Качество системы автоматического контроля и управления во многом определяется совершенством измерительного преобразователя. В предлагаемой статье приводится описание запатентованного в России измерительного преобразователя емкости в постоянное напряжение.
Для измерения многих неэлектрических величин используют конденсаторные датчики, емкость которых изменяется в зависимости от контролируемой величины по определенным законам. Эти датчики сопрягают с измерительными устройствами через специальные измерительные преобразователи (ИП). 
На рис. 1 представлена принципиальная схема ИП емкости в постоянное напряжение [1]. ИП состоит из двух одно вибраторов G1 и G2 (микросхема КР1533АГЗ, два одновибратора в одном корпусе), которые включены по схеме кольцевого автогенератора [2].
Времязадающие цепи одновибраторов содержат резисторы R1, R2 и конденсаторы С1, С2, один из которых— измерительный, например конденсаторный датчик, другой — образцовый.
К инверсным выходам одновибраторов подключены интегрирующие звенья, состоящие из элементов R3, СЗ и R4, С4.
Принципиально безразлично, к каким выходам (прямым или инверсным) будут подключены интегрирующие звенья.
В данном случае интегрирующие звенья подключены к инверсным выходам. Для пояснения принципа работы ИП условимся, что интегрирующие звенья подключены к прямым выходам одновибраторов. Для повышения чувствительности в ИП введены резисторы положительной обратной связи R5 и R6. 
Одновибраторы формируют импульсы напряжения прямоугольной формы (рис. 2).
Длительности импульсов (для случая, когда резисторы обратной связи отсутствуют, т. е. R5 = R6 = °°) для первого и второго одновибраторов определяются: tn1 = kR1C1, tи2 = kR2C2, где k — коэффициент, характеризующий свойства конкретной микросхемы, например, для микросхемы КР1533АГЗ k = 0,45.
Из временных диаграмм (рис. 2) следует, что длительности пауз для первого и второго одновибраторов определяются: tп1 = tи2, tп2 = tи1.
Период следования импульсов для обоих одновибраторов одинаков и равен Т = tи1 + tи2. Напряжения на выходах первого и второго интегрирующих звеньев определяются:
U1 = U1tи1/T, U2 = U1tи2/T, где U1 — высокий уровень напряжения на выходах одновибраторов.
Между выходами интегрирующих звеньев формируется постоянное напряжение Uвыx = U1 - U2, значение и знак которого (для случая, когда R1 = R2) зависят от соотношения времязадающих емкостей С1 и С2. 
На рис. 3 представлены зависимости чувствительности (S. мВ/пФ) ИП для различных сопротивлений резисторов обратной связи Ro = R5 = R6 | при R1 = R2= R = 100 кОм.
Представленные зависимости были получены экспериментально при изменении емкости С1 (в качестве датчика) от 12 до 25 пФ.
Для случая, когда R1 = R2 = 100 кОм, С1 = С2 = 12 пФ, а резисторы обратной связи отсутствуют, ИП работает на частоте порядка 800 кГц.
Данный ИП без резисторов обратной связи применен в опытных образцах влагомеров семян различных сельскохозяйственных культур. Результаты эксплуатации влагомеров свидетельствуют о хороших метрологических свойствах ИП.
Рассматриваемый ИП был исследован в составе устройства с конденсаторным датчиком для измерения частоты вращения вала. Устройство регистрировало частоту вращения вала 12000 об/мин и более. ИП был выполнен на КМОП микросхеме HCF40988E (отечественный аналог К564АГ1) и работал при напряжении питания 12 В. В данном случае целесообразно применение резисторов обратной связи.
Предлагаемый ИП может быть использован для контроля емкости дифференциальных конденсаторных датчиков. В этом случае обкладки времязадающих конденсаторов С1 и С2 конструктивно входят в состав одного дифференциального конденсатора, а общая обкладка этого конденсатора соединяется с общим проводом.
Описываемый ИП может быть использован для измерения и контроля величин, где используются резистивные датчики. В этом случае в качестве одного из времязадающих резисторов включается резистивный датчик, а в качестве другого — образцовый, времязадающие конденсаторы — образцовые.
Значение емкости интегрирующих конденсаторов подбирают так, чтобы постоянная времени интегрирующего звена была на два порядка выше постоянной времени времязадающих элементов С2 и R2. Емкость С2 должна быть равна, в общем случае, начальной (исходной) емкости С1 датчика. При выборе сопротивления времязадающего резистора R2 необходимо учитывать диапазон рабочих значений сопротивления для этого резистора, приводимый заводом-изготовителем в технических условиях для конкретной микросхемы. Сопротивление резисторов обратной связи R5 и R6 подбирается в зависимости от необходимой чувствительности ИП (рис. 3).
А. Вострухин. И. Минаев
Литература:
1. А. В. Вострухин, И. Г. Минаев. Патент РФ № 2156472 на изобретение “Устройство для измерения электрической емкости”. - Бюллетень изобретений, 2000, № 26.
2. И. И. Петровский, А. В. Прибыльский, А. А. Троян и др. Логические ИС КР1533, КР1554. Справочник в двух частях. — М.: ТОО БИНОМ, 1993.
| 
