Вимірювач інформативного параметра ємнісного сенсора

Винахід відноситься до електровимірювальної техніки і призначений для вимірювання інформативного параметра(ємності) ємнісного первинного перетворювача(сенсора). Відомий вимірювач інформативного параметра ємнісного сеносора [Патент 6360. Цифровий вимірювач CLR - параметрів, опубл. в Бюл. №8 - 1, 1994р], що містить джерело тестового сигналу, перетворювач ємності сенсора в напругу, перший і другий фазоповертачі, перший і другий формувачі, перший і другий фазочутливі детектори, перший і другий фільтри нижніх частот і аналого-цифровий перетворювач, причому його тактовий вихід з'єднаний з входом джерела тестового сигналу, вихід якого з'єднаний з входом перетворювача, інформаційний вихід якого з'єднано з інформаційним входом першого фазочутливого детектора, до його виходу під'єднано перший фільтр нижніх частот, а керуючий вхід під'єднано до виходу першого формувача, опорний вхід перетворювача - з входом першого фазоповертача і інформаційним входом другого фазочутливого детектора, який виходом з'єднаний з другим фільтром нижніх, а керуючим входом - з виходом другого формувача. При проведенні дистанційних вимірювань фізичних величин за допомогою ємнісних сенсорів суттєвий вплив на результат вимірювання має поряд з інформативним параметром неінформативна ємність лінії зв'язку(з'єднувального кабеля). Для зменшення впливу з'єднувального кабеля в таких випадках сенсор під'єднують за тризатискачевою схемою. Однак, це не усуває похибки вимірювання, зумовленої неінформативною ємністю кабеля через неідеальність операційних перетворювачів, які використовуються в перетворювачі ємності сенсора в напругу, оскільки шунтується його вхід. Із збільшенням частоти тестового сигналу такий вплив посилюється. Разом з тим в багатьох випадках неінформативна ємність, що шунтує вхід операційного підсилювача не є сталою, а змінюється залежно від різних впливних факторів як інформативного, так і неінформативного характеру. В основу винаходу поставлено завдання створити вимірювач інформативного параметра ємнісного сенсора, в якому введення нових елементів і звязків дозволило б підвищити точність вимірювання завдяки зменшенню впливу неінформативної ємності на результат вимірювання. Поставлене завдання вирішується тим, що у вимірювач інформативного параметра ємнісного сенсора, що містить джерело тестового сигналу, перетворювач ємності сенсора в напругу, перший і другий фазоповертачі, перший і другий формувачі, перший і другий фазочутливі детектори, перший і другий фільтри нижніх частот і аналого-цифровий перетворювач, причому його тактовий вихід з'єднаний з входом джерела тестового сигналу, вихід якого з'єднаний з входом перетворювача, інформаційний вихід якого з'єднано з інформаційним входом першого фазочутливого детектора, до його виходу під'єднано фільтр нижніх частот, а керуючий вхід під'єднано до виходу першого формувача, опорний вхід перетворювача - з входом першого фазоповертача і інформаційним входом другого фазочутливого детектора, виходом з'єднаного через другий фільтр нижніх частот з опорним входом аналого-цифрового перетворювача, а керуючим входом - з виходом другого формувача, згідно винаходу, додатково містить третій фазочутливий детектор і третій фільтр нижніх частот і суматор, який виходом з'єднаний з інформаційним входом аналого-цифрового перетворювача, першим входом - з виходом першого фільтра нижніх частот, а другим входом - через третій фільтр нижніх частот з виходом третього фазочутливого детектора, інформаційний вхід якого з'єднано з інформаційним входом перетворювача, а керуючий - з виходом другого формувача. Це дозволяє коригувати результат вимірювання інформативного параметра ємнісного сенсора. Поставлене завдання вирішується також тим, що перетворювач ємності сенсора в напругу містить перший і другий операційні підсилювачі, перший і другий резистори, конденсатор, зразковий резистор і має три затискачі для під'єднання сенсора, причому в коло від'ємного зворотнього зв'язку першого операційного підсилювача ввімкнуті паралельно