменения емкостей при изменении площади и при изменении зазоров ежду обкладками конденсаторов имеют аналогичный вид.

1 552124

Предложенные оптимальные соотноШения между постоянной времени времязадающей цепи ГПИ и постоянной вреМени, об разованной конденсаторами и резисторами двойного Т-образного

Нелинейного че тырехполюс ника, п ри различных диапазонах изменения рас-.

c,òoÿHèÿ между обкладками конденсаторов или площади перекрытия обкладок г1озволяют получить линейную зависиь ость между изменением емкостей и сигналом на выходе УПТ. Такая линейная зависимость позволяет использовать данное устройство в приборах прямого измерения емкостей.

15 аог

O ,1

1 чаи

Ф

Фе (ЛС) фд, + IRf

1Я Ю

С ос тав итель В . Слеп цов

Редактор В. Бугренкова Техред А.Кравчук.

Корректор М, Максимишинец

Заказ 328 Тираж 549 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Данное изобретение позволяет повысить точность преобразования за счет исключения на входах УПТ напря- 20 явлений, близких по величине к амплиту- де генератора прямоугольного напряжения (при равных значениях измеряеь ых емкостей) путем их компенсации, 1 следствие чего на входах УПТ рабоЧие напряжения будут формироваться в области, близкой к нулевым значе иям, что позволяет исключить погрешность, вносимую дифференциально усилителем постоянного тока. Введе 30 фие дополнительных признаков поэволя т фораировать на входах УПТ разность напряжений в два pasa больше, чем в известном измерителе при измерении разных величин емкостей, что приводит к увеличению чувствительности устройс тва.

Ф о рм ула и з о б р е те н и я

Измеритель емкости для компенсационных датчиков механических величин по авт.св, У 1196779, о т л и— ч а ю щ и и ся тем, что, с целью повышения точности и увеличения чувствительности, введены третий и четвертый диоды, третий и четвертый конденсаторы, первый, второй, третий и четвертый суммирующие резисторы, при этом катоды третьего и четвертого диодов соответственно соединены с анодами первого и второго диодов, катоды которых соединены соответственно с первыми выводами первого и второго суммирующих резисторов, анод третьего диода соединен с первыми выводами третьего суммирующего резистора и третьего конденсатора, второй вывод которого соединен с общей шиной, а анод четвертого диода соединен с первыми выводами четвертого суммирующего резистора и четвертого конденсатора, второй вывод которого соединен с общей шиной, вторые выводы первого и четвертого суммирующих резисторов объединены и соединены с первым входом дифференциального усилителя постоянного тока, второй вход которого соединен с объединенными вторыми выводами второго и третьего суммирующих резисторов.