RU2110074C1

RU2110074C1 - Method measuring electric capacitance between two conductive bodies and device for its realization

Info

Publication number: RU2110074C1
Application number: RU95109592A
Authority: RU
Inventors: Н.И. Горбатенко; В.Е. Кириевский
Original assignee: Новочеркасский государственный технический университет
Priority date: 1995-06-07
Filing date: 1995-06-07
Publication date: 1998-04-27
Also published as: RU95109592A

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: measuring shunt is disconnected before start of measurement and alternating compensation current equal in frequency and opposite in phase to current flowing in circuit formed by measured capacitance and parasitic capacitance between one of bodies and " ground "is formed in circuit of measured capacitance. Value of compensation current is changed so that resulting current in mentioned circuit decreases to zero. After this measuring shunt is again connected to midpoint of divider. Device for realization of method has alternating voltage generator 1, measuring shunt 2, voltmeter 3, computer 4, controlled key 5, comparator 6, controlled voltage source 7, voltage-to-capacitance converter 8, negative impedance converter 9 and control unit 10. Controlled voltage source includes generator 11 of unipolar rectangular pulses, reversible counter 12 and digital-to-analog converter 13. EFFECT: increased accuracy thanks to elimination of influence of parasitic capacitances. 2 cl, 5 dwg

Description

Предлагаемый способ относится к измерению электрических величин, в частности емкости, и касается преимущественно измерения емкости между двумя проводящими телами произвольной конфигурации в условиях, когда одно из тел или оба тела имеют паразитную емкостную электрическую связь с "землей", причем величина паразитной емкости соизмерима или существенно превышает величину измеряемой емкости, например, при измерении электрической емкости между контактами коммутационных аппаратов в процессе их диагностирования. The proposed method relates to the measurement of electrical quantities, in particular capacitance, and mainly concerns the measurement of capacitance between two conductive bodies of arbitrary configuration under conditions when one of the bodies or both bodies has parasitic capacitive electrical connection with the ground, and the magnitude of the parasitic capacitance is comparable or substantially exceeds the value of the measured capacitance, for example, when measuring the electric capacitance between the contacts of switching devices in the process of diagnosing them.

Известен способ измерения электрической емкости (Хромой Б.П., Моисеев Ю. Г. Электрорадиоизмерения. М. : Радио и связь, 1985, с. 203), основанный на измерении частоты сигнала высокочастотного генератора, в частотно-задающую цепь которого включена измеряемая емкость. При этом значение измеряемой емкости определяется как функция частоты сигнала на выходе генератора. A known method of measuring electric capacitance (Khromoi B.P., Moiseev Yu. G. Electroradio measurements. M.: Radio and communication, 1985, p. 203), based on measuring the frequency of a signal of a high-frequency generator, in the frequency-setting circuit of which is included the measured capacitance . The value of the measured capacitance is determined as a function of the frequency of the signal at the output of the generator.

Недостатками известного способа являются узкий диапазон измеряемых емкостей, а также высокая погрешность измерения, связанная с нестабильностью частоты генератора и нелинейностью его характеристики. The disadvantages of this method are the narrow range of the measured capacitances, as well as the high measurement error associated with the instability of the frequency of the generator and the non-linearity of its characteristics.

Известен также мостовой способ измерения емкости (см. там же с. 199), который основан на включении измеряемой емкости в состав одного из плеч измерительного моста, питаемого переменным током, с последующим определением емкости по величине напряжения в измерительной диагонали моста. There is also a bridge method for measuring capacitance (see ibid., P. 199), which is based on the inclusion of the measured capacitance in one of the arms of the measuring bridge, powered by alternating current, with subsequent determination of the capacitance by the magnitude of the voltage in the measuring diagonal of the bridge.

Основной недостаток этого способа - узкий диапазон измеряемых емкостей при неизменных параметрах элементов моста и, как следствие, сложность применения способа при динамических измерениях быстроизменяющейся во времени электрической емкости. The main disadvantage of this method is the narrow range of the measured capacitances with constant parameters of the bridge elements and, as a consequence, the complexity of the method in dynamic measurements of a rapidly changing electric capacitance.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является лишенный отмеченных недостатков способ измерения электрической емкости, реализованный, например, в устройстве, описанном в кн. Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин, М.: Высш.шк., 1989, с. 302, рис. 13.18. Способ - прототип основан на измерении напряжения в средней точке делителя напряжения, образованного измеряемой емкостью и сопротивлением измерительного шунта и питаемого переменным напряжением. Значение измеряемой емкости вычисляется как функция от напряжения в средней точке делителя. The closest in technical essence to the proposed one is devoid of the noted drawbacks of the method of measuring electrical capacitance, implemented, for example, in the device described in the book. Atamalyan E.G. Instruments and methods for measuring electrical quantities, M .: Higher school, 1989, p. 302, fig. 13.18. Method - the prototype is based on measuring the voltage at the midpoint of the voltage divider formed by the measured capacitance and resistance of the measuring shunt and powered by alternating voltage. The value of the measured capacitance is calculated as a function of voltage at the midpoint of the divider.