з'єднані другий резистор і конденсатор, неінвертуючий вхід його має спільну точку з загальною шиною, а вихід його є виходом опорної напруги перетворювача і який з'єднано з другим затискачем і неінвертуючим входом другого підсилювача, інвертуючий вхід якого є входом перетворювача, а вихід - інформаційним виходом перетворювача, при цьому зразковий резистор ввімкнуто між ним і першим затискачем, до якого через перший резистор під'єднано інвертуючий вхід першого операційного підсилювача. Це дозволяє задавати необхідні значення коефіцієнтів підсилення та частоти одиничного підсилення першого операційного підсилювача, а тим самим зменшити вплив неінформативної ємності на результат вимірювання, отже підвищити точність вимірювання. На фіг.1. зображено структурну схему вимірювача інформативного параметра ємнісного сенсора, на фіг.2 - схему перетворювача ємності сенсора в напругу. Вимірювач містить джерело тестового сигналу 1, перетворювач ємності сенсора в напругу 2, перший 3 і другий 4 фазоповертачі, перший 5 і другий 6 формувачі, перший 7, другий 8 і третій 9 фазочутливі детектори, перший 10, другий 11 і третій 12 фільтри нижніх частот, суматор 13 та аналого-цифровий перетворювач 14. Інформаційний вихід перетворювача 2 з'єднаний з інформаційними входами відповідно першого та другого детекторів 7, 8, виходи яких відповідно через фільтри 10, 11 з'єднані з входами суматора 13. Вихід суматора 13 з'єдний з вимірювальним входом АЦП 14, опорний вхід якого через послідовно з'єднані детектор 9 і фільтр 12 під'єднано до опорного виходу перетворювача 2 та входів повертачів 3, 4. Вихід фазоповертача 3 через формувач 5 під'єднано до керуючого входу детектора 7, а вихід повертача 4 через формувач 6 з'єднаний з керуючими входами детекторів 8, 9. Джерело тестового сигналу 1 ввімкнуто між тактовим виходом АЦП 14 та входом перетворювача 2. Претворювач ємності сенсора в напругу 2 може бути виконаний на операщйних підсилювачах 15, 16, резисторах 17, 18, 19, конденсаторі 20 та затискачах 21, 22, 23 для під'єднання сенсора 24. Паралельно з'єднані резистор 18 і конденсатор 20 ввімкнуті між інвертуючим входом операційного підсилювача 15, який під'єднано через резистор 17 до затискача 22, та його виходом, з'єднаним з неінвертуючим підсилювачем 16 та затискачем 23 і який є виходом опорного сигналу. Неінвертуючий вхід підсилювача 15 з'єднано з затискачем 21 і загальною шиною і який з'єднаний з неінвертуючим входом операційного підсилювача 16, інвертуючий вхід якого є входом перетворювача, а вихід - виходом інформаційного сигналу. Ємнісний сенсор вмикається між затискачами 22 і 23, а його захисний електрод та екран з'єднувального кабеля з'єднаний з затискачем 21. Зразковий резистор 19 вмикається між виходом інформаційного сигналу та затискачем 22. Робота вимірювального пристрою полягає в наступному. Джерело тестового сигналу 1 з тактових імпульсі АЦП фіксованої частоти формує синусоїдальний тестовий сигнал фіксованого рівня, який подається на перетворювач 2. Перетворювач 2 ємності сенсора в напругу формує інформативну Ux та опорну Uo напруги. Для такого перетворювача, який може бути виконаний за схемою, наведеною на фіг.2, можна записати & & & (1) Ux = Ur - U0 k де k - коефіцієнт підсилення ОП2, Ur - напруга джерела тестового сигналу. З врахуванням реального коефіцієнта підсилення ОП1 k0 k= w 1 + jk 0 w1 ( ) де: ko - коефіцієнт підсилення ОП1 на постійному струмі; ω = 2pf, f - робоча частота(частота на якій проводиться вимірювання), ω 1 = 2pf 1; f 1 - частота одиничного підсилення ОП1. З урахуванням реального коефіцієнта підсиленя ОП1 його вихідна напруга & & U0 = -Ux 1 1 × j w C xR0 é æ 1 1 Ck öù wö æ ÷ ÷ ç ê1 + ç ç k + j w ÷ × ç1 + j w C R + Cx ÷ú 1ø è x 0 ê è 0 øú ë û (2) Звідки é æ 1 wö æ 1 C & & + j ÷ × ç1+ Ux = U0 j wCx R0 ê1 + ç + k ç w1 ÷ ç j wCx R0 Cx ê è k0 ø è ë öù ÷ú ÷ øú û (3) де: Сх, - ємність ЄПП, Ск - ємність кабеля(ємність між центральною жилою та екраном), R0 - зразковий резистор. Прирівнявши (1) і (3), отримаємо & & U0 = Ur 1 é æ 1 1 1 C öù wö æ 1 + j wCxR0 ê1 + ç + j ÷ × ç1 + + k ÷ú ç k j wCxR0 Cx ÷ú w1 ÷ ç ê è k0 øû ø è ë (4) Вирази (3) і (4) містять як активну, так і реактивну складові, що зумовлено неідеальністю операційного підсилювача ОП1 та диференційного підсилювача на ОП2. При великих значеннях коефіцієнта підсилення k диференційного підсилювача вираз (4) спрощується і тоді можна прийняти, що опорна напруга рівна напрузі джерела тестового сигналу, а інформативна напруга 1 C öù & & é æ 1 + j w ö × æ1+ ÷ ç + k ÷ú Ux = j wCxR 0Ur ê1 + ç ç w1 ÷ ç j w CxR0 Cx ÷ ú ê è k0 ø è øû ë (5) Напруга (5), яка пропорційна інформативному параметру подається на інформаційні входи детекторів 7 і 8, перший з яких виділяє з вхідного сигналу реактивну складову, а другий - активну. Для цього на керуючий вхід першого детектора подається опорна напруга (4) з виходу перетворювача, сформована формувачем 5 у вигляді "меандру" та з фазовим зсувом p/2 ± a. На керуючий вхід другого детектора 8 подається також опорна напруга сформована аналогічно формувачем 6 та з фазовим зсувом ±b. Фазовий зсув керуючих сигналів для режимів виділення реактивної та активної складових здійснюється фазоповертачами 3 та 4. Тобто, на виходах фазочутливих детекторів маємо ö æ 1 1 w U1 = lm(Ux ) = Ur ç wCxR0 + wCxR0 + + w CkR0 ÷k1 ÷ ç k0 w1 k 0 ø è æ 1 ö w w ÷ U 2 = Re (Ux ) = Ur ç ç k - w wC xR 0 - w wCkR 0 ÷k 2 è 0 ø 1 1 (6) (7) де: k1, k2 - відповідно коефіцієнт перетворення відповідно першого та другого фазочутливих детекторів. Постійні складові одержаних вихідних напруг(6, 7) детекторів, виділені фільтрами 10 та 11 подаються на суматор, в результаті чого при k1 = k2 = kF отримуємо 1 ö w æ ÷ wCxR0 + + ç wCxR0 + k0 w1 ÷ ç U4 = Ur kF ç ÷ 1 1 w w ÷ ç+ ç k wCkR0 + k - w w CxR0 - w wCkR0 ÷ 0 0 1 1 ø è З виразу (8) видно, що при рівності (8) 1 w = =A k 0 w1 æ 1 wö U4 = Ur kF ç wCxR0 + + ÷ = Urk F (w CxR0 + 2A ) ç w1 ÷ k ø è одержимо (9) що вказує на відсутність складової, що містить ємність кабеля. Тобто одержуємо результат, який є інваріантним до ненормативного параметра. Напруга з виходу суматора подається на інформаційний вхід АЦП На опорний вхід АЦП подається напруга, яка формується ФД3 та фільтром 12 з опорної напруги U0. На керуючий вхід детектора подається напруга, однакова з керуючою напругою детектора 8. Для АЦП з двотактним інтегруванням можна записати для даного випадку U4T0 = U0TХ UrkF(ωCXR0 + 2A)Т0 = Urk3TX де k3 - коефіцієнт перетворення третього фазочутливого детектора. Прийнявши kF = k3, одержимо Cx = Tx 2A T0w R0 w R0 (10) Останній член формули (10) - це похибка вимірювання. Оскільки похибка має адитивний характер при сталих значеннях встановлених параметрів А, ω, R0, то вона відомими способами може бути усунута. 1 w = k w1 забезпечується введенням в перетворювач резисторів R1, R2 і конденсатора С(фіг.2) за Рівність 0 допомогою яких можна задавати "нові" значення параметрів k0 і ω 1 для операційного підсилювача ОП1, а саме коефіцієнт підсилення та частоту одиничного підсилення. Вони визначаються такими співвідношеннями R2 1 k0 = w1 = (11) R1 , R1C Таким чином, забезпечується інваріантність результату вимірювання до неінформативної ємності. Разом з тим, необхідно відмітити, що в даному випадку можна досягти значно кращої стабільності "нових" параметрів, вибравши стабільними RC-елементи. Очевидно, що це стосується роботи перетворювачів на фіксованій робочій частоті. Зі зміною частоти тестового сигналу необхідно змінювати значення ємності С. З метою зменшення впливу параметрів вибраного ОП(коефіцієнт підсилення та частота одиничного підсилення) на встановлені "нові" параметри, розраховані за формулами (11) достатньо, щоб значення останніх були на порядок меншими від параметрів ОП. Водночас, такий спосіб вимірювання забезпечує взаємозамінність ОП, параметри яких мають широкий діапазон зміни значень своїх параметрів. Це не потребує додаткового налагоджування приладу при його ремонті. При цьому запас стійкості перетворювача, який працює в режимі неявного диференціатора збільшується, оскільки є можливість вибору RC-елементів, що заодно призводить до коригування характеристики ОП.