Способ определения емкости датчика и измерительная цепь для его осуществления
METHOD FOR DETERMINING CAPACITANCE OF A SENSOR AND MEASURING CIRCUIT FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а именно к определению емкости емкостного датчика и может быть использовано для преобразования параметров емкостных датчиков в код.
Ожидаемый технический результат при осуществлении изобретения – повышение точности определения емкости емкостного датчика, достигается формированием двух гармонических напряжений на измеряемой и образцовой емкостях датчика, сдвинутых относительно друг друга на 90 градусов, измерении их значений при равенстве нулю выходного напряжения усилителя, причем такие измерения проводятся дважды с переключением  во втором такте входных напряжений с измеряемой емкости на образцовую, а с образцовой на измеряемую, а числовое значение измеряемой емкости определяется по результатам полученных значений напряжений.
Известен преобразователь информативного параметра емкостного датчика, в котором для повышения точности преобразования информативного параметра осуществляют два последовательных такта измерения [1]. В первом такте к входу усилителя подключена опорная емкость, на которую от первой обмотки трансформатора подается синусоидальное напряжение и выходное напряжение усилителя пропорционально опорной емкости. Во втором такте к входу усилителя подключается так же измеряемая емкость, на которую от второй обмотки  трансформатора подается противофазное синусоидальное напряжение. В данном случае напряжение на выходе усилителя определяется разностью измеряемой и опорной емкостей датчика. Повышение точности преобразования информативного параметра достигается путем логометрической коррекции от результата деления данных напряжений.
К недостаткам аналога относится неполная коррекция погрешности преобразования, а лишь ее снижение вследствие предлагаемого алгоритма. Кроме того, учитывая комплексное значения коэффициента усиления усилителя погрешность преобразования является так же комплексной величиной, и использование предложенного алгоритма является неэффективным для коррекции комплексной погрешности преобразования.
Наиболее близким по техническому существу и достигаемому положительному эффекту к заявляемому способу является преобразователь емкости датчика в частоту, в котором на измеряемую и образцовую емкости датчика, подключенные к входу усилителя, подаются гармонические напряжения, сдвинутые друг относительно друга на 90 градусов [2]. Синфазный и квадратурный фазочувствительные выпрямители выделяют действительную и мнимую составляющие выходного напряжения усилителя, а по сигналу с выхода схемы сравнения изменяется частота генератора до тех пор, пока эти составляющие не станут равны. Значение частоты на выходе генератора зависит от постоянной времени используемого фазовращателя, измеряемой и образцовой емкостей датчика.
f
1
Использование прототипа не позволяет скорректировать погрешность преобразования в случае комплексного значения коэффициента усиления используемого операционного усилителя (ОУ). Как известно, в активной полосе частот начиная с нескольких десятков герц и вплоть до частоты единичного усиления логарифмическая амплитудно-частотная характеристика операционного усилителя имеет спад -6 дБ/октава (или -20 дБ/декада), а следовательно, коэффициент усиления является чисто мнимой величиной и рассчитывается из выражения
Модуль коэффициента усиления ОУ равен
- рабочая частота.
С учетом сказанного, исходное уравнение для расчета выходной частоты генератора прототипа, без учета емкости кабеля связи, будет иметь вид
,
U
U
о
1
где  – измеряемая и образцовая емкости датчика – сопротивление обратной связи усилителя,  – комплексное действующее значение опорного напряжения,  – комплексное действующее значение выходного напряжения усилителя.
Откуда частота выходного напряжения генератора определяется выражением
Здесь   погрешность преобразователя емкости датчика в частоту
которая зависит от рабочей частоты и коэффициента усиления используемого ОУ.
Следовательно, использование прототипа не позволяет скорректировать погрешность преобразования в случае комплексного значения коэффициента усиления используемого ОУ. Кроме того, наличие обратной связи требует настройки преобразователя и дополнительного времени на перестройку частоты для обеспечения равенства синфазной и квадратурной составляющих выходного напряжения усилителя.
