Емкостный преобразователь

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению неэлектрических величин с использованием в качестве первичного преобразователя дифференциального емкостного датчика. Цель изобретения - повышение точности. Особенностью емкостного преобразователя является существенное уменьшение составляющих погрешности за счет введения масштабирующего функционального преобразователя с его связями, что позволяет обеспечить построение емкостного преобразователя по структуре замкнутого типа. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению неэлектрических величин с использованием в качестве первичного преобразователя дифференциального емкостного датчика. Цель изобретения - повышение точности. На чертеже приведена структурная электрическая схема емкостного преобразователя. Емкостный преобразователь содержит двухканальный дифференциальный управляемый источник 1 тока, масштабирующий функциональный преобразователь 2, широтно-импульсный модулятор 3, коммутатор 4, фильтр 5, дифференциальный интегратор 6, дифференциальный датчик 7, генератор 8 тактовых импульсов, источник 9 двуполярного напряжения, выход 10 емкостного преобразователя, управляющие входы 11-12 источника 1, опорный вход 13 источника 1, выходы 14-15 источника 1, потенциальные (времязадающие) входы 16,17 модулятора 3, управляющие входы 18-19 модулятора 3, выходы 20-21 модулятора 3, управляющие входы 22-23 коммутатора 4, соответственно выходы 24-25 положительного и отрицательного напряжения источника 9, вход 26 установки нуля интегратора 6, соответственно масштабирующий и управляющий входы 27,28 преобразователя 2, токозадающий резистор 29 источника 1, два идентичных управляемых канала 30 источника 1. Емкостный преобразователь работает следующим образом. Исходному значению X= 0 измеряемой величины соответствуют значения емкостей датчика С₁⁰ = С₂⁰. Значению X 0 соответствуют значения C₁ C₂. Генератор 8 формирует на своем выходе разнесенные по времени на Т/2 (Т - период) последовательности импульсов, регулируя попеременный разнесенный по времени процесс заряд-разряд емкостей датчика, при этом на выходах 20-21 модулятора 3 формируются импульсы, длительности которых в масштабе определяются значениями С₁ и С₂ емкостей датчика ₁= , ₂= , где U_пор - пороговое напряжение ШИМ; I_o I = I_1,2 - токи заряда емкостей, формируемые на выходах источника 1, причем значение тока, равное I_o, соответствует исходному положению X= 0, когда С₁^о = C₂^о. В фильтре 5 осредняется по длительностям ₁ и ₂напряжение U_o источника 9 на периоде Т генератора 8 U_ф= , которое цепь обратной связи уравновешивает до нуля, вследствие уравновешивания потенциалов на входах интегратора 6. Получаем или ₁ = ₂; = = const - основной закон функционирования емкостного преобразователя, т. е. при дифференциальных изменениях C₁ и C₂, вызванных изменением X, автоматически поддерживаются длительности ₁ = ₂ = const независимо от U_пор модулятора 3 и частоты генератора 8, это же условие эквивалентно повторению токами I₁ и I₂ изменения значений емкостей С₁ и С₂, но так, что отношение текущих значений емкостей к их повторенным токам постоянно. При этом емкостный преобразователь реализует ту же, что и у прототипа, оптимальную для емкостных датчиков функцию измерения E= K , где К - коэффициент пропорциональности, которая обеспечивает существенную независимость от частоты диэлектрической проницаемости , а также помимо обеспечения общей линейности передаточной характеристики для датчика с линейной функцией преобразования С = КX, емкостный преобразователь обеспечивает существенную линеаризацию передаточной характеристики для использования датчика 7 с нелинейной функцией преобразования С = f(X) (как результат деления нелинейности на нелинейность). Это следует, если уравнение ₁ = = ₂ выразить через С₁, С₂ и их токи ^{= const}, отсюда I= I₀ , так как I= , то E= = KI₀ . Здесь К₁ - коэффициент передачи масштабирующего функционального преобразователя 2;
R - величина сопротивления токозадающего резистора 29. Преобразователь 2 формирует дифференциально-изменяемые напряжения U₁ = KU_o K₁E, U₂ = KU_o K₁E (знаки соответствуют положительным и отрицательным перемещениям X), которые в свою очередь задают значения токов на резисторе 29 I₁ = I_o I, I₂ = I_o I по уравнению I_1,2= , обеспечивая при этом повторение изменений емкостей С₁ и С₂. Повышение точности реализации функции измерения выражается в уменьшении как дополнительной, так и основной погрешности преобразования. Уменьшение дополнительной погрешности вызвано действием обратной связи в замкнутой структуре емкостного преобразователя. Если f - в общем случае один из нестабильных параметров любого функционального узла, то результатом его прохождения на выход устройства будет величина
E= f, где K_раз - коэффициент передачи прямой цепи преобразования:
- коэффициент процорциональности. Результатом прохождения того же значения f на выход устройства-прототипа будет большая величина
К_раз f. Известно, что нестабильность (дополнительная погрешность) подобных схем определяется в основном нестабильностью применяемого в них источника опорного напряжения U_o (например, нестабильностью применяемого стабилитрона). В емкостном преобразователе источник формирует значение токов заряда емкостей датчика 7 и среднее значение напряжения на выходе фильтра 5. Однако схема емкостного преобразователя позволяет существенно минимизировать влияние нестабильности источника на значение токов заряда и среднего значения на выходе фильтра. Стабилизация токов заряда вызвана введением дополнительной связи. В этом случае, при применении источника 9 с согласованными изменениями опорных напряжений U_o при действии дестабилизирующих факторов, потенциалы обоих выводов токозадающего резистора 29 будут изменяться только согласованно, сохраняя при этом ток заряда практически неизменным
I_1,2= , (при этом под согласованным источником опорного напряжения понимается тот, опорные напряжения которого +U_o и -U_o при действии дестабилизирующих факторов (например, температуры) "плывут" согласованно, либо увеличиваясь оба, либо уменьшаясь. Построение емкостного преобразователя по слежению за нулевым средним значением на выходе фильтра 5
U_ф= = 0 путем обеспечения постоянства ₁= ₂ означает независимость результата измерений от той же нестабильности источника опорного напряжения U_o в канале выделения среднего значения U_ф. В прототипе то же согласованное изменение опорных напряжений U_o источника двуполярного напряжения вызывает составляющую погрешность, поскольку среднее значение напряжения на выходе первого фильтра будет уже функцией не только разности (₁-₂), но и возможного изменения согласованного опорного напряжения, изменение которого учитывается на выходе в соответствии с уравнением E= K U₀ . Уменьшение основной погрешности вызвано отсутствием в схеме непосредственно отдельного узла деления (С₁-С₂) на (С₁+С₂), присутствие которого всегда сопровождается составляющей погрешности деления. В предлагаемом решении величина (С₁+С₂) формируется эквива- лентным значением суммы токов I₁ = I_o + I и I₂ = I_o - I, так что их суммарная величина (I₁+I₂) = 2I_o, действующая в обратной связи, эквивалентна сумме (С₁+С₂), поскольку изменения токов полностью повторяют изменения емкостей
. (56) Авторское свидетельство СССР N 1168874, кл. G 01 R 27/26, 1983.