Недостатком данного способа так же, как и описанных выше аналогов, является низкая точность измерения в случае, если измеряемая емкость имеет существенную емкостную связь с землей, что характерно для системы тел, разнесенных на значительное расстояние друг от друга. The disadvantage of this method, as well as the analogues described above, is the low accuracy of the measurement if the measured capacitance has a significant capacitive connection with the ground, which is typical for a system of bodies spaced a considerable distance from each other.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет исключения влияния паразитной емкости. The aim of the invention is to improve the accuracy of measurements by eliminating the influence of stray capacitance.

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения электрической емкости между двумя проводящими телами, основанном на измерении напряжения в средней точке делителя, образованного измеряемой емкостью и сопротивлением измерительного шунта и питаемого переменным напряжением, причем о значении измеряемой емкости судят по величине напряжения в средней точке вышеупомянутого делителя, дополнительно перед началом измерения отключают измерительный шунт и формируют в цепи измеряемой емкости переменный компенсирующий ток, равный по частоте и противоположный по фазе току, протекающему в цепи, образованной измеряемой емкостью и паразитной емкостью между одним из тел и "землей", изменяют значение компенсирующего тока таким образом, чтобы результирующий ток в упомянутой цепи уменьшился до нуля, после чего вновь подключают измерительный шунт и в средней точке делителя измеряют напряжение, по которому и судят о величине измеряемой емкости. This goal is achieved by the fact that in the method of measuring the electric capacitance between two conductive bodies, based on measuring the voltage at the midpoint of the divider, formed by the measured capacitance and the resistance of the measuring shunt and powered by an alternating voltage, the value of the measured capacitance is judged by the magnitude of the voltage at the midpoint of the above divider, in addition, before starting the measurement, the measuring shunt is turned off and an alternating compensating current equal to frequency and the phase opposite current flowing in the circuit formed by the measured capacitance and stray capacitance between one of the bodies and the ground, the value of the compensating current is changed so that the resulting current in the circuit decreases to zero, after which the measuring shunt is connected again and at the midpoint of the divider measure the voltage, by which they judge the value of the measured capacitance.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что в отличие от способа-прототипа, при котором влияние паразитной емкости между одним из тел и "землей" искажает результат измерения напряжения в средней точке делителя, образованного измерительным шунтом (далее по тексту "шунтом") и измеряемой емкостью, о значении которой судят именно по этому напряжению, в заявляемом способе путем формирования дополнительного (компенсирующего) тока в цепи измеряемой емкости добиваются практически полного исключения влияния упомянутой паразитной емкости. Таким образом, благодаря этому повышается точность измерения электрической емкости. The essence of the proposed method lies in the fact that, in contrast to the prototype method, in which the influence of the parasitic capacitance between one of the bodies and the "ground" distorts the result of measuring the voltage at the midpoint of the divider formed by the measuring shunt (hereinafter referred to as the "shunt") and measured capacitance, the value of which is judged precisely by this voltage, in the inventive method, by forming an additional (compensating) current in the circuit of the measured capacitance, the influence of the aforementioned parasitic capacitance is almost completely eliminated ty. Thus, due to this, the accuracy of measuring the electric capacitance is increased.

Сравнение отличительных признаков предлагаемого технического решения с известными техническими решениями не позволило выявить признаков, сходных с признаками заявленной совокупности, что дает возможность сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию "существенные отличия". Comparison of the distinguishing features of the proposed technical solution with the known technical solutions did not allow us to identify signs similar to those of the claimed combination, which makes it possible to conclude that the proposed technical solution meets the criterion of "significant differences".

На фиг.1 приведена схема измерения, реализующая способ - прототип, в идеализированном случае при отсутствии паразитной емкости между каждым из тел, емкость между которыми измеряется, и "землей"; на фиг.2 - схема измерения, реализующая способ - прототип, в реальном для практики случае при наличии паразитных емкостей между каждым из тел и "землей"; на фиг.3 - схема измерения емкости в соответствии с предлагаемым способом; на фиг.4 - структурная схема устройства, реализующего заявляемый способ измерения; на фиг.5 - функциональная схема управляемого источника напряжения (УИН), входящего в состав устройства, реализующего заявляемый способ (фиг.4). Figure 1 shows the measurement scheme that implements the prototype method, in the idealized case, in the absence of stray capacitance between each of the bodies, the capacitance between which is measured, and the "ground"; figure 2 - measurement scheme that implements the method is a prototype, in a real case for practice in the presence of stray capacitance between each of the bodies and the "ground"; figure 3 - diagram of the measurement of capacitance in accordance with the proposed method; figure 4 is a structural diagram of a device that implements the inventive method of measurement; figure 5 is a functional diagram of a controlled voltage source (UIN), which is part of a device that implements the inventive method (figure 4).

Как показано на фиг.1, суть способа -прототипа заключается в том, что с помощью высокочастотного генератора Г с выходным напряжением U_г и частотой f_г формируют в цепи измеряемой емкости C_x между проводящими телами и шунтом, полное сопротивление которого равняется Z_ш, переменный ток I, создающий на шунте как на плече делителя напряжения падение напряжения U_ш. Тогда, измерив с помощью вольтметра V напряжение U_ш, вычисляют соответствующее ему значение измеряемой емкости Cх с помощью вычислителя Выч. Для идеализированного случая (при отсутствии паразитных емкостей между проводящими телами и "землей") справедлива формула

где X_ш - модуль полного сопротивления шунта.As shown in figure 1, the essence of the prototype method is that using a high-frequency generator G with an output voltage of U _g and a frequency of f _g form in the circuit of the measured capacitance C _x between the conductive bodies and the shunt, the total resistance of which is equal to Z _W , alternating current I, creating a voltage drop U _w on the shunt as on the arm of the voltage divider Then, having measured the voltage U _w using a voltmeter V, calculate the corresponding value of the measured capacitance Cx using the calculator Calcul. For an idealized case (in the absence of parasitic capacitances between the conducting bodies and the "ground"), the formula

where X _W - the module of the impedance of the shunt.

Покажем справедливость выражения (1). Let us show the validity of expression (1).

Из схемы на фиг.1 видно, что

где

R_г - внутреннее сопротивление генератора. Ввиду малости его значения для генератора достаточно большой мощности полагаем R_г = 0.From the diagram in figure 1 shows that

Where

R _g - internal resistance of the generator. Due to the smallness of its value for a generator of sufficiently high power, we set R _g = 0.

Следовательно, падение напряжения на шунте

Из формулы (2) путем элементарных преобразований можно получить выражение (1). Очевидно, что для успешной реализации данного способа измерения значения величин X_x и X_ш должны быть соизмеримы. В самом деле, из (2) следует, что для любых значений Cх, при которых Xх>Xш, всегда Uш --> 0, а при Xх<Xш всегда Uш _→ Uг, что существенно затрудняет определение искомой емкости.Consequently, the voltage drop across the shunt

From the formula (2) by means of elementary transformations, we can obtain the expression (1). Obviously, for the successful implementation of this method of measurement, the values of X _x and X _W must be comparable. In fact, it follows from (2) that for any values of Cx for which Xx> Xsh, always Ush -> 0, and for Xx <Xsh always Ush _ → Ug, which significantly complicates the determination of the desired capacity.

Заметим, что для способа - прототипа не является принципиальным, в какое из плеч делителя включен шунт (2), так как это отразится только на виде математической зависимости между измеренным значением напряжения U_ш и определяемой емкостью C_x.Note that for the prototype method it is not critical which of the divider arms includes a shunt (2), since this will only affect the form of the mathematical relationship between the measured voltage value U _w and the determined capacitance C _x .

При выводе выражения (1) не учитывалось наличие паразитных емкостей между проводящими телами и "землей". Покажем влияние этих емкостей на точность измерения. In the derivation of expression (1), the presence of stray capacitances between conductive bodies and ground was not taken into account. We show the effect of these capacities on the measurement accuracy.

В реальном для практики случае, как показано на фиг.2, между проводящими телами и "землей" имеются паразитные емкости C_п1, C_п2 соответственно.In a real case for practice, as shown in FIG. 2, there are parasitic capacitances C _p1 , C _p2 between the conductive bodies and the “ground”, respectively.

С учетом этого выражения для соответствующих токов и напряжений схемы измерения согласно фиг.2 имеют вид

где X_п1, X_п2 - полные сопротивления паразитных емкостей C_п1 и C_п2 соответственно, причем

Полагая для генератора достаточно большой мощности справедливым условие Rг<Xп1, пренебрегаем емкостью C_п1, тогда выражение (3) можно записать в виде

Выполняя выкладки, аналогичные приведенным выше для идеализированного случая, получаем в соответствии со схемой фиг.2 выражение для измеряемой емкости в реальном случае

или после упрощения

Определим абсолютную погрешность измерения емкости C_x при использовании способа - прототипа из-за влияния паразитной емкости C_п2 как разность выражений (4) и (1) для реального и идеализированного случаев соответственно:

Определим значение относительной погрешности измерения, обусловленной влиянием паразитной емкости C_п2:

Таким образом, погрешность измерения емкости способом - прототипом будет пренебрежимо мала лишь при соблюдении условия Xш<Xп2. Учитывая вышеуказанное требование соизмеримости значений величин X_ш и X_x, очевидно, что данное условие будет соблюдаться только при Xх<Xп2 или, что то же, Cх>Cп2. В противном случае, т. е. при паразитных емкостях, соизмеримых или больших измеряемой емкости, способ - прототип имеет низкую точность измерения. Как показано на фиг.3, иллюстрирующей суть предлагаемого способа, по сравнению со способом - прототипом в схему измерения дополнительно введена цепь формирования компенсирующего тока ФКТ, с помощью которой особым образом создается ток компенсации Iк.With this expression in mind, for the corresponding currents and voltages, the measurement circuits according to FIG. 2 have the form

where X _p1 , X _p2 are the total resistance of stray capacitances C _p1 and C _p2, respectively, and

Assuming that the condition Rg <Xп1 is valid for a generator of sufficiently high power, we neglect the capacity C _п1 , then expression (3) can be written as

Performing calculations similar to those given above for the idealized case, we obtain, in accordance with the diagram of Fig. 2, an expression for the measured capacitance in the real case

or after simplification

We define the absolute error of measuring the capacitance C _x when using the prototype method due to the influence of stray capacitance C _p2 as the difference of expressions (4) and (1) for real and idealized cases, respectively:

Define the value of the relative measurement error due to the influence of stray capacitance C _p2 :

Thus, the error in measuring the capacitance by the method prototype will be negligible only if the condition Xw <Xn2 is met. Given the above requirement of the commensurability of the values of the values of X _W and X _x , it is obvious that this condition will be met only when Xx <Xn2 or, what is the same, Cx> Cn2. Otherwise, that is, with stray capacitances comparable or large to the measured capacitance, the prototype method has low measurement accuracy. As shown in figure 3, illustrating the essence of the proposed method, in comparison with the prototype method, a circuit for generating a compensating FCT current is additionally introduced into the measurement circuit, with which a compensation current Ik is created in a special way.

Покажем, что это обеспечивает сведение указанной погрешности к нулю. Действительно, для схемы, изображенной на фиг.3, по аналогии с (1) и (4) справедливо выражение

где X_к - модуль полного внутреннего сопротивления ФКТ.We show that this ensures that the indicated error is reduced to zero. Indeed, for the circuit depicted in Fig. 3, by analogy with (1) and (4), the expression

where X _to - the modulus of the total internal resistance of the FCT.

Пусть I_к = I_п2, тогда, учитывая, что I_п2 = U_ш/X_п2, а I_к = U_ш/X_к, получим условие компенсации паразитной емкости в виде
X_к = -X_п2. (7)
Подставляя (7) в (6), получим

что полностью идентично выражению (1) для измеряемой емкости в идеализированном случае, т. е.Let I _k = I _n2 , then, given that I _n2 = U _w / X _n2 , and I _k = U _w / X _k , we obtain the parasitic capacitance compensation condition in the form
X _k = -X _n2 . (7)
Substituting (7) into (6), we obtain

which is completely identical to expression (1) for the measured capacitance in the idealized case, i.e.

(Cх)_комп = (Cх)_ид,
следовательно, ΔCx = 0 и согласно (5) относительная погрешность измерения, обусловленная влиянием паразитной емкости, δ = 0.(Cx) _comp = (Cx) _id ,
therefore, ΔCx = 0 and, according to (5), the relative measurement error due to the influence of stray capacitance is δ = 0.

Записав условие (7) для комплексных сопротивлений, нетрудно видеть, что для полной компенсации паразитной емкости формирователь компенсирующего тока ФКТ должен обладать комплексным сопротивлением Z_к = -Z_п1, где Z_п1 - комплексное сопротивление паразитной емкости C_п1, т. е.Having written condition (7) for complex resistances, it is easy to see that for full compensation of the parasitic capacitance, the compensator of the compensating current of the FCT must have a complex resistance Z _k = -Z _p1 , where Z _p1 is the complex resistance of the parasitic capacitance C _p1 , i.e.

где

.

Where

.

Рассмотрим, каким образом в соответствии с предлагаемым способом измерения создают в цепи измеряемой емкости компенсирующий ток. Перед началом измерения напряжения в средней точке делителя отключают шунт Z_ш (фиг.3). При этом ток в цепи шунта становится равным нулю и, следовательно, ток через измеряемую емкость становится равным разности токов через паразитную емкость и компенсирующего, т. е. I_x = I_п2 -I_к. Далее изменяют значение тока I_к до тех пор, пока ток через измеряемую емкость не станет равным нулю, т. е. I_x = 0. Признаком этого может, например, служить нулевое падение напряжения на измеряемой емкости. После этого вновь подключают шунт Z_ш (фиг.3) и производят измерения падения напряжения на нем и определение значения измеряемой емкости по формуле (1) аналогично тому, как это делают в способе - прототипе.Let us consider how, in accordance with the proposed measurement method, a compensating current is created in the circuit of the measured capacitance. Before starting the voltage measurement at the midpoint of the divider, disconnect the shunt Z _w (Fig.3). In this case, the current in the shunt circuit becomes equal to zero and, therefore, the current through the measured capacitance becomes equal to the difference between the currents through the stray capacitance and the compensating current, i.e., I _x = I _n2 -I _k . Then, the current value I _{k is} changed until the current through the measured capacitance becomes equal to zero, that is, I _x = 0. A sign of this may, for example, be a zero voltage drop across the measured capacitance. After that, the shunt Z _{w is} reconnected (Fig. 3) and the voltage drop across it is measured and the value of the measured capacitance is determined by the formula (1) in the same way as in the prototype method.

Таким образом, введение по сравнению со способом - прототипом таких дополнительных операций, как отключение шунта перед началом измерений, формирование и изменение величины компенсирующего тока до выполнения условия равенства нулю тока через измеряемую емкость и повторное подключение шунта, обеспечивает снижение в пределе до нуля погрешности, обусловленной влиянием паразитной емкости между одним из проводящих тел и "землей", т. е. повышение точности измерения электрической емкости между двумя проводящими телами. Thus, the introduction, in comparison with the prototype method, of such additional operations as disconnecting the shunt before starting measurements, generating and changing the value of the compensating current until the condition for the current to be equal to zero through the measured capacitance and reconnecting the shunt, reduces the error due to zero the influence of parasitic capacitance between one of the conductive bodies and the ground, that is, an increase in the accuracy of measuring the electrical capacitance between two conductive bodies.

Устройство, реализующее предлагаемый способ измерения, содержит (фиг.4) генератор переменного напряжения Г 1, измерительный шунт 2, вольтметр V 3, вычислитель Выч. 4, управляемый ключ УК 5, компаратор К 6, управляемый источник напряжения УИН 7, преобразователь напряжение - емкость ПНЕ 8, конвертер отрицательного полного сопротивления КОПС 9 и блок управления БУ 10. К выходу Г 1 через измеряемую емкость C_x подключены первый вывод измерительного шунта 2 и вход вольтметра V 3, выход которого подключен к входу вычислителя Выч. 4. Второй вывод измерительного шунта 2 подключен к "земле" через управляемый ключ УК 5, вход управления которого подсоединен к первому выходу блока управления БУ 10. Второй выход БУ 10 подключен к входу запуска вольтметра V 3, а третий выход БУ 10 - к первому входу управляемого источника напряжения УИН 7. Выход УИН 7 подсоединен к входу преобразователя ПНЕ 8, а второй вход - к выходу компаратора К 6. Выход преобразователя ПНЕ 8 подключен к входу конвертера отрицательного полного сопротивления КОПС 9, а выход последнего соединен с первым выводом измерительного шунта 2. Кроме того, к первому и второму входам компаратора К 6 подключены соответственно выход генератора Г 1 и первый вывод измерительного шунта 2. Выход генератора Г 1 и первый вывод измерительного шунта 2 являются входом устройства в целом, а выход вычислителя Выч. 4 - выходом устройства.A device that implements the proposed measurement method comprises (Fig. 4) an alternating voltage generator G 1, a measuring shunt 2, a voltmeter V 3, a calculator Calcul. 4, a controlled key UK 5, a comparator K 6, a controlled voltage source UIN 7, a voltage-to-capacity converter PNE 8, a negative impedance converter KOPS 9 and a control unit BU 10. The first output of the measuring shunt is connected to the output G 1 through the measured capacitance C _x 2 and the input of the voltmeter V 3, the output of which is connected to the input of the calculator Calcul. 4. The second output of the measuring shunt 2 is connected to the ground through a controlled key UK 5, the control input of which is connected to the first output of the control unit BU 10. The second output of the control unit 10 is connected to the start input of the voltmeter V 3, and the third output of the control unit 10 to the first the input of the controlled voltage source UIN 7. The output of the UIN 7 is connected to the input of the PNE 8 converter, and the second input is to the output of the comparator K 6. The output of the PNE 8 converter is connected to the input of the negative impedance converter KOPS 9, and the output of the latter is connected to the first output shunt ceiling elements 2. Furthermore, the first and second inputs of the comparator K 6 are respectively connected to the output of the generator D 1 and the first terminal of the measuring shunt 2. Yield generator G 1 and the first terminal of the measuring shunt 2 are input devices in general, and the output of the calculator Calcd. 4 - device output.

Устройство работает следующим образом. Сигнал с выхода генератора Г 1 через измеряемую емкость C_x поступает на первый вывод измерительного шунта 2, второй вывод которого через коммутатор УК 5, управляемый блоком БУ 10, соединен с "землей". В исходном состоянии коммутатор замкнут. Перед измерением емкости БУ 10 подает команду на размыкание коммутатора и непосредственно вслед за этим сигнал запуска на первый вход УИН 7. Компаратор К 6 осуществляет сравнение поступающего на его первый вход напряжения U_г с выхода генератора Г 1 и напряжения U_ш, поступающего на второй вход с первого вывода шунта 2. Результат этого сравнения в виде логического сигнала (0 или 1) подается на второй вход УИН 7, который в зависимости от значения этого сигнала производит изменение напряжения на своем выходе в сторону увеличения или уменьшения. В частности, при выявлении компаратором соотношений напряжений U_г > U_ш или U_ш > U_г (что свидетельствует о наличии в цепи измеряемой емкости C_x подлежащего компенсации тока того или иного направления) происходит соответственно увеличение или уменьшение напряжения на выходе УИН 7. Напряжение с выхода УИН 7 поступает на вход ПНЕ 8, выходное сопротивление которого Z_пне имеет емкостной характер, причем величина этого сопротивления связана с напряжением U_уин на выходе УИН 7 соотношением

где k - коэффициент преобразования напряжение - емкость ПНЕ 8.The device operates as follows. The signal from the output of the generator G 1 through the measured capacitance C _{x is} supplied to the first output of the measuring shunt 2, the second output of which is connected to the ground via the UK 5 switch, controlled by the BU 10 unit. In the initial state, the switch is closed. Before measuring the capacitance, the BU 10 gives a command to open the switch and immediately after that the start signal to the first input of the UIN 7. The comparator K 6 compares the voltage U _g received from the output of the generator G 1 and the voltage U _w supplied to the second input from the first output of shunt 2. The result of this comparison in the form of a logical signal (0 or 1) is fed to the second input of the UIN 7, which, depending on the value of this signal, produces a voltage change at its output in the direction of increase or decrease. In particular, when the comparator reveals the voltage ratios U _g > U _w or U _w > U _g (which indicates the presence in the circuit of the measured capacitance C _{x of the} current to be compensated in one direction or another), the voltage at the output of the UI 7 increases or decreases accordingly. Voltage UIN output 7 to the input 8 stump, which output impedance Z is capacitive _stub, wherein the magnitude of this resistance is related to U _yin output voltage UIN ratio 7

where k is the conversion coefficient voltage - capacity PNE 8.

Преобразователь ПНЕ 8, в свою очередь, нагружен на вход конвертера КОПС 9, выходное сопротивление которого Z_к связано с сопротивлением Z_пне соотношением Z_к = - Z_пне, т. е.NUP converter 8, in turn, is loaded to the input COPS converter 9, the output impedance Z which is connected _{to the} impedance Z from _{the stump} _{to the} ratio Z = - Z _stump, ie..

Напряжение на выходе УИН 7, а значит, и выходное сопротивление КОПС 9 будут изменяться до тех пор, пока напряжение на выходе генератора не сравняется с напряжением на первом выводе шунта, т. е. U_г = U_ш, что свидетельствует о том, что ток I_x через измеряемую емкость C_x равен нулю.

The voltage at the output of the UIN 7, and hence the output resistance of the COPS 9, will change until the voltage at the output of the generator is equal to the voltage at the first output of the shunt, i.e., U _g = U _w , which indicates that the current I _x through the measured capacitance C _x is zero.

Решая совместно (9) и (8), получим условие полной компенсации паразитной емкости для устройства, изображенного на фиг.4:

По прошествии некоторого периода времени, заведомо достаточного для установления определяемого (10) значения напряжения на выходе УИН 7, блок управления БУ 10 подает сигнал на первый вход УИН 7, после чего последний прекращает реагировать на состояние своего второго входа и сохраняет на время последующего измерения емкости текущее значение напряжения на выходе. Далее БУ 10 с первого выхода подает команду на замыкание УК 5, в результате чего шунт 2 вновь оказывается подключенным к "земле", образуя совместно с измеряемой емкостью C_x делитель напряжения. После этого БУ 10 с второго выхода запускает вольтметр V 3, который осуществляет измерение напряжения U_ш в средней точке упомянутого делителя. При этом результат измерения благодаря выполненной компенсации тока через паразитную емкость C_п2 не зависит от ее влияния. Важно отметить, что величина паразитной емкости при этом не имеет значения и может существенно превышать величину измеряемой емкости при неизменной точности измерения. При использовании для реализации устройства современной элементной базы процессы компенсации и измерения протекают столь быстро, что возможные отклонения паразитной емкости в процессе измерения от того значения, на которое "настраивается" схема перед измерением, малы и не могут оказать сколько-нибудь существенного влияния на точность измерений. Вычислитель Выч. 4 осуществляет расчет значения измеряемой емкости в соответствии с формулой (1) по величине измеренного вольтметром V 3 напряжения U_ш.Solving together (9) and (8), we obtain the condition for the complete compensation of parasitic capacitance for the device shown in Fig. 4:

After a certain period of time, which is known to be sufficient to establish the determined (10) voltage value at the output of the UIN 7, the control unit BU 10 sends a signal to the first input of the UIN 7, after which the latter stops responding to the state of its second input and saves it for the time of the subsequent capacitance measurement current output voltage value. Next, the control unit 10 sends a command to close the UK 5 from the first output, as a result of which the shunt 2 is again connected to the ground, forming, together with the measured capacitance C _x, a voltage divider. After that, the control unit 10 starts the voltmeter V 3 from the second output, which measures the voltage U _w at the midpoint of the said divider. Moreover, the measurement result due to the compensation of the current through the stray capacitance C _p2 does not depend on its influence. It is important to note that the value of the parasitic capacitance in this case does not matter and can significantly exceed the value of the measured capacitance with constant measurement accuracy. When a modern element base is used to implement the device, the compensation and measurement processes are so fast that the possible deviations of the parasitic capacitance during the measurement from the value to which the circuit is “tuned” before measurement are small and cannot have any significant effect on the measurement accuracy . Calculator Calcul. 4 calculates the value of the measured capacitance in accordance with formula (1) according to the value of the voltage U _w measured with a voltmeter V 3.

Выше было рассмотрено применение предлагаемого устройства для однократного измерения, однако оно может использоваться в случае, когда необходимо определять значения емкости, изменяющейся во времени, т. е. для динамических измерений. Для этого достаточно многократно повторять описанную последовательность операций способа, что легко реализовать при выполнении БУ 10 в виде программируемого устройства на базе микропроцессора. The application of the proposed device for a single measurement was considered above, however, it can be used in the case when it is necessary to determine the values of capacitance that changes in time, i.e., for dynamic measurements. To do this, it is enough to repeatedly repeat the described sequence of operations of the method, which is easy to implement when executing BU 10 in the form of a programmable device based on a microprocessor.

Преобразователь напряжение - емкость ПНЕ 8 может быть выполнен на базе варикапа (полупроводникового прибора с управляемой напряжением внутренней емкостью). Конвертер отрицательного полного сопротивления КОПС 9 может быть выполнен, например, по схеме, приведенной в кн. : Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники - М.: Мир, 1983, т.1, с. 252, рис.4.4. The voltage-to-capacity converter PNE 8 can be made on the basis of a varicap (a semiconductor device with a voltage-controlled internal capacitance). Converter negative impedance COPS 9 can be performed, for example, according to the scheme shown in the book. : Horowitz P., Hill W. The Art of Circuit Engineering - M .: Mir, 1983, vol. 1, p. 252, Fig. 4.4.

Управляемый источник напряжения УИН 7 имеет следующие особенности выполнения. Он содержит (фиг.5) генератор однополярных прямоугольных импульсов ГИ 11, реверсивный счетчик РС 12 и цифроаналоговый преобразователь ЦАП 13. Управляющий вход ГИ 11 является первым входом управляемого источника напряжения УИН 7 (фиг.4). Выход ГИ 11 подключен к счетному входу РС 12, вход направления счета которого является вторым входом УИН 7. Выход РС 12 подключен к входу ЦАП 13, выход которого является выходом УИН 7. The controlled voltage source UIN 7 has the following performance features. It contains (Fig. 5) a generator of unipolar rectangular pulses GI 11, a reversible counter PC 12 and a digital-to-analog converter DAC 13. The control input GI 11 is the first input of a controlled voltage source UIN 7 (Fig. 4). The output of the GUI 11 is connected to the counting input of the PC 12, the input of the direction of counting of which is the second input of the UIN 7. The output of the PC 12 is connected to the input of the DAC 13, the output of which is the output of the UIN 7.

Управляемый источник напряжения УИН 7 работает следующим образом. В исходном состоянии на управляющий вход ГИ 11 (первый вход УИН 7) с третьего выхода БУ 10 (фиг.4) подается низкий логический уровень и импульсы на выходе ГИ 11 отсутствуют. При поступлении высокого логического уровня на управляющий вход ГИ 11 последний запускается, причем импульсы с его выхода подаются на счетный вход РС 12. С приходом каждого импульса двоичный код на выходе РС 12 увеличивается или уменьшается на единицу в зависимости от состояния входа направления счета РС 12 (высокий или низкий логический уровень соответственно). Двоичный код с выхода РС 12 поступает на ЦАП 13, который осуществляет преобразование этого кода в соответствующий ему уровень напряжения. При поступлении низкого уровня (сигнала запрета генерации) на управляющий вход ГИ 11 последний прекращает генерировать импульсы. Двоичный код на выходе РС 12, а значит, и напряжение на выходе ЦАП 13 остаются на уровне, соответствующем приходу последнего импульса на счетный вход РС 12 до тех пор, пока на управляющий вход генератора ГИ 11 снова не придет высокий логический уровень, разрешающий его работу. Managed voltage source UIN 7 operates as follows. In the initial state, the control input of the GI 11 (the first input of the UIN 7) from the third output of the BU 10 (Fig. 4) is fed a low logic level and there are no pulses at the output of the GI 11. Upon receipt of a high logical level at the control input of ГИ 11, the latter is started, and the pulses from its output are fed to the counting input of PC 12. With the arrival of each pulse, the binary code at the output of PC 12 increases or decreases by one depending on the state of the input of the count direction PC 12 ( high or low logic level, respectively). The binary code from the output of the PC 12 is fed to the DAC 13, which converts this code into its corresponding voltage level. Upon receipt of a low level (signal inhibiting generation) at the control input of the GI 11, the latter stops generating pulses. The binary code at the output of the PC 12, and hence the voltage at the output of the DAC 13 remain at the level corresponding to the arrival of the last pulse to the counting input of the PC 12 until the high logic level again comes to the control input of the generator GI 11, allowing it to work .

Таким образом, в отличие от прототипа, обеспечивающего отстройку от влияния паразитной емкости только между одним из тел и "землей", предлагаемые способ и устройство для измерения электрической емкости между двумя проводящими телами обеспечивают повышение точности за счет значительного снижения влияния на результат измерения паразитных емкостей между обоими телами и "землей" соответственно. Thus, in contrast to the prototype, which provides detuning from the influence of parasitic capacitance only between one of the bodies and the ground, the proposed method and device for measuring the electric capacitance between two conductive bodies provide increased accuracy due to a significant reduction in the impact on the result of measuring stray capacitances between both bodies and the "earth", respectively.

Claims

1. The method of measuring the electric capacitance between two conductive bodies, based on measuring the voltage at the midpoint of the divider, formed by the measured capacitance and the resistance of the measuring shunt and supplied with alternating voltage, and the value of the measured capacitance is judged by the voltage at the midpoint of the divider, characterized in that Before measuring the voltage at the midpoint of the divider, the measuring shunt is turned off and an alternating compensating current is created in the circuit of the measured capacitance, equal in frequency and opposite The phase current flowing in the circuit formed by the measured capacitance and the parasitic capacitance between one of the bodies and the ground changes the value of the compensating current so that the resulting current in the circuit formed by the measured capacitance and the parasitic capacitance between one of the bodies and the ground , decreased to zero, reconnect the measuring shunt, and then measure the voltage at the midpoint of the divider.

2. A device for implementing the method of measuring electric capacitance between two conductive bodies according to claim 1, comprising an alternating voltage generator, the output of which is connected via the measured capacitance to the first output of the measuring shunt and the input of the voltmeter, the output connected to the input of the calculator, characterized in that it additionally equipped with a controlled key, a comparator controlled by a voltage source, a voltage-to-capacity converter, a negative impedance converter and a control unit, wherein The other output of the measuring shunt is connected to ground through a controlled key, the control input of which is connected to the first output of the control unit, the second output of which is connected to the start input of the voltmeter, and the third output is connected to the first input of the controlled voltage source, the output of which is connected to the voltage converter input is the capacitance, and the second input is to the output of the comparator, and the voltage-capacitance converter output is connected to the input of the negative impedance converter, the output of which is connected to the first output ohm of the measuring shunt, in addition, the output of the alternating voltage generator and the first output of the measuring shunt are respectively connected to the first and second inputs of the comparator.

3. The device according to claim 2, characterized in that the controlled voltage source comprises a unipolar rectangular pulse generator, a reversible counter and a digital-to-analog converter, the control input of a unipolar rectangular pulse generator being the first input of a controlled voltage source, the output of a unipolar rectangular pulse generator connected to the counting input a reversible counter, the input of the direction of counting of which is the second input of a controlled voltage source, in addition, the output of the -intensity meter is connected to the input of the digital to analog converter whose output is the output of the controllable voltage source.