Целью предлагаемого способа определения емкости датчика является повышение точности, заключающееся в возможности определения измеряемой емкости датчика при использовании схемы прямого преобразования на любой рабочей частоте.
Это достигается за счет того, что в известном преобразователе емкости датчика в частоту формируются два гармонических напряжения на измеряемой и образцовой емкостях датчика, сдвинутых относительно друг друга на 90 градусов, но в отличии от прототипа осуществляют измерения этих напряжений при равенстве нулю выходного напряжения усилителя, причем такие измерения проводятся дважды с переключением  во втором такте входных напряжений с измеряемой емкости на образцовую, а с образцовой на измеряемую, а числовое значение измеряемой емкости определяется по результатам полученных значений напряжений.
Совокупность признаков, позволяющая в заявляемом способе использовать двухтактные измерения подаваемых напряжений при их переключении и равенстве нулю выходного напряжения усилителя, позволяют, в отличие от прототипа, получить существенные преимущества в компенсации погрешности определения емкости датчика.
При практической реализации заявляемого способа предложено процедуры измерения входных напряжений и определение емкости датчика осуществлять на основе микроконтроллера. Последний также управляет всеми режимами работы: процессом формирования двух гармонических напряжений и их переключением; определением моментов времени измерения напряжений, а также расчетом измеряемой емкости датчика по заданному алгоритму.
На фиг.1 приведена схема измерительной цепи, к которой подключается емкостной датчик. Здесь: БФН – блок формирования гармонических напряжений, У – усилитель, выполненный на базе ОУ  , МК – микроконтроллер.
Рассмотрим реализацию способа. Прежде всего МК обеспечивает в первом такте работы формирование на выходе БФН двух комплексных напряжений  и  на измеряемой  и опорной  емкостях датчика соответственно.
,
где  – амплитудное значение напряжений  и .
При формировании указанных напряжений осуществляется фазовое управление по шине управления изменением напряжений на выходе БФН. Выходное напряжение ОУ может быть найдено из системы уравнений
Подставим второе уравнение системы (2) в первое и учтем, что коэффициент усиления имеет комплексное значение согласно уравнению (1)
где:
После преобразования выходное напряжение усилителя может быть найдено из выражения
Здесь:
.
После этого производится измерение входных напряжений, поступающих на  и , которые так же подаются на входы аналого-цифрового преобразователя AD0 и AD1 микроконтроллера. При этом указанные измерения проводятся при равенстве нулю выходного напряжения усилителя, что фиксируется встроенным в МК компаратором, на один из выводов которого AIN1 подается напряжение с выхода усилителя, а другой – AIN0 соединен с общим проводом, имеющим нулевой потенциал. На фиг 2, а проиллюстрирована векторная диаграмма для данного случая  . Анализ векторной диаграммы (фиг.2, а) показывает, что выполняется равенство отрезков, отсекаемых на мнимой оси составляющими выходного напряжения и справедливо выражение
где:
,
U
U
t
1,
2 –
1
мнимые составляющие напряжений на измеряемой и опорной емкостях в первом такте при фазе ɷ.
После этого производится переключение подаваемых напряжений и на  будет подаваться , а на  – . После чего производится повторное измерение входных напряжений при нулевом напряжении с выхода усилителя. Фаза при этом будет иной и равной  . Анализ векторной диаграммы на фиг.2, б показывает, что для данного случая будет справедливо следующее выражение
где:
,
U
U
t
3
4
2
,  – мнимые составляющие напряжений на измеряемой и опорной емкостях во втором такте при фазе ɷ.
Числовое значение емкости датчика определяется из решения системы уравнений (3) и (4) по одному из следующих выражений
или
Для подтверждения заявляемого свойства предложенного способа преобразования в программе Mathcad было проведено моделирование процесса преобразования. Результаты приведены ниже.
Источники информации
1. Патент РФ на изобретение №1822986, кл. G 01 R 27/26, опубл. 23.06.1993.
2.  Патент РФ на изобретение №1827647, кл. G 01 R 27/26, опубл. 15.07.1993.