Формула изобретения

ЕМКОСТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий дифференциальный датчик, имеющий два конденсатора, выходы которых последовательно соединены с времязадающими входами модулятора, управляемыми входами коммутатора, и фильтром, генератор тактовых импульсов, выходы которого соединены с управляющими входами модулятора, источник двуполярного напряжения, плюсовой и минусовой выходы которого соединены с первым и вторым коммутируемыми входами коммутатора, а нулевой выход которого соединен с третьим коммутируемым входом коммутатора и общей шиной, дифференциальный интегратор, выход которого является выходом емкостного преобразователя, блок заряда, выходы которого соединены с времязадающими входами модулятора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введен масштабирующий функциональный преобразователь, блок заряда выполнен в виде двухканального дифференциального управляемого источника тока, а в качестве модулятора использован широтно-импульсный модулятор, причем управляющий вход масштабирующего функционального преобразователя соединен с выходом дифференциального интегратора, а масштабирующий вход его с минусовым выходом источника двуполярного напряжения, выходы которого соединены с управляющими входами двухканального дифференциального управляемого источника тока, опорный вход двухканального дифференциального управляемого источника тока соединен с плюсовым выходом источника двуполярного напряжения, выход фильтра соединен с инвертирующим входом дифференциального интегратора, инвертирующий вход которого является входом для подключения источника напряжения установки нуля.

РИСУНКИ

Рисунок 1

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 10-2002

Извещение опубликовано: 10.04.2002        

---