ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЁМКОСТИ В НАПРЯЖЕНИЕ
Описан простой измерительный преобразователь ёмкости в напряжение, работающий по принципу уравновешивания зарядов. Технические данные преобразователя: нелинейность функции преобразования <0,1% при изменении постоянного выходного напряжения от 2,25 до 9 В; погрешность от изменения паразитной ёмкости <0,2%/1 нФ в диапазоне изменения измеряемой ёмкости 0,5..2 пФ и <0,03%/1 нФ - в диапазоне 5..20 пФ; температурная погрешность <0,1%/10°С.
При использовании ёмкостных датчиков возникает задача исключения влияния ёмкости линии связи датчика с измерительной аппаратурой. Размещение измерительного преобразователя ёмкости в корпусе датчика [1] не исключает полностью так называемые паразитные ёмкости и неприемлемо во многих случаях эксплуатации датчика. Достижение нечувствительности к паразитным ёмкостям в трансформаторных измерительных мостах [2] требует сложной аппаратуры.
Рис.1. Принципиальная схема измерительного преобразователя.
М1 - КР590КН7, М2 - К564ЛЕ5, M3 - К564ТМ2, М4, М6 - К544УД2А, М5 - КР590КН4; Д - Д818Е; С0 = 0,5 пФ (5 пФ) для диапазона изменения Сх 0,5..2 пФ (5..20 пФ), С1 = 22 пФ (510 пФ) при частоте коммутации 50 кГц (5 кГц)
Описываемый измерительный преобразователь отличается простотой конструкции и высокой точностью. Влияние паразитных ёмкостей незначительно даже при их тысячекратном превышении ёмкости датчика, составляющей десятые доли пикофарады. Принцип действия преобразователя основан на уравновешивании зарядов, формируемых опорным и измерительным конденсаторами. Принципиальная схема преобразователя приведена на рис. 1. Устройство работает следующим образом. На опорный C0 и измерительный Сх конденсаторы подаются импульсы напряжения, которые формируются коммутатором М1 из опорного и выходного напряжений. Разность зарядов, формируемая при этом конденсаторами C0 и Cx, преобразуется в импульсы напряжения. Преобразователь заряда в напряжение выполнен на операционном усилителе M4. Импульсы напряжения с выхода М4 накапливаются в дискретном интеграторе, выполненном на операционном усилителе M6, коммутаторе М5 и конденсаторах С2, С3. Синхронная работа коммутаторов М1, М5 обеспечивает детектирование выходного напряжения преобразователя заряда и его интегрирование.
Установившийся режим работы характеризуется равенством зарядов на конденсаторах C0 и Сх: U0C0 = -UвыхСх. При этом напряжение на выходе M4 близко к нулю. Передаточная функция преобразователя имеет вид Uвых = -U0C0/Cх и не зависит от параметров прямой цепи преобразования. В установившемся режиме коэффициент передачи дискретного интегратора равен коэффициенту усиления на постоянном токе операционного усилителя М6, что главным образом и определяет малое влияние паразитной ёмкости Cп2. Наличие паразитной ёмкости Сп1 приводит к завалу фронтов импульсов напряжения, подаваемых на конденсатор Сх, и соответственно к появлению выбросов на выходе М4 (рис. 2). Для предотвращения проникновения этих выбросов на выход дискретного интегратора осуществляется стробирование передачи заряда в конденсатор С3. Работа коммутаторов М1, М5 управляется устройством на микросхемах М2, М3.
Рис. 2. Временные диаграммы работы измерительного преобразователя.
Описанный преобразователь, предназначенный для работы с ёмкостными датчиками, имеющими гиперболическую зависимость ёмкости от измеряемой величины, исследовался в двух диапазонах изменения ёмкости: 0,5..2 и 5..20 пФ. Частота, коммутации M1, М5 задавалась от 5 до 50 кГц. Во всех случаях нелинейность функции преобразования Uвых = f(Cx-1) не превышала 0,1% при изменении выходного напряжения от 2,25 до 9 В. Температурная погрешность в диапазоне изменения температуры 20...60° С не более 0,1%/10°С. В диапазоне изменения ёмкости датчика 0,5..2 пФ изменение паразитной ёмкости на 1 нФ приводило к погрешности преобразования, не превышающей 0,2%, а в диапазоне 5..20 пФ - 0,03%.
ЛИТЕРАТУРА
1. Харрисон Д., Димеф Д. Приборы для научных исследований, 1973, № 10, с. 21.
2. Гриневич Ф. Б., Сурду М. Н., Войченко Г. И., Зацеркивный 3. А. Техническая электродинамика, 1980, № 3, с. 73.
ЧЕРЕДОВ А. И., КЛЕМЕНТЬЕВ А. В.
Ленинградский политехнический институт, 1983 